КС_Итоговая 1 сем

1. Компьютерные сети 1

2. План занятия • Понятие «информация», «данные» • Формирование информации • Основные элементы информационного процесса • Понятие системы • История развития вычислительных систем 2

3. Соотношение понятий данные, информация, знания Знания Информация Данные 3

4. Соотношение понятий данные, информация, знания Данные представляют собой сырые, неструктурированные факты и цифры, которые сами по себе не имеют особого смысла. Это может быть текст, числа, изображения или другие элементы, которые служат основой для создания информации. Пример: Таблица с числами, показывающими температуру воздуха в разные дни — это данные. Информация — это обработанные данные, которые имеют значение и контекст. Информация появляется, когда данные интерпретируются, структурируются или обрабатываются так, чтобы они имели смысл для пользователя. Пример: График, показывающий изменение температуры в течение недели, который позволяет сделать выводы о погодных тенденциях — это информация. Знания — это совокупность информации, опыта и понимания, которые человек использует для принятия решений, решения задач или интерпретации новых данных. Знания являются результатом анализа и синтеза информации на основе предыдущего опыта. Пример: Понимание того, что изменение температуры может влиять на урожайность сельскохозяйственных культур, и использование этой информации для планирования аграрных работ — это знание. 4

5. Формирование информации Методы обработки Взаимодействия Тела, поля Сигналы Данные Информация Регистрация сигналов 5

6. Информация Материальный носитель- материальный объект или среду, которые служат для представления или передачи информации Информационный процесс — это изменение с течением времени содержания информации или представляющего его сообщения. хранение информации связано с фиксацией состояния носителя, а распространение — с процессом, который протекает в носителе. • порождение (создание) новой информации; преобразование информации (т. е. порождение новой информации в результате обработки имеющейся); уничтожение информации; передача информации (распространение в пространстве). • Изменение характеристики носителя, которое используется для представления информации, называется сигналом • • Последовательность сигналов называется сообщением. 6

7. Информация Приемник информации — это субъект или устройство, принимающие сообщение и способные правильно его интерпретировать. Технические средства связи — устройства, осуществляющие преобразование сообщения из одной формы представления в другую.. Источник информации — это субъект, процесс или устройство, порождающие информацию и представляющие ее в виде сообщения. 7

8. Свойства информации Объективность Полнота Достоверность Адекватность Актуальность Доступность 8

9. Требования к технологиям хранения информации • Доступность • Защита • Масштабируемость • Производительность • Сохранность • Вместимость • Управляемость 9

10. Интерактив В чем причина роста цифровых данных? 10

11. Рост цифровых данных Рост производительности обработки цифровых данных Увеличение количества цифровых устройств Развитие программного обеспечения Снижение цен на цифровые носители Появление высокоскоростных технологий передачи данных 11

12. Цикл обмена данными ЦОД Устройства Пользователи 12

13. Понятие системы совокупность взаимодействующих компонентов, каждый из которых в отдельности не обладает свойствами системы в целом, но является ее неотъемлемой частью. Система Единство удаление из нее какого-либо компонента приводит фактически к ее уничтожению, поскольку меняется (или исчезает) системное свойство Системность при объединении компонентов возникает некоторое новое качество — системное свойство 13

14. История развития вычислительных систем Электронный (с 40-х гг. XX в. по настоящее время) Электромеханический (с конца XIX в. до 40-х гг. XX в.) Механический (с середины XVII в. до конца XIX в.) Домеханический (с древних времен до середины XVII в.) 14

15. История развития вычислительных систем Домеханический Вычисления Примитивные средства Первые Первые приборы приспособления Узелковое письмо Счетные палочки Непера Логарифмически е линейки Счет на пальцах Счет на камнях Абак Счеты 15

16. История развития вычислительных систем Механический период Машина В. Шиккарда Машина Леонардо да Винчи Счетная машина Г. В. Лейбница 16

17. История развития вычислительных систем Электромеханический период Первый счетно-аналитический комплекс был создан в США Г. Холлеритом в 1887 г. и состоял из ручного перфоратора, сортировочной машины и табулятора. Значение работ Г. Холлерита для развития ВТ определяется двумя основными факторами. Во-первых, он стал основоположником нового направления в ВТ — счетно-перфорационного (счетно- аналитического), состоящего в применении табуляторов и сопутствующего им оборудования для выполнения широкого круга экономических и научно-технических расчетов. На основе этой ВТ создаются машинно-счетные станции для механизированной обработки информации, послужившие прообразом современных вычислительных центров (ВЦ). Табулятор Германа Холлерита 17

18. История развития вычислительных систем Электронный период После создания в 1949 г. в Англии модели EDSAC был дан мощный импульс развитию универсальных ЭВМ, стимулировавший появление в ряде стран моделей ЭВМ, составивших первое поколение. На протяжении более 40 лет развития вычислительной техники(ВТ) появилось, сменяя друг друга, несколько поколений ЭВМ. ЭВМ первого поколения в качестве элементной базы использовали электронные лампы и реле; оперативная память выполнялась на триггерах, позднее на ферритовых сердечниках; быстродействие было, как правило, в пределах 5—30 тыс. арифметических оп/с; они отличались невысокой надежностью, требовали систем охлаждения и имели значительные габариты. Процесс программирования требовал значительного искусства, хорошего знания архитектуры ЭВМ и ее программных возможностей. На первых порах данного этапа использовалось программирование в кодах ЭВМ (машинный код), затем появились автокоды и ассемблеры. Как правило, ЭВМ первого поколения использовались для научно-технических расчетов, а сам процесс программирования больше напоминал искусство, которым занимался весьма узкий круг математиков, инженеров-электриков и ЭВМ EDSAC, 1949 г. физиков. 18

19. Эволюция компьютерных информационных технологий Параметр 50-е годы Цель использования компьютера Научно-технические расчеты Режим работы компьютера Однопрограммный Интеграция данных Низкая Расположение пользователя Машинный зал Тип пользователя Инженеры-программисты 19

20. Эволюция компьютерных информационных технологий Параметр 60-е годы Цель использования компьютера Технические и экономические расчеты Режим работы компьютера Пакетная обработка Интеграция данных Средняя Расположение пользователя Отдельное помещение Тип пользователя Профессиональные программисты 20

21. Эволюция компьютерных информационных технологий Параметр 70-е годы Цель использования компьютера Управление и экономические расчеты Режим работы компьютера Разделение времени Интеграция данных Высокая Расположение пользователя Терминальный зал Тип пользователя Программисты 21

22. Эволюция компьютерных информационных технологий Параметр 80-е годы Управление, предоставление информации Цель использования компьютера Режим работы компьютера Персональная работа Интеграция данных Очень высокая Расположение пользователя Рабочий стол Тип пользователя Пользователи с общей компьютерной подготовкой 22

23. Эволюция компьютерных информационных технологий Параметр Настоящее время Телекоммуникации, информационное обслуживание и управление Цель использования компьютера Режим работы компьютера Сетевая обработка Интеграция данных Сверхвысокая Расположение пользователя Произвольное мобильное Тип пользователя Слабо обученные пользователи 23

24. Классификация компьютеров Классификационный признак Группа компьютеров Этапы развития I, II,III,IV поколение Форма представления обрабатываемой информации Цифровые, аналоговые, гибридные Назначение Профессиональные, персональные, специализированные Степень универсальности Общего назначения, специализированные Способ использования Коллективного использования, индивидуального использования Производительность Ординарной производительности, высокой производительности, сверхвысокой производительности Особенность архитектуры Открытая архитектура, закрытая архитектура 24

25. План занятия • Классификация вычислительных систем • Режимы работы вычислительных систем • Фон-неймановская архитектура и гарвардская архитектуры • Архитектуры по М.Флинну (ОКОД, МКОД, ОКМД, МКМД) 25

26. ВС - цели создания и принципы построения Вычислительная система (ВС) - совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, периферийного оборудования и ПО, предназначенная для сбора, хранения, обработки и распределения информации Основные цели создания и развития ВС Повышение производительности системы за счет ускорения процессов обработки данных Предоставление пользователям дополнительных сервисных услуг Повышение надежности и достоверности вычислений Основные принципы построения ВС Возможность работы в разных режима Иерархия в организации управления процессам Модульность структуры технических и программных средств – возможность совершенствования и модернизации ВС Способность систем к адаптации, самонастройке и самоорганизации Обеспечение необходимым сервисом пользователей при выполнении вычислений Унификация и стандартизация технических и программных решений 26

27. Классификация ВС Специализированные ВС Универсальные ВС По назначению Многомашинная ВС Многопроцессорная ВС По типу построения Однородная ВС Неоднородная ВС По типу ЭВМ или процессоров Совмещенная ВС Распределенная ВС По степени территориальной разобщенности вычислительных модулей ВС со смешанным управлением Централизованная ВС Децентрализованная ВС По методам управления элементами ВС ВС с жестким закреплением функций ВС с плавающим закреплением функций По принципу закрепления вычислительных функций ВС оперативного режима ВС неоперативного режима По временному режиму работы 27

28. Режимы работы вычислительных систем • однопрограммный; • мультипрограммный; • пакетной обработки; • разделения во времени; • диалоговый; • режим реального времени. 28

29. Схема взаимодействия компьютеров в многомашинных ВС На уровне процессоров - при непосредственном ОС 1 ОС 2 взаимодействии процессоров друг с другом информационная связь реализуется через регистры процессорной памяти и требует наличия в ОС весьма Уровень 1 сложных специальных программ. Процессор 1 Процессор 2 На уровне оперативной памяти - взаимодействие на уровне оперативной памяти (ОП) сводится к программной реализации общего поля оперативной памяти (ООП), что проще, но требует существенной модификации ОС. Под Уровень 2 общим полем имеется в виду равнодоступность модулей Оперативная память 1 Оперативная память 2 памяти: все модули памяти доступны всем процессорам и каналам связи. Каналы связи 1 Каналы связи 2 На уровне каналов связи - взаимодействие организуется наиболее просто, и может быть достигнуто внешними по отношению к ОС программами - драйверами, обес- печивающими доступ от каналов связи одной машины к Уровень 3 внешним устройствам других (формируется общее поле Внешние устройства 1 Внешние устройства 2 внешней памяти и общий доступ к устройствам ввода- вывода). 29

30. Схема взаимодействия процессоров в многопроцессорных ВС Операционная система В многопроцессорной ВС (МПС) имеется несколько информационно взаимодействующих между собой Процессор 2 Процессор 1 процессоров. В качестве общего ресурса они имеют общую оперативную память (ООП), обеспечивающую общий доступ к внешней памяти и устройствам ввода-вывода. МПС работает Общее поле оперативной памяти под управлением единой ОС, общей для всех процессоров, что существенно улучшает динамические характеристики ВС, но предъявляет к ОС высокие требования. Каналы связи Общее поле внешних устройств 30

31. Фон-неймановская архитектура Принципы • Адресность • Однородность • Программность управления 31

32. Фон-неймановская архитектура Память команд и данных Процессор Шина данных Шина команд 32

33. Гарвардская архитектура Шина команд Память команд Процессор Память данных Шина данных 33

34. Архитектура вычислительных систем Архитектура ВС - совокупность характеристик и параметров, определяющих функционально-логическую и структурную организацию системы и затрагивающий в основном уровень параллельно работающих вычислителей Классификация архитектур была предложена М. Флинном (М. Flynn) в начале 60-х гг. XX в. В основу такой классификации заложено два возможных вида параллелизма: • независимость потоков заданий (команд), существующих в системе • независимость (несвязанность) данных, обрабатываемых в каждом потоке ОКОД (SISD) ОКМД (SIMD) Инструкции МКОД (MISD) МКМД (MIMD) Данные 34

35. ОКОД - структура однопроцессорных ВС ОКОД - одиночный поток команд - одиночный поток Память команд данных (SISD - Single Instruction Single Data - одиночный поток инструкций- одиночныйпоток данных) Поток команд Архитектура ОКОД (с одним вычислителем) охватывает все однопроцессорные и одномашинные варианты систем. Все ЭВМ классической структуры попадают в этот класс. Здесь Процессор 1 параллелизм вычислений обеспечивается путем совмещения выполнения операций отдельными блоками АЛУ, а также Результаты Поток данных параллельной работой устройств ввода-вывода информации и процессора. Память данных 35

36. ОКМД - структура векторных многопроцессорных ВС Память команд ОКМД - одиночный поток команд - множественный поток данных (SIMD - Single Instruction Multiple Data - Поток команд одиночный поток инструкций - множественный поток Поток данных Результаты данных). Процессор N Архитектура ОКМД предполагает создание структур векторной или матричной обработки. Системы этого типа обычно строятся как однородные, т.е. процессорные Процессор 2 элементы, входящие в систему, идентичны и все они Процессор 1 управляются одной и той же последовательностью команд. Однако каждый процессор обрабатывает свой поток данных - задачи обработки матриц или векторов (массивов), задачи решения систем линейных и Память данных нелинейных алгебраических и дифференциальных уравнений, задачи теории поля и др. В структурах данной архитектуры, как правило, соединения между процессорами напоминают матрицу. 36

37. МКОД - структура конвейерных (магистральных) многопроцессорных ВС Архитектура МКОД предполагает построение своеобразного процессорного конвейера, в котором Память команд результаты обработки передаются от одного процессора к другому по цепочке. В современных ЭВМ по этому принципу реализована схема совмещения операций, в которой Поток команд параллельно работают различные функциональные блоки, и каждый из них делает свою часть в общем цикле обработки Процессор 1 Процессор 2 Процессор N команды. В ВС этого типа конвейер должны образовывать Результаты группы процессоров. Однако при переходе на системный Поток данных Память данных уровень для универсальных вычислений это практически неприменимо. Кроме того, на практике трудно обеспечить и такую большую длину конвейера, при которой достигается наивысший эффект. Конвейерная схема нашла применение в МКОД - множественный поток команд - одиночный поток данных (MISD - Multiple Instruction Single Data - множественный поток инструкций - одиночный поток данных) так называемых скалярных процессорах суперЭВМ, в которых они применяются как специальные процессоры для поддержки векторной обработки. 37

38. МКМД - структура матричных многопроцессорных ВС Память команд МКМД - множественный поток команд - множественный поток данных (MIMD - Multiple Поток команд Instruction Multiple Data - множественный поток инструкций - множественный поток данных). Процессор n1 Процессор n2 Процессор nN Архитектура МКМД предполагает, что все процессоры системы работают с различными программами и с индивидуальным набором Процессор 21 Процессор 22 Процессор 2N данных. В простейшем случае они могут быть автономны и независимы. Такая схема Процессор 11 Процессор 12 Процессор 1N использования ВС часто применяется во многих крупных вычислительных центрах для увеличения пропускной способности центра. Память данных Поток данных Результаты 38

39. Архитектура вычислительных систем 39

40. План занятия • Типовые структуры ВС в классе МКМД: • MPP • SMP • NUMA • кластерные системы • Понятие «больших данных» • Принципы работы с большими данными 40

41. Типовые структуры ВС в классе МКМД МКМД Сильносвязанные системы Слабосвязанные системы МКМД - архитектура является наиболее перспективной для вычислительных Uniform Memory Access Машинные комплексы систем. Ей присущи все перечисленные UMA - системы виды параллелизма. Этот класс дает система с однородным доступом в память большое разнообразие структур, MPP - cистемы сильно отличающихся друг от друга Non-Uniform Memory Access своими характеристиками Массивно-параллельные системы SMP - системы NUMA - системы Физически распределённая память Симметричные мультипроцессорные системы 41

42. Типовые структуры ВС в классе МКМД: SMP Симметричные мультипроцессорные системы … Процессорный элемент Процессорный элемент Процессорный элемент Процессорный элемент … Кэш память Кэш память Кэш память Кэш память Системная магистраль Подсистема ввода-вывода Общая память 42

43. Типовые структуры ВС в классе МКМД: SMP Модуль памяти Модуль памяти Модуль памяти Модуль памяти Кэш память Кэш память Модуль ввода вывода Модуль ввода вывода Процессорный элемент Процессорный элемент 43

44. Типовые структуры ВС в классе МКМД: SMP Модуль памяти Модуль памяти Модуль памяти Модуль памяти Коммутатор Коммутатор Коммутатор Коммутатор Кэш память Кэш память Модуль ввода вывода Модуль ввода вывода Процессорный элемент Процессорный элемент 44

45. Типовые структуры ВС в классе МКМД: SMP Система состоит из нескольких однородных процессоров и массива общей памяти (обычно из нескольких независимых блоков). Все процессоры имеют доступ к любой точке памяти с одинаковой скоростью. Процессоры подключены к Архитектура памяти либо с помощью общей шины (базовые 2-4 процессорные SMP-сервера), либо с помощью crossbar-коммутатора (HP 9000). Аппаратно поддерживается когерентность кэшей. Примеры HP 9000 V-class, N-class; SMP-cервера и рабочие станции на базе процессоров Intel (IBM, HP, Compaq, Dell, ALR, Unisys, DG, Fujitsu и др.). Наличие общей памяти сильно упрощает взаимодействие процессоров между собой, однако накладывает сильные Масштабируемость ограничения на их число - не более 32 в реальных системах. Для построения масштабируемых систем на базе SMP используются кластерные или NUMA-архитектуры. Вся система работает под управлением единой ОС (обычно UNIX-подобной, но для Intel-платформ поддерживается Операционная система Windows NT). ОС автоматически (в процессе работы) распределяет процессы/нити по процессорам, но иногда возможна и явная привязка. Программирование в модели общей памяти. Для SMP-систем существуют сравнительно эффективные средства Модель программирования автоматического распараллеливания. 45

46. Типовые структуры ВС в классе МКМД: NUMA Процессорный элемент Процессорный элемент Процессорный элемент Процессорный элемент Память Память Кэш-память Кэш-память Кэш-память Кэш-память … Контроллер памяти Контроллер памяти Контроллер памяти Контроллер памяти Процессорный элемент Процессорный элемент Процессорный элемент Процессорный элемент Кэш-память Кэш-память Кэш-память Кэш-память Высокоскоростная коммутационная среда Система ввода-вывода 46

47. Типовые структуры ВС в классе МКМД: NUMA Система состоит из однородных базовых модулей (плат), состоящих из небольшого числа процессоров и блока памяти. Модули объединены с помощью высокоскоростного коммутатора. Поддерживается единое адресное пространство, аппаратно поддерживается доступ к удаленной памяти, т.е. к памяти других модулей. При этом доступ к локальной Архитектура памяти в несколько раз быстрее, чем к удаленной. В случае, если аппаратно поддерживается когерентность кэшей во всей системе (обычно это так), говорят об архитектуре cc-NUMA (cache-coherent NUMA) Примеры HP HP 9000 V-class в SCA-конфигурациях, SGI Origin2000, Sun HPC 10000, IBM/SequentNUMA-Q 2000, SNI RM600. Масштабируемость NUMA-систем ограничивается объемом адресного пространства, возможностями аппаратуры Масштабируемость поддержки когерентности кэшей и возможностями операционной системы по управлению большим числом процессоров. На настоящий момент, максимальное число процессоров в NUMA-системах составляет 256 (Origin2000) Обычно вся система работает под управлением единой ОС, как в SMP. Но возможны также варианты динамического Операционная система "подразделения" системы, когда отдельные "разделы" системы работают под управлением разных ОС (например, Windows NT и UNIX в NUMA-Q 2000) Модель программирования Аналогично SMP. 47

48. Типовые структуры ВС в классе МКМД МКМД МКМД MPP - cистемы Многомашинные комплексы Если каждый процессор системы имеет собственную память, то Слабосвязанные МКМД - системы могут строиться как он также будет сохранять известную автономию в вычислениях многомашинные комплексы или использовать в качестве Именно такие ВС наиболее перспективны и получили название средств передачи информации общее поле внешней памяти систем с массовым параллелизмом (Mass-Parallel Processing - на дисковых накопителях большой емкости МРР) 48

49. Типовые структуры ВС в классе МКМД: MPP Система состоит из однородных вычислительных узлов, включающих: • один или несколько центральных процессоров (обычно RISC), • локальную память (прямой доступ к памяти других узлов невозможен), Архитектура • коммуникационный процессор или сетевой адаптер • иногда - жесткие диски и другие устройства В/В К системе могут быть добавлены специальные узлы ввода-вывода и управляющие узлы. Узлы связаны через некоторую коммуникационную среду (высокоскоростная сеть, коммутатор и т.п.) Примеры IBM RS/6000 SP2, Intel PARAGON/ASCI Red, CRAY T3E, Hitachi SR8000, транспьютерные системы Parsytec. Масштабируемость Общее число процессоров в реальных системах достигает нескольких тысяч Существуют два основных варианта: 1.Полноценная ОС работает только на управляющей машине (front-end), на каждом узле работает сильно урезанный Операционная система вариант ОС, обеспечивающие только работу расположенной в нем ветви параллельного приложения. Пример: Cray T3E. 2.На каждом узле работает полноценная UNIX-подобная ОС (вариант, близкий к кластерному подходу). Пример: IBM RS/6000 SP + ОС AIX, устанавливаемая отдельно на каждом узле Модель программирования Программирование в рамках модели передачи сообщений 49

50. Типовые структуры ВС: UMP, SMP, NUMA UMA (Uniform Memory Access) — Единый доступ к памяти Пример: Представьте ресторанную кухню, где работают несколько поваров (процессоры). У них есть один большой холодильник (общая память), к которому все повара имеют одинаковый доступ. Если один повар открывает холодильник, все остальные должны подождать, пока он закончит. SMP (Symmetric Multiprocessing) — Симметричная многопроцессорная система Пример: В этом ресторане каждый повар может работать независимо и имеет доступ к общим полкам с продуктами (общая память), но при этом кухня одна, и все повара работают над одним меню (общая задача). Повар может брать продукты с полок одновременно с другими, если не возникает конфликтов. NUMA (Non-UniformMemory Access) — Неоднородный доступ к памяти Пример: В ресторане теперь несколько холодильников (локальные области памяти), расположенные в разных частях кухни. Каждый повар имеет свой «собственный» холодильник, к которому он имеет быстрый доступ. Но если повару нужно взять продукт из холодильника, который находится в другой части кухни (холодильник другого повара), ему придётся потратить больше времени. MPP (Massively Parallel Processing) — Массивная параллельная обработка Пример: Это сеть ресторанов с несколькими кухнями, каждая из которых независима от других. Каждый повар в своей кухне имеет свой собственный холодильник с продуктами (локальная память). Повар работает над своим блюдом для своей аудитории, и ему не нужно делить ресурсы с другими поварами. 50