Основные принципы построения современных компьютерных систем

Компьютерная система включает в себя вычислительные машины, программное обеспечение и периферийные устройства, выполняющие обработку данных.

Стоит упомянуть о различиях понятий «вычислительная машина» и «компьютерная система». Понятие вычислительная машина значительно уже и включает в себя технические средства, достаточные для проведения обработки данных и получения результатов в определенной форме. В состав вычислительной машины входит системное программное обеспечение.

Архитектура компьютерных систем предназначена для решения обширного круга задач, направленных на создание комплекса аппаратных и программных средств. Предназначение архитектуры определять основные правила для обеспечения взаимодействия элементов компьютерной системы.

Безусловно, в основе современной архитектуры компьютерных систем лежат все те же основные принципы принстонской архитектуры: программного управления, однородности памяти и произвольного доступа к памяти, хотя реальная структура значительно сложнее. Можно утверждать, что в последнее время для обеспечения потребности пользователей и разработчиков в повышении качества и производительности систем в целом происходит отстранение от архитектуры фон-Неймана.

Выделим факторы, влияющие на современную архитектуру компьютерной системы

-                   набор команд, воспринимаемых компьютером;

-                   быстродействие центрального процессора;

-                   количество периферийных устройств подключаемых к вычислительной машине одновременно;

-                   количество входящих в систему компьютеров и обеспечение быстродействия совместной работы.

Стремление разработчиков учесть эти и другие факторы позволяет усовершенствовать архитектуру компьютерных систем. Рассмотрим некоторых современные принципы построения архитектуры.

Принцип открытой архитектуры. Данный принцип изначально был внедрен в миниЭВМ третьего поколения американской фирмы DEC еще в 70-х годах. Впоследствии он получил широкое распространение в компьютерах фирмы IBM тем самым обеспечив успех компьютеров IBM PC. Принцип заключается в возможности подключения устройств и программ различных производителей в одной системе.

Принцип многопроцессорной архитектуры. Основан на совместной работе нескольких процессоров одновременно, что значительно увеличивает производительность компьютера. Количество процессоров используемых в системе зависит от мощности вычислительных машин, а так же решаемых ими задач и может варьироваться от двух-четырех до нескольких десятков.

Изначально данный принцип применялся в основном в научной среде для решения инженерных расчетов, систем автоматического проектирования, решения задач в глобальном масштабе и режиме реального времени атомной энергетики, метеорологии, структурной биологии, генетики, распознавания речи и изображений и других областях, и использовался лишь на суперкомпьютерах. В настоящее время из-за существенного роста бизнеса, необходимости использования корпоративных систем и совместной работы, обработки большого объема информациии необходимостью отсутствия сбоев и простоя в работе, данный принцип архитектуры стал применяться и в таких сферах как обработка транзакций в режиме реального времени, создание хранилищ данных для организации систем поддержки принятия решений.

К типам многопроцессорных систем относятся системы высокой надежности, системы для высокопроизводительных вычислений и многопоточные системы.

Принято выделять несколько архитектур многопроцессорных систем.

-                   SMP (Symmetric Multi-Processing) — симметричная многопроцессорная обработка, где два или более одинаковых процессора подключены к одной общей оперативной памяти, имеют полный доступ ко всем устройствам ввода / вывода, и управляются с помощью одного экземпляра ОС, в котором все процессоры имеют равные права. Наиболее распространенные многопроцессорные системы сегодня используют именно эту архитектуру.

-                   MPP (Massively Parallel Processing) — использует множество отдельных процессоров которые параллельно выполняют одну программу. MPP похожа на SMP, основное отличие в том, что в системах SMP все процессоры имеют равноправный доступ к памяти, тогда как в MPP, каждый процессор имеет доступ к определенным разделам памяти, причем в рамках этих разделов могут работать различные операционные системы. MPP системы называют системами массовой параллельной обработки. Они используются в научной сфере, и в крупном бизнесе.

-                   NUMA (Non-Uniform Memory Access) — время доступа к памяти зависит от объема памяти самого процессора. Процессор получает доступ к своей локальной памяти быстрее, т. к. имеет к ней прямой доступ, минуя системную шину, другие же процессоры обращаются к ней через шину. Архитектура NUMA называется неоднородной, потому что доступ к памяти быстрее, когда процессор обращается к своей собственной памяти, чем когда он заимствует информацию из памяти другого процессора. NUMA компьютеры обладают масштабируемостью из MPP и простотой программирования SMP. Принципы доступа к памяти данной архитектуры встречаются в различных Unix-подобных операционных системах.

Принцип многоуровневой памяти. Память компьютерных систем, как и любой вычислительной машины находится в постоянном внимании со стороны пользователей и разработчиков, так как скорость работы компьютера напрямую связанна с быстродействием оперативной памяти. Неприемлемость с экономической точки зрения быстродействующей энергозависимой памяти привело к созданию этого принципа. Принцип состоит в организации работы памяти по определенным уровням. Для оперативной памяти основная часть имеет большую емкость состоит из мелких и достаточно дешёвых элементов, а дополнительная память или кэш-память состоит из меньших по емкости быстродействующих элементов. Данные постоянно необходимые для обращения процессора хранятся в быстродействующей кэш-памяти, а оперативная информация достаточно больших объемов в основной памяти.

Принцип прямого доступа к памяти (DMA — Direct Memory Access) позволяет некоторым аппаратным подсистемам получить доступ к памяти, без участия центрального процессора. Предназначен в основном для устройств, обменивающихся большими блоками данных с оперативной памятью, обмена данными между внешним устройством. Инициатором обмена всегда выступает внешнее устройство, процессор инициализирует контроллер DMA, и далее обмен выполняется под управлением контроллера, процессор в это время может продолжать работу. DMA также могут быть использованы для копирования или перемещения данных в самой памяти.

Принцип коллективной работы. Данный принцип позволяет правильно и четко сформировать работу коллективов направленную на совместную деятельность посредством компьютерной системы, а именно дает возможность осуществлять совместные действия с целью достижения поставленных задач, например подготавливать отчеты по реализации проектов, разрабатывать программные продукты, принимать решения и многое другое связанное с одновременной работай коллектива. Реализация принципа коллективной работы стало предпосылкой появление такого рода деятельности как удаленная работа или дистанционная трудовая деятельность.

В заключении стоит упомянуть еще два принципа, которые начали внедряться в архитектуру современных компьютерных систем в последние годы, применяемые частично в суперкомпьютерах, а возможно и представляющие им конкуренцию.

Принцип облачных решений. Определенный подход к размещению, предоставлению и потреблению приложений и компьютерных ресурсов, прикотором приложения и ресурсы становятся доступны через Интернет в виде сервисов, потребляемых на различных платформах и устройствах. Особенности: мгновенная готовность к работе, неограниченная емкость ресурсов, большой выбор ПО, виртуализация, высокая способность к масштабированию.

Принцип ориентированности на данные или компьютерные системы DIC (Data-Intensive Computing). DIC является классом параллельных вычислений приложений, использующих данные параллельного подхода к обработке больших объемов данных. Общая схема работы DIC разделяется на три фазы: сбор данных, извлечение информации из них и перевод информации в форму, удобную для восприятия человеком.

Текущая ситуация развития архитектуры компьютерных систем далеко ушла от изначальной, предложенной Фон-Нейманом, и на первый план выходят представленные принципы. Безусловно, некоторые из описанных принципов проходят лишь начальные стадии внедрения и апробации в работе, а какие-то, получив новое название, продолжают свое существование. Итак, современная компьютерная система представляет собой компьютеры со множеством параллельно работающих процессоров, с многоуровневой памятью, предусматривающей прямой доступ к многочисленным подключаемым устройствам, работа которых позволяет принимать решения, обрабатывать большие объемы данных, строить базы знаний, грамотно строить совместную, в том числе и удаленную, работу группы людей.

Литература:

1.         Орлов С. А., Цилькер Б. Я. Организация ЭВМ и систем. — СПб.: Питер, 2011. — 688 с.

2.         Архитектуры и топологии многопроцессорных вычислительных систем. / А. В. Богданов, В. В. Корхов, В. В. Мареев, Е. Н. Станкова / — М.: ИНТУИТ.РУ «Интернет-Университет Информационных Технологий», 2004. — 176 с.

3.         Черняк Л. Суперкомпьютеры, смена эпох. — Computerworld Россия. — 2013. — N25

4.         Мешалкин В. Многопроцессорные системы. –http://proitclub.ru/2009/06/22/

5.         Построение систем сбора и обработки информации. Электронное справочное пособие. Сост. В. Г. Тышкевич, Н. С. Винник — http://dozen.mephi.ru:8100/study/pc/index.htm

6.         Современные облачные технологии — http://jeck.ru/labs/deep/index.html