Эффективная подготовка к государственным междисциплинарным экзаменам для студентов технических специальностей (стр. 63 )

Gamma – вероятность того, что начиная от данной операции имеется цепочка из ровно l операций, которые можно выполнять одновременно;

Глубина параллелизма смежных операций,

т. е. математическое ожидание длины цепочки операций, которые можно выполнять одновременно.

Какой из видов параллелизма реализуется в современных универсальных процессорах (например, в процессоре Pentium)? Ответ обоснуйте.

Разделяя вычислительную работу, выполняемую в традиционных микропроцессорах одним ядром Pentium, между несколькими исполнительными ядрами Pentium, многоядерный процессор может выполнять больше работы за конкретный интервал времени и улучшать таким образом впечатления пользователей от работы с системой. Чтобы это улучшение стало возможным, ПО должно поддерживать распределение нагрузки между несколькими исполнительными ядрами. Эта функциональность называется параллелизмом на уровне потоков или организацией поточной обработки, а поддерживающие ее приложения и операционные системы (такие, как Microsoft Windows* XP) называются многопоточными.

Процессор, поддерживающий параллелизм на уровне потоков, может выполнять полностью обособленные потоки кода, например, поток приложения и поток операционной системы или два потока одного приложения (особенно большую выгоду извлекают из параллелизма на уровне потоков мультимедийные приложения, потому что многие их операции могут выполняться параллельно).

Можно ожидать, что по мере увеличения числа многопоточных приложений, использующих достоинства этой архитектуры, многоядерные процессоры будут обеспечивать все новые и новые преимущества пользователям ПК как дома, так и на работе. Многоядерные процессоры могут также улучшить впечатления пользователей от работы в многозадачных средах, а именно при выполнении нескольких приложений переднего плана одновременно с несколькими фоновыми приложениями, такими, как антивирусное и защитное ПО, утилиты для беспроводной связи, управляющие программы и приложения, служащие для сжатия файлов, шифрования и синхронизации.

Как и другие аппаратные способы реализации многопоточности, разработанные и совершенствуемые в Intel, многоядерная архитектура отражает переход к параллельной обработке - концепции, зародившейся в мире суперкомпьютеров. Например, технология Hyper-Threading (HT), представленная корпорацией Intel в 2002 году, обеспечивает возможность параллельного выполнения задач, объединяя несколько "потоков" в одноядерном процессоре. Но технология HT ограничена одним ядром, более эффективно использующим имеющиеся ресурсы для обеспечения лучшей поддержки многопоточности, тогда как многоядерная архитектура включает два (или более) полных набора исполнительных ресурсов.

Специалисты корпорации Intel считают, что многоядерная архитектура способна обеспечить несколько важных возможностей, улучшающих впечатления пользователей, в том числе увеличение числа выполняемых одновременно задач, выполнение требовательных к вычислительной мощности приложений и увеличение числа пользователей, работающих с одним ПК.

4. Подсистема памяти. Методы повышения быстродействия памяти. Виды ЗУ. Иерархическая организация памяти. Какие вычислительные системы, на каком уровне иерархической организации требуют организации пакетного доступа к памяти. Ответ поясните.

Память любой ЭВМ состоит из нескольких видов памяти (оперативная, постоянная и внешняя - различные накопители). Память является одним из важнейших ресурсов. Поэтому операционная система управляет процессами выделения объемов памяти для размещения информации пользователей. В любых ЭВМ память строится по иерархическому принципу. Это обуславливается следующим:

Оперативная память предназначена для хранения переменной информации, так как она допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения микропроцессором соответствующих операций. Поскольку в любой момент времени доступ может осуществляться к произвольно выбранной ячейке, то этот вид памяти называют также памятью с произвольной выборкой - RAM (Random Access Memory).

Все программы, в том числе и игровые, выполняются именно в оперативной памяти. Постоянная память обычно содержит такую информацию, которая не должна меняться в течение длительного времени. Постоянная память имеет собственное название - ROM (Read Only Memory), которое указывает на то, что ею обеспечиваются только режимы считывания и хранения.

С точки зрения пользователей желательно было бы иметь в ЭВМ единую сверх большую память большой производительности, однако емкость памяти и время обращения связаны между собой (чем больше объем тем больше время обращения к ней). Для упрощения все пересылки информации осуществляется не по вертикали, а через оперативную память. Кое-какие процедуры планирования теперь осуществляются компиляторами языков высокого уровня.

Существует противоречие, связанное с организацией ЗУ. Соблюдается тенденция увеличения объёма памяти при медленном росте её быстродействия. Требуется, чтобы скоростные характеристики процессора и памяти были одинаковы. Поэтому структура памяти имеет иерархическую организацию. Она бывает оперативной и внешней. Оперативная память делится на сверхоперативную и главную. Быстродействие сверхоперативной памяти соизмеримо или превышает быстродействие процессора. Обмен между каскадами оперативной памяти может осуществляться через ЦП или специальное устройство обмена. Сверхоперативная память имеет специальную организацию со своей внутренней схемой управления. Сверхоперативная память может строится по принципу многовходовой или ассоциативной памяти. Сверхоперативная память построенная по буферному принципу и называется кэш-памятью. Кэш память, как правило, строится по многоблочной архитектуре. с использованием алгоритмов ассоциативной обработки.

Различают 4 типа ЗУ:

– адресные;

– ассоциативные (информация отыскивается по признаку);

– ортогональные (можно считывать данные как по ячейкам, так и по разрядам);

– стековая.

Функции системы памяти организуются (ограничиваются)

1.  процессором

2.  системным интерфейсом (он позволяет осуществить доступ к громадному адресному пространству)

3.  Основанная память (Оперативная память)

4.  ВЗУ (внешняя ЗУ)

Уровни памяти:

Существуют структурные и алгоритмические методы повышения быстродействия памяти:

Структурные:

1.  метод иерархической памяти

2.  создание новых технологий и организации микросхем памяти.

Алгоритмические:

1.  Пакетный доступ

2.  Расслоение памяти

3.  Метод блочной пересылки.

См (рис 6.1.)

Пакетный доступ

Выборка широким словом. На входе порции данных одинакового объема. На выходе n-слов. За одно обращение к ОП производится запись и чтение нескольких команд и слов. Сложность организации.

Расслоение памяти

Используется для организации попеременного обращения к разным физическим модулям при одновременной сокращении числа обращении к каждому модулю

Способы:

1.  Расслоение с соответствием младшими адресами (конвейерный способ) рис. 6.4

2.  Разделение памяти на память данных и память программ. Используется в системах управления и обработки сигналов. (Гавардская архитектура)

Метод блочной пересылки

За один сеанс обмена передается не одна порция данных. Используется при обращении к ВЗУ, а также подкачки данных в кэш-память или локальную память процессора и данных.

Виды ЗУ

Структура адресного ЗУ.

Существует 2 вида адресов запоминающих устройств: статический и динамический.

Динамические ЗУ используют цикл регенерации, т. е. подзарядка ЗУ. Чем больше объём ЗУ, тем сложнее дешифрация адреса. Основное время записи:

t0зап=tc+tд+tзап; t0чтен=tд+tчт+tр

tc – время стирания

tд – время дешифрации

tзап – время записи

tчт – время чтения

tр – время регенерации

Время записи и чтения определяется технологией изготовления кристалла памяти. А время дешифрации как технологически, так и особенностями организации блока памяти, поэтому время дешифрации можно уменьшить.

Структура ассоциативной памяти.

Поиск информации осуществляется не по адресу, а по ассоциативному признаку. При этом поиск по ассоциативному признаку происходит парам. во времени для всех ячеек памяти. Ассоциативный поиск позволяет упростить и ускорить обработку информации. Это достигается за счёт того, что одновременно с выборкой происходит некоторая логическая обработка.

Запоминающий массив содержит N ячеек разрядностью N+1. Для указания занятости ячейки используется N-ный разряд. Если он установлен в 0 – ячейка свободна. По входной шине на регистр ассоциативного признака поступает N-разрядный ассоциативный запрос, а на регистр маски – код маски поиска. N-ный разряд регистра маски устанавливается в 0. Ассоциативный поиск производится для совокупности разрядов регистра ассоциативного признака, у которого регистр маски установлен в 1.

Для слов, у которых соответствующие разряды совпали с незамаскированными разрядами регистров ассоциативного признака, комбинационная схема устанавливает 1 в соответствующие разряды регистра совпадения. Регистр результата поиска просматривает содержимое регистра совпадения и формирует 3 выходных сигнала:

a0 – 0; a1 – 1; a2 – больше одного; (совпадения).

Обрабатывающее устройство, которое послало ассоциативный запрос на память по этим сигналам количество циклов чтения из памяти. Поиск данных в ассоциативной памяти может производиться с учётом различных методов индексации и адресации. Алгоритм индексации реализуется аппаратно или микропрограммно, и заменить его на другой нельзя.

Иерархическая организация памяти

Уровни иерархии памяти имеют каскадное включение. Обмен между каскадами осуществляется через ЦП (центральный процессор) или через специальное устройство обмена. Эффект повышения быстродействия от иерархической организации памяти будет больше, если данные, находящиеся на определенном уровне, будут многократно использоваться.