Оценочные средства для проведения промежуточной аттестации по ОП 01 «Основы архитектуры, устройство и функционирование вычислительных систем»

Оценочные средства

для проведения промежуточной аттестации по ОП 01 «Основы архитектуры, устройство и

функционирование вычислительных систем»

Форма проведения оценочной процедуры: экзамен

Хабаровск 2015 г

Разработчик:

КГБПОУ ДВТГи К ПРЕПОДАВАТЕЛЬ ШЕВЧУК О.П.

(место работы) (занимаемая должность) (инициалы, фамилия)

Эксперты от работодателя:

____________________ ___________________ _________________________

(место работы) (занимаемая должность) (инициалы, фамилия)

____________________ ___________________ _________________________

(место работы) (занимаемая должность) (инициалы, фамилия)

1 Паспорт комплекта оценочных средств

Таблица 1

Предмет(ы) оценивания	Показатели оценки
уметь: с помощью программных средств организовывать управление ресурсами вычислительных систем; осуществлять поддержку функционирования информационных систем знать: построение цифровых вычислительных систем и их архитектурные особенности; принципы работы основных логических блоков систем; классификацию вычислительных платформ и архитектур; параллелизм и конвейеризацию вычислений; основные конструктивные элементы средств вычислительной техники, функционирование, программно-аппаратная совместимость.	Знание многоуровневой компьютерной организации. Развитие компьютерной архитектуры. Знание устройства центрального процессора, выполнение команд, принципы разработки современных компьютеров. Построение основной памяти, адресацию памяти. Структуру вспомогательной памяти, основные цифровые логические схемы, микросхемы процессоров, компьютерные шины, принципы работы шин. Виды виртуальной памяти, адресацию и режимы адресации.
уметь: подготовить сравнительный анализ различных устройств внешней памяти проанализировать влияние архитектуры на увеличение быстродействия; знать: архитектуру ЗВМ	Знание устройства материнской платы, типы и виды процессоров, организацию памяти, организацию многоуровневой памяти, ПЗУ,ОЗУ,ВЗУ.
ОК 1. Понимать сущность и социальную значимость своей будущей профессии, проявлять к ней устойчивый интерес. ОК 2. (неполный текст) Организовывать собственную Дея-ть.	Успеваемость по итогам промежуточных аттестаций Посещаемость за аттестационный период

Описание правил оформления результатов оценивания

По итогам проведения дифференцированного зачета преподаватель принимает решение об уровне освоения общепрофессиональной дисциплины в соответствии с пятибалльной шкалой оценивания.

Выполнение задания оценивается в соответствии со следующей шкалой:

«3 балла» - задание выполнено в полном объеме, без замечаний, самостоятельно, даны ответы на все дополнительные вопросы.

«2 балла» - задание выполнено в полном объеме, самостоятельно, но даны ответы не на все дополнительные вопросы либо перечислены не все виды масштабов.

Либо: задание выполнено в полном объеме, но при его выполнении потребовались наводящие вопросы преподавателя, даны ответы на все дополнительные вопросы..

Либо: задание выполнено в полном объеме, самостоятельно, но требуемая точность не достигнута (погрешность превышает допуск менее чем в 2 раза), даны ответы на все дополнительные вопросы.

«1 балл» - задание выполнено в полном объеме, но требуемая точность не достигнута (погрешность превышает допуск более чем в 2 раза, но менее чем в 3 раза), даны ответы на все дополнительные вопросы.

Либо: задание выполнено в полном объеме, но требуемая точность не достигнута (погрешность превышает допуск менее чем в 2 раза),

обучающийся на дополнительные вопросы не отвечает.

«0 баллов» - контроль выполнения работ не производится.

Либо: задание не выполнено.

Портфолио оценивается в соответствии со следующей шкалой:

«+2 балла» - все заявленные критерии соблюдены.

«+1 балл» - качество знаний ниже 70%, положительная динамика в успеваемости отсутствует, критерий по посещаемости соблюден.

«0 баллов» - Успеваемость – 100%; качество знаний - 0% (независимо от посещаемости)

«- 3 балла» - Успеваемость ниже 100% (обучающийся к сдаче дифференцированного зачета не допускается)

Переход от суммарного количества баллов к пятибалльной шкале:

5 баллов 4 балла 3 балла От 0 до 2 баллов

- «отлично» - «хорошо» - «удовлетворительно» - «неудовлетворительно»

Комплект оценочных средств

1. Лабораторная работа

1.2 Текст задания: Составить архитектуру с фиксированным набором устройств

1.3 Время на подготовку и выполнение:

подготовка 3мин.;

выполнение 0 часа 10 мин.;

оформление и сдача 2 мин.;

всего 0 часа 15 мин.

Наименование объектов контроля и оценки	Основные показатели оценки результата	Оценка
построение цифровых вычислительных систем и их архитектурные особенности	Знание основных принципов построения архитектур

За правильный ответ на вопросы или верное решение задачи выставляется положительная оценка – 1 балл.

За не правильный ответ на вопросы или неверное решение задачи выставляется отрицательная оценка – 0 баллов.

Шкала оценки образовательных достижений

1. Лабораторная работа

2.1Текст задания: Виды многопроцессорных вычислительных систем

2.2 Время на подготовку и выполнение:

подготовка 5мин.;

выполнение 0 часа 40 мин.;

оформление и сдача 15 мин.;

всего 0 часа 60 мин.

Перечень объектов контроля и оценки

Наименование объектов контроля и оценки	Основные показатели оценки результата	Оценка
принципы вычислений в многопроцессорных и многоядерных системах	Знание основных принципов вычисления в процессорных вычислениях

За правильный ответ на вопросы или верное решение задачи выставляется положительная оценка – 1 балл.

За не правильный ответ на вопросы или неверное решение задачи выставляется отрицательная оценка – 0 баллов.

1. Устный опрос

3.1Текст задания:

Ответьте на следующие вопросы.

1. Что такое оперативная память?

2. Изобразить простейшую схему взаимодействия оперативной памяти с ЦП.

3. Какие три вида ОЗУ применяются на сегодняшний день?

4. Что представляют собой ОЗУ современных компьютеров?

5. Что такое Кеш-память и на что она влияет?

Время на подготовку и выполнение:

подготовка 2 мин.;

выполнение 0 часа 15 мин.;

оформление и сдача 3 мин.;

всего 0 часа 20 мин.

Перечень объектов контроля и оценки

Наименование объектов контроля и оценки	Основные показатели оценки результата	Оценка
принципы работы кэш-памяти	Знание основных принципов работ кэш - памяти

За правильный ответ на вопросы или верное решение задачи выставляется положительная оценка – 1 балл.

За не правильный ответ на вопросы или неверное решение задачи выставляется отрицательная оценка – 0 баллов.

1. Устный опрос

4.1Текст задания

1. Что такое тактовая частота процессора?

2. По каким направлениям идет развитие высокопроизводительной

вычислительной техники сегодня?

3. Какого рода ускорение происходит в конвейере? А при параллельной обработке?

4. Поясните понятие суперкомпьютера. Чем обусловлено важность внедрения суперкомпьютеров?

5..Представьте схему взаимодействия устройств компьютера согласно архитектуре фон Неймана?

Время на подготовку и выполнение:

подготовка 3мин.;

выполнение 0 часа 25 мин.;

оформление и сдача 2 мин.;

всего 0часа 30 мин.

Перечень объектов контроля и оценки

Наименование объектов контроля и оценки	Основные показатели оценки результата	Оценка
повышение производительности многопроцессорных и многоядерных систем энергосберегающие технологии	Знание основ повышения производительности

За правильный ответ на вопросы или верное решение задачи выставляется положительная оценка – 1 балл.

За не правильный ответ на вопросы или неверное решение задачи выставляется отрицательная оценка – 0 баллов.

1. Лабораторная работа

5.1Текст задания: Выполнить классификацию параллельных вычислительных систем.

Время на подготовку и выполнение:

подготовка 5мин.;

выполнение 0 часа 40 мин.;

оформление и сдача 15 мин.;

всего 0 часа 60 мин.

Перечень объектов контроля и оценки

Наименование объектов контроля и оценки	Основные показатели оценки результата	Оценка
параллелизм и конвейеризация вычислений	Знание параллелизма и конвейеризации вычислений

За правильный ответ на вопросы или верное решение задачи выставляется положительная оценка – 1 балл.

За не правильный ответ на вопросы или неверное решение задачи выставляется отрицательная оценка – 0 баллов

1. Тестовое задание (компьютерное тестирование)

6.1Текст задания

Выберите правильный ответ:

1 Регистр, который служит для размещения текущей команды, которая находится в нем в течение текущего цикла процессора.

А. регистр команды

Б. регистр адреса

В. регистр числа

Г. регистр результата

2. Регистр, который содержит операнд выполняемой команды -

А. регистр команды

Б. регистр адреса

В. регистр числа

Г. регистр результата

3. Устройства, предназначенные для временного хранения данных ограниченного размера:

А. жесткий диск

Б. центральный процессор

В. триггер

Г. регистр

4. Процессор, имеющий архитектуру, рассчитанную на обработку числовых массивов:

А.матричный процессор

Б. векторный процессор

В. сумматор

Г. нет верного ответа

5. Период времени, за который осуществляется выполнение команды исходной программы в машинном виде, состоит из нескольких тактов:

А. Цикл процессора

Б. Последовательность взаимосвязанных команд

В. Код операции

Г. Нет верного ответа

6. Процессоры могут работать в трех режимах…

А. Реальном, виртуальном и постоянном

Б. Запрещенном, реальном и постоянном

В. Реальном, запрещенном и виртуальном

7. Как называется регистр, предназначенный для хранения результата выполнения команды:

А. регистр команды

Б. регистр адреса

В. регистр числа

Г. регистр результата

8. Назовите устройства, входящие в состав процессора.

А. оперативная память, принтер;

Б. арифметико-логическое устройство, кэш-память;

В. ПЗУ, видеопамять;

Г. видеокарта, контроллеры.

9. Регистр, содержащий адрес одного из операндов выполняемой команды:

А регистр команды

Б регистр адреса

В регистр числа

Г регистр результата

10.Как называется регистр, осуществляющий операции сложения чисел или битовых строк, представленных в прямом или обратном коде?

А. регистр команды

Б. сумматор

В. регистр числа

Г. регистр результата

11. Процессор, который обеспечивает параллельное выполнение операции над массивами данных,

А. векторами:

Б. матричный процессор

В. векторный процессор

Г. сумматор

Д. нет верного ответа

12. Помимо страничной виртуальной памяти процессора был реализован режим, который называется…

А. Виртуальный

Б. Реальный

В. Защищенный

Время на подготовку и выполнение:

подготовка 3 мин.;

выполнение 0 часа 15 мин.;

оформление и сдача 2 мин.;

всего 0 часа 20 мин.

Перечень объектов контроля и оценки

Наименование объектов контроля и оценки	Основные показатели оценки результата	Оценка
принципы вычислений в многопроцессорных и многоядерных системах	Знание принципов работы микропроцессора

За правильный ответ на вопросы или верное решение задачи выставляется положительная оценка – 1 балл.

За не правильный ответ на вопросы или неверное решение задачи выставляется отрицательная оценка – 0 баллов

1. Тестовое задание (компьютерное тестирование)

7.1Текст задания

Выберите правильный ответ:

1. С какой архитектурой компьютеров больше?

А. открытой

Б. закрытой

В. обычная архитектура

2. Под архитектурой компьютера понимается …

А. совокупность аппаратных и программных средств, организованных в систему, обеспечивающую функционирование компьютера.

Б. аппаратные средства, организованные в систему, обеспечивающую

функционирование компьютера.

В. совокупность программных средств, организованных в систему,

обеспечивающую функционирование компьютера.

3. Какими характеристиками обладает закрытая архитектура?

А. предназначены для решения узкоспециализированных задач;

Б. подключение дополнительных устройств;

В. модульный принцип построения компьютера, в соответствии с

которым все его компоненты выполнены в виде законченных

конструкций.

4. Какими свойствами не обладает открытая архитектура?

А. модульный принцип построения компьютера, в соответствии с которым все его компоненты выполнены в виде законченных конструкций – модулей, имеющих стандартные размеры и стандартные средства сопряжения;

Б. наличие общей (системной) информационной шины, к которой можно подключать различные дополнительные устройства через соответствующие разъемные соединения;

В. совместимость новых аппаратных и программных средств с их предыдущими версиями, основанная на принципе «сверху – вниз», что означает, что последующие версии должны поддерживать предыдущие.

Г. используют для решения узкоспециализированных задач.

5. Основа системного блока, которая обеспечивает внутренние связи, взаимодействуют через прерывание с внешними устройствами и содержат компоненты, определяющие архитектуру ПК, называется:

А. системная плата

Б. блок питания

В. накопители на дисках

6. Магистрально - модульный принцип архитектуры ЭВМ подразумевает такую организацию аппаратных средств, при которой:

А. каждое устройство связывается с другим напрямую;

Б. устройства связываются друг с другом последовательно в определенной последовательности;

В. все устройства подключаются к центральному процессору;

Г. все устройства связаны друг с другом через специальный трехжильный кабель, называемый магистралью

7. Совокупность функциональных элементов компьютера и связей между ними:

А. структура компьютера

Б. базовые структуры алгоритмов

В. архитектура компьютера

Г. нет верных ответов

Время на подготовку и выполнение:

подготовка 3 мин.;

выполнение 0 часа 15 мин.;

оформление и сдача 2 мин.;

всего 0 часа 20 мин.

Наименование объектов контроля и оценки	Основные показатели оценки результата	Оценка
построение цифровых вычислительных систем и их архитектурные особенности	Знание принципов архитектуры

За правильный ответ на вопросы или верное решение задачи выставляется положительная оценка – 1 балл.

За не правильный ответ на вопросы или неверное решение задачи выставляется отрицательная оценка – 0 баллов.

1. Тестовое задание (компьютерное тестирование)

8.1 Текст задания

Выберите правильный ответ:

1. Магистраль – это

А. внешнее устройство ПК;

Б. часть ОС;

В. запоминающее устройство;

Г. общая линия проводов, к которым параллельно присоединяются блоки ПК.

2. Магистраль установлена

А. в системном блоке;

Б. на винчестере;

В. на материнской (системной плате)

Г. в оперативной памяти.

3. Основная функция системной шины:

А. постоянное хранение информации;

Б. передача информации между устройствами ПК;

В. разработка программ;

4. Системная шина включает в себя:

А. шину электрических импульсов;

Б. конфигурацию компьютера;

В. шину данных, шину адреса и машинный язык;

Г. многоразрядные шины: данных, адреса, управления.

5. Функция шины управления;

А. синхронизирует обмен информации между устройствами;

Б. передавать адрес в одном направлении;

В. повышает разрядность;

Г. увеличивает память.

6. Шина данных выполняет следующие действия:

А. увеличивает разрядность;

Б. организовывает память;

Б. передает данные от устройства к устройству в любом направлении;

Г. изменение данных.

7. Функция адресной шины:

А. считывание сигналов;

Б. обмен информации на машинном языке;

В. передача адреса осуществляемом в одном направлении;

Г. увеличивает оперативную память.

8. Разрядность шины данных определяется:

А. адресным пространством;

Б. количеством адресуемых ячеек памяти;

В. сигналы управления;

Г. разрядностью процессора.

9. Разрядность шины адреса определяет:

А. сигналы управления;

Б. объем данных;

В. объем адресуемой памяти;

Г. количество ячеек оперативной памяти.

Время на подготовку и выполнение:

подготовка 3мин.;

выполнение 0 часа 15 мин.;

оформление и сдача 2 мин.;

всего 0 часа 20 мин.

Наименование объектов контроля и оценки	Основные показатели оценки результата	Оценка
принципы работы кэш-памяти идентифицировать основные узлы персонального компьютера, разъемы для подключения внешних устройств	Знание основных тип шин, применение магистрально принципа построения

За правильный ответ на вопросы или верное решение задачи выставляется положительная оценка – 1 балл.

За не правильный ответ на вопросы или неверное решение задачи выставляется отрицательная оценка – 0 баллов

ОТВЕТЫ

Операти́вная па́мять (англ. Random Access Memory, RAM, память с произвольным доступом; ОЗУ; комп. жарг. память, оперативка) — энергозависимая часть системы компьютерной памяти, в которой во время работы компьютера хранится выполняемый машинный код (программы), а также входные, выходные и промежуточные данные, обрабатываемые процессором.

Сейчас применяются три основных вида ОЗУ:

статическое (SRAM); память в виде массивов триггеров;

динамическое (DRAM); память в виде массивов конденсаторов;

основанном на изменении фазы (PRAM).

Схема взхаимодействия ОП с ЦП

ОЗУ современных компьютеров

ОЗУ большинства современных компьютеров представляет собой модули динамической памяти, содержащие полупроводниковые ИС ЗУ, организованные по принципу устройств с произвольным доступом. Память динамического типа дешевле, чем статического, и её плотность выше, что позволяет на той же площади кремниевого кристалла разместить больше ячеек памяти, но при этом её быстродействие ниже. Статическая память, наоборот, более быстрая память, но она и дороже. В связи с этим, основную оперативную память строят на модулях динамической памяти, а память статического типа используется для построения кэш-памяти внутри микропроцессора.

Кэш-память – это высокоскоростная память произвольного доступа, используемая процессором компьютера для временного хранения информации. Она увеличивает производительность, поскольку хранит наиболее часто используемые данные и команды «ближе» к процессору, откуда их можно быстрее получить.

Кэш-память напрямую влияет на скорость вычислений и помогает процессору работать с более равномерной загрузкой.

Архитектуры с фиксированным набором устройств

Компьютерами с сосредоточенной обработкой называются такие вычислительные системы, у которых одно или несколько обрабатывающих устройств (процессоров) расположены компактно и используют для обмена информацией внутренние шины передачи данных. Компьютеры 1-го и 2-го поколения имели архитектуру закрытого типа с ограниченным набором внешнего оборудования. Компьютер, выполненный по этой архитектуре, не имел возможности подключения дополнительных устройств, не предусмотренных разработчиком.

Укрупненная схема такой компьютерной архитектуры приведена на рис. 1. Оперативная память хранит команды и данные исполняемых программ. АЛУ обеспечивает не только числовую обработку, но и участвует в процессе ввода-вывода информации, осуществляя ее занесение в оперативную память. Канал ввода / вывода представляет собой специализированное устройство, работающее по командам, подаваемым устройством управления. Канал допускает подключение определенного числа внешних устройств. Устройство управления обеспечивает выполнение команд программы и управляет всеми узлами системы

Компьютеры такой архитектуры эффективны при решении чисто вычислительных задач. Они плохо приспособлены для реализации компьютерных технологий, требующих подключения дополнительных внешних устройств и высокой скорости обмена с ними информацией.

Виды многопроцессорных вычислительных систем

Многопроцессорная вычислительная система (МПВС) – это система (комплекс), включающий в себя два или более процессоров, имеющих общую ОП, общие периферийные устройства и работающих под управлением единой ОС, которая, в свою очередь, осуществляет общее управление техническими и программными средствами комплекса. При этом каждый из процессоров может иметь индивидуальные, доступные только ему ОЗУ и периферийные устройства.

Следует отметить, что МПВС в аппаратном плане значительно более сложны чем ММВС. При этом основная функция по организации вычислительного процесса возлагается на ОС, что значительно осложняет ее построение.

Однако, несмотря на все трудности, связанные с аппаратной и программной реализацией, МПВС получают все большее распространение, так как обладают рядом достоинств, основные из которых:

· высокая надежность и готовность за счет резервирования и возможности реконфигурации;

· высокая производительность за счет возможности гибкой организации параллельной обработки информации и более полной загрузки всего оборудования;

· высокая экономическая эффективность за счет повышения коэффициента использования оборудования комплекса.

Существует три типа структурной организации МПВС: с общей шиной; с перекрестной коммутацией; с многовходовыми ОЗУ.

В МПВС с общей шиной проблема связей всех устройств между собой решается крайне просто: все они соединяются общей шиной, по которым передаются информация, адреса и сигналы управления (рис. 3.2). Интерфейс является односвязным, т. е. обмен информацией в любой момент времени может происходить только между двумя устройствами. Если потребность в обмене существует более чем у двух устройств, то возникает конфликтная ситуация, которая разрешается с помощью системы приоритетов и организации очередей в соответствии с этим. Обычно функции арбитра выполняет либо процессор, либо специальное устройство, которое регистрирует все обращения к общей шине и распределяет шину во времени между всеми устройствами комплекса.

МПВС с общей шиной

МПВС с перекрестной коммутацией

МПВС с многовходовым ОЗУ

Что это такое Тактовая частота процессора - это показатель его производительности, то есть цифра, показывающая, сколько операций в секунду он может совершать. Вообще, процессор представляет собой центр всего компьютера, ведь именно он отвечает за обработку программного кода всех операций и действий. Он осуществляет основную деятельность на ПК. Создаются и выпускаются процессоры в виде одной большой микросхемы, по-другому - чипа (реже - блоки, электронные платы). Такое современное устройство включает в себя несколько миллионов транзисторов, являясь ничем иным, как высокотехнологичным электронным устройством. Частота процессора - это показатель, определяющий самый малый квант времени, в течение которого устройство способно выполнить элементарную операцию. Измеряется она в мегагерцах и служит основным показателем количественной производительности. Чем выше данный показатель, тем быстрее процессор будет обрабатывать операции, тем большее их количество способно осуществиться за определенный период.

Параллельная обработка Предположим для простоты, что некое устройство выполняет одну операцию за один такт. В этом случае тысячу операций такое устройство выполнит за тысячу тактов. Если имеется пять таких же независимых устройств, способных работать одновременно, то ту же тысячу операций система из пяти устройств может выполнить уже не за тысячу, а за двести тактов. Аналогично система из N устройств ту же работу выполнит за 1000/N тактов. Подобные примеры можно найти и в жизни: если один солдат выкопает траншею за 10 часов, то рота солдат из пятидесяти человек с такими же способностями, работая одновременно, справится с той же работой за 12 минут принцип параллельности в действии! Кстати, пионером в параллельной обработке потоков данных был академик А. А.Самарский, выполнявший в начале 50-х годов расчеты, необходимые для моделирования ядерных взрывов. Самарский решил эту задачу методом сеток, посадив несколько десятков барышень с арифмометрами за столы (узлы сетки).Барышни передавали данные одна другой просто на словах и откладывали необходимые цифры на арифмометрах. Таким образом, в частности, была рассчитана эволюция взрывной волны. Работы было много, барышни уставали, а Александр Андреевич ходил между ними и подбадривал. Так создали, можно сказать, первую параллельную систему. Хотя расчеты водородной бомбы провели мастерски, точность их оказалась очень низкой, потому что узлов в используемой сетке было мало, а время счета получалось слишком большим. Предположим для простоты, что некое устройство выполняет одну операцию за один такт. В этом случае тысячу операций такое устройство выполнит за тысячу тактов. Если имеется пять таких же независимых устройств, способных работать одновременно, то ту же тысячу операций система из пяти устройств может выполнить уже не за тысячу, а за двести тактов. Таким образом, в частности, была рассчитана эволюция взрывной волны. Работы было много, барышни уставали, а Александр Андреевич ходил между ними и подбадривал. Так создали, можно сказать, первую параллельную систему. Хотя расчеты водородной бомбы провели мастерски, точность их оказалась очень низкой, потому что узлов в используемой сетке было мало, а время счета получалось слишком большим.

Конвейерная обработка Что необходимо для сложения двух вещественных чисел, представленных в форме с плавающей запятой? Целое множество мелких операций, таких, как сравнение порядков, выравнивание порядков, сложение мантисс, нормализация и т.п.Процессоры первых компьютеров выполняли все эти «микрооперации» для каждой пары слагаемых последовательно, одну за другой, до тех пор пока не доходили до окончательного результата, и лишь после этого переходили к обработке следующей пары слагаемых.Идея конвейерной обработки заключается в расчленении операции на отдельные этапы, или, как это принято называть, ступени конвейера. Каждая ступень, выполнив свою работу, передает результат следующей ступени, одновременно принимая новую порцию входных данных. Получается очевидные выигрыш вскорости обработки Что необходимо для сложения двух вещественных чисел, представленных в форме с плавающей запятой? Целое множество мелких операций, таких, как сравнение порядков, выравнивание порядков, сложение мантисс, нормализация и т.п.Процессоры первых компьютеров выполняли все эти «микрооперации» для каждой пары слагаемых последовательно, одну за другой, до тех пор пока не доходили до окончательного результата, и лишь после этого переходили к обработке следующей пары слагаемых.Идея конвейерной обработки заключается в расчленении операции на отдельные этапы, или, как это принято называть, ступени кон­вейера. Каждая ступень, выполнив свою работу, передает результат следующей ступени, одновременно принимая новую порцию входных данных. Получается очевидные выигрыш вскорости обработки

По каким направлениям идет развитие высокопроизводительной вычислительной техники? Таких направлений четыре.

1. Векторно-конвейерные компьютеры Две главные особенности таких машин: наличие функциональных конвейерных устройств и набора векторных команд. В отличие от обычных команд векторные оперируют целыми массивами независимых данных, то есть команда вида А =В + С может означать сложение двух массивов, а не двух чисел

2. Параллельные компьютеры с общей памятью. Вся оперативная память в таких компьютерах разделяется несколькими одинаковыми процессорами, обращающимися к общей дисковой памяти. Проблем с обменом данными между процессорами и синхронизацией их работы практически не возникает. Вместе с тем главный недостаток такой архитектуры состоит в том, что по чисто техническим причинам число процессоров, имеющих доступ к общей памяти, нельзя сделать большим. В данное направление суперкомпьютеров входят многие современные SMP-компьютеры (Symmetric) Вся оперативная память в таких компьютерах разделяется несколькими одинаковыми процессорами, обращающимися к общей дисковой памяти.

3. Кластерные компьютеры Этот класс суперкомпьютеров, строго говоря, нельзя назвать самостоятельным, скорее, он представляет собой комбинации предыдущих трех. Из нескольких процессоров, традиционных или векторно-конвейерных, и общей для них памяти формируется вычислительный узел. Если мощности одного узла недостаточно, создается кластер из нескольких узлов, объединенных высокоскоростными каналами

4. Виртуальная многопроцессорность Основной смысл технологии Hyper - Threading заключается в поддержке много потокового исполнения программ. Эта технология позволяет на одном физическом процессоре одновременно исполнять два задания или два фрагмента кода одной программы. Таким образом, один процессор воспринимается операционной системой как два логических устройства, интенсивная работа которых осуществляется параллельно. Производительность таких систем, как правило, значительно превышает аналогичные параметры компьютеров, построенных на основе процессоров традиционной архитектуры.

Схема взаимодействия устройств компьютера согласно архитектуре фон Неймана

Классификация параллельных вычислительных систем.

Под архитектурой вычислительной системы понимаются абстрактное представление ЭВМ с точки зрения программиста. Полное описание архитектуры системы включает в себя:

1. основные форматы представления данных;

2. способы адресации данных в программе;

3. состав аппаратных средств вычислительной машины, характеристики этих средств, принципы организации вычислительного процесса.

Структуру вычислительной системы можно определить как совокупность аппаратных средств ЭВМ с указанием основных связей между ними.

Имеется много различных классификаций вычислительных систем. Рассмотрим наиболее часто используемые классификации.

Классификация Флина.

Наибольшее распространение получила классификация вычислительных систем, предложенная в 1966 г. профессором Стенфордского университета М.Д.Флином (M.J.Flynn) - классификация Флина. Эта классификация охватывает только два классификационных признака – тип потока команд и тип потока данных

В одиночном потоке команд в один момент времени может выполняться только одна команда. В этом случае эта единственная команда определяет в данный момент времени работу всех или, по крайней мере, многих устройств вычислительной системы.

Во множественном потоке команд в один момент времени может выполняться много команд. В этом случае каждая из таких команд определяет в данный момент времени работу только одного или лишь нескольких (но не всех) устройств вычислительной системы.

В одиночном потоке последовательно выполняются отдельные команды, во множественном потоке – группы команд

Классификация по типу строения оперативной памяти.

По типу строения оперативной памяти системы разделяются на системы с общей (разделяемой) памятью, системы с распределенной памятью и системы с физически распределенной, а логически общедоступной памятью (гибридные системы).

В вычислительных системах с общей памятью (Common Memory Systems или Shared Memory Systems) значение, записанное в память одним из процессоров, напрямую доступно для другого процессора. Общая память обычно имеет высокую пропускную способность памяти (bandwidth) и низкую латентность памяти (latency) при передачи информации между процессорами, но при условии, что не происходит одновременного обращения нескольких процессоров к одному и тому же элементу памяти. К общей памяти доступ разных процессорами системы осуществляется, как правило, за одинаковое время. Поэтому такая память называется еще UMA-памятью (Unified Memory Access) — памятью с одинаковым временем доступа. Система с такой памятью носит название вычислительной системы с одинаковым временем доступа к памяти. Системы с общей памятью называются также сильносвязанными вычислительными системами.

В вычислительных системах с распределенной памятью (Distributed Memory Systems) каждый процессор имеет свою локальную память с локальным адресным пространством. Для систем с распределенной памятью характерно наличие большого числа быстрых каналов, которые связывают отдельные части этой памяти с отдельными процессорами. Обмен информацией между частями распределенной памяти осуществляется обычно относительно медленно. Системы с распределенной памятью называются также слабосвязанными вычислительными системами.

Вычислительные системы с гибридной памятью - (Non-Uniform Memory Access Systems) имеют память, которая физически распределена по различным частям системы, но логически разделяема (образует единое адресное пространство). Такая память называется еще логически общей (разделяемой) памятью (logically shared memory). В отличие от UMA-систем, в NUMA-системах время доступа к различным частям оперативной памяти различно.

Заметим, что память современных параллельных систем является многоуровневой, иерархической, что порождает проблему ее когерентности.

Классификация по типу коммуникационной сети.

Классификация параллельных вычислительных систем по типу коммуникационной сети рассмотрена в следующем параграфе. Заметим лишь, что по количеству уровней иерархии коммуникационной среды различают системы с одноуровневой коммутационной сетью (один уровень коммутации) и системы с иерархической коммутационной сетью (когда группы процессоров объединены с помощью одной системы коммутации, а внутри каждой группы используется другая).

Классификация по степени однородности

По степени однородности различают однородные (гомогенные) и неоднородные (гетерогенные) вычислительные системы. Обычно при этом имеется в виду тип используемых процессоров.

В однородных вычислительных системах (гомогенных вычислительных системах) используются одинаковые процессоры, в неоднородных вычислительных системах (гетерогенных вычислительных системах) – процессоры различных типов. Вычислительная система, содержащая какой-либо специализированный вычислитель (например, Фурье-процессор), относится к классу неоднородных вычислительных систем.

Рассмотренные классификационные признаки параллельных вычислительных систем не исчерпывают всех возможных их характеристик. Существует, например, еще разделение систем по степени согласованности режимов работы (синхронные и асинхронные вычислительные системы), по способу обработки (с пословной обработкой и ассоциативные вычислительные системы), по жесткости структуры (системы с фиксированной структурой и системы с перестраиваемой структурой), по управляющему потоку (системы потока команд -instruction flow и системы потока данных — data flow) и т.п.

Современные высокопроизводительные системы имеют, как правило, иерархическую структуру. Например, на верхнем уровне иерархии система относится к классу MIMD, каждый процессор которой представляет собой систему MIMD или систему SIMD.

Отметим также тенденцию к построению распределенных систем с программируемой структурой. В таких системах нет общего ресурса, отказ которого приводил бы к отказу системы в целом – средства управления, обработки и хранения информации распределены по составным частям системы. Такие системы обладают способностью автоматически реконфигурироваться в случае выхода из строя отдельных их частей. Средства реконфигурирования позволяют также программно перестроить систему с целью повышения эффективности решения на этой системе данной задачи или класса задач.