ЭВМ с перекрестной коммутацией.

Мультипроцессорные системы, построенные по принципу осуществления связей между модулями посредством "прямоугольной решетки" соединительных шин, которые могут контактировать в любой точке их пересечения, называют системами с перекрестной коммутацией (рис 2.1).

Такая организация системы позволяет устанавливать контакт между любыми двумя блоками системы на все время обмена информацией. В отличие от коммутации с временным разделением, реализуемым в системах с общей шиной, рассматриваемый метод переключения связей часто называют коммутацией с пространственным разделением.

Перекрестный коммутатор является "неблокирующимся" в том смысле, что передача через него может быть запрещена из-за отсутствия путей передачи. Существует возможность установить одновременно несколько путей передачи информации в системе. В то же время следует иметь в виду, что коммутатор может быть заблокирован, если одно из соединяемых устройств уже занято.

Одной из ранних структур, в которой реализован принцип перекрестной коммутации, явилась система, получившая название "полиморфная ЭВМ". Модули ЭВМ, включающие блоки процессоров и памяти, могли осуществлять связь с периферийными устройствами через центральный коммутатор.

В данной системе была сделана попытка организовать соединения непосредственно между процессорами и перекрестный доступ к памяти путем замыкания соответствующего набора пересечений. Мультипроцессорные системы с перекрестной коммутацией, обладая несколько меньшей гибкостью, чем системы с общей шиной, позволяют тем не менее сравнительно просто вводить новые модули, если коммутационная матрица обладает достаточной емкостью. Матрица полностью отделена от других функциональных блоков и может быть построена также но модульному принципу, что допускает ее расширение. Однако вследствие сложности функций коммутатора, структура его может существенно усложниться.

Для обеспечения большей гибкости и увеличения возможностей по расширению в системе может быть введена дополнительная коммутационная матрица устройств ввода-вывода. Такой коммутатор связывается с центральным через процессоры управления вводом-выводом (рис. 2.3), при этом устройства ввода- вывода могут подсоединяться к любому каналу. Рассмотренная структура мультипроцессорных систем используется в больших вычислительных системах фирмы "Burroughs" (США).

Мультипроцессорными системами с перекрестной коммутацией, кроме уже упомянутых зарубежных ЭВМ, являются отечественная вычислительная система высокой производительности "Эльбрус-1" и вычислительный комплекс СМ-2-одна из моделей СМ ЭВМ.

В МПВК с перекрестной коммутацией нет конфликтов из-за связей, остаются только конфликты из-за ресурсов. Возможность одновременной связи нескольких пар устройств позволяет добиваться очень высокой производительности комплекса. Важно отметить и такое обстоятельство, как возможность установления связи между устройствами на любое, даже на длительное время, так как это совершенно не мешает работе других устройств, зато позволяет передавать любые массивы информации с высокой скоростью, что также способствует повышению производительности комплекса. Заметим, что в МПВК с общей шиной передача информации массивами, т.е, занятие шины одной парой устройств на длительный отрезок времени, обычно допускается лишь в крайних случаях, так как это приводит к длительным простоям остальных устройств.

Кроме того, к достоинствам структуры с перекрестной коммутацией можно отнести простоту и унифицированность интерфейсов всех устройств, а также возможность разрешения всех конфликтов в коммутационной матрице. Важно отметить и то, что нарушение какой-то связи приводит не к выходу из строя всего комплекса, а лишь к отключению какого-либо устройства, т.е. надежность таких комплексов достаточно высока. Однако и организация МПВК с перекрестной коммутацией не свободна от недостатков.

Прежде всего - сложность наращивания ВК. Если в коммутационной матрице заранее не предусмотреть большого числа входов, то введение дополнительных устройств в комплекс потребует установки новой коммутационной матрицы. Существенным недостатком является и то, что коммутационная матрица при большом числе устройств в комплексе становится сложной, громоздкой и достаточно дорогостоящей. (Надо учитывать то обстоятельство, что коммутационные матрицы строятся обычно на схемах, быстродействие которых существенно выше быстродействия схем и элементов основных устройств, - только при этом условии реализуются все преимущества коммутационной матрицы.) Это обстоятельство в значительной степени усложняет и удорожает комплексы.

17. Взаимодействие устройств, входящих в состав ЭВМ. Каналы и интерфейсы ввода-вывода. Многопроцессорные и многомашинные вычислительные системы. Особенности их эксплуатации.

Взаимодействие переферийных устройств обеспечивает система ввода-вывода.

Для того, чтобы операции ввода-вывода выполнялись параллельно с выполнением вычислений, необходимо освободить процессор от управления операциями обмена информацией между периферийными устройствами и памятью. Эта задача возлагается на процессоры ввода-вывода (каналы), управляемые канальными программами. Процессор должен только выполнить инициирование операции ввода-вывода, задать номера канала и периферийного устройства, участвующих в операции, и код выполняемой операции. Канал должен обеспечивать прямой доступ к памяти, осуществлять буферизацию и преобразование форматов передаваемых данных для согласования работы оперативной памяти и периферийного устройства. Поэтому в состав канала, кроме специального процессора и ПЗУ программ, входит контроллер ПДП и буферное ОЗУ (реально все эти компоненты могут быть раэмещены в одной микросхеме). Для извещения процессора об окончании каждой операции ввода-вывода, а также о возникновении ошибок, канал формирует запросы прерываний. Кроме того, канал может выполнять ряд дополнительных функций для минимизации участия процессора в операциях ввода-вывода:

1) Организация цепочки блоков данных: если данные в памяти состоят из нескольких массивов, произвольно размещенных в памяти,

то канал должен допускать задание цепочки блоков, чтобы не отвлекать основной процессор после передачи каждого блока.

2) Организация выборочного чтения информации: иногда необходимо вводить с носителя информации отдельные части некоторого массива,

пропуская ненужные данные.

3) Организация цепочки операций: иногда выгодно задавать не отдельные операции ввода-вывода, а сразу группу последовательных

операций.

4) Блокировка контроля неправильной длины считанного массива бывает полезной при попытках извлечения хотя бы части информации

из искаженного массива данных.

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ КАНАЛОВ ВВОДА-ВЫВОДА

Способ организации взаимодействия периферийного устройства с каналом определяется соотношением быстродействия оперативной памяти и периферийного устройства. По этому признаку периферийные устройства можно классифицировать на две группы: быстродействующие и медленнодействующие В зависимости от соотношения быстродействия памяти и периферийных устройств в каналах ввода-вывода может быть реализован один из двух режимов работы - монопольный или мультиплексный. На все время выполнения монопольного режима канал недоступен другим периферийным устройствам. Канал, работающий в монопольном режиме, называют селекторным. Селекторные каналы применяются при работе с быстрыми устройствами ввода-вывода.

Мультиплексный режим (режим разделения времени) В таком режиме несколько периферийных устройств разделяют во времени канал ввода-вывода. При этом каждое из параллельно работающих устройств связывается с каналом на короткие промежутки времени только после того, как оно подготовлено к приему или выдаче очередной порции информации. Промежуток времени, в течение которого происходит передача информации между каналом и периферийным устройством называется сеансом связи . Сеансы связи различных ПУ чередуются между собой. Во время сеанса связи одного из устройств с каналом другие устройства могут выполнять работу, не требующую использования средств канала.

Канал, осуществляющий мультиплексирование периферийных устройств, называют мультиплексным. Мультиплексный канал одновременно обслуживает несколько параллельно работающих устройств, попеременно организуя с ними сеансы связи для приема или передачи небольших порций информации (от одного до нескольких сотен байт). Мультиплексные каналы применяются при работе с медленными устройствами ввода-вывода: алфавитно-цифровыми дисплеями, принтерами, датчиками и рагуляторами телемеханических систем и т.п.

Последовательные порты, параллельные порты, универсальная последовательная шина (Universal Serial Bus — USB), IEEE-1394 (i.Link или FireWire), SCSI и IDE — все это интерфейсы ввода-вывода. Основными средствами коммуникации, используемыми в PC, являются последовательные и параллельные порты. К последовательным портам чаще подключаются двунаправленные устройства, которые должны как передавать информацию в компьютер, так и принимать ее. Параллельные порты обычно используются для подключения принтеров и работают в однонаправленном режиме, хотя могут применяться и как двунаправленные.

Последовательные порты

Асинхронный последовательный интерфейс — это основной тип интерфейса, с помощью которого осуществляется взаимодействие между компьютерами. Термин асинхронный означает, что при передаче данных не используются никакие синхронизирующие сигналы и отдельные символы могут передаваться с произвольными интервалами, как, например, при вводе данных с клавиатуры. Каждому символу, передаваемому через последовательное соединение, должен предшествовать стандартный стартовый сигнал, а завершать его передачу должен стоповый сигнал. Стартовый сигнал— это нулевой бит, называемый стартовым битом. Он должен сообщить принимающему устройству о том, что следующие восемь битов представляют собой байт данных. После символа передаются один или два стоповых бита, сигнализирующие об окончании передачи символа.

К последовательным портам можно подключить самые разнообразные устройства: модемы, плоттеры, принтеры, сканеры, другие компьютеры, устройства считывания штрих-кода или схему управления устройствами.

Параллельные порты

В параллельных портах для одновременной передачи байта информации используется восемь линий. Этот интерфейс отличается высоким быстродействием, часто применяется для подключения к компьютеру принтера, а также для соединения компьютеров.

USB и 1394 (i.Link) FireWire.

В настоящее время для настольных и портативных компьютеров разработано два высокоскоростных устройства с последовательной шиной: USB (Universal Serial Bus — универсальная последовательная шина) и IEEE-1394, называемая также i.Link или FireWire. Эти высокоскоростные коммуникационные порты отличаются более широкими возможностями от стандартных параллельных и последовательных портов, которые установлены в большинстве современных компьютеров. Преимущество новых портов состоит в том, что их можно использовать как альтернативу SCSI для высокоскоростных соединений с периферийными устройствами, а также подсоединять к ним все типы внешних периферийных устройств (т.е. в данном случае предпринята попытка объединения устройств ввода-вывода).

Различие понятий многомашинной и многопроцессорной ВС поясняет рис.6.1. Многомашинная ВС (ММС) содержит несколько ЭВМ, каждая из которых имеет свою ОП и работает под управлением своей операционной системы, а также средства обмена информацией между машинами. Реализация обмена информацией происходит, в конечном счете, путем взаимодействия операционных систем машин между собой. Это ухудшает динамические характеристики процессов межмашинного обмена данными. Применение многомашинных систем позволяет повысить надежность вычислительных комплексов. При отказе в одной машине обработку данных может продолжать другая машина комплекса. Однако можно заметить, что при этом оборудование комплекса недостаточно эффективно используется для этой цели. Достаточно в системе, изображенной на рис.6.1,а в каждой ЭВМ выйти из строя по одному устройству (даже разных типов), как вся система становится неработоспособной.

Этих недостатков лишены многопроцессорные системы (МПС). В таких системах (рис. 6.1,б) процессоры обретают статус рядовых агрегатов вычислительной системы, которые подобно другим агрегатам, таким, как модули памяти, каналы, периферийные устройства, включаются в состав системы в нужном количестве.

Вычислительная система называется многопроцессорной, если она содержит несколько процессоров, работающих с общей ОП (общее поле оперативной памяти) и управляется одной общей операционной системой. Часто в МПС организуется общее поле внешней памяти.

Под общим полем понимается равнодоступность устройств. Так, общее поле памяти означает, что все модули ОП доступны всем процессорам и каналам ввода-вывода (или всем периферийным устройствам в случае наличия общего интерфейса); общее поле ВЗУ означает, что образующие его устройства доступны любому процессору и каналу.

В МПС по сравнению с ММС достигается более быстрый обмен информацией между процессорами и поэтому может быть получена более высокая производительность, более быстрая реакция на ситуации, возникающие внутри системы и в ее внешней среде, и более высокие надежность и живучесть, так как система сохраняет работоспособность, пока работоспособны хотя бы по одному модулю каждого типа устройств.

18. Особенности реализации микропроцессорной техники. Эволюция персональных компьютеров. Персональные компьютеры WIntel (IBM PC). Реализация принципов фон-Неймана в персональных компьютерах. Принцип открытой архитектуры.

Какие компьютеры называют персональными?
Персональными называются компьютеры, на которых может одновременно работать только один пользователь. Персональные компьютеры имеют только одно рабочее место.
В 80 годы и наши дни выпускаются десятки различных типов ЭВМ. Однако первое место на рынке персональных компьютеров занимают компьютеры IBM PC. Примерно 90% из персональных машин - IBM совместимые.
Какие компьютеры называют IBM совместимыми?
Компьютеры различных производителей, созданные по стандарту персональных компьютеров IBM, называются IBM совместимыми.
Данные компьютеры могут быть собраны из независимо созданных комплектующих по единой схеме. Необходимое условие - каждая деталь должна удовлетворять определенному общепринятому стандарту. Различают программную и аппаратную совместимость.
Что такое программная и аппаратная совместимость?
Аппаратная совместимость: а) комплектующие, удовлетворяющие одному стандарту, являются взаимозаменяемыми; б) различные части компьютера не конфликтуют между собой.
Программная совместимость: программы, разработанные на одной машине, будут правильно работать и на другой.
Примечание. Для проверки программной совместимости в начале 90 годов рекомендовалось использование компьютерных игр, например, DOOM.
Можно ли вместо термина «IBM совместимый компьютер» применять термин «компьютер IBM»?
Нет, т.к. некоторые компьютеры фирмы IBM не являются IBM совместимыми. Например, компьютеры PS/2 несовместимы с ними на аппаратном уровне, но сохранили совместимость на уровне программного обеспечения.
Термин «совместимость» является только компьютерным термином?
Нет, с понятием совместимости можно встретиться не только в компьютерном мире. Например, у видеомагнитофонов и видеокассет существует стандарт VHS. Поэтому, независимо от фирмы - производителя магнитофона и кассеты (Panasonic, Sony, JVC, Philips, BASF или других) можно на любом видеомагнитофоне VHS смотреть любую кассету VHS.
Что такое - совместимость «сверху вниз»?
Для компьютерных программ существует еще одно условие совместимости - совместимость «сверху вниз». Это значит, что все последующие версии программ будут выполнять все функции предыдущих версий. Например, если программа работала в MS DOS версии 5.0, то она будет работать и в версии 6.2
Почему именно IBM PC стали стандартом персональных машин?
Это связано с его очень удачной конструкцией. Компьютеры IBM могут быть созданы из независимо изготовленных частей аналогично детскому конструктору. Если работа любой детали вас не устраивает, ее вынимают и заменяют другой. Ранее, если какая-нибудь деталь снималась с производства, надо было выбрасывать весь прибор. Для IBM PC[1] есть десятки предложений по замене. Компьютеры IBM PC созданы в соответствие с принципом открытой архитектуры [4].
Расскажите о принципе открытой архитектуры?
Принцип открытой архитектуры гласит, что компьютеры собираются из комплектующих, созданных в соответствии с определенными стандартами. Данные стандарты опубликованы и информационно доступны. При этом пользователь имеет возможность самостоятельно вставлять в ПК платы самых разных фирм - производителей и адаптировать свой персональный компьютер к требуемой деятельности.
Приведите пример, демонстрирующий достоинства принципа открытой архитектуры?
Достоинства принципа открытой архитектуры можно рассмотреть на следующем примере: Пусть у нас есть простой монофонический плеер. Мы покупаем и вставляем в него устройство для записи звука. В результате получаем монофонический магнитофон. Добавляем вторую колонку и слушаем стерео. Подключаем FM тюнер и получаем магнитолу. Далее осталось сделать еще один шаг и в результате вместо старого плеера мы имеем - двух кассетную стерео магнитолу. Просто в дополнение к прежним деталям мы докупили несколько новых и соединили их вместе. К сожалению, на практике с магнитофонами данный подход не работает, но с компьютерами все обстоит намного лучше.
До появления персональных компьютеров IBM PC все другие модели были основаны на принципе «закрытой архитектуры» [5, стр. 8]. Т.е. все аппаратные средства были для конечного пользователя «вещью в себе». После того, как заканчивалась сборка аппарата, он «был обречен на необратимое старание». Если с производства снималась хоть одна деталь, систему можно было выбрасывать.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: