Реферат: Повышение производительности компьютерных систем

Реферат: Повышение производительности компьютерных систем

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра ПОВТАС

Реферат

Проблемы повышения производительности вычислительных систем и методы их преодоления

Оренбург 1999

Содержание.

Немного истории.

Электронный компьютер был разработан в 50-е годы как устройство для производства быстрых вычислений. В то время никто не задумывался над его информационными приложениями и усилия разработчиков были направлены в основном на повышение быстродействия компьютера.

В 60-е годы была сделана попытка использовать компьютер для осуществления информационных операций индексирования и анализа текста. С помощью соответствующего программного обеспечения в память компьютера стали записывать тексты и искать возможности оперирования с ними. В настоящее время существует множество фирм, производящих компьютеры. Это, например, Dell, Acer, IBM. Для тех, кто профессионально с компьютером не связан, расскажем очень кратко о некоторых принципах функционирования компьютера.

Структурно компьютер состоит из пяти основных функциональных блоков, объединенных общей задачей быстро производить арифметические и логические действия над числами. Характер действий и их последовательность определяются программой, представляющей собой определенным образом организованную совокупность машинных операций, называемых командами. Руководит работой компьютера устройство управления. Оно получает команды из памяти, декодирует их и генерирует необходимые для их выполнения сигналы. Каждая команда в памяти находится по определенному адресу, который указывается программным счетчиком, находящимся в устройстве памяти. Для запоминания команд в устройстве управления имеется специальный регистр команд.

Устройств ввода и вывода служат для преобразования информации с тех языков программирования и тех скоростей, на которых работает компьютер, на те, которые воспринимает человек или другая система, работающая с данным компьютером. Важнейшим функциональным блоком компьютера является процессор. В нашей стране получили широкое распространение процессоры фирм Intel, AMD и др.

Команды от оператора поступают через устройство ввода в регистр инструкций. По этим инструкциям блок управления вырабатывает команды для всех функциональных блоков компьютера Система регистров общего пользования служит оперативной памятью для поступающих на вход данных.

Арифметическое устройство производит арифметические и логические операции над поступающими от регистра общего назначения данными. О том, какие именно следует выполнять функции, говорят команды блока управления.

Адресный регистр обеспечивает правильную адресацию данных в системе памяти, он также снабжает каждую следующую инструкцию указаниями адресов памяти, где она будет запоминаться.

Одним из ключевых функциональных блоков компьютера является программный счетчик, назначение которого состоит в обновлении каждой инструкции и временном запоминании ее номера. Если записанная программа перейдет в другой инструктивный номер, это изменение будет зафиксировано программным счетчиком. Информация об этом изменении поступает также в регистр инструкций. При каждом следующем шаге рабочей программы происходит обращение к программному счетчику с запросом о выполнении соответствующей операции.

Каждая ячейка памяти компьютера запоминает одно машинное слово. Возможности компьютера определяются числом команд, которое можно ввести в оперативную память. Максимальная емкость оперативной памяти в миникомпьютерах не превышает обычно 32M слов, в суперкомпьютерах емкость оперативной памяти достигает 1000M слов (M = 1 048 576).

Резкое повышение производительности миникомпьютеров при сравнительно небольшом удорожании привело к созданию мегамини- или супермини-компьютеров. Появление компьютеров нового класса связано с успехами в технологии их изготовления, с расширением их функциональных возможностей. Так, увеличилась скорость, и расширился набор команд центрального процессора, выросла пропускная способность устройств ввода-вывода, расширен диапазон адресов, увеличился ассортимент внешних устройств.

Одновременно с этим появилась возможность создать для супермини-компьютеров богатое программное обеспечение, существенно отличающееся от математического обеспечения типичных миникомпьютеров. В то же время это математическое обеспечение ориентировано на интерактивный режим работы пользователя с машиной, т. е. на непосредственное общение. Крупными производителями программного обеспечения можно считеть: Microsoft, Symantec, Borland, Microprose и др.

В начале 70-х годов американская фирма Intel предложила вместо интегрального модуля с жесткой логикой разработать стандартный логический блок, конкретное назначение которого можно определить после его изготовления, т. е. создать программируемую интегральную схему. Так появился микропроцессор - многофункциональный цифровой микроэлектронный модуль с программируемой логикой, сделавший революцию в электронике и технике обработки информации.

Основой микропроцессора является большая интегральная схема, в которой происходят все функциональные и вычислительные операции. Микропроцессор составляет основу микрокомпьютера.

В 1980 г. основу почти всех микрокомпьютеров составляли однокристальные микропроцессоры, у которых на одном кристалле выполнены центральный процессор, устройство памяти, устройство ввода-вывода и другие логические схемы. Число транзисторов на одном кристалле достигало примерно 70 тыс. штук. В настоящее время уже имеются монокристаллические микросхемы с числом элементарных вентилей до 5 млн. штук, что закладывает основу для перехода к микрокомпьютерам следующего нового поколения.

Производство микрокомпьютеров происходит в нарастающем темпе.

К первому поколению персональных компьютеров американского производства относятся компьютер TRS-80 на базе микропроцессора Z80 фирмы Zilog, компьютер Apple - II фирмы Apple Computer, компьютер PET фирмы Commondore Int. на базе микропроцессора 6502 фирмы MOS Technology.

Ко второму поколению принадлежат компьютеры IBM Personal Computer фирмы IBM с микропроцессором i8088, Rainbow-100 фирмы DEC на базе микропроцессора Z80A/i8088.

Микрокомпьютеры второго поколения с 16-разрядным словом отличаются от своих предшественников включением в комплект кроме гибких дисков также малогабаритных жестких дисков большой емкости, графических устройств, увеличенным объемом оперативной памяти до 256 КБайт - 2 Мбайт. Остальные поколения являются производными от этих.

Характеристики персональных компьютеров постоянно улучшаются, и в настоящее время технические характеристики и области применения мини- и микрокомпьютеров перекрываются.

В конце 80-х годов существовала проблема отставания математического вооружения компьютера от его физических возможностей. Зато в настоящее время данная проблема преобразилась с точностью до наоборот. Т.е. современное программное обеспечение способно использовать все системные ресурсы компьютера и при этом требовать еще большего увеличения данных ресурсов.

Пусть, например, необходимо ввести данные в компьютер. Этот процесс следует начать с тестовых проверок, чтобы убедиться в физической возможности осуществления этой процедуры. Поэтому работа начинается с того, что устройство ввода посылает в компьютер сигнал, указывающий на готовность ввода порции информации. В свою очередь, компьютер должен известить устройство ввода, т. е. оператора, о том, что он закончил обработку предыдущей порции данных и готов к приему следующей. В результате происходящего обмена сигналами устанавливается режим, позволяющий вводить новую порцию данных.

При выводе информации из компьютера устройство вывода должно известить компьютер о том, что оно готово воспринимать данные, т. е. послать в компьютер так называемый "сигнал занятости". Компьютер начнет выдавать данные только после проверки наличия такого сигнала. В свою очередь, компьютер должен послать в устройство вывода сигнал готовности передавать данные и устройство вывода должно убедиться в наличии такого сигнала.

Этот очевидный режим обмена информацией между компьютером и периферийными устройствами имеет недостаток - нерациональное использование времени, так как компьютер значительную часть времени находится в режиме ожидания. Поэтому разработан более экономичный режим обмена данными - ввод и вывод по прерыванию. В этом режиме выполнение основной программы компьютером чередуется с выполнением подпрограмм ввода и вывода.

Повышение производительности в компьютерных сетях.

Быстрое проникновение информационных технологий в коммерцию, банковское дело, образование и сферу развлечений в совокупности с неуклонно увеличивающейся мощностью компьютеров и емкостью устройств хранения данных предъявляет все большие требования к сетям связи. На повестку дня выходят широкополосные каналы связи.

Согласно прогнозам, мощность персональных компьютеров и high-end-вычислительных машин в ближайшие 15 лет увеличится более чем в тысячу раз, соответственно и потребности в объеме трафика по опорным сетям связи вырастут в десятки и сотни раз. Эти тенденции стимулируют исследования в области высокопроизводительных сетевых решений. Самые быстрые линии передачи данных - оптоволоконные - требуют соответствующие технологии построения быстрых и гибких сетей. Одной из таких технологий является временное уплотнение каналов.

Современные технологии ATM и SDH решают задачу повышения производительности сетей лишь в краткосрочной перспективе. Их дальнейшее развитие сопровождается увеличением сложности и цены электронного оборудования, заставляя разработчиков обратить взор в сторону оптических технологий связи.

Связь по оптоволокну - пока единственный способ удовлетворить огромные потребности в скоростной передаче данных. Главными технологиями, позволяющими наиболее полно на сегодняшний день использовать поистине громадные возможности волокна, являются уплотнение каналов с разделением по спектру (WDM, или спектральное уплотнение) и с временным разделением (OTDM, или временное уплотнение).

И та и другая технологии важны не только для повышения скорости передачи данных, но и для ускорения коммутации и маршрутизации. Уже разработаны необходимые средства для решения этих задач без использования электронных устройств. Таким образом, снимаются ограничения, накладываемые электроникой. Временное и спектральное уплотнения не являются взаимоисключающими, хотя использование первого с некоторыми видами волокон затруднено. Более того, эти подходы могут быть скомбинированы. Небольшое число OTDM-каналов может быть объединено с помощью WDM, увеличивая емкость линии.

Представим, что нам нужно установить локальную сеть с большой пропускной способностью, так сказать, с заделом на будущее. Чем соединить между собой компьютеры? Еще недавно ответ был очевиден - коаксиал или витая пара (UTP) с третьей по пятую категории. Если речь шла о магистральных коммуникациях, прокладывалось оптическое стекловолокно. С развитием технологии выбор расширился. Появилась расширенная 5-я категория UTP, экранированная витая пара (так называемая 6-я европейская категория UTP). Снизилась стоимость оптоволокна. Кроме этого, на рынке кабельных соединений для локальных сетей возникло новое явление: пластиковое, или полимерное, оптическое волокно. По-английски оно называется Plastic Optical Fiber или сокращенно POF. Аналитики считают, что POF должно заполнить существующую нишу между медными проводами и стекловолокном по соотношению цена-производительность.

Пластиковое оптоволокно уже в течение нескольких лет производится в Японии и США. Оно употребляется для освещения (в качестве световодов), а также в робототехнике, промышленности и автомобилях. Число сетевых применений POF, впрочем, пока весьма невелико. Несколько американских компаний используют POF в качестве коротких (до 100 м) магистралей передачи данных. Новая разработка - POF с изменяющимся в поперечном сечении показателем преломления (graded-index POF) - обещает увеличить пропускную способность пластического волокна до 2 гигабит в секунду на дистанциях до 100 метров.

В каких отношениях находится POF со стеклом и медью с точки зрения технических характеристик и экономической выгоды? Пластиковые световоды способны работать в самых суровых температурных режимах, мыслимых для современных сетей, - от -40њ до 85њC. Без ущерба для оптических характеристик они могут выдерживать радиус изгиба до 20 мм и не ломаются даже при радиусе изгиба в 1 мм. Такая гибкость позволяет с легкостью прокладывать POF там же, где и медные провода, пропуская световод через стены и вентиляционные короба.

Область применения для POF оказывается весьма широкой. Помимо локальных сетей в их привычном понимании, пластиковые световоды могут использоваться в качестве сетевой основы для самолетов, компьютеризированных автомобилей, военного снаряжения и обмундирования, а также везде, где недопустимо возникновение электрических наводок и полей.

Повышение производительности процессоров.

Говорить о перспективах развития вычислительной техники довольно сложно. С одной стороны, мы привыкли к сумасшедшим, не имеющим аналогов в истории человечества темпам роста ее мощностей и проникновению в самые разнообразные сферы жизни человеческого общества С другой стороны, действительно, даже как-то не верится, что подобные темпы смогут сохранить такими же высокими.

К двухтысячному году микропроцессоры достигнут тактовой частоты 900 мегагерц, а их производительность по iSPEC95 будет равна примерно 60. К 2006 году частота подскочит до 4 ГГц, а производительность - до 500 (для сравнения: производительность сегодняшнего Pentium Pro, работающего на частоте 200 МГц, составляет 5,1). Рост производительности будет достигнут двумя путями: повышением частоты и степени параллелизма в архитектуре процессора.

Спрос на скорость и мощность будет расти по мере того, как в сегодняшние приложения начнут вводить видео, звук, анимацию, цвет, трехмерные изображения и другие средства, которые должны сделать PC и программы проще для использования.

ММХ-революция в микропроцессорной эволюции.

8 января 1997 года корпорация Intel анонсировала долгожданный процессор Pentium., выполненный с использованием технологии MMX.. Его официальное представление на территории СНГ и стран Балтии прошло 22 января в Москве, в киноцентре "Кодак Киномир". В этом материале представлены основные факты, сопутствующие появлению новой технологии от Intel.

Новый процессор, выпускаемый в четырех модификациях, представляет собой наиболее производительный из всех имеющихся на сегодня процессоров Pentium. Для настольных ПК, ориентированных на сегмент рынка потребительских товаров, процессоры выпускаются с рабочими частотами 166 и 200 МГц, а для hi-end ноутбуков разработаны процессоры с тактовыми частотами 150 и 166 МГц. На это обстоятельство наблюдатели обращают самое пристальное внимание - впервые за свою историю корпорация представляет "ноутбучные" процессоры одновременно с решениями для настольных систем.

Технология.

По мнению корпорации анонсированная в марте прошлого года технология MMX представляет собой наиболее существенное улучшение архитектуры процессоров Intel за последние 10 лет, с момента появления 32-х разрядного Intel386. Разработка этой технологии началась около пяти лет назад в ответ на быстрое развитие вычислительных систем, связанных с обработкой различных видов информации. Были проведены исследования широкого круга программ для обработки изображений, MPEG видео, синтеза музыки, сжатия речи и ее распознавания, игровых, ориентированных на видеоконференции и многих других. В них выделялись подпрограммы, наиболее активно эксплуатирующие вычислительные мощности. Затем, они были тщательно проанализированы. В результате такого анализа было выявлено то общее, что необходимо для эффективного выполнения различных категорий программ.

Основой MMX является архитектура SIMD (Single Instraction Multiply Data - "одна инструкция над многими данными"). Суть ее состоит в том, что данные поступают в процессор в виде 64-битных пакетов, которые обрабатываются одной командой. Кроме того логика процессора пополнилась 57 новыми инструкциями, повышающими производительность при выполнении наиболее типичных циклов, характерных для приложений, использующих большое количество аудиовизуальной информации.

Восемь 64-разрядных регистров MMX физически используют те же регистры, что и операции с плавающей точкой. С одной стороны подобный шаг обеспечивает полную совместимость с предшествующей архитектурой Intel и, как следствие, полную совместимость с широко используемыми операционными системами и прикладным программным обеспечением. С другой стороны на переключение с выполнения ММХ-инструкций, на действия с плавающей запятой процессору требуется 50 тактов, что рассматривается критиками как существенный минус архитектуры. Однако Intel с этим категорически не соглашается, утверждая, что подобное решение оптимально и удовлетворяет производителей как программного, так и аппаратного обеспечения.

Страницы: 1, 2