АВС ргз


Федеральное агентство связи
Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального образования
Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики
Кафедра ВС
Архитектура вычислительных систем. РГЗ
Вариант 17 (на самом деле 8-ой)
Выполнил: студент гр П-93
Семенов В.
Проверил: Хорошевский В.Г
Новосибирск 2011 г.
Выполнить сравнительный анализ вычислительных систем с архитектурами MISD и SIMD. Привести пример функциональных структур промышленных ВС
По-видимому, самой ранней и наиболее известной является классификация архитектур вычислительных систем, предложенная в 1966 году М.Флинном. Классификация базируется на понятии потока, под которым понимается последовательность элементов, команд или данных, обрабатываемая процессором. На основе числа потоков команд и потоков данных Флинн выделяет четыре класса архитектур: SISD,MISD,SIMD,MIMD.
SISD (single instruction stream / single data stream) - одиночный поток команд и одиночный поток данных.
SIMD (single instruction stream / multiple data stream) - одиночный поток команд и множественный поток данных.
MISD (multiple instruction stream / single data stream) - множественный поток команд и одиночный поток данных.
MIMD (multiple instruction stream / multiple data stream) - множественный поток команд и множественный поток данных.
архитектура MISD
Определение подразумевает наличие в архитектуре многих процессоров, обрабатывающих один и тот же поток данных. Однако ни Флинн, ни другие специалисты в области архитектуры компьютеров до сих пор не смогли представить убедительный пример реально существующей вычислительной системы, построенной на данном принципе. Ряд исследователей относят конвейерные машины к данному классу, однако это не нашло окончательного признания в научном сообществе. Будем считать, что пока данный класс пуст.
Данная классификация относится к конвейерным ВС и имеет следующую структурную схему:

где ЭБО – элементарный блок обработки информации.
Архитектура MISDобразуется следующим образом:
Первая трансформация SISDархитектуры переход к MISD, когда вместо одного АЛУ можно использовать цепочку из элементарных блоков обработки (ЭБО) информации (т.е. конвейер), причем каждый из них реализует свою микрооперацию, заметим, что последовательность микроопераций приводит к выполнению более крупной операции. Так конвейерный процессор представляется как предельный вариант развития архитектуры процессора.
Конвейерный процессор является простейшим вариантом конвейерной ВС. В самом деле, конкретная пара операндов в конвейере последовательно обрабатывается всеми элементарными блоками обработки. С другой стороны все эти блоки работают параллельно, но над своими операндами данных.
Однако ни М. Флинн, ни другие специалисты в области архитектуры компьютеров до сих пор не смогли представить убедительный пример реально существующей вычислительной системы, построенной на данном принципе
архитектура SIMD
Одиночный поток команд и множественный поток данных. В архитектурах подобного рода сохраняется один поток команд, включающий, в отличие от предыдущего класса, векторные команды. Это позволяет выполнять одну арифметическую операцию сразу над многими данными - элементами вектора.

Данная архитектура относится к матричным ВС и имеет следующую структурную схему:

Архитектура SIMD порождается из SISD путем тиражирования арифметико-логических устройств памяти, но с сохранением единого устройства управления. В SIMD архитектуре в качестве вычислителя выступает элемент процессора (ЭП), который является композицией из АЛУ и памяти. Архитектура SIMD основывается на массовом параллелизме. В ней множество процессоров, такая архитектура была выбрана в 60-х годах. В то время основные затраты приходились не на АЛУ и память, а на устройство управления. Поэтому в SIMD архитектуре невозможно добиться высокой производительности при приемлемой цене. Однако с развитием интегральных технологий в производстве элементной базы такие экономические соображения стали неэффективными, и при создании более поздних систем отказывались от единого устройства управления, стали его делать распределенным.
К этому архитектурному классу принадлежат однопроцессорные векторные или, точнее говоря, векторно-конвейерные суперкомпьютеры, например, Cray-1. В этом случае мы имеем дело с одним потоком (векторных) команд, а потоков данных - много: каждый элемент вектора входит в отдельный поток данных. К этому же классу вычислительных систем относятся матричные процессоры, например ILLIAC-IV. Они также имеют векторные команды и реализуют векторную обработку, но не посредством конвейеров, как в векторных суперкомпьютерах, а с помощью матриц процессоров.
SIMD архитектура, в отличии от MISD, не имеет принципиальных ограничений в наращивании производительности. Решения, которые были отработаны в конвейерных и матричных ВС, нашли применение в современных высокопроизводительных системах.
Примерами могут служить ВС: CYBER-205, ILLIAC IV, DAP, Connection machine.
2.Произвести численные расчеты и построить графики для функций надежности r(t) и готовности s(t) ЭВМ, обладающими следующими техническими параметрами:
- средним временем безотказной работы = 10 ч,
- интенсивностью восстановления μ = 10 1/ч.
Функция (или вероятность безотказной работы) относится к основным показателям надежности ЭВМ. Характеризует производительность ЭВМ на промежутке времени, то есть эта функция обеспечивает потенциально возможную производительность. Функцией надежности ЭВМ называется

где запись означает вероятность того, что для всякого , принадлежащего промежутку времени производительность ЭВМ равна единице, т.е равна потенциально возможной.
Функция обладает следующими свойствами:
Т.е. машина в момент начала функционирования находится в работоспособном состоянии.
Событие, заключающееся в том, что ЭВМ работоспособна на конечном промежутке времени, является достоверным.
для ;
Функцией ненадежности(или вероятностью отказа) ЭВМ называется

Функция позволяет определить среднее время безотказной работы (средняя наработка до отказа). По определению, среднее время безотказной работы ЭВМ и оценка соответственно равны:

где – время безотказной работы -й машины,
Интенсивностью отказов (лямбда-характеристикой) ЭВМ называется функция

Практически установлено, что зависимость интенсивности отказов от времени имеет место на периоде приработки ЭВМ. После приработки ЭВМ интенсивность отказов остается постоянной (до вхождения в предельное состояние или, по крайней мере, в течение промежутка времени, перекрывающего время морального старения). Следовательно, в нормальных условиях эксплуатации ЭВМ а функция надежности и математическое ожидание времени безотказной работы соответственно равны:
.
– среднее число отказов, появляющихся в машине в единицу времени.
Подставляя известные нам данные получим следующую функцию для расчета надежности:
r(t) = exp(-1/*t),
r (t) = exp(-t/105);
Рассчитаем значения функции и построим график:
t,ч. r(t)
0 1
25000 0,778800783
50000 0,60653066
75000 0,472366553
100000 0,367879441
125000 0,286504797
150000 0,22313016
175000 0,173773943
200000 0,135335283
225000 0,105399225
250000 0,082084999
275000 0,063927861
300000 0,049787068
325000 0,038774208
350000 0,030197383
375000 0,023517746
400000 0,018315639
425000 0,014264234
450000 0,011108997


Теперь рассчитаем значения функции готовности. Функция готовности ЭВМ

есть вероятность того, что (в условиях потока отказов и восстановлений) машина будет иметь в момент времени производительность, равную единице, т.е. равную потенциально возможной.
Функция готовности ЭВМ обладает следующими свойствами:


для
Расчет будем производить по следующим формулам:
;.
для начальных состояний ЭВМ , причем соответствует состоянию отказа, а – работоспособному состоянию машины, где λ = 1/.
s (0, t) = 10 / (10 + 1/105) – 10 / (10 + 1/105) * exp((-t) * (10 + 1/105)) =
=0,999999 – 0,999999 * exp((-t) * 10,00001);
s (1, t) =10 / (10 + 1/105) + 0,000001 / (10 + 1/105) * exp((-t) * (10 + 1/105))=
=0,999999 + 0,00000099 * exp((-t) * 10,00001).
Рассчитаем значения функции и построим график:
t,ч. s(0,t)
0 0
0,03 0,259181742
0,06 0,451188242
0,09 0,593430113
0,12 0,698805451
0,15 0,776869398
0,18 0,834700575
0,21 0,877542951
0,24 0,909281355
0,27 0,932793736
0,3 0,950212131
0,33 0,963115991
0,36 0,972675403
0,39 0,979757188
0,42 0,985003501
0,45 0,988890065
0,48 0,991769301
0,51 0,993902291
0,54 0,995482448

t,ч. s(1,t)
0 1
0,03 1
0,04 1
0,05 1
0,06 1
0,07 0,999999
0,08 0,999999
0,09 0,999999
0,1 0,999999
Список литературы
Хорошевский В.Г., Архитектура вычислительных систем. – Н.: СибГУТИ, 2000
Хорошевский В.Г.,Инженерный анализ функционирования вычислительных машин и систем. –М.: «Радио и связь», 1987
Конспект лекций по дисциплине «Архитектура вычислительных систем».

ПриложениеВычислительная система ILLIAC IV
Матричная ВС ILLIAC IV создана Иллинойским университетом и корпорацией Бэрроуз (Burroughs Corporation). Работы по созданию ILLIAC IV были начаты в 1966 г. под руководством Д.Л. Слотника. Монтаж системы был закончен в мае 1972 г. в лаборатории фирмы Burroughs (Паоли, штат Панама), а установка для эксплуатации осуществлена в октябре 1972 г. в Научно-исследовательском центре НАСА им. Эймса в штате Калифорния (NASA's Ames Research Center; NASA - National Aeronautics and Space Administration - Национальное управление аэронавтики и космоса).
Количество процессоров в системе - 64;
быстродействие - 2 • 108 опер./с (Core 2 Duo до 3,1 • 1011 опер./с);
емкость оперативной памяти - 1 Мбайт;
полезное время составляло 80...85 % общего времени работы ILLIAC IV,
стоимость 40 000 000 долл.,
вес - 75 т,
занимаемая площадь - 930 м2.
Система ILLIAC IV была включена в вычислительную сеть ARPA (Advanced Research Projects Agency - Управление перспективных исследований и разработок Министерства обороны США) и успешно эксплуатировалась до 1981 г.
Функциональная структура системы ILLIAC IV
Матричная ВС ILLIAC IV (рис. 5.2) должна была состоять из четырех квадрантов (K1-К4) подсистемы ввода-вывода информации, ведущей ВС В6700 (или В6500), дисковой памяти (ДП) и архивной памяти (АП). Планировалось, что ВС обеспечит быстродействие 109 опер./с.

В реализованном варианте ILLIAC IV содержался только один квадрант, что обеспечило быстродействие 2 • 108 опер./с. При этом ILLIAC IV оставалась самой быстродействующей ВС вплоть до 80-х годов XX в.

Квадрант — матричный процессор, включавший в себя устройство управления и 64 ЭП. Устройство управления представляло собой специализированную ЭВМ, которая использовалась для выполнения операций над скалярами и формировала поток команд на матрицу ЭП.
Элементарные процессоры матрицы регулярным образом были связаны друг с другом. Структура квадранта системы ILLIAC IV представлялась двумерной решеткой, в которой граничные ЭП были связаны по канонической схеме.
Все 64 ЭП работали синхронно и единообразно. Допускалось одновременное выполнение скалярных и векторных операций.
Формат представления данных системы ILLIAC IV
В системе ILLIAC IV использовалось слово длиной 64 двоичных разряда. Числа могли представляться в следующих форматах:
64 или 32 разряда с плавающей запятой;
48, или 24, или 8 разрядов с фиксированной запятой.
При использовании 64-, 32- и 8-разрядных форматов матрица из 64 ЭП могла обрабатывать векторы операндов, состоявшие из 64, 128 и 512 компонентов соответственно.
Система ILLIAC IV при суммировании 512 8-разрядных чисел имела быстродействие почти 1010 опер./с, а при сложении 64-разрядных чисел с плавающей запятой - 1,5 • 108 опер./с.
Компонентная структура системы ILLIAC IV
Элементарный процессор мог находиться в одном из двух состояний - активном или пассивном. В первом состоянии ему разрешалось, а во втором запрещалось выполнять команды, поступавшие из устройства управления.

Разрядность сумматора и всех регистров ЭП – 64 бита, регистр модификации адреса – 16 бит и состояния – 8 бит.
Аппаратный состав системы ILLIAC IV
Подсистема ввода-вывода состояла из устройства управления, буферного запоминающего устройства и коммутатора.
Ведущая ВС В 6700 — мультипроцессорная система корпорации Burroughs; могла иметь в своем составе от 1 до 3 центральных процессоров и от 1 до 3 процессоров ввода-вывода информации и обладала быстродействием (1...3) • 106 опер./с.
Дисковая память (ДП) состояла из двух дисков и обрамляющих электронных схем, она имела емкость порядка 109 бит и была снабжена двумя каналами со скоростью 0,5 • 109 бит/с. Среднее время обращения к диску составляло 20 мс.
Архивная память (АП) — постоянная лазерная память с однократной записью, разработанная фирмой Precision Instrument Company емкостью 1012 бит. Имелось 400 информационных полосок по 2,9 млрд. бит, которые размещались на вращающемся барабане. Время поиска данных на любой из 400 полосок достигало 5 с; время поиска в пределах полоски – 200 нс. Существовало два канала обращения к архивной памяти, скорость считывания и записи данных по каждому из которых была равна 4 • 106 бит/с.
Применение системы ILLIAC IV
Практически установлено, что ILLIAC IV была эффективна при решении широкого спектра сложных задач.
Классы задач: матричная арифметика, системы линейных алгебраических уравнений, линейное программирование, исчисление конечных разностей в одномерных, двумерных и трехмерных случаях, квадратуры (включая быстрое преобразование Фурье), обработка сигналов.
Классы задачи, обеспечивающих не полное использование ЭП: : движение частиц (метод Монте-Карло и т. д.), несимметричные задачи на собственные значения, нелинейные уравнения, отыскание корней полиномов.
Эффективность системы ILLIAC IV на примере решения типичной задачи линейного программирования, имеющей 4000 ограничений и 10 000 переменных, можно оценить по времени решения, которое составляло менее 2 мин, а для большой ЭВМ третьего поколения – 6...8 часов

Приложенные файлы

  • docx 8814612
    Размер файла: 193 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий