Повышение производительности компьютерных систем

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

|Выполнил: |Чукин В.В. |

| |группа 98повт-3 |

|Проверил: |Воронков А.Е. |

Оренбург 1999

Содержание.

|1.Немного истории. |3 |

|2.Повышение производительности в компьютерных сетях. |6 |

|3.Повышение производительности процесоров |8 |

|4. ММХ-революция в микропроцессорной эволюции. |9 |

|5.Основные проблемы. |12 |

|6.Одно из перспективных решений. |12 |

|7.Влияние архитектуры микропроцессоров на повышение |14 |

|производительности. | |

|8.Список литературы. |26 |

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

Страницы: 1, 2