Параллельная обработка данных




НазваниеПараллельная обработка данных
страница1/5
Дата публикации22.03.2013
Размер0.54 Mb.
ТипДокументы
vbibl.ru > Информатика > Документы
  1   2   3   4   5
В.А. Фисун 14.12.2005

ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ ОБРАБОТКА ДАННЫХ

Краткий курс

  1. Основные виды ЭВМ.

Электронные Вычислительные Машины (ЭВМ) разделяются на аналоговые(непрерывные) и дискретные машины, реализующие цифровые вычисления. Так как для обозначения аналоговых электронных вычислительных машин используется сокращение (АВМ), то для электронных дискретных вычислительных машин используется сокращение от ЭЦВМ - ЭВМ.

В АВМ информация может быть введена в виде физических величин и результаты могут выдаваться на самопишущие устройства или на экраны приборов. Схема такой машины строится в соответствии с математической моделью явления, описываемой изучаемый процесс. Спидометры и тахометры на щитке автомобиля - примеры тривиальных АВМ. Автопилоты самолетов создавались первоначально на принципах АВМ. Достоинство этой архитектуры в быстродействии (иногда в мгновенном срабатывании), в относительной дешевизне. К недостаткам следует отнести: низкую точность результатов, сложность программирования – настройки машины.

Другой, наиболее распространенный тип ЭВМ - цифровые вычислительные машины (ЭЦВМ) или машины дискретного действия. В машинах такого типа вся информация представляется в виде цифровых кодов и они могут называться: "компьютер", "суперкомпьютер", ”персональный компьютер”, ”РС”, ”рабочая станция”, "вычислительная система", "вычислительная среда", "универсальная ЦВМ", "ЭВМ", "вычислительная платформа". Базовые элементы вычислительной техники, классические ЭВМ - это вычислительные машины фон-Нейманновской архитектуры (Von Neumann architecture).

ВОПРОСЫ !! Но является ли ЭВМ, цифровая машиной с новыми принципами физической организации аппаратных средств, например с квантовыми. А как называть пневматическую дискретную вычислительную машину?

^

1.1. Эволюционная классификация ЭВМ


Одна из форм классификации ЭВМ - по "поколениям" связана с эволюцией аппаратного и программного оборудования, причем основным классификационным параметром является технология производства. Классификация рассматривается на примерах из отечественной техники, что дает возможность перечислить хотя бы основных творцов отечественной информационной технологии. История отечественных исследований в данной области пока малоизвестна. Это связано с тем, что работы в данной области длительное время носили закрытый характер. В России (в СССР) начало эры вычислительной техники принято вести от 1946г., когда под руководством Сергея Алексеевича Лебедева закончен проект малой электронной счетной машины (МЭСМ - 50 оп./сек. ОЗУ на 63 команды и 31 константы) - фон Неймановская универсальная ЭВМ. В 1950/51 гг. она пущена в эксплуатацию. Далее, приводятся некоторые крупные отечественные достижения в области вычислительной техники.

^ Первое поколение ЭВМ /1946-1957гг/ использовало в качестве основного элемента электронную лампу. Быстродействие их не превышало 2-3 т. оп./сек; емкость ОЗУ - 2-4 К слов. Это ЭВМ: БЭСМ-1 (В.А. Мельников,1955г.), Минск-1 (И.С. Брук 1952/59 гг.), Урал-4 (Б. И. Рамеев), Стрела (Ю.Я. Базилевский, 1953 г.), М-20 (М.К. Сулим 1860 г.). А.Н. Мямлиным была разработана и несколько лет успешно эксплуатировалась "самая большая в мире ЭВМ этого поколения" - машина Восток. Программирование для этих машин: однозадачный, пакетный режим, машинный язык, ассемблер.

В ЭВМ второго поколения /1958-1964гг/ элементной базой служили транзисторы. Отечественные: Урал-14,Минск-22,БЭСМ-4,М-220,Мир-2,Наири и БЭСМ-6 (1 млн. оп./сек , 128К), Весна (В.С. Полин, В.К. Левин), М-10 (М.А. Карцев). ПС-2000,ПС-3000, УМШМ, АСВТ, Сетунь. Программирование: мультипрограммный режим, языки высокого уровня, библиотеки подпрограмм.

Элементная база ЭВМ третьего поколения, /1965-1971гг/ интегральные схемы - логически законченный функциональный блок, выполненный печатным монтажом. Отечественные ЭВМ этого поколения ЭВМ ЕС (Единой Системы):ЕС-1010,ЕС-1020, ЕС-1066 (2 млн. оп./сек , 8192К) и др. Программирование: мультипрограммный, диалоговый режимы, ОС, виртуальная память.

В 1996 г. в России работают 5 тысяч ЕС ЭВМ из 15 т., уставленных а СССР. НИИЦЭВТ на базе комплектующих IBM/390 разработал 23 модели производительностью от 1.5 до 167 Мфлоп (ЕС1270, ЕС1200, аналоги серверов 9672)). IBM предоставляет также лицензионные программные продукты (ОС-390). Используются в Росси для сохранения программного задела прикладных систем (проблема наследия ЕС ЭВМ).

ЭВМ четвертого поколения /1972-1977гг/ базируются на "больших интегральных схемах"(БИС) и "микропроцессорах". Отечественные - проект "Эльбрус", ПК. Программирование: диалоговые режимы, сетевая архитектура, экспертные системы.

ЭВМ пятого поколения /начиная с 1978г/ используют "сверхбольшие интегральные схемы" (СБИС). Выполненные по такой технологии процессорные элементы на одном кристалле могут быть основным компонентом различных платформ - серверов: от супер-ЭВМ (вычислительных серверов), до интеллектуальных коммутаторов в файл-серверах.

На этом поколении технологические новации приостанавливаются и в восьмидесятые годы в ряде стран появляются проекты создания новых вычислительных систем на новых архитектурных принципах. Так, в 1982 японские разработчики приступили к проекту "компьютерные системы пятого поколения", ориентируясь на принципы искусственного интеллекта, но в 1991 японское министерство труда и промышленности принимает решение о прекращении программы по компьютерам пятого поколения; вместо этого запланировано приступить к разработке компьютеров шестого поколения на основе нейронных сетей.

В СССР под руководством А.Н. Мямлина в рамках такого проекта велась разработка вычислительной системы, состоящей из специализированных процессоров: процессоров ввода/вывода, вычислительного, символьного, архивного процессоров.

В настоящее время в России создаются мультисистемы на базе зарубежных микропроцессоров: вычислительные кластеры (НИИЦЭВТ), супер-ЭВМ МВС-1000 (В.К. Левин, А.В.Забродин). Под руководством Б.А.Бабаяна проектируется микропроцессор Мерсед-архитектектуры. В.С. Бурцев разрабатывает проект суперЭМВ на принципах потоковых машин.

Эволюция отечественного программного обеспечения непосредственно связана с эволюцией архитектуры ЭВМ, первая Программирующая Программа ПП, Интерпретирующая Система- ИС создавались для М-20 (ИПМ). Для ЭВМ этого семейства были реализованы компиляторы с Алгола: ТА-1 (С.С.Лавров), ТФ-2 (М.Р.Шура-Бура), Альфа(А.П.Ершов).

Для БЭСМ-6 создан ряд операционные системы: от Д-68 до ОС ИПМ (Л.Н. Королев, В.П. Иванников, А.Н. Томилин, В.Ф.Тюрин, Н.Н. Говорун, Э.З. Любимский).

Под руководством С.С.Камынина и Э.З. Любимского был реализован проект Алмо: создание машинно-ориентированного языка и на его базе системы мобильных трансляторов.

В.Ф.Турчин предложил функциональный язык Рефал, системы программирования на базе этого языка используются при создании систем символьной обработки и в исследованиях в области мета вычислений.

2. Принципы фон-Неймана

Основные архитектурные принципы построения цифровых (дискретных) вычислительных систем (ЦВМ) были разработаны и в 1946 г. опубликованы Дж. фон Нейманом (John Louis von Neumann), Г. Голдстайном (H.H Goldstine) и А. Берксом (A.W. Burks) в отчете: "Предварительное обсуждение логического конструирования электронного вычислительного устройства". Основные принципы.

2.1. Программное управление работой ЭВМ.

Программа состоит из последовательности команд, хранимых в Оперативном Запоминающем Устройстве (ОЗУ); каждая команда задает единичный акт преобразования информации. ЭВМ поочередно выбирает команды программы и выполняет предписанные в них дискретные вычисления. В любой момент времени работы ЭВМ выполняется только одна команда программы.

Так алгоритм вычисления площади трапеции с основаниями А и В, высотой Н {S=0.5*(А+В)*Н} можно представить в виде последовательности (шагов) элементарных вычислений - команд ЭВМ (трех-адресных):

Команды Комментарий

+, A, B,P1; Р1=А+В

*, P1,H,P2; Р2=Р1*Н

/,P2,’’0.5’’,S; S=R2/0.5.

2.2. Принцип условного перехода.

Этот принцип дает возможность перехода в процессе вычислений на тот или иной участок программы в зависимости от промежуточных, получаемых в ходе вычислений результатов. Команда условного перехода могут нарушить последовательный порядок выборки команд программы и указать команду для последующего выполнения – L в случае выполнения условий заданного соотношения. (Команды безусловного перехода нарушает порядок выбора команд всегда).

Так, определение максимального числа может быть выполнено программой:

MАХ = B

IF (A
MAX =A

L ..............

Команды перехода позволяет реализовывать в программе циклы с автоматическим выходом из них.

2. 3. Принцип хранимой программы

Принцип заключается в том, что команды представляются в числовой форме и хранятся в том же Оперативном Запоминающем Устройстве (ОЗУ), что и исходные данные. ОЗУ – структурно состоит из пронумерованных ячеек. Над программой можно производить арифметические действия, изменяя ее динамически.

ВОПРОС? Как можно использовать для модификации программы команду %:

%,А1,А2,А3; которая,

  1. передает управление команде, размещенной в ОЗУ по адресу А2,

2. пересылает содержимое слова ОЗУ А1 в А3 (А3=А1).

2.4. Использования двоичной системы счисления для представления информации в ЭВМ.

Элементарной единицей информации является бит, принимающий одно из двух значений 0 или 1. В двоичной системе счисления представляются целые и вещественные числа над которыми ЭВМ производит вычисления, команды программ.

ВОПРОСЫ? Почему числа - степень двойки предпочтительны для измерения параметров оборудования ЭВМ. Почему нумерация строк ОЗУ начинает с нуля.

3. Структура традиционных ЭВМ

Классические (Von Neumann architecture) ЭВМ имеют следующую структуру:

АЛУ + УУ <кд........кд.....кд ОЗУ, где

- ОЗУ (Оперативное Запоминающего Устройства) - память для хранения программ и данных. Таблица, каждая строка которой содержит команду или данное в двоичной системе счисления.

- АЛУ (Арифметико- Логическое Устройство, ALU – Arithmetic and Logic Unit), устройство, которое выполняет операции над данными: аргументы и результаты операции считываются и записываются из (в) ОЗУ.

  • УУ (Устройства Управления), устройство, которое последовательно выбирает команды из ОЗУ, дешифрирует их и организует выполнение заданных операций в АЛУ.

  • <кд........кд.....кд последовательность команд и данных, причем данные как читаются из ОЗУ, так и туда же записываются.

Совокупность АЛУ и УУ принято называть процессором (ЦПУ,CPU), резервируя слово ЭВМ (ПЭ) для полного вычислительного комплекса. (По словарю А. Синклера "processor" - блок компьютера, выполняющий вычислительные действия). В современных микропроцессорах, микросхема процессора размещается на одном кристалле (чипе) , это: УУ + АЛУ + набор регистров + кэш память. В приведенной схеме не отражены устройства ввода/вывода информации, массовая память для постоянного хранения информации.

Все современные микропроцессоры имеют фон Неймановскую архитектуру. Для ускорения вычислений которых предложено ряд параллельных архитектур вычислительных машин, для классификации которых , можно использовать нотацию М. Флинна (М.Flynn).
4. Классификация вычислительных машин по Флинну

Данная классификация иллюстрируется схемами повышения производительности классического процессора путем увеличения количества функциональных устройств. Итак, исходная схема: АЛУ + УУ <кд.....кд......кд> ОЗУ.

Увеличив число АЛУ, получим схему:

АЛУ + УУ <кд.....кд......кд> ОЗУ

АЛУ <д.....д......д> ОЗУ

По такой схеме создавалась система Эллиак 4 (отечественный аналог - ПС-2000), суперскалярные микропроцессоры.

Увеличив число УУ , то получим следующую схему:

АЛУ + УУ <кд.....кд......кд> ОЗУ

УУ <к.....к......к> ОЗУ

Некоторые исследователи отказывают данной схеме право на существование , другие, в качестве примера данной схемы приводят конвейерные АЛУ. (Например, сложение вещественных чисел можно реализовать последовательностью команд: выровнять мантиссы, сложить мантиссы, провести нормализацию результата.)

Наконец, можно просто умножать исходную схему:

АЛУ + УУ <кд.....кд......кд>^ ОЗУ

АЛУ + УУ
<кд.....кд......кд> ОЗУ

По такой схеме реализуются все современные суперЭВМ

Кроме функционального различия, схемы отличаются характером нагрузки на ОЗУ- плотностью потоков команд и данных. По Флинну эта особенность и является главной чертой и она характеризует архитектуры ЭВМ по структуре используемых потоков (Stream) команд (Instruction) и данных (Data), каждый из которых может быть одиночным и множественным. Множественный поток определяется как возможность одновременной обработки сразу нескольких элементов соответствующего потока. Комбинация признаков дает четыре вида архитектур.

- ОКОД одиночный поток команд, одиночный поток данных,

- ОКМД одиночный поток команд, множественный поток данных,

- МКОД множественный поток команд, одиночный поток данных,

- МКМД множественный поток команд, множественный поток данных.

Обозначив поток команд как ‘-‘,’+’ , а поток данных ‘a,b’ , ‘c,d’ эту классификацию изобразить:
+ -> ОКОД -> a+b + -> -> a+b

а,b -> a,b -> ОКМД -> c+d

c,d ->

+ -> -> a+b + -> -> a+b

- -> МКОД -> a-b - -> МКМД -> c-d

a,b -> a,b ->

c,d ->

5. Общие принципы потоковой обработки

Потоковая архитектура (data-flow) вычислительных систем обеспечивает интерпретацию алгоритмов на графах, управляемых данными. Идеи потоковой обработки информации, организации вычислений, управляемых потоками данных можно рассмотреть на примере организации ввода и суммирования трех чисел. Традиционная схема вычислений может быть представлена так: ввод (а); ввод (в); ввод (с); s = a+b; s = s+c;

Если ввод данных может быть производиться асинхронно, то организовать параллельное программирования данного алгоритма не просто. Параллельный алгоритм может быть записан в виде потока данных на графе:

ввод (а) ввод (в) ввод (с)

а+в а+с в+с

(в+с)+а (а+с)+в (а+в)+с

Здесь, начальные вершины - ввод, затем каждое введенное данное размножается на три и они передаются на вершины, обеспечивающие суммирование. Теперь, любом порядке поступления данных отсутствуют задержки вычислений для получения результата. Data-flow программы записываются в терминах графов. В вершинах графа находятся команды, состоящие, например, из оператора, двух операндов (для двуместных операций), возможно, литеральных, или шаблонов для заранее неизвестных данных и ссылки, определяющей команду - наследника и позицию аргумента в ней для результата. Для фрагмента программы, вычисляющего оператор: a=(b+1)*(b-c), команды могут иметь вид:

L1:(+(
  1   2   3   4   5

Добавить документ в свой блог или на сайт

Похожие:

Параллельная обработка данных iconПрограмма предназначена для сбора данных от сети контроллеров системы «асои»
Программа работает со всеми версиями Postgresql, начиная с Все выборки с базы данных осуществляются методом функцией pqexec, для...

Параллельная обработка данных iconВ отношении обработки персональных данных
Обработка персональных данных ограничивается достижением конкретных, заранее определенных и законных целей. Не допускается обработка...

Параллельная обработка данных icon1 этап. Подготовка базы 1С: ббу к переходу
Для переноса данных из 1С: ббу в 1С: бгу 2 предусмотрена специализированная обработка выгрузки данных из 1С: ббу и универсальная...

Параллельная обработка данных icon1 этап. Подготовка базы 1С: ббу к переходу
Для переноса данных из 1С: ббу в 1С: бгу 2 предусмотрена специализированная обработка выгрузки данных из 1С: ббу и универсальная...

Параллельная обработка данных icon2 Хранение информации об авиарейсах и ценах на билеты 7
Параллельная обработка запросов, поступающих от клиентов, в серверном приложении 8

Параллельная обработка данных icon1. 1             Обработка данных с помощью электронных таблиц
Основное назначение табличных процессоров – обработка таблично организованной информации, проведение расчётов на её основе и обеспечение...

Параллельная обработка данных iconНиколаева Мария Леонидовна
«поля» (подбор, обучение, координация и контроль интервьюеров), разработка технологий обработки данных, ввод данных и первичная обработка,...

Параллельная обработка данных iconОбработка результатов тестирования
Производится количественная и качественная обработка результатов. Возможен групповой и индивидуальный анализ данных

Параллельная обработка данных iconПараллельная обработка одного класса арифметических выражений
Предлагается и обсуждается построение и реализация алгоритма преобразования последовательных выражений для их параллельной обработки...

Параллельная обработка данных iconРуководство администратора 75645134. 12. И5 Листов 2009 Аннотация...
Программное обеспечение «Сбор, обработка данных ежеквартальной отчетности по фактическому водопользованию» по формам приказа мпр...

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
vbibl.ru
Главная страница