Базовый естественно-математический уровень
СХЕМОТЕХНИКА И ОРГАНИЗАЦИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
продолжением курса будет курс : Интеллектуальные информационные системы
В данном курсе мы рассмотрим:
· цифровые вычислительные системы
· аналоговая техника
· нейрокомпьютеры
· квантовые компьютеры
· базовые принципы организации вычислений
· многоуровневое представление архитектуры
Общее представление архитектуры вычислительной системы
Введение
Развитие и внедрение в практику новых информационных технологий рассматривается как комплексный системный подход к автоматизации процессов манипулирования с информацией в различных его аспектах. это неизбежно приводит к более широкой трактовке многих понятий. Так под вычислениями подразумеваются любые процедуры, связанные с получением, хранением, обработкой, передачей и использованием информации.
Пять аспектов манипулирования информацией:
Информацию можно: хранить, обрабатывать, передавать и использовать.
Любая система, которая манипулирует информацией в одном из этих аспектов, является информационной системой.
В более широкой трактовке рассматривается и понятиевычислительной системы (ВС).
Очевидно, оно должно объединять в себе любые аппаратно-программные системы, манипулирующие с информацией хотя бы в одном из перечисленных выше аспектов.
Это могут быть простейшие системы передачи данных или сложнейшие системы представляющие собой взаимосвязанную совокупность: одного или многих процессоров или компьютеров (возможно базирующихся на различных принципах организации вычислений);многоуровневая память; периферийные устройства; программное обеспечение управляющее аппаратными средствами и расширяющее их возможности в плане реализации информационно-вычислительных процессов различного характера.
Архитектура–все то, что полезно знать пользователю о компьютерах. Следовательно для разных пользователей это понятие разное. Дадим более четкое определение.
Под архитектурой ВСбудем понимать многоуровневое представление основных принципов её организации, отражающее суть протекающих в ней процессов и механизмов управления ими на различных уровнях детализации.
Многоуровневое представление архитектуры вычислительных систем.
Рассмотрим общее представление архитектуры вычислительных систем, охватывающее базовые принципы ей организации и возможные тенденции их развития выделим 10 уровней детализации:
Рисунок 1.1
Данное представление является обобщающим для различных ВС и их составных компонент.
Его уровни приобретают определенное содержание и смысл при рассмотрении конкретных проектов ВС.
Базовый естественно-математический уровень
Отражает положенные в основу создание и функционирование аппаратной составляющей (аппаратной части) ВС, известные из естественных наук законы, явления и эффекты реального мира, а также математические модели, описывающие их;
физические законы, явления и эффекты классической электроники позволяют строить электронные аналоги матмематических моделей, определяющих вычислительный базис, реализуемый аппаратной частью ВС.
Данная схема – решение конкретного дифференциального уравнения второго порядка.
Пример аналоговой вычислительной машины.
Эти аналоги могут составить элементный базис классической аналоговой машины, специализированной на определенный класс задач. Также они (эти аналоги) могут служить основой для реализации нейронной сети нейропроцессора (искусственные нейроны соединены в определенные структуры ??? которые реализуются также электрическими схемами) в аналоговом исполнении. При этом отправными для построения модели такого аналога являются биологические законы организации и функционирования человеческого мозга.
С использованием классической электроники и свойств полупроводниковых материалов создается элементная база современной цифровой аппаратуры.
Простейший пример – дешифратор.
Законы квантовой электроники, ??? квантовой механики служат теоретической основой для построения квантового компьютера. Логическое ядро такого компьютера представляет собой квантовую систему, построенную методами нанотехнологий на основе N атомов или элементарных частиц, имеющих два уровня состояния и называемых кубитами (quantum bit).
Линейность и обратимость квантовых законов поведения такой системы позволяет использовать унитарные операторы для преобразования когерентной суперпозиции 2N базовых состояний Nкубитового базового регистра в гильбертовом пространстве соответствующей размерности.
Это, так называемое, свойство квантового параллелизма обеспечивает экспоненциальное ускорение вычислительного процесса, что играет важную роль для решения N-p трудных проблем.
То есть:
Есть N разрядный регистр. У него 2N состояний. Компьютер обрабатывает этот регистр, т е обсчитывает все возможные состояний. Проблема N-p трудная. Квантовый процессор обрабатывает все состояния сразу (мгновенно). Сложность в том, как внести исходные данные и как снять результат.
Аналоговый уровень
Связан с определением базовых аналоговых элементов и построением на их основе более сложных электронных аналогов. Базовые аналоговые элементы реализуют простейшие преобразования непрерывных физических сигналов, соответствующих переменным математических моделей. Более сложные электронные аналоги выполняют функционально законченные математические операции, из которых складывается существенно параллельный процесс (все функциональные блоки аналогового процессора принимают одновременное участие в решении задачи) решения задач.
В рамках классической полупроводниковой электроники в качестве базовых аналоговых элементов определены диоды, транзисторы, емкости, сопротивления.
Проектирование сложных электронных схем из базовых элементов осуществляется методами аналоговой схемотехники, использующие законы Ома, Кирхгофа и известные модели базовых аналоговых элементов.
Сложнее обстоит дело с построением аналога, функционирующего по законам квантовой электроники.
Данное направление развития ВС в настоящее время находится скорее на стадии теоретических изысканий и попыток построения экспериментальных образцов из нескольких кубитов. Последние связаны с решением сложных проблем выбора подходящей физической системы дл реализации кубитов, определения способов селективного (избирательного) управления ими (кубитами) и измерения их состояния при извлечении результатов.
Аналоговые ВС, будь то аналоговая вычислительная машина или нейрокомпьютер в аналоговом исполнении, обладая колоссальным быстродействием, в силу существенного параллелизма вычислений имеет ряд недостатков:
· отсутствие универсальности, гибкости в плане переориентации системы на другую задачу;
· проблемы обеспечения требуемой точности вычислений, которые могут возникать на определенных классах задач;
· низкая помехоустойчивость системы, функционирующей в условиях существенного влияния внешних факторов (температурных режимов, уровня радиации, повышенной влажности и т. д.)
Цифровая ВС лишена указанных недостатков, универсальность цифрового микропроцессора, возможность обеспечения практически любой точности, более высокая помехоустойчивость определяют то предпочтение, которое отдано в современной практике цифровым ВС.
Существуют приложения, в которых решение задач в реальном масштабе времени не может быть обеспечено без применения нейросетевых технологий.
В таких ситуациях для придания необходимой гибкости системе, можно ориентироваться на создания гибридной архитектуры, сочетающей в себе аналоговый и цифровой принципы организации ВС. Таким образом на аналоговом уровне представление архитектуры цифровой или гибридной ВС должны рассматриваться вопросы построения аналоговых схем логических элементов,реализующих простейшие функции алгебры логики как математической основы цифровой аппаратуры. Удачное схемное решении, получаемое при этом во многом определяет качество ВС по таким критериям как быстродействие, надежность, потребляемая мощность, стоимость и д. р.
Уровень цифровой схемотехники (рис 1.1)
Представляет иерархическую структуру цифровой аппаратуры, задействованной в ВС.
Нижний уровень в этой иерархии занимают цифровые элементы. Это наименьшие функциональные части, из которых складываются цифровые устройства при их функционально-логическом проектировании и конструктивно-технологическом исполнении.
К цифровым элементам относятся:
· логические элементы
реализуют простейшие функции или системы функций алгебры логики (и, или, не, и-не и т. д.)
· запоминающие элементы
используются для хранения одного бита информации (конденсатор с ключевым транзистором, защелки, триггеры)
· буферные элементы
обеспечивают усиление сигналов на выходах цифровых устройств и согласованную (управляемую) передачу их в нагрузку
Для чего надо усиливать сигналы?
при хрупких системах (на маленькой площади сотни транзисторов) токи протекают низкого уровня, т е мощности не высокие
1) мощности процессора не хватает, поэтому по периметру микросхемы стоят буферные элементы
2) чтобы обеспечить отсутствие взаимных помех существует протокол шины, который осуществляется с помощью буферных элементов
Следует отдельно упомянуть категорию вспомогательных элементовцифровой аппаратуры, не выполняющих логические функции и функции хранения данных. К ним относятся:
· элементы задержки
· генераторы импульсных сигналов
· элементы индикации и др.
Входные сигналы должны выходить одновременно. Т е некоторые сигналы необходимо задерживать.
По способу кодирования двоичных (булевых) переменных цифровые элементы классифицируются на:
· потенциальные
логические 0 и 1 ассоциируются с определенными отличными друг от друга уровнями напряжения
· импульсные
логические 0 и 1 ассоциируются соответственно с отсутствием и наличием импульса напряжения или тока
т е, например, в момент времени t есть перепад, следовательно 1
· импульсно-потенциальные
комбинируют в себе импульсный и потенциальный способы кодирования двоичных элементов
Следующий уровень иерархии вслед за цифровыми элементами занимают функциональные узлы. Они выполняют типовые микрооперации внутреннего языка цифрового устройства.
Цифровые элменты и функциональные узлы являются основой для построения цифровых устройств более сложного функционального назначения:
· микропроцессоры (универсальные или специального назначения)
· запоминающие устройства
· интерфейсные схемы и другая цифровая аппаратура ВС.
Микроархитектурный уровень (рис 1.1)
Отражает логические и схемотехнические принципы интерпретации машинных команд с использованием технологии ??? выборке команд, конвейеризации, распараллеливания, кэширования, динамического предсказания ветвлений, переименования регистров и других приемов, способствующих повышению эффективности вычислительного процесса. Его организация (этого уровня) зависит от выбора компромисса между критериями, основными из которых являются производительность и стоимость (аппаратная сложность процессора).
микроарх. уровень - продолжение уровня схемотехники; строим конкретные схемы реализации вычислительного процесса.
Конвееризация(pipelining) предполагает структурирование процесса обработки инструкции (команды) в виде последовательности этапов, каждый из которых связан с определенной функциональной ступенью конвеера. Такими ступенями могут быть:
· предвыборка команды
· декодирование (дешифрация)
· формирование адресов и выборка операндов
· выполнение команды
· запись результата
Это естественный пятиступенчатый конвеер.
RISK технология
позволила сокращать количество ступеней
пропущенная лекция
Принцип программного управления бла бла я лох не слушала
В 1945 году Джоном Моушли и Джимом Эккертом была построена машина ENIAC (electronical numerical integrator and calculate) содержавшая 18 000 электронных ламп. Производила 5000 операций сложения в секунду или 300 операций умножения в секунду. Это было в 1000 раз больше по сравнению с релейными. В объеме она была 85 кв.м. и весила 30 тонн. Команды программы вводились вручную посредством коммутации нужным образом проводов. Это требовало значительного времени на подготовку вычислительного эксперимента. Содержание и порядок выполнения команд могли быть изменены только после выполнения всей программы.
В целях совершенствования процесса формирования программ работы Моушли и Эккерта были продолжены совместно с математиком Джоном фон Нейманом, который предложил ряд новых идей по поводу организации ЭВМ.
В плане совершенствования программного управления им была предложена концепция хранимой в памяти программ. При этом предполагалось:
· различать разнотипные слова информации (различать данные и команды не по способам кодирования, а по способам использования)
· размещать слова информации в ячейках памяти и идентифицировать их последовательными номерами ячеек (адресами слов)
Однотипность кодирования данных и команд (двоичными кодами), расположение их в единой памяти предоставили возможность оперировать управляющими словами как данными и тем самым модифицировать исходную программу в ходе её выполнения.
Дополненный идеями фон Неймана принцип программного управления определил архитектуру ЭВМ, в базовых своих чертах сохранился до нашего времени.
Первой ЭВМ, построенный в соответствие в архитектурой фон Неймана была машина EDSAC electronic delay storage and calculate). В 1949 году Морис Уилкс.
Архитектура EDSAC предусматривала в составе ЭВМ пяти функциональных устройств, обязательных для архитектуры фон Неймана:
· арифметико-логическое устройство (АЛУ)
· запоминающее устройство (ЗУ)
· входное устройство
· выходное устройство
· устройство управления
В функции АЛУ входило выполнение команд, составляющих программу с использованием предусмотренных в нем наборов базовых операций (арифметических, логических и т д)
Этот набор должен был обладать свойством полноты (быть достаточным для описания любого алгоритма). При этом не исключалась некоторая избыточность, способствующая повышению эффективности обработки данных с учетом специфики конкретных реализуемых алгоритмов.
ЗУ (память) предназначалась для хранения программы исходных и текущих данных. Место данных и команд в памяти определялось и адресом (адресуемая память), т е номером ячейки ЗУ. Содержимое ячейки при чтении не менялось, при записи старое стиралось и заменялось на новое. В командах-преобразователях указывались не сами операнды, а их адреса. Это придавало программе универсальность формулы, в которую можно было подставлять различные данные.
Входное устройство предназначалось для ввода в ЭВМ информации для ввода задач (программ, исходных данных, логических символов…) представленных в двоичных кодах.
???
Устройства управления выполняло функции организации:
· взаимодейтствие АЛУ с ЗУ
поочередная передача команд программы в АЛУ
поиск в памяти нужных для очередной команды данных
запись получаемых результатов
· прием информации от пользователя
· выдача информации пользователю
Пройдя пять поколений ЭВМ архитектура фон Неймана в общих чертах сохранилась и в современных микропроцесарах ВС.
В организационном плане она вышла на качественно новый уровень, отличающийся широким спектром операционных блоков, тонкими технологиями в управлении вычислительным процессом, развитой многоуровневой организации памяти, разнообразием периферийных устройств и современными принципами реализации, обеспечивающими открытость и «интеллектуальность» ВС.
В отличие от ??? принципа централизованного управления в основе реализации цифровых систем стоит магистрально-модульный принцип.
Cуть его заключается в наличии магистралей (шин), к которым свободно подсоединяются функциональные модули ?? процесс обмена информации ?? в режиме разделения времени. Такой подход обеспечивает открытость системы, т е возможность достаточно оперативно расширять её функциональность и наращивать производительность путем изменения состава задействованных в ней модулей.
ололо тут тоже что-тодолжно быть важное наверно ( что то про центральный микропроцессор, многоуровневую память а также стандартный набор периферийных устройств со своими адаптерами)
Все это объединено в систему в соответствии с магистрально модульным принципом её организации посредством системной шины расширения и ряда локальных шин, выполняющих интерфейсные функции
Многоуровневая память современного компьютера распределена по многим его компонентам. Самая быстрая и самая компактная регистровая память,используема ??? для непосредственной интерпритации текущих операций и запоминания их промежуточных результатов, находится в вычислительном тракте.
На кристалле процессора размещены также 1 или 2 уровня внутренней кэш память (сверхоперативной памяти) небольшой емкости,доступной процессору и неадресуемый пользователям
короче конец пары я тоже не дослушала
Самым сбалансированным по быстродействии и стоимости звеном в общей структуре памяти является основная (оперативная) памятьЭто адресная память с произвольным доступом, располагаемая на материнской плате. Она хранит исполняемую в текущий момент программу и связанные с ней данные, а также является средством оперативного обмена информацией (командами данными) между процессором, внешней памятью и периферийными устройствами.