Основные направления развития систем команд

противоречивыми требованиями к размеру ячейки.
Параллельно развивались сложные методы адресации


Идея байтовой

памяти

компьютеры были чрезвычайно дороги и дефицитны

Происходило «погружение приёмов программирования в

аппаратуру» (аппаратный стек)

производительности компьютеров связано в основном с архитектурными решениями.

Появилась кэш-память и

конвейеры команд

Для конвейеров: сложные системы команд, многочисленные форматы команд, множество способов адресации

таких процессоров:
Стандартная длина всех команд, равная ширине шины данных
Небольшое число

различных команд
Малое число способов адресации
Малое число форматов команд
Обращение к памяти в командах производится не более одного раза-чтение или запись
Большое число регистров
Не менее 75% команд проходят каждое из устройств конвейера за один такт.

большим числом способов адресации при небольшом числе регистров общего назначения.

CISC-процессоры.

Сохранение простоты трансляции программ с языков высокого уровня

.

между командами, расположенными не слишком близко друг от друга.
Если число

регистров при 20 ступенях не больше 20, то конфликты по данным

RISC-архитектурой. Главная новинка – связки команд и пучки команд.

Связка команд

computing) — микропроцессорная архитектура с явным параллелизмом команд. Термин введён

в 1997 году альянсом HP и Intel для разрабатываемой архитектуры Intel Itanium.
Главное дополнение – предикация. Её назначение – предотвращение задержек конвейера при ветвлениях программы.
Каждая команда связки вкючает поле предиката

Команда с предикатом

позволяют запускать параллельно команды из разных ветвей условного ветвления вместо

того, чтобы ожидать формирования истинных признаков для выбора правильного направления или полагаться на блок предсказания переходов, рискуя прийти к необходимости перезагрузки достаточно длинных конвейеров в случае неудачного предсказания. При этом каждая команда снабжается специальным полем условия (предикатом). По мере определения истинных признаков ветвления те команды, предикаты которых указывали, что они выбраны из другой ветви, снимаются с обработки в конвейере. Результаты команд не записываются в приемник до определения правильности направления перехода.

EPIC-процессоре можно разместить больше регист ров, функциональных устройств и т.

п.
Процессор не тратит время на анализ потока команд.
Возможности процессора по анализу программы во время выполнения ограничены сравнительно небольшим участком программы, тогда как компилятор способен произвести анализ всей программы.
Если некоторая программа должна запускаться многократно (а именно так и бывает в подавляющем большинстве случаев), выгоднее распараллелить ее один раз при компиляции, а не тратить на это время каждый раз, когда она исполняется на процессоре.

раз и навсегда планируя вычисления. Однако даже при небольших изменениях

исходных данных путь выполнения программы существенно изменяется.
Значительно усложняются компиляторы, следовательно, увеличиваются время компиляции программы и число ошибок в самих компиляторах. Если первый фактор, учитывая высокое быстродействие современных компьютеров, не очень существенен, то на второй следует обратить определенное внимание. Исследования показывают, что к моменту поставки даже ответственного программного обеспечения в нем содержится примерно 1 ошибка на 10 000 строк исходного кода. Следовательно, программа из 500 тыс. строк будет содержать около 50 ошибок, как бы хорошо ни работали тестировщики. И эти ошибки могут проявиться самым неожиданным образом.
Производительность микропроцессора во многом определяется качеством компилятора. Правда, здесь необходимо четко определить, что понимается под производительностью, ведь количество операций, выполняемых микропроцессором в единицу времени, от компилятора не зависит. Но это тема будет особо рассмотрена далее.
Увеличивается сложность отладки, так как отлаживается не исходная программа, а оптимизированный параллельный код. Программисту тяжело определить место и причину появления ошибки, так как в процессе трансляции исходной программы ее отдельные команды будут переставлены компилятором для обеспечения оптимальности работы микропроцессора.

компанией Transmeta в конце 1990-x годов. Процессор был продемонстрирован публике

в январе 2000 года, реальное производство началось позже в том же году.
Для исполнения команд х86 используется программная эмуляция в виде виртуальной машины — технология, названная морфингом программного кодаДля исполнения команд х86 используется программная эмуляция в виде виртуальной машины — технология, названная морфингом программного кода. Сам процессор построен по VLIWДля исполнения команд х86 используется программная эмуляция в виде виртуальной машины — технология, названная морфингом программного кода. Сам процессор построен по VLIW-архитектуре и исполняет всегда единственную программу, написанную в его нативных кодах: транслятор команд х86, который переводит эти команды в VLIW-инструкции.
Теоретически процессор может быть переориентирован на эмуляцию любой другой архитектуры, но такое развитие маловероятно, так как аппаратура, очевидно, была оптимизирована для обработки именно х86.
Программная трансляция позволяет гибко изменять внутреннее устройство процессора, не нарушая его совместимости с целевой платформой. Например, Efficeon, следующее поколение семейства, имеет 256-разрядную организацию взамен 128-разрядной у оригинального Crusoe.
Программная эмуляция берет на себя многие функции, традиционно реализуемые аппаратно, например, суперскалярное (внеочередное) выполнение команд, благодаря чему аппаратная часть становится компактнее из-за меньшего количества транзисторов, а значит, потребляет меньше энергии и производит меньше тепла, чем у аналогичных процессоров.

Глобальные сети – Интернет (назначение и характеристика).
Серверы и хосты

в Интернете.
Системы передачи данных и их характеристики.
Варианты адресации компьютеров в сети.
Модель взаимодействия открытых систем.
Повторители, мосты, маршрутизаторы, шлюзы.
Что такое сетевая технология.

машин стали вехами в истории операционных систем?
2. В чем

состояло принципиальное отличие первых мониторов пакетной обработки от уже существовавших к этому времени системных обрабатывающих программ — трансляторов, загрузчиков, компоновщиков, библиотек процедур?
3. Может ли компьютер работать без операционной системы?
4. Как эволюционировало отношение к концепции мультипрограммирования на протяжении всей истории ОС?
5. Какое влияние на развитие ОС оказал Интернет?
6. Чем объясняется особое место ОС UNIX в истории операционных систем?
7. Опишите историю сетевых ОС.
8. В чем состоят современные тенденции развития ОС?

могут не только удовлетворительно решать сложнейшие научно-технические задачи, требующие огромного

объема вычислений, но и обеспечивать работу более чем с 10 000 отдельных рабочих станций, для чего им требуются в качестве координатора системы ввода-вывода специальные ЭВМ. Однако, не взирая на их вычислительные возможности, супер-ЭВМ — пока все еще слишком дорогое удовольствие для коммерческого использования. Типичными областями применения супер-ЭВМ являются научные исследования, прогнозирование погоды, проектирование авиационной и космической техники, ядерные исследования, сейсмический анализ и другие области требующие быстрой обработки очень большого количества данных

проекты (45%);
нефтяные компании (18%);
университеты (13%);
космические исследования (10%);
другие (14%).

данных, или SISD (Single Instruction Single Data) охватывает все однопроцессорные

и одномашинные варианты систем, т.е. ВС с одним вычислителем (рис. 4.10). Все ЭВМ классической структуры попадают в этот класс. Здесь параллелизм вычислений обеспечивается путем совмещения выполнения операций отдельными блоками АЛУ, а также парал­лельная работа устройств ввода-вывода информации и процессора.

или SIMD (Single Instruction Multiple Data) предполагает соз­дание структур векторной

или матричной обработки. Системы этого типа обычно строятся как однородные, т.е. процессорные элементы, входящие в систему, идентичны, и все они управля­ются одной и той же последовательностью команд. Однако каждый процессор обрабатывает свой поток данных. Под эту схему хорошо подходят задачи обработки матриц или векторов (массивов), задачи решения систем линейных и нелинейных, алгебраических и дифференциальных уравнений, задачи теории поля и др. В структурах данной архитектуры желательно обеспечивать соединения между процессорами, соответствующие реализуемым математическим зависимостям. Как правило, эти связи напоминают матрицу, в которой каждый процессорный элемент связан с соседними. Векторный или матричный тип вычислений является необходимым атрибутом любой супер-ЭВМ.

данных или MISD (Multiple Instruction Single Data), предполагает построение своеобразного

процессорного конвейера, в котором результаты обработки передаются от одного процессора к другому по цепочке. Выгоды такого вида обработки очевидны (рис. 4.12). Однако в большинстве алгоритмов очень трудно выявить подобный, регулярный характер вычислений. Кроме того, на практике нельзя обеспечить и «большую длину» такого конвейера, при котором достигается наивысший эффект. Вместе с тем конвейерная схема нашла применение в так называемых скалярных процессорах супер-ЭВМ, в которых они применяются как специальные процессоры для поддержки векторной обработки

поток данных, или MIMD (Multiple Instruction Multiple Data) предпо­лагает, что

все процессоры системы работают по своим программам с собственным потоком команд (рис. 4.13). В простейшем случае они могут быть автономны и независимы. Такая схема использования ВС часто применяется на многих крупных вычислительных центрах для увеличения пропускной способности центра.

MIMD в классическом варианте (например, в суперкомпьютере BSP фирмы Burrought;
параллельно-конвейерная

модификация, иначе MMISD, т.е. многопроцессорная (Multiple) MISD архитектура (например, в суперкомпьютере «Эльбрус 3»);
параллельно-векторная модификация, иначе MSIMD, т.е. многопроцессорная SIMD архитектура (например, в суперкомпьютере Cray 2).

массовым параллелизмом (MPP — Mass Parallel Processing) с десятками, сотнями

и даже тысячами процессорных элементов, с размещением их в непосредственной близости друг от друга. Если каждый процессор системы имеет собственную память, то он также будет сохранять известную автономию в вычислениях. Считается, что именно такие системы займут домини­рующее положение в мире суперкомпьютеров в ближайшие десять-пят­надцать лет.
Параллельную архитектуру MPP-компьютера определяют следую­щие компоненты:
процессорная матрица (ПМ);
устройство управления процессорной матрицей (УУПМ);
устройство подготовки программ и данных (УППД);
переходная память (ПП) для буферизации и перекомпоновки данных;
ведущая и интерфейсная ЭВМ, внешняя память (ВП) и система интерфейсов.

Shared Memory multiprocessing, технология мультипроцессирования с разделением памяти) показал, что

они не обеспечивают хорошей адаптации к конкретным условиям функционирования, остаются доро­гими и сложными в эксплуатации.
Одним из решений этой проблемы является кластеризация, т.е. тех­нология, с помощью которой несколько серверов, сами являющиеся вы­числительными системами, объединяются в единую систему более вы­сокого ранга для повышения эффективности функционирования систе­мы в целом

мощности);
повышение надежности и готовности системы в целом;
увеличение суммарной производительности;
эффективное перераспределение

нагрузок между компьютерами кластера;
•эффективное управление и контроль работы системы и т.п.

данных
по геометрии

60-х)
Четвертое (БИС, конец 70-х)
Пятое (микропроцессорные, конец 80-х)
Шестое (Оптоэлектронные с массовым

параллелизмом и нейронной структурой, наше тысячелетие)

В нашей стране началом выпуска можно считать начало 50-х годов

“МЭСМ”. Разработана под руководством Лебедева. В 1952-1953 годах на этой основе, под руководством Мельникова и Бурцева была разработана “БЭСМ-1” (Большая электронная счетная машина). А на ее основе был произведен серийный выпуск машины “БЭСМ-2”. В это же время в США выпускают машину “Эдвак”. Технические характеристики машины “БЭСМ-2” были гораздо выше. Это было связано с тем, что в “БЭСМ-2”, использовались два совершенно новых принципа: конвейеризации и стека. Для “БЭСМ-2”, быстродействие АЛУ составляло порядка 10000 операций в секунду.

В 1953 году была разработана машина “Стрела” под руководством Василевского. А так же в Московском Энергетическом институте под руководством академика Брука были разработаны ЭВМ получившие название “М”. В Минске был создан завод по производству ЭВМ, серийное производство машин “Минск”. В городе Пензе было создано ОКБ (отдел конструкторского бюро) под руководством академика Рамеева, где разработали и выпускали серийно ЭВМ “Урал”.

Структура ЭВМ первого поколения полностью соответствовали машине фон Неймана.

Технические характеристики машин были значительно ниже характеристик современных ПК. Программирование велось в машинных кодах. Емкость ОЗУ – 2 тысячи слов. Ввод информации с перфоленты и кинопленки.

позволяли обеспечить большую надежность, быстродействие и меньшее энергопотребление (среднее время

отказа около 100 часов, тогда как на машинах первого поколение около 10 часов, энергоемкость на два порядка ниже, по сравнению с машинами первого поколения). Переход к печатному монтажу также улучшило надежность.

создание алгоритмических языков (Fortran, ALGOL). Создаются простейшие компиляторы и интерпретаторы.

Становится нецелесообразна работа пользователя у пульта управления. Основным режимом становится работа через операторов. Появляются многопрограммные ЭВМ. Многопрограммность достигается за счет программной обработки. Для работы в пакетном режиме создаются первые мониторы и supervisor’ы. Вследствие чего происходит резкое увеличение использование ЭВМ второго поколения.

Переход к третьему поколению ЭВМ связывают с серьезными архитектурными изменениями.

Изменение технической базы связано с переходом на интегральную схематехнику. Правда степень интеграции была небольшой. Вследствие чего произошло заметное увеличение надежности. В машинах третьего поколения формируется концепция канала, начинается работа с распараллеливанием процессора, появляется микропрограммное управление, иерархируется память, впервые вводится понятие агрегатирования.

оперативной памяти появляются специальные устройства, которые организуют адресные механизмы (обеспечивающие

адресацию, перемещение программы в памяти, взаимную защиту). В процессоре появляется несколько АЛУ (целочисленные, с плавающей арифметикой, для работы с адресами). Правда, эти устройства параллельно не работают, но для выполнения той или иной обработки выбирается определенное АЛУ.

обращается непосредственно, и массовая память, емкость которой значительно больше емкости

основной памяти, но непосредственно процессору она недоступна. Тем более данные с внешних устройств непосредственно недоступны процессору. Так как память иерархична, то создаются механизмы для управления памятью. Развивается и внутренняя память процессора (создаются предпосылки кэширования). В конце третьего поколения ЭВМ появляется концепция управления виртуальной памяти, развиваются внешние устройства и терминальное оборудование. Самое главное в тот период: унификация ЭВМ по конструктивно - технологическим параметрам. ЭВМ третьего поколения начинают выпускаться сериями или семействами, совместимыми моделями. Дальнейшее развитие математического и программного обеспечения приводит к созданию пакетных программ для решения типовых задач, проблемно - ориентированных программных языков (для решения задач отдельной категории) и впервые создаются уникальные программные комплексы, - операционные системы (разработаны IBM).

Связано с переходом на интегральные схемы средней и большой степени

интеграции.
Характерные свойства ЭВМ четвертого поколения:
Мультипроцессорность
Параллельно – последовательная обработка
Языки высокого уровня
Появляются первые сети ЭВМ

типовая схема)
Впервые основная память – полупроводниковая. Время выработки данного из

такой памяти 100-150 нс. Емкость 1012 –1013 символов.
Впервые применяется аппаратная реализация оперативной системы
Модульное построение стало применяться и для программных средств
Основная внимание машин четвертого поколения было направлено на сервис (улучшение общения ЭВМ и человека).

Пятое поколение ЭВМ связывают с переходом к микропроцессорам. С точки

зрения структурного построения характерна максимальная децентрализация управления. С точки зрения программного и математического обеспечения – переход на работу в программных средах и оболочках. Производительность 108 - 109 операций в секунду. Для пятого и шестого поколения характерны многопроцессорные структуры созданные на упрощенных микропроцессорах, которых очень много (решающие поля или среды). Создаются ЭВМ ориентированные на языки высокого уровня.

ресурсов (коллективный доступ – сети)

с сетью из большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих

структуру нейронных биологических систем.

работы Джона фон Неймана. Впервые возможность построения цифровой ВМ была

доказана английским математиком Тьюрингом в 1936 году. Он показал, что любой алгоритм реализуется с помощью его дискретного автомата, который был назван машиной Тьюринга. Независимо это же доказал Пост (машина Поста).

году фирмой Белл (США). Такого же вида машина была сконструирована

для специальных задач под руководством К. Цунзе (1941, Германия). Попытка построения универсальной ЭВМ была предпринята Айтнетом (США). Она получила название “Марк-1”. Спроектирована и изготовлена в Гарвардском университете.

1942 году (“Эниак”). Серийный выпуск в 1945-1946 годах. Разработана в

Пенсельванском университете под руководством Маушли и Энкера. В 1943 году под руководством Тьюринга была разработана ЭВМ “Колос”. После рассекречивания архивов в 70-х годах оказалось, что первая ЭВМ была разработана в 1939 году выходцем из Германии Антоносовым, которая получила название “ABC”.

4 разновидности ВС, какие?
Назовите главную особенность SMP архитектуры.
Назовите главную особенность

МРР архитектуры.
Назовите главную особенность гибкой архитектуры NUMA.
Назовите главную особенность PVP архитектуры.
Что является суперкомпьютером?
Назовите основные типы кластеров.
Что такое микропроцессор?

Стрела,
Урал,
М-20.

интерфейсов и машинных слов: 8-, 16-, 32-, 64-, 86-разрядные (ряд

ЭВМ имеет и иные разрядности); По особенностям набора регистров, формата команд и данных: CISC, RISC, VLIW; По количеству центральных процессоров: однопроцессорные, многопроцессорные, суперскалярные; многопроцессорные по принципу взаимодействия с памятью: симметричные многопроцессорные (SMP), масcивно-параллельные (MPP), распределенные.

раздельное хранение и обработка команд и данных. Архитектура была разработана

Говардом Эйкеном в конце 1930-х годов в Гарвардском университете. История В 30-х годах правительство США поручило Гарвардскому и Принстонскому университетам разработать архитектуру компьютера для военно-морской артиллерии. Победила разработка Принстонского университета (более известная как архитектура фон Неймана, названная так по имени разработчика, первым предоставившего отчет об архитектуре), так как она была проще в реализации. Гарвардская архитектура не использовалась вплоть до конца 70-х годов.

прогресс в вычислительных машинах можно наблюдать, используя широко известный закон

Мура. Один из основателей компании Intel Гордон Мур в 1965 году открыл закон, согласно которому количество транзисторов в одной микросхеме удваивается через каждые 1,5 года. Ввиду существенного усложнения как аппаратной, так и логической структуры ЭВМ 3-го поколения часто стали называть системами. Так, первыми ЭВМ этого поколения стали модели систем IBM (ряд моделей IBM 360) и PDP (PDP 1). В Советском Союзе в содружестве со странами Совета Экономической Взаимопомощи (Польша, Венгрия, Болгария, ГДР и др1.) стали выпускаться модели единой системы (ЕС) и системы малых (СМ) ЭВМ.

такое суперскалярный конвейер?
Что такое VLIW-архитектура?
Что такое EPIC-архитектура?
Назовите главную особенность SMP

архитектуры.
Назовите главную особенность МРР архитектуры.
Назовите главную особенность гибкой архитектуры NUMA.
Назовите главную особенность PVP архитектуры.
Что такое МКОД?
Что такое МКМД?
Что такое MIMD?
Что такое MMISD?
Что такое MSIMD?