Профессиональные компьютерные системы обзор
Какие ассоциации возникают у вас при слове “компьютер”? Возможно вам придет в голову ваш собственный настольный компьютер, который включает в себя системный блок, монитор, клавиатуру, мышь, колонки. У кого-то другого компьютер ассоциируется с ноутбуком.
Но на самом деле это понятие гораздо шире. Ваш смартфон также является компьютером. Компьютеры, выполняющие самые разные функции, можно встретить и в автомобилях.
Такой компьютер может, например, обрабатывать информацию, которую ему передают какие-либо датчики (например, температуру двигателя, закрыты ли двери и т.д.) и выводить на некий дисплей предупреждающий сигнал, если что-то не в порядке. Существую также так называемые суперкомпьютеры, которые могут занимать целые комнаты. Они используются для задач, требующих огромных вычислительных мощностей. Как видно, понятие компьютера намного более широкое, чем может показаться на первый взгляд. Поэтому я также буду использовать термин “компьютерная система”.
Все компьютеры имеют между собой набор общих черт. Они представляют собой системы обработки информации, которые имеют программную часть (софт) – набор команд которые указывают о том, какие операции над информацией необходимо произвести, а также аппаратную часть (железо), которое собственно и выполняет эти команды. Устройство которое выполняет команды называется процессором, а которое хранит команды, а также результаты операций – компьютерной памятью. Память и процессор ключевые элементы любой компьютерной системы.
Помимо этого, компьютерная система обычно включает в себя устройства для ввода и вывода информации. Примеры устройств ввода: клавиатура, мышь, сенсорный экран. Примеры устройств вывода: монитор, колонки. Важным также является тот факт, что хотя все компьютеры и различаются вычислительной мощностью (скоростью выполнения программ) и объемом памяти, но программа, которую способен выполнить один компьютер, способен выполнить любой другой. То есть, например, ваш телефон способен производить те же операции, что и какой-нибудь Гугловский суперкомпьютер, просто у него это займет гораздо больше времени (то что суперкомпьютер выполнит за секунду ваш смартфон выполнит лишь за месяц).
1.4 Иерархическая структура компьютерной системы
Архитектура набора команд
На этом уровне мы имеем тот самый двоичный код. У нас есть процессор, который считывает некий набор битов (команду) и выполняет соответствующие действия. Затем он считывает следующий набор битов и выполняет их. И так до бесконечности, пока работу компьютера что-то не остановит. На этом уровне процессор для нас как черный ящик. Мы не знаем детали его внутреннего устройства, мы просто знаем какие команды он способен выполнять. Если проводить аналогию с современными автомобилями, то архитектура набора команд это руль, педали и коробка передач. Два автомобиля могут иметь абсолютно разное внутреннее строение, но если они одинаково реагируют на повороты руля, нажатие педалей и переключение скоростей, то умея управлять одним из них, мы также успешно можем управлять другим. Также и два процессора могут понимать одни и те же команды, но при этом иметь различное устройство.
1.3 Компьютерное приложение
LeetCode 595. Big Countries
LeetCode 595. Big Countries тема There is a table World A country is big if it has an area of bigger than 3 million square km or a population of more than 25 million. Write a SQL solution to output bi.
Структурная схема системы:
Структурная схема аппаратного обеспечения системы:
Изображение выше взято из "Углубленное понимание компьютерных систем", стр. 42
1. Процессор
Центральный процессор (ЦП), главным образом Контроллер, арифметический блок, набор регистров, современный процессор и встроенная кэш-память (кеш) 。
- контроллер Контроллер является центром управления и контроля всего ЦП. Счетчик программ ПК, регистр команд IR, идентификатор декодера команд и контроллер операций OC И так далее.
- оператор : В основном отвечает за различные операции, включая основные операции, такие как множители сложения и вычитания и их дополнительные операции) и логические операции (включая сдвиги, логические тесты или сравнение двух значений).
- Зарегистрировать банк Компонент регистра - это специальный регистр и общий регистр, который подробно описан в принципах работы микрокомпьютера. Они в основном отвечают за хранение данных, и время, в течение которого центральный процессор обращается к регистру, короче, чем время доступа к памяти. Использование регистров может уменьшить количество обращений ЦП к памяти, тем самым повышая скорость работы ЦП.
- Кеш-память : Также известный как кэш-память процессора. Поскольку емкость регистра очень мала, добавляется кэш, который во много раз больше регистра. Он в основном хранит данные, которые нужны ЦПУ в последнее время. Скорость доступа к нему медленнее, чем скорость доступа к регистру, но намного выше, чем скорость доступа ЦП к основной памяти. Получая доступ к кешу для хранения данных, к которым можно часто обращаться, большинство операций с памятью можно выполнить в быстром кеше.
2. Основная память
Основную память часто называют памятью, которая является временным устройством хранения, используемым для хранения программ и данных, обработанных программой, когда процессор выполняет программу. С физической точки зрения, основная память состоит из группы микросхем динамической оперативной памяти (DRAM), логически говоря, это линейный массив, и каждый байт имеет свой уникальный адрес.
3. Устройства ввода / вывода
Устройство ввода-вывода (вход и выход) - это канал, через который система взаимодействует с внешним миром. Пример на рисунке выше включает четыре устройства ввода-вывода: клавиатуру и мышь в качестве пользовательского ввода, дисплей в качестве вывода и диск для долгосрочного хранения данных и программ.
Принцип работы процессора:
Ниже приведен пример процесса выполнения программы hello.c, иллюстрирующий принцип работы CPU:
Сначала объясните процесс создания программы для запуска целевой программы:
Исходная программа hello.c предварительно обрабатывается, компилируется, собирается и связывается для окончательного создания исполняемой целевой программы (двоичной).
Принцип действия:
Перед выполнением программы целевой код и данные программы будут загружены в память с диска. Как только выполнение начинается, ЦПУ считывает машинную инструкцию с адреса памяти, на который указывает ПК счетчика программ, в регистр команд для декодирования. Для данных, необходимых в процессе выполнения инструкций, ЦП будет считывать данные во внутренний блок памяти (то есть во внутренний регистр) ЦПУ, чтобы временно сохранить их, а затем дать команду арифметическому блоку обработать данные. Когда инструкция выполняется, ПК указывает на следующую инструкцию и так далее, пока не завершится выполнение программы.
Короче говоря, это следующие четыре шага:
- Инструкция по загрузке : Контроллер ЦП читает инструкцию из памяти и помещает ее в регистр команд;
- Декодирование команд : Инструкция в регистре команд декодируется, чтобы определить, какую операцию должна выполнить команда (то есть код операции в инструкции) и где находится операнд (адрес операнда)
- Выполнить инструкцию : «Получить операнд» и «вычислить операцию» в два этапа;
- Изменить счетчик программы Определить адрес следующей инструкции.
Зачем добавлять кеш-память в процессор
Из вышесказанного видно, что при выполнении программы hello сначала необходимо скопировать исполняемую целевую программу с диска в память, а затем скопировать машинные инструкции одну за другой в регистр команд. После выполнения программы содержимое для вывода (привет, мир! \ N) также находится на диске, а затем копируется в память, затем копируется из основной памяти в регистр, а затем копируется из регистра в устройство отображения и, наконец, отображается на экране.
В этом примере выявляется важная проблема: система тратит много времени на копирование информации из одного места в другое.
Что нужно чтобы вскопать огород? При наличии огорода, нужны рабочие инструменты и рабочая сила (работники). А что делать если нужно вскопать быстрей или больше? Можно позвать друзей или нанять других людей, то есть увеличить число работников. Вот это и является примером высокопроизводительного вскапывания огорода. Не всегда можно увеличивать производительность вскапывания огорода путём поиска сильных работников, так как производительность каждого отдельно взятого работника ограничена. Потому и приходится прибегать к услугам большего числа работников.
Аналогично и с высокопроизводительными вычислениями. Работниками (анг. workers) так и называются отдельные компьютеры и процессорные ядра в вычислительных кластерах, если опираться на терминологию пакета МАТЛАБ (англ. MATLAB). В документации других кластеров эти ядра и компьютеры называются нодами (англ. nodes), так и буду их называть в этой заметке.
Просто о сложном: высокопроизводительные вычисления для инженерных и научно-исследовательских задач
Введение
На Хабрахабре уже много писалось о высокопроизводительных, распределённых и параллельных вычислениях (ВВ). freetonik уже сделал подробное и наглядное введение в параллельные вычисления и продолжение тут, ВВ были рассмотрены автором keleg в тут, теория распределённых вычислений была раскрыта в заметке автора mkosyakov, Melges описал опыт организации параллельных вычислений по сети на Си и XakepRU описал как можно распараллелить процессы в Linux. Перечитав их я понял что нет заметки которая могла бы помочь начать использовать ВВ для решения инженерных и научных задач. Это скорее всего общая особенность многих источников информации по данной тематике. Программисты пишут хорошие программы которые выполняют возложенные на них задачи. Университетские преподаватели доступно объясняют как и почему стоит использовать высокопроизводительные вычисления. Но как только исследователи осознают что им пора воспользоваться ВВ, то они сталкиваются с малым числом 'мостиков' которые связывают понимание ВВ с непосредственным использованием ВВ систем в их работе. В университетах студенты могут найти такой 'мостик' на лабораторных и практических работах. А я попробую восполнить этот пробел в надежде что материал будет полезным для тех кто этого не изучал и поможет им начать пользоваться ВВ. Сначала будет краткое введение в ВВ, после чего будут рассмотрены возможности использования МАТЛАБ, HPCondor суперкомпьютеров.
Высокопроизводительные вычисления (ВВ) приходят на помощь в тех случаях когда нужно сократить время расчётов или получить доступ к большему объёму памяти. Например, ваша программа может проводить необходимые вычисления в течение недели, но вам нужно получить результаты завтра. Если разделить эту программу на части и выполнять каждую из них на отдельном ноде, то теоретически можно ускорить расчёты пропорционально числу вовлечённых нодов. Но это только теоретически, а на практике этому всегда что-то мешает (о чём подробно писалось тут). Тут стоит упомянуть и другой случай, когда ваша программа требует большой объём оперативной памяти. Например, в вашем компьютере установленно только 4 Гб оперативной памяти, но для расчётов нужно хотя бы 64 Гб. В системах ВВ на каждом ноде установленна память определённой ёмкости. Так если каждому ноду доступно 2 Гб памяти, то опять же можно разделить программу на 32 части, каждая из которых будет выполняться на отдельном ноде, будет взаимодействовать с другими частями, обмениваться данными и, в конечном итоге, программа в целом будет иметь доступ к 64 Гб памяти.
Из этих примеров вы наверняка поняли что высокопроизводительные вычисления – это вычисления проводимые на компьютерных системах со спецификациями, которые значительно превышают обычные компьютеры. Это понятие условное, возможно есть и более точное определение, но я его сейчас не смог найти. Существуют параллельные, распределённые ВВ, а так же их комбинации.
Параллельные вычисления предусматривают разработку программ, которые во время их выполнения представляют собой несколько параллельных и взаимодействующих между собой процессов. Например, моделирование характеристик ячейки солнечной батареи предусматривает взаимодействие трёх моделей описывающих: перенос носителей заряда, распространение падающего света внутри ячейки, температурные эффекты, растяжение-сжатие. Так перенос носителей, растяжение-сжатие и показатель преломления материала, который используется в оптической модели падающего света, зависят от температуры и модели, описывающие эти эффекты, должны взаимодействовать друг с другом в процессе расчёта. Чтобы ускорить расчёты можно код модели описывающей транспорт носителей выполнять на одном ноде, код отвечающий за распространение света – на другом, температурную модель – на третьем, и так далее. То есть, ноды будут выполнять взаимодействующие расчёты параллельно.
Распределённые вычисления предусматривают использование нескольких не взаимодействующих друг с другом нодов и процессов. Очень часто в таком случае выполняется один и тот же код на разных нодах. Например, нам нужно оценить растяжение и сжатие той же ячейки солнечной батареи в зависимости от температуры. В таком случае, температура – входной параметр модели и один и тот же программный код этой модели можно выполнить на разных нодах для разных значений температуры.
- как конечный пользователь взаимодействует с системой ВВ;
- какие ВВ системы доступны и какие у них ограничения;
- о кластерах построенных при помощи ПО Кондор (англ. Condor) и МАТЛАБ (выбор пал на них просто по причине опыта автора с ними);
- немного о суперкомпьютерах и гридах;
- и о том как всем этим хозяйством можно можно воспользоваться.
Взаимодействие пользователя с системой высокопроизводительных вычислений
- подготавливать программы для запуска на системах ВВ;
- запускать расчёты на системах ВВ либо подключаться к системам ВВ для запуска программ;
- на котором он будет обрабатывать результаты расчётов.
Тут многое зависит от личного предпочтения пользователя, доступности нужного программного обеспечения и других требований. Есть возможность выбора языка программирования, операционной системы рабочего компьютера и кластера, используемых программных библиотек и ПО для организации кластеров. Лично я всё время пытаюсь писать программы на С или С++ с использованием MPI и openMP для Линукс (тут и тут уже есть хорошие статьи по этой теме этих пап и мам высокопроизводительных вычислений ), но по разным причинам это не всегда получается. Типичная ситуация – приходит шеф в пятницу и говорит что нам срочно нужны результаты. Заканчивается это тем что пишется программа в МАТЛАБ для проведения нужных расчётов. А чтобы быстрей получить результаты, эта программа работает на кластере МАТЛАБ нашей организации до понедельника.
Что касается операционной системы рабочего компьютера пользователя, то в большинстве случаев удобней всего использовать ту же операционную систему и её дистрибутив что установленна на системе ВВ. В данный момент большинство ВВ систем работает под управлением различных дистрибутивов Линукс. Если на нашем кластере стоит Scientific Linux, то и на рабочий компьютер проще поставить эту же систему чтобы в дальнейшем не путаться в командах. Если планируете использовать кластер на базе МАТЛАБ, то выбор операционной системы роли не играет, так как программы написанные на МАТЛАБ могут выполняться на компьютерах с любыми ОС (доступными для установки МАТЛАБ, естественно).
Если же вы выбираете смешанную схему, при которой у вас на компьютере установлена ОС семейства MS Windows, а ВВ система построена на ОС Линукс, то вам понадобится клиент для подключения к удалённой системе (например, PuTTY), и, возможно X-сервер или же сразу Cygwin, в котором это всё есть. В выборе программного обеспечения вам всегда помогут локальные администраторы ВВ системы.
Важный момент: ВВ системы обычно либо не поддерживают программы требующие работы в интерактивном режиме (которые в процессе выполнения запрашивают ввод данных, ожидают других действий пользователя таких как нажатие клавиш или манипуляций мышкой) или поддерживают их ограниченно. Аналогично и в отношении графического интерфейса – его использование чаще всего не предусмотренно и ВВ системы используются в текстовом режиме из командной строки (исключение — тот же МАТЛАБ). Перед использованием вашей программы в ВВ системе, она должна быть отлажена и потом преобразована так чтобы она могла быть запущенна на ВВ системе и без дальнейшего вмешательства человека она провела расчёты и сохранила результаты в файлах либо передала их пользователю другим способом.
К производительности компьютера пользователя требования минимальны, так как основные расчёты всё равно планируется проводить на системах ВВ. Следить за состоянием расчётов, запускать и прерывать их можно с компьютера минимальной конфигурации и с мобильного телефона.
Некоторые системы ВВ
Общий обзор
Чаще всего для проведения ВВ используются суперкомпьютеры, компьютерные кластеры и гриды (англ. computing grids).
Суперкомпьютеры – компьютерные системы, значительно превышающие большинство существующих компьютеров по своим параметрам таким как производительность, доступная оперативная память, доступное число процессоров. Для большей информации о них вы можете посмотреть список пятиста самых производительных суперкомпьютеров мира.
Компьютерный кластер – группа компьютеров, которые могут взаимодействовать друг с другом для наращивания доступной памяти и числа процессоров вовлечённых в работу. Чаще всего такие кластеры строятся внутри исследовательских групп или организаций.
Гриды – это группы кластеров и суперкомпьютеров, разбросанных по разным городам и странам. Так, например, вы можете передать свою вычислительную задачу на сервер в Швейцарии, но она будет выполняться либо на кластерах в Германии, Франции или Польше. Наиболее известный пример грида – европейская грид-система EGEE, объединяющая в себе около сорока тысяч процессоров и несколько петабайтов дискового пространства.
Конечному пользователю часто сложно или не возможно различить суперкомпьютеры и кластеры. Вот три примера:
1. Не редко суперкомпьютерами называют и группу компьютеров подключённых друг к другу через высокоскоростные сети связи, что по сути — тот же самый компьютерный кластер;
2. В то же время существуют кластеры построенные на базе программного обеспечения HPCondor, это так же группа компьютеров взаимодействующих с сервером в локальной сети (часто – медленной сети) и не кто не рискнёт назвать такие кластеры суперкомпьютерами;
3. Есть же суперкомпьютеры NVIDIA (которые имеют системный блок большего размера чем обычные офисные компьютеры) у которых вся вычислительная система не разбросана по сети, а умещается в этом системном блоке.
Если взять примеры 2 и 3, то разница между суперкомпьютером и кластером очевидна. В первом и третьем, особой грани не видно, опять же обе системы из этих двух примеров называют суперкомпьютерами.
Кластеры HPCondor (англ. Condor, после 2012 года — HTCondor)
Программное обеспечение для организации такого кластера можно загрузить бесплатно со страницы проекта. Кластеры данного типа состоят из рабочих компьютеров и сервера. К комментариях dunordavind сделал важное уточнение: такие системы ВВ — не кластеры в классическом смысле, а скорее менеджеры ресурсов (но чтобы не переписывать весь текст я далее всё равно буду называть их кластерами). Преимущество такого кластера в том что рабочими компьютерами могут выступать обыкновенные офисные и лабораторные компьютеры на которых установленно клиентское ПО. В дневное время эти компьютеры могут использоваться для основной работы, но как только ими перестают пользоваться (это зависит от настроек) сервер начинает запускать на этих компьютерах задачи которые были переданы ему ранее. Обязательным условием использования этого кластера является установка клиентского ПО и на тот компьютер, с которого пользователи передают задачи. То есть и их компьютер должен быть частью кластера. Поддерживаемые операционные системы: MS Windows, MacOS и Linux.
Для выполнения программы, эта программа должна быть скомпилирована в исполняемый код для нужной ОС и вместе с необходимыми библиотеками передана на сервер. Это применимо и к программам написанным для МАТЛАБ – вам так же необходимо откомпилировать их используя компилятор C, который поставляется с МАТЛАБ. Для запуска этой программы в кластере, необходимо написать простой конфигурационный скрипт, в котором записаны требования к среде выполнения вашей программы (размер оперативной памяти, операционная система и так далее) и список передаваемых вместе с этой программой файлов. В качестве примера ниже приведён текст из одного из таких файлов (назовём его cost_top.txt):
Содержимое файла cost_top.bat, который выполняется на ноде:
Скорее всего вы поймёте, что первая строка в этом скрипте отвечает за добавление нужных путей в переменную окружения, вторая – за запуск нужной нам программы.
Для передачи вашей задачи на сервер кластера, необходимо будет в командной строке набрать 'condor_submit cost_top.txt'. После этого ваша задача будет поставлена в очередь и через некоторое время сервер будет готов запустить вашу задачу на клиентских компьютерах. Время ожидания в очереди зависит приоритета каждого из пользователей и нагрузки на кластер и выбирается системой балансировки задач сервера.
- с момента постановки задачи в очередь и до момента окончания расчёта ваш клиентский компьютер должен быть включён и подкючен к локальной сети так как сервер и клиент обмениваются файлами;
- данный кластер поддерживает только распределённые ВВ задачи;
- есть сложности в использовании какой-либо сторонней программы (отличной от написанной и откопелированной вами) и программ требующих множества библиотек.
Кластеры МАТЛАБ
МАТЛАБ сам по себе способен создать кластер. Для этого вам понадобится соответствующие библиотеки и сервер — Distributed Computing Toolbox и Distributed Computing Server. Сейчас современные процессоры компьютеров имеют более чем одно ядро и МАТЛАБ способен развернуть ваш собственный локальный кластер прямо на базе вашего рабочего компьютера. Такая конфигурация кластера известна как локальная конфигурация. Она удобна в тех случаях когда хочется немного ускорить расчёты без особых усилий как и тогда когда требуется протестировать программу перед её стартом на более серьёзной ВВ системе такой как суперкомпьютер или кластер.
Наряду с локальной конфигурацией существует и другие конфигурации. Например для кластера объединяющего группу компьютеров в локальной сети, группу компьютеров в кластере или в гриде. Если у администраторов есть возможность и они не ленятся, то они обычно настраивают кластеры МАТЛАБ и проводят обучающие курсы для того чтобы пользователям было легко пользоваться такими кластерами.
- клиентский компьютер, с которого передаются задачи для расчёта, может быть выключен после передачи задачи и пользователь может забрать результаты расчётов позже;
- могут выполнять как распределённые так и параллельные вычислительные задачи;
- пользователям МАТЛАБ легче начать пользоваться такими кластерами, так как язык программирования уже знаком;
- программы не требуют компиляции;
- адаптация программы для параллельных расчётов в которой уже есть операторы цикла 'for' очень проста – достаточно заменить такой оператор на 'parfor' и добавить пару строк для инициализации кластера и его закрытия после окончания работы.
Например, код без использования parfor:
А теперь то же самое с использованием parfor и четырёх нодов:
- МАТЛАБ – не бесплатный продукт и части пользователей он просто не по карману;
- кластерное ПО не поставляется с программой для балансировки нагрузки (она может быть установленна отдельно), что приводит к ситуациям когда некоторые пользователи занимают все ноды кластера и блокируют доступ других пользователей.
Суперкомпьютеры и гриды
Как уже было выше упомянуто, иногда сложно найти отличие между суперкомпьютером, вычислительным кластером и гридом. С этой стороны окна терминала все они выглядят одинаково. Все они имеют большое число процессоров и памяти в ВВ системе. Среди установленного программного обеспечения у них есть компиляторы и библиотеки MPI и OpenMP. Иногда установлен МАТЛАБ и другие программы поддерживающие использование группы нод и их памяти.
- пользователь подключается (как правило по SSH) к специальным нодам (англ. login nodes) на которых он интерактивно может выполнять часть команд и с которых может контролировать свои расчёты;
- загружает модули, необходимые для выполнения той или иной задачи, например, компилятор gcc и библиотеку MPI;
- если необходимо, то компилирует свою программу с поддержкой нужных библиотек;
- аналогично кластеру HPCondor, готовит файл настроек и команд для выполнения своей программы (англ. job submiossion file);
- передаёт этот файл настроек и команд при помощи команды 'qsub имя_файла' в очередь на выполнение;
- как только выполнение программы будет завершено, пользователь может получить результаты её выполнения (и проще их сохранять в файлы).
Файлы настроек аналогичны файлам кластеров HPCondor. Например для того чтобы запустить вышеприведённый пример с parfor можно воспользоваться следующим файлом:
Во второй строке указывается максимальное время необходимое для выполнения данной задачи, а в третьей – команда которую необходимо выполнить на данной системе для запуска нужного пользователю программного кода МАТЛАБ.
Ещё один пример файла для запуска программы которая использует библиотеки MPI:
Во второй строке – максимальное время необходимое для расчёта, в третьей – указание имени среды для параллельных расчётов (задано администраторами) и число запрашиваемых нодов, далее 4 строки с присвоением нужного значения переменным окружения, после чего две строки которые отвечают за подключение нужных модулей и в конце скрипта – запуск нужной программы которая будет использовать 12 нодов.
Заключение
Нельзя объять необъятное, но пытаться можно и нужно. В этой заметке я попытался сделать обзор систем высокопроизводительных вычислений, помочь начинающим пользователям разобраться со спектром возможностей и понять что доступно и как это можно использовать. Как вы видите, даже если у вас нет доступа к суперкомпьютерам и гридам, то можно построить свой кластер на основе МАТЛАБ или бесплатного ПО Кондор.
p.s. Если можете дополнить эту заметку или нашли ошибку, то прошу написать об этом ниже. В конце концов это будет только на пользу знаниям и пониманию вопроса и это даст возможность улучшить заметку.
p.p.s. Есть ещё возможность использования технологии CUDA для ускорения расчётов в С/C++ и МАТЛАБ путём вовлечения ядер графического процессора в работу, но об этом написано много.
1.2 Состав компьютерной системы
1.2.1 фон Неймана
Фон Нейман Основная идея:
1.принятиедвоичныйОфициальное представление данных и инструкций
2.принятиеХранимая процедураСпособ работы.
3.Аппаратная система компьютера состоит из пяти частей: арифметическое устройство, контроллер, память, устройство ввода и устройство вывода.
1. Контролер (контроль и координация)
Арифметический блок в основном состоит из арифметико-логического операционного блока (АЛУ)
3. Основная память
Также называется память, магазинпрограммаиданные。
4. Устройство ввода
5. Устройство вывода
1.2.2 Базовая структура микрокомпьютера серии ПК
… Хост включает ЦП (контроллер + арифметическое устройство) и память (основное хранилище + вспомогательное хранилище).
1.2.3 Компьютерная система программного обеспечения
1.5 Основные показатели работы компьютера
1 машинное слово длина слова
Под длиной машины понимается количество бит двоичных данных, которые ЦПУ может обработать за один раз.
Он определяет количество битов регистров, арифметических компонентов и шины данных.
2. Основная частота
Ограниченные адресной шиной, n адресных линий могут получить доступ к 2 ячейкам памяти. (30 корней могут получить доступ к 1G)
4. Расчет скорости
Миллионы инструкций в секунду (MIPS, миллион инструкций в секунду)
Или миллион операций с плавающей точкой в секунду (MFLOPS, миллион операций с плавающей точкой в секунду).
Программное обеспечение может работать на другом компьютере без изменений.
Краткое описание документа:
Презентация к уроку информатики в 10 классе на тему: "Современные компьютерные системы"
Определение:компьютерЭто быстрый электронный инструмент, который может хранить программы, автоматически и непрерывно выполнять программы, а также выполнять арифметические и логические операции с различной цифровой информацией.
1.1.2 Разработка компьютеров
1946 первый компьютер ENIAC
1.1.3 Разработка микропроцессоров
Логические элементы
Логические элементы, это как кубики лего, из которых мы собираем микроархитектуру. У нас есть некий ограниченный набор элементов, но мы можем использовать их для создания систем любой сложности.
Интеллектуальная рекомендация
Практика работы с регулярными выражениями
Микроархитектура
Если продолжить аналогию с автомобилем, то микроархитектура компьютера это уже детали его внутреннего строения. На этом уровне работают инженеры, которые проектируют процессоры.
Уровни абстракции компьютера
Рассмотрим теперь устройство компьютера с точки зрения уровней абстракции.
- Софт (програмное обеспечение)
- Архитектура набора команд
- Микроархитектура
- Логические элементы
- Девайсы
На этом уровне мы имеем программу, написанную на языке программирования предназначенную для выполнения компьютером. Существует множество языков программирования. Поскольку процессор понимает только двоичный код, любой код, написанный на языке программирования должен по итогу быть преобразован в двоичный код, понятный процессору. За это отвечает компилятор.
Абстракция как инструмент работы с сложными системами
Для понимания устройства компьютерных систем очень важным является такое понятие как абстракция. На самом деле оно имеет очень широкое применение, выходящее далеко за рамки компьютерной техники. Если говорить просто, то абстракция – это способность разума сконцентрироваться на главном, игнорируя детали. Когда мы используем пульт от телевизора, мы как правило не задумываемся о его внутреннем устройстве, как он посылает радиоволны телевизору, как телевизор считывает эти волны и т.д. Для нас эти детали не важны. Пульт для нас это что-то вроде черного ящика. Мы жмем на кнопку, он выполняет необходимые действия. Или, например, водитель может управлять автомобилем, абсолютно не зная, что у него “под капотом”. Он просто жмет на педали, крутит руль и машина реагирует соответствующим образом. Абстракция разгружает наш разум и позволяет строить и использовать сложные системы. С другой стороны, в случае когда автомобиль, допустим, не заводится, нам необходимо “сорвать одеяло абстракций”. Если в системе что-то идет не так, то для исправления дефектов нам необходимо обратное действие – деконструкция, способность перейти от абстракции к более детальному рассмотрению устройства системы.
Девайсы
Каждый логический элемент сам должен быть из чего-то построен и это что-то мы будем называть девайсами. Современных компьютеры работают на основе электричества, поэтому девайсы представляют собой устройства, направляющие и реагирующие на движение электронов. Но, возможно, в будущем появятся компьютеры, которые функционируют за счет других физических принципов, например, оптические компьютеры, которые работают на основе фотонов.
Обращаем Ваше внимание, что в соответствии с Федеральным законом N 273-ФЗ «Об образовании в Российской Федерации» в организациях, осуществляющих образовательную деятельность, организовывается обучение и воспитание обучающихся с ОВЗ как совместно с другими обучающимися, так и в отдельных классах или группах.
Рабочие листы и материалы для учителей и воспитателей
Более 2 500 дидактических материалов для школьного и домашнего обучения
Столичный центр образовательных технологий г. Москва
Получите квалификацию учитель математики за 2 месяца
от 3 170 руб. 1900 руб.
Количество часов 300 ч. / 600 ч.
Успеть записаться со скидкой
Форма обучения дистанционная
- Онлайн
формат - Диплом
гособразца - Помощь в трудоустройстве
Видеолекции для
профессионалов
- Свидетельства для портфолио
- Вечный доступ за 120 рублей
- 311 видеолекции для каждого
«Как закрыть гештальт: практики и упражнения»
Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику
Переключатель Kotlin
В Котлине нет оператора коммутатора, и это DESI. Способ Джавы: Котлин написание: .
Описание презентации по отдельным слайдам:
СОВРЕМЕННЫЕ КОМПЬЮТЕРНЫЕ СИСТЕМЫ
10 класс
КОМПЬЮТЕР
Компьютер – это электронно-вычислительная машина, способная выполнять заданную последовательность операций, называемую программой. Само слово «компьютер» произошло от английских to compute («вычислять») и computer («вычислитель»).
СТАЦИОНАРНЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ
НАСТОЛЬНЫЕ ПЕРСОНАЛЬНЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ
состоит из системного блока и подключенных к нему внешних устройств.
Пользователь сам определяет качественный и количественный состав подключаемых к системному блоку устройств.
СТАЦИОНАРНЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ
ПРОМЫШЛЕННЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ
На предприятиях применяют для управления сложной техникой, например в автоматизированных системах управления технологическими процессами (АСУ ТП)
МОБИЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА
НАХОДИТСЯ ПОСТОЯННО С ПОЛЬЗОВАТЕЛЕМ
ГОТОВО К РАБОТЕ В ЛЮБОЙ МОМЕНТ
ЯВЛЯЕТСЯ ПЕРСОНАЛЬНЫМ, ОБЫЧНО ЗАЩИЩЕНО ПАРОЛЕМ
МОЖЕТ ПОДКЛЮЧАТЬСЯ К КОМПЬЮТЕРНЫМ СЕТЯМ
МОБИЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА
Ноутбуки — полноценные компьютеры с клавиатурой, экраном, жестким диском и возможностью использования широкого спектра программ.
МОБИЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА
Планшетные компьютеры
(планшеты) имеют ограниченные возможности, виртуальную клавиатуру и операционную систему с набором команд.
МОБИЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА
Смартфоны — телефоны с некоторыми возможностями компьютера.
ВСТРОЕННЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ
Это компьютеры, которые входят в состав устройства, которым они управляют.
Они могут решать только заранее определенные задачи, программы для решения которых заранее введены в их память.
ВСТРОЕННЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ
ОБРАБАТЫВАЮТ ЗВУК И ВИДЕО В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ
УПРАВЛЯЮТ РАБОТОЙ СТАНКОВ С ЧИСЛОВЫМ ПРОГРАММНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ (ЧПУ)
УПРАВЛЯЮТ РАБОТОЙ БАНКОМАТОВ И ПЛАТЕЖНЫХ ТЕРМИНАЛОВ
УПРАВЛЯЮТ МЕДИЦИНСКИМИ ПРИБОРАМИ
УПРАВЛЯЮТ САМОЛЕТАМИ И СУДАМИ
И РЕШАЮТ МНОГИЕ ДРУГИЕ ЗАДАЧИ
ВСТРОЕННЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ
ГЛАВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ВСТРОЕННОГО КОМПЬЮТЕРА – МИКРОКОНТРОЛЛЕР – МИНИАТЮРНЫЙ КОМПЬЮТЕР, В КОТОРОМ НА ОДНОМ КРИСТАЛЛЕ КРЕМНИЯ ОБЪЕДЕНЕНЫ ПРОЦЕССОР, ОПЕРАТИВНАЯ И ПОСТОЯННА ПАМЯТЬ, КАНАЛЫ ВВОДА И ВЫВОДА ДАННЫХ.
ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ ВЫЧИСЛЕНИЯ
Важное направление в компьютерах четвертого поколения – ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ обработка данных
ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ ВЫЧИСЛЕНИЯ – это вычисления на многопроцессорных системах, при которых одновременно выполняются многие действия, необходимые для решения одной или нескольких задач.
ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ ВЫЧИСЛЕНИЯ
Два вида параллельных вычислений:
ПО ЗАДАЧАМ – каждый процессор выполняет свою собственную программу
ПО ДАННЫМ – несколько процессоров решают одну задачу
СУПЕРКОМПЬЮТЕРЫ
Для решения наиболее сложных задач применяют суперкомпьютеры . Они обладают огромной вычислительной мощностью и превосходят по своим характеристикам большинство существующих в мире компьютеров.
РАСПРЕДЕЛЕННЫЕ ВЫЧИСЛЕНИЯ
Для решения особо сложных задач возникла идея объединить мощность многих компьютеров.
РАСПРЕДЕЛЕННЫЕ ВЫЧИСЛЕНИЯ
КЛАСТЕР группа компьютеров, которые обычно расположены в одном или нескольких соседних зданиях и объеденены в локальную сеть.
РАСПРЕДЕЛЕННАЯ СИСТЕМА (ГРИД-СИСТЕМА) – это группа независимых компьютером, которая для пользователей представляет собой единую вычислительную систему.
ОБЛАЧНЫЕ ВЫЧИСЛЕНИЯ
ОБЛАЧНЫЕ ВЫЧИСЛЕНИЯ – технология обработки данных, при которой компьютерные ресурсы предоставляются пользователю как интернет-сервис.
ОБЛАЧНЫЕ ВЫЧИСЛЕНИЯ
ТРИ ОСНОВНЫЕ МОДЕЛИ ОБЛАЧНЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ:
Программное обеспечение как услуга – пользователь арендует программное обеспечение провайдера, которое работает в облаке
Платформа как услуга – пользователь получает возможность разрабатывать или развертывать готовые программы с помощью инструментов и языков программирования, которые поддерживает провайдер
Инфраструктура как услуга – пользователь получает все средства для установки и выполнения любых нужных ему программ, включая операционные системы.
ОБЛАЧНЫЕ ВЫЧИСЛЕНИЯ
ПРЕИМУЩЕСТВА
Данные в облаке доступны из любой точки, где есть доступ в Интернет
Данные надежно храняться в центрах обработки данных (ЦОД) крупных компаний
Доступны большие вычислительные мощности для хранения и обработки данных
Уменьшаются затраты
НЕДОСТАТКИ
Они связаны с тем, что ваши данные попадают в руки разработчика облачного программного обеспечения, который теоретически может воспользоваться ими, как захочет. Нередко пользователь не может полностью удалить с серверов свои данные, и они могут храниться годами на дисках провайдера.
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ КОМПЬЮТЕРОВ
ЯПОНСКИЙ ПРОЕКТПЯТОГО ПОКОЛЕНИЯ - в основе компьютеров пятого поколения будут не вычисления, а логические заключения, то есть произойдет переход от обработки данных к обработке знаний.
На основе программного моделирования удалось реализовать лишь отдельные детали проекта.
ВЫБОР КОНФИГУРАЦИИ КОМПЬЮТЕРА
КОНФИГУРАЦИЯ КОМПЬЮТЕРА – это набор аппаратного и программного обеспечения, установленного на компьютере.
1. определить какой именно компьютер нужен (настольный, ноутбук, планшетный или смартфон)
2. У каждой программы есть минимальные требования, которые необходимо выполнить для ее нормальной работы:
Тактовая частота процессора
Объем оперативной памяти
Объем свободной внешней памяти
Наличие и характеристики доп.устройств
Характеристики внешних устройств
Используемая ОС
ТИПЫ БЫТОВЫХ КОМПЬЮТЕРОВ
ОФИСНЫЙ - надежность и низкая цена
ДОМАШНИЙ – быстродействие процессора, объем оперативной памяти, размер жесткого диска
ИГРОВОЙ – жесткий диск достаточно объемный; наушники и микрофон
ДЛЯ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЙ РАБОТЫ С ГРАФИКОЙ И ВИДЕО – мощный многоядерный процессор, большой объем оперативной памяти, вместительный жесткий диск
TIDB Двоичного Источник чтение Чтение статья (7) Drainer сервер Введение
Автор: Хуан Jiahao В предыдущей статье вводится насос сервер, давайте познакомимся реализация Drainer сервера, главная роль Drainer сервера, чтобы получить Двоичный от каждого сервера насоса, и анализ.
Сеть Внимания пирамиды для сегментации сегментации
Сеть Внимания пирамиды для сегментации сегментации Эта статья предлагает сковороду, предлагая функцию модуля привлечения пирамиды (FPA) и Global Module Atterty Upsample (GAU), вводящий очаговый ключ д.
Читайте также: