Основные принципы построения современных компьютерных систем | Статья в сборнике международной научной конференции

Автор:

Рубрика: 1. Информатика и кибернетика

Опубликовано в

II международная научная конференция «Технические науки: проблемы и перспективы» (Санкт-Петербург, апрель 2014)

Дата публикации: 04.04.2014

Статья просмотрена: 3730 раз

Библиографическое описание:

Орлов Е. В. Основные принципы построения современных компьютерных систем [Текст] // Технические науки: проблемы и перспективы: материалы II Междунар. науч. конф. (г. Санкт-Петербург, апрель 2014 г.). — СПб.: Заневская площадь, 2014. — С. 10-12. — URL https://moluch.ru/conf/tech/archive/89/5447/ (дата обращения: 16.10.2018).

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

Основные термины (генерируются автоматически): MPP, SMP, система, принцип, DIC, NUMA, DMA, процессор, компьютерная система, вычислительная машина.

Похожие статьи

Компьютерная система включает в себя вычислительные...

Основные принципы построения современных компьютерных... Компьютерная система включает в себя вычислительные машины, программное обеспечение и. MPP системы называют системами массовой параллельной обработки.

Многоагентная ассоциативная вычислительная система

Принцип функционирования многоагентной ассоциативной вычислительной системы заключается в параллельном выполнении команд всеми агентами ( и

Величина определяется техническими параметрами вычислительного устройства (процессор, память и т. д.).

Проблемы организации СУБД при параллельной архитектуре...

Вычислительный комплекс (ВК), в который входит аппаратная составляющая, работающая под управлением системы управления базами данных (СУБД), является машиной баз

Рис. 3. Варианты топологий связи процессоров в многопроцессорных вычислительных системах.

Архитектура современных многоядерных процессоров

Ключевые слова: параллельная работа программ, параллелизм, вычислительная система, процесс, поток, ресурс, процессор.

Основные принципы построения современных компьютерных... Основан на совместной работе нескольких процессоров одновременно, что...

Сравнительный анализ программного обеспечения систем...

Система диагностики состояния кластерной гибридной вычислительной системы на базе графических процессоров.

В статье рассматриваются основные принципы построения и функционирования систем мониторинга вычислительных сетей, посредством которых...

Особенности использования мини-кластера при расчете...

параллельная работа программ, параллелизм, вычислительная система, процесс, поток, ресурс, процессор. Решение проблем параллельной обработки транзакций и выход из тупиковых ситуаций в базах данных. Алгоритмы оптимальной структуры компьютерной сети.

Аппаратные и программные средства систем реального времени

К специализированным устройствам для связи электронно-вычислительной машины с объектом относятся следующие

Система диагностики состояния кластерной гибридной вычислительной системы на базе графических процессоров.

Краткий обзор развития электронно-вычислительных машин...

Согласно [1], ЭВМ — это электронно-вычислительная машина, выполненная из электронных элементов, которые в свою очередь важны для исполнения

Еще один из минусов состоял в том, что большие компьютеры требовали специальной системы охлаждения.

Краткий обзор достижений в области гетерогенных вычислений

Архитектура компьютерных систем предназначена для решения обширного круга задач, направленных на создание комплекса аппаратных и программных средств. Количество процессоров используемых в системе зависит от мощности вычислительных машин, а так...

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Компьютерная система включает в себя вычислительные...

Основные принципы построения современных компьютерных... Компьютерная система включает в себя вычислительные машины, программное обеспечение и. MPP системы называют системами массовой параллельной обработки.

Многоагентная ассоциативная вычислительная система

Принцип функционирования многоагентной ассоциативной вычислительной системы заключается в параллельном выполнении команд всеми агентами ( и

Величина определяется техническими параметрами вычислительного устройства (процессор, память и т. д.).

Проблемы организации СУБД при параллельной архитектуре...

Вычислительный комплекс (ВК), в который входит аппаратная составляющая, работающая под управлением системы управления базами данных (СУБД), является машиной баз

Рис. 3. Варианты топологий связи процессоров в многопроцессорных вычислительных системах.

Архитектура современных многоядерных процессоров

Ключевые слова: параллельная работа программ, параллелизм, вычислительная система, процесс, поток, ресурс, процессор.

Основные принципы построения современных компьютерных... Основан на совместной работе нескольких процессоров одновременно, что...

Сравнительный анализ программного обеспечения систем...

Система диагностики состояния кластерной гибридной вычислительной системы на базе графических процессоров.

В статье рассматриваются основные принципы построения и функционирования систем мониторинга вычислительных сетей, посредством которых...

Особенности использования мини-кластера при расчете...

параллельная работа программ, параллелизм, вычислительная система, процесс, поток, ресурс, процессор. Решение проблем параллельной обработки транзакций и выход из тупиковых ситуаций в базах данных. Алгоритмы оптимальной структуры компьютерной сети.

Аппаратные и программные средства систем реального времени

К специализированным устройствам для связи электронно-вычислительной машины с объектом относятся следующие

Система диагностики состояния кластерной гибридной вычислительной системы на базе графических процессоров.

Краткий обзор развития электронно-вычислительных машин...

Согласно [1], ЭВМ — это электронно-вычислительная машина, выполненная из электронных элементов, которые в свою очередь важны для исполнения

Еще один из минусов состоял в том, что большие компьютеры требовали специальной системы охлаждения.

Краткий обзор достижений в области гетерогенных вычислений

Архитектура компьютерных систем предназначена для решения обширного круга задач, направленных на создание комплекса аппаратных и программных средств. Количество процессоров используемых в системе зависит от мощности вычислительных машин, а так...

Задать вопрос