Автор работы: Пользователь скрыл имя, 23 Апреля 2014 в 00:03, лекция
Целями курса являются:
усвоение классических основ ВС, отражающих накопленный отечественный и мировой опыт конструирования вычислительных машин и систем.
Показать последние научные и практические достижения, характеризующие динамику развития аппаратных средств компьютерной техники.
Дисциплина «Вычислительные системы» тесно связана со следующими курсами:
Цифровые ЭВМ;
Архитектура ЭВМ.
План лекции.
Цель и задачи курса, связь его с другими дисциплинами.
Краткие исторические сведения.
Понятие вычислительной системы и ее отличие от вычислительной ма-шины.
Уровни параллелизма.
Метрики параллельных вычислений.
Классификация параллельных вычислительных систем.
Лекция 1
Тема: Вводная лекция. История развития вычислительных систем. Параллельные вычислительные системы.
План лекции.
Мы живем в информационную эпоху: документы ЮНЕСКО свидетельст-вуют, что сейчас в информационной сфере занято больше половины населения развитых стран. Основу современных информационных технологий составляют аппаратные средства компьютерной техники.
Современные вычислительные машины (ВМ) и системы (ВС) являются одним из самых значительных достижений научной и инженерной мысли, вли-яние которого на прогресс во всех областях человеческой деятельности трудно переоценить.
Целями курса являются:
Дисциплина «Вычислительные системы» тесно связана со следующими курсами:
Попытки облегчить и автоматизировать процесс вычислений имеют дав-нюю историю, насчитывающую более 5000 лет. Первые счеты – абак изобретены в древнем Вавилоне за 3000 лет до н. э. Эволюцию вычислительной техники можно представить как последовательную смену поколений.
Нулевое поколение (1492-1945)
«Механическая» эра (нулевое поколение) в эволюции ВТ связана с механи-ческими, а позже – электромеханическими вычислительными устройствами. Ос-новным элементом механических устройств было зубчатое колесо. Начиная с ХХ века роль базового элемента переходит к электромеханическому реле. Хроно-логия основных событий «механической» эры выглядит следующим образом.
1492 год. В одном из своих дневников Леонардо да Винчи приводит рису-нок тринадцатиразрядного десятичного суммирующего устройства на основе зуб-чатых колес.
1642 год. Блез Паскаль представляет «Паскалин» – первое реально осу-ществленное и получившее известность механическое цифровое вычислительное устройство. Прототип устройства суммировал и вычитал пятиразрядные деся-тичные числа.
1673 год. Готфрид Вильгельм Лейбниц создает «пошаговый вычислитель» – десятичное устройство для выполнения всех четырех арифметических операций над 12-разрядными десятичными числами. Помимо зубчатых колес в устройстве использовался новый элемент – ступенчатый валик.
1801 год. Жозеф Мария Жаккард строит ткацкий станок с программным управлением, программа работы которого задается с помощью комплекта перфо-карт.
1836 год. Английский математик Чарльз Бэббидж разрабатывает проект «аналитической машины». Проект предусматривает три считывателя с перфокарт для ввода программ и данных, память на пятьдесят 40-разрядных чисел, два аккумулятора для хранения промежуточных результатов. В программировании машины предусмотрена концепция условного перехода.
1890 год. Результаты переписи населения в США обрабатываются с по-мощью перфокарточного табулятора, созданного Германом Холлеритом.
1937 год. Алан Тьюринг публикует статью, в которой излагает концепцию теоретической упрощенной вычислительной машины, получившей название ма-шины Тьюринга.
1938 год. Клод Шеннон публикует статью о реализации символической логики на базе реле.
1943 год. Группа ученых Гарвардского университета во главе с Говардом Айкеном разрабатывает вычислитель ASCC Mark I – первый программно управ-ляемый вычислитель. Длина устройства составила 18 м, а весило оно 5 т. Машина состояла из множества вычислителей, обрабатывающих свои части общей задачи под управлением единого устройства управления. Команды считывались с бумаж-ной перфоленты и выполнялись в порядке считывания. Данные считывались с перфокарт. Вычислитель обрабатывал 23-разрядные числа, при этом сложение занимало 0,3 с, умножение – 4 с, а деление – 10 с.
1945 год. Немецкий инженер Конрад Цузе завершает Z4. По архитектуре у Z4 очень много общих черт с современными ВМ: память и процессор пред-ставлены отдельными устройствами, процессор может обрабатывать числа с пла-вающей запятой. Программа хранится на перфоленте и считывается последо-вательно.
Первое поколение (1937 – 1953)
На роль первой в истории электронной ВМ в разные периоды претендовало несколько разработок. Общим у них было использование схем на электронных лампах вместо электромеханических реле. У электронных компонентов имелось одно важное преимущество: выполненные на них ключи могли переключаться примерно в тысячу раз быстрее своих электромеханических аналогов.
Первой ЭВМ чаще всего называют специализированный калькулятор АВС, разработанный в период с 1939 по 1942 год профессором Джоном Атанасовым совместно с аспирантом Клиффордом Берри и предназначавшийся для решения системы линейных уравнений (до 29 уравнений с 29 неизвестными). АВС обладал памятью на 50 слов длиной 50 бит, а запоминающими элементами служили конденсаторы с цепями регенерации. В качестве вторичной памяти использо-вались перфокарты.
Вторым претендентом на первенство считается вычислитель Colossus, пост-роенный в 1943 году в Англии для расшифровки кодов немецкой шифровальной машины «Лоренц Шлюссель-цузат-40». Изобретателем машины был профессор Макс Ньюмен, а изготовил ее Томми Флауэрс. В состав команды разработчиков входил также Алан Тьюринг. Машина была выполнена в виде 8 стоек высотой 2,3 м, а общая длина ее составляла 5,5 м. В логических схемах машины и в системе оптического считывания информации использовалось 2400 электронных ламп. Информация считывалась с пяти вращающихся длинных бумажных колец со скоростью 5000 символов/с.
Третий кандидат на роль первой электронной ВМ – программируемый электронный калькулятор общего назначения ENIAC, созданный Джоном Мочли совместно с Проспером Эккертом в 1946 году. С самого начала ENIAC активно использовался в программе разработки водородной бомбы. ENIAC весил 30 тонн, содержал 18000 радиоламп, имел размеры 2,5х30 м и обеспечивал выполнение 5000 сложений и 360 умножений в секунду. Использовалась десятичная система счисления. Программа задавалась схемой коммутации триггеров на 40 наборных полях. Когда все лампы работали, инженерный персонал мог настроить ENIAC на новую задачу, вручную изменив подключение 6000 проводов.
В 1947 году под руководством С. А. Лебедева начаты работы по созданию малой электронной счетной машины (МЭСМ). Эта ВМ была запущена в эксплуа-тацию в 1951 году и стала первой электронной ВМ в СССР и континентальной Европе. В апреле 1953 года в эксплуатацию поступила самая быстродействующая в Европе ВМ БЭСМ (С.А. Лебедев). Ее быстродействие составило 8000-10000 операций/с.
Технология программирования в этот период была еще на зачаточном уровне. Первые программы составлялись в машинных кодах – числах, непосред-ственно записываемых в память ВМ. Лишь в 50-х годах началось использование языка ассемблера, позволявшего вместо числовой записи команд использовать их символьную нотацию, после чего специальной программой эти символьные обозначения транслировались в соответствующие коды.
Несмотря на свою примитивность, машины первого поколения оказались весьма полезными для инженерных целей и в прикладных науках.
Второе поколение (1954 – 1962)
Второе поколение характеризуется рядом достижений в элементной базе, структуре и программном обеспечении. Поводом для выделения нового поко-ления ВМ стал переход от электронных ламп к полупроводниковым диодам и транзисторам со временем переключения порядка 0,3 мкс.
Первой ВМ, выполненной полностью на полупроводниковых элементах, стала TRADIC, построенная в Bell Labs. Машина состояла из 700 транзисторов и 10000 германиевых диодов. За два года эксплуатации TRADIC отказали только 17 полупроводниковых элементов, что говорит о прорыве в области надежности по сравнению с машинами на электронных лампах.
Со вторым поколением ВМ связан переход от устройств памяти на базе ртутных линий задержки к устройствам на магнитных сердечниках. В запоминаю-щих устройствах (ЗУ) на линиях задержки данные хранились в виде акустической волны, непрерывно циркулирующей по кольцу из линий задержки, а доступ к элементу данных становился возможным лишь в момент прохождения соответст-вующего участка волны вблизи устройства считывания/записи. Главным преиму-ществом ЗУ на магнитных сердечниках стал произвольный доступ к данным, когда в любой момент доступен любой элемент данных.
Важные изменения произошли и в архитектуре ВМ. В составе процессора ВМ появились индексные регистры, что упростило доступ к элементам массивов. Прежде, при циклической обработке элементов массива, надо было модифици-ровать код команды, в частности хранящийся в нем адрес элемента массива. В ходе вычислений коды некоторых команд постоянно изменялись, что затрудняло отладку программы. С использованием индексных регистров адрес элемента массива вычисляется как сумма адресной части команды и содержимого ин-дексного регистра. Это позволяет обратиться к любому элементу массива, не затрагивая код команды, а лишь модифицируя содержимое индексного регистра.
Вторым принципиальным изменением в архитектуре ВМ стало добавление аппаратного блока обработки чисел в формате с плавающей запятой.
Третье значимое нововведение в архитектуре ВМ – появление в их составе процессоров ввода/вывода, позволяющих освободить центральный процессор от операций по управлению вводом/выводом.
В 1958 году появилась машина М-20, в которой были реализованы: час-тичное совмещение операций, аппаратные средства поддержки программных циклов, возможность параллельной работы процессора и устройства вывода. Оперативная память емкостью 4096 45-разрядных слов была выполнена на магнитных сердечниках.
Шестидесятые годы ХХ века стали периодом бурного развития вычисли-тельной техники в СССР. За этот период разработаны и запущены в производство ВМ «Урал-1», «Урал-4», «Урал-11», «Урал-14», БЭСМ-2, М-40, «Минск-1», «Минск-2», «Минск-22», «Минск-32». В 1960 году под руководством В.М. Глушкова и Б.Н. Малиновского разработана первая полупроводниковая управ- ляющая машина «Днепр».
Значительным событием в сфере программного обеспечения стало создание языков программирования высокого уровня: Фортрана (1956), Алгола (1958) и Кобола (1959).
Третье поколение (1963 – 1972)
Третье поколение ознаменовалось резким увеличением вычислительной мощности ВМ, ставшим следствием больших успехов в области архитектуры, технологии и программного обеспечения. Основные технологические достижения связаны с переходом от дискретных полупроводниковых элементов к интеграль-ным микросхемам и началом применения полупроводниковых ЗУ. Существенные изменения произошли и в архитектуре ВМ. Наступила эра микропрограмми-рования, конвейеризации и параллельной обработки. В области программного обеспечения определяющими вехами стали первые операционные системы и реализация режима разделения времени.
В 1964 году Сеймур Крей построил вычислительную систему (ВС) CDC 6600, в архитектуру которой впервые был заложен функциональный параллелизм. Благодаря наличию 10 независимых функциональных блоков, способных рабо-тать параллельно, и 32 независимых модулей памяти удалось достичь быстро-действия в 1 MFLOPS (миллион операций с плавающей запятой в секунду). Пятью годами позже Крей создал CDC 7600 с конвейеризированными функ-циональными блоками и быстродействием 10 MFLOPS. CDC 7600 стала первой конвейерной ВС. Большим достижением стало создание семейства ВМ IBM-360, архитектура и программное обеспечение которых долгие годы служили эталоном для последующих больших универсальных ВМ (mainframes). В машинах этого семейства нашли воплощение многие новые для того периода идеи, в частности: предварительная выборка команд, отдельные блоки для операций с фиксиро-ванной и плавающей запятой, конвейеризация команд, кэш-память. К третьему поколению относятся первые параллельные ВС: SOLOMON корпорации Wes-tinghause и ILLIAC IV компании Burroughs, а также первые конвейерно-векторные ВС: TI-ASC и STAR-100.
В СССР в этот период была разработана ВМ БЭСМ-6 (С.А. Лебедев) с производительностью 1 млн операций/с. Продолжением линии М-20 стали М-220 и М-222 с производительностью до 200 000 операций/с. Оригинальная ВМ для инженерных расчетов «Мир-1» была создана под руководством В.М. Глушкова.
В сфере программного обеспечения необходимо отметить создание в 1970 году Кеном Томпсоном из Bell Labs языка B, прямого предшественника языка программирования С, и появление ранней версии операционной системы UNIX.
Четвертое поколение (1972 – 1984)
Четвертое поколение связано с переходом на интегральные микросхемы большой (около 1000 транзисторов на кристалле) и сверхбольшой (порядка 100 000 транзисторов на кристалле) степени интеграции. При таких уровнях интеграции стало возможным разместить в одной микросхеме не только цент-ральный процессор, но и вычислительную машину (ЦП, основную память и сис-тему ввода/вывода).