Как различаются многопроцессорные вычислительные системы по принципу взаимодействия с памятью?

По взаимодействию с памятью многопроцессорность обладает симметричностью SMP и массивно-параллельностью MPP.

К первой группе относятся машины с общей (разделяемой) основной памятью, объединяющие до нескольких десятков (обычно менее 32) процессоров.

Вторую группу машин составляют крупномасштабные системы с распределенной памятью. Для того чтобы поддерживать большое количество процессоров приходится распределять основную память между ними, в противном случае полосы пропускания памяти просто может не хватить для удовлетворения запросов, поступающих от очень большого числа процессоров.

18. Что такое симметричные многопроцессорные (Symmetric MultiProcessing) вычислительные системы?

SMP (Symmetric Multiprocessing) – это поддержка многопроцессорных систем и многоядерных процессоров.

19. Какова особенность архитектуры симметричных многопроцессорных (Symmetric MultiProcessing) вычислительных систем?

Главной особенностью систем с архитектурой SMP является наличие общей физической памяти, разделяемой всеми процессорами. Позволяет любому процессору выполнять любые задачи независимо, где данные хранятся в памяти. Задачи могут перемещаться между задачами.

20. Что такое массивно-параллельные (Massive Parallel Processing) вычислительные системы?

Система строится из отдельных узлов (англ. node), содержащих процессор, локальный банк оперативной памяти, коммуникационные процессоры или сетевые адаптеры, иногда — жёсткие диски и другие устройства ввода-вывода. Доступ к банку оперативной памяти данного узла имеют только процессоры из этого же узла. Узлы соединяются специальными коммуникационными каналами.

Пользователь может определить логический номер процессора, к которому он подключен, и организовать обмен сообщениями с другими процессорами. На машинах массово-параллельной архитектуры используются два варианта работы операционной системы:

· В одном полноценная операционная система работает только на управляющей машине (front-end), а на каждом отдельном узле функционирует сильно урезанный вариант операционной системы, обеспечивающий работу расположенной в нём ветви параллельного приложения.

· Во втором варианте на каждом модуле работает полноценная, чаще всего UNIX-подобная система, устанавливаемая отдельно.

21. Какова особенность архитектуры массивно-параллельных (Massive Parallel Processing) вычислительных систем?

Главная особенность такой архитектуры состоит в том, что память физически разделена.

22. Что такое распределённые (distributed computing, grid computing, volunteer computing) вычислительные системы?

Распределенная вычислительная система (Distributed System, DS) ‑ набор независимых компьютеров, представляющийся пользователям единой объединенной системой, и направленный на решение определённой общей задачи.

Классическая схема Grid Computing основана на использовании распределенных процессорных мощностей и распределенных систем хранения, т.е. GRID – это объединение нескольких компьютеров для решения единой вычислительно сложной задачи, разбитой на подзадачи.

Volunteer Computing – это форма реализации GRID-вычислений, специфика которой заключается в использовании времени простоя компьютеров обычных пользователей по всему миру.

23. Что такое распределённые вычисления?

Это вычисления выполняющиеся на нескольких ядрах, процессорах, компьютерах. Иначе говоря, это способ решения трудоемких вычислительных задач с использованием нескольких компьютеров, чаще всего объединенных в параллельную вычислительную систему. Выполнение последовательных вычислений в распределенных системах имеет смысл в рамках решения многих задач одновременно, например, в распределенных системах управления. Особенностью распределенных многопроцессорных вычислительных систем, в отличие от локальных суперкомпьютеров, является возможность неограниченного наращивания производительности за счет масштабирования.

24. Назовите одно из основных требований к параллельным вычислениям.

Независимость функционирования отдельных устройств ЭВМ – данное требование относится в равной степени ко всем основным компонентам вычислительной системы: к устройствам ввода-вывода, обрабатывающим процессорам и устройствам памяти;

Избыточность элементов вычислительной системы – организация избыточности может осуществляться в следующих основных формах:

· использование специализированных устройств, таких, например, как отдельные процессоры для целочисленной и вещественной арифметики, устройства многоуровневой памяти (регистры, кэш);

· дублирование устройств ЭВМ путем использования, например, нескольких однотипных обрабатывающих процессоров или нескольких устройств оперативной памяти.

25. Что такое SISD (Single Instruction, Single Data) или ОКОД (Одиночный поток Команд, Одиночный поток Данных)?

Это архитектура компьютера, в которой один процессор выполняет один поток команд, оперируя одним потоком данных. Относится к фон-неймановской архитектуре.

26. Где используется SISD (Single Instruction, Single Data) или ОКОД (Одиночный поток Команд, Одиночный поток Данных)?

SSID Используется в старых компьютерах и в микроконтроллерах. (1 вариант)

В однопроцессорных и одномашинных системах. (2 вариант)

27. Что такое SIMD (Single Instruction, Multiple Data) или ОКМД (Одиночный поток Команд, Множественный поток Данных)?

Это принцип компьютерных вычислений, позволяющий обеспечить параллелизм на уровне данных.

28. Какой параллелизм обеспечивает архитектура SIMD (Single Instruction, Multiple Data) или ОКМД (Одиночный поток Команд, Множественный поток Данных)?

Параллелизм на уровне данных. Основная идея подхода, основанного на параллелизме данных, заключается в том, что одна операция выполняется сразу над всеми элементами массива данных. Различные фрагменты такого массива обрабатываются на векторном процессоре или на разных процессорах параллельной машины. Распределением данных между процессорами занимается программа. Векторизация или распараллеливание в этом случае чаще всего выполняется уже на этапе компиляции — перевода исходного текста программы в машинные команды. Роль программиста в этом случае обычно сводится к заданию настроек векторной или параллельной оптимизации компилятору, директив параллельной компиляции, использованию специализированных языков для параллельных вычислений.

29. Что такое векторный процессор?

Это процессор, в котором операндами некоторых команд могут выступать упорядоченные массивы данных — векторы. Векторный процессор может быть реализован в двух вариантах. В первом он представляет собой дополнительный блок к универсальной вычислительной машине или системе. Во втором векторный процессор является основой самостоятельной ВС.

30. Чем отличаются скалярные процессоры от векторных?

Векторный процессор отличается от скалярных процессоров, которые могут работать только с одним операндом в единицу времени. Абсолютное большинство процессоров являются скалярными или близкими к ним.

31. Приведите пример векторной обработки в современных процессорах.

Векторную обработку чаще всего вводят в современные суперскалярные микропроцессоры, применяемые в скалярных супер ЭВМ, т.к. это позволяет повысить производительность микропроцессора без увеличения пропускной способности конвейра команд.

32. Что такое MISD (Multiple Instruction stream, Single Data stream) или МКОД (Множественный поток Команд, Одиночный поток Данных)?

Это тип архитектуры параллельных вычислений, где несколько функциональных модулей выполняют различные операции над одними данными

33. Поясните принцип обработки данных в микропроцессоре с конвейерной архитектурой.

Происходит разделение обработки компьютерной инструкции на последовательность независимых стадий с сохранением результатов в конце каждой стадии. Это позволяет управляющим цепям процессора получать инструкции со скоростью самой медленной стадии обработки, однако при этом намного быстрее, чем при выполнении эксклюзивной полной обработки каждой инструкции от начала до конца.

34. Что такое гиперпоточность (hyper-threading)?

В процессорах с использованием этой технологии каждый физический процессор может хранить состояние сразу двух потоков, что для операционной системы выглядит как наличие двух логических процессоров. Физически у каждого из логических процессоров есть свой набор регистров и контроллер прерываний (APIC), а остальные элементы процессора являются общими. Когда при исполнении потока одним из логических процессоров возникает пауза (в результате кэш-промаха, ошибки предсказания ветвлений, ожидания результата предыдущей инструкции), то управление передаётся потоку в другом логическом процессоре. Таким образом, пока один процесс ждёт, например, данные из памяти, вычислительные ресурсы физического процессора используются для обработки другого процесса.

35. Назовите недостатки конвейерной обработки данных.

Факторы, снижающие эффективность конвейера:

-Простой конвейера, когда некоторые ступени не используются (например, адресация и выборка операнда из ОЗУ не нужны, если команда работает с регистрами).

-Ожидание: если следующая команда использует результат предыдущей, то последняя не может начать выполняться до выполнения первой (это преодолевается при использовании внеочередного выполнения команд — out-of-order execution).

-Очистка конвейера при попадании в него команды перехода (эту проблему удаётся сгладить, используя предсказание переходов).

36. Что такое MIMD (Multiple Instruction stream, Multiple Data stream) или МКМД (Множественный поток Команд, Множественный поток Данных)?

Концепция архитектуры компьютера, используемая для достижения параллелизма вычислений.

MIMD компьютер имеет N процессоров, независимо исполняющих N потоков команд и обрабатывающих N потоков данных.

37. Поясните принцип обработки данных в MIMD (Multiple Instruction stream, Multiple Data stream) или МКМД (Множественный поток Команд, Множественный поток Данных).

Каждый процессор функционирует под управлением собственного потока команд, то есть MIMD компьютер может параллельно выполнять совершенно разные программы.

MIMD машины могут быть либо с общей памятью, либо с распределяемой памятью.

38. Назовите две составляющих современной вычислительной системы.

Аппаратная платформа и Программное обеспечение. (1 вариант)

1. Hardware (2 вариант)

2. Software

39. Назовите составляющие элементы аппаратной платформы (аппаратной архитектуры) современной вычислительной системы.

· устройство ввода,

· центральный процессор,

· запоминающее устройство

· устройство вывода.

Либо Архитектура компьютера фон Неймана

Центральный процессор (ЦП) – компонент компьютера, обеспечивающий выполнение программ. Программы, выполняемые в рамках процессора, координируют работу ОЗУ и внешних устройств.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) – устройство хранения данных, в котором размещается исполняемая в данный момент программа и из которого выбираются команды и данные этой программы.

Внешние устройства – программно управляемые устройства, входящие в состав компьютера.

ЦП состоит из устройства управления (УУ) и арифметико-логического устройства (АЛУ). УУ обеспечивает последовательный выбор команд, которые необходимо выполнить программе, их контроль, дешифровку и, в зависимости от типа команды, последующую обработку. Последующая обработка может быть двух типов: либо команда выполняется в УУ (это, например, команда передачи управления), либо команда передается в АЛУ (в том случае, если эта команда арифметического типа). АЛУ – устройство, реализующее команды, которые подразумевают обработку данных.

40. Назовите две большие составляющие программного обеспечения современной вычислительной системы.

Системное и прикладное программное обеспечение.

41. Что входит в состав системного программного обеспечения?

Системное программное обеспечение - это комплекс программ, которые обеспечивают управление компонентами компьютерной системы, такими как процессор, оперативная память,устройства ввода-вывода, сетевое оборудование, выступая как «межслойный интерфейс», с одной стороны которого аппаратура, а с другой - приложения пользователя.

42. Назовите типы вычислительных ресурсов аппаратной платформы (аппаратной архитектуры компьютера).

Процессорное время

Память (оперативная и виртуальная)

Место на жестком диске (постоянная память)

Пропускная способность сети.

43. Что такое физические ресурсы аппаратной платформы?

Объем оперативной памяти сервера, число процессоров, объем и производительность дисковой подсистемы.

44. Что такое прошивка (firmware) или микропрограмма?

Прошивка (firmware, микропрограмма) — программное обеспечение, встроенное («зашитое») в аппаратное устройство. Часто представляется в виде микросхем флеш-ПЗУ или в виде файлов образов микропрограммы, которые могут быть загружены в аппаратное обеспечение.

Под прошивкой понимается следующее:

· Компьютерная программа, записанная на интегральной микросхеме ПЗУ и управляющая работой аппаратного обеспечения.

· Программа, записанная на той же микросхеме, что и процессор и превращающая его в специализированный для управления аппаратным обеспечением (микроконтроллер).

· Программа по тактам, управляющая ресурсами вычислительного устройства (ALU, сдвигатели, мультиплексоры и др.). Обычно, в командном слове, выделяются отдельные биты для управления необходимым устройством.

· Программа конфигурирования различных ПЛИС (FPGA, CPLD, PAL и т. п.)

45. Что такое архитектура системы команд?

В узком смысле это архитектура набора команд. Архитектура набора команд служит границей между аппаратурой и программным обеспечением и представляет ту часть системы, которая видна программисту или разработчику компиляторов. Следует отметить, что это наиболее частое употребление этого термина. В широком смысле архитектура охватывает понятие организации системы, включающее такие высокоуровневые аспекты разработки компьютера как систему памяти, структуру системной шины, организацию ввода/вывода и т.п.

46. Что такое цифровой логический уровень?

Цифровой логический уровень - аппаратное обеспечение компьютера. Аппаратное обеспечение компьютера - электронные и механические части вычислительного устройства, входящих в состав системы или сети, исключая программное обеспечение и данные

47. Что такое ядро операционной системы?

Ядро является главной частью любой операционной системы. Существует точка зрения, которая понятие операционной системы приравнивает к ядру. Но есть и точки зрения, когда в понятие операционной системы включают не только ядро, но и системные программы, позволяющие пользователю управлять аппаратными ресурсами (точнее обращаться к ядру, чтобы оно осуществило желаемое действие).

Специальной программой, обеспечивающей другим программам простой и понятный интерфейс для работы на имеющемся аппаратном обеспечении, является ядро операционной системы.

48. Перечислите основные типы ядер операционной системы.

Монолитное ядро

Модульное ядро

Микроядро

Экзоядро

Наноядро

Гибридное ядро

49. Что такое монолитное ядро операционной системы?

Монолитное ядро – это такая схема операционной системы, при которой все ее компоненты являются составными частями одной программы, используют общие структуры данных и взаимодействуют друг с другом путем непосредственного вызова процедур.

50. Что такое модульное ядро операционной системы?

Модульное ядро – современная, усовершенствованная модификация архитектуры монолитных ядер ОСкомпьютеров. В отличие от «классических» монолитных ядер, считающихся ныне устаревшими, модульные ядра, как правило, не требуют полной перекомпиляция ядра при изменении состава аппаратного обеспечения компьютера. Вместо этого модульные ядра предоставляют тот или иной механизм подгрузки модулей ядра, поддерживающих то или иное аппаратное обеспечение (например, драйверов). При этом подгрузка модулей может быть как динамической (выполняемой «на лету», без перезагрузки ОС, в работающей системе), так и статической (выполняемой при перезагрузке ОС после переконфигурирования системы на загрузку тех или иных модулей).

51. Что такое драйвер операционной системы?

Драйвер ОС— компьютерная программа, с помощью которой операционная система получает доступ к аппаратному обеспечению стандартным образом. В общем случае для использования каждого устройства, подключённого к компьютеру, необходим специальный драйвер. Обычно с операционными системами поставляются драйверы для ключевых компонентов аппаратного обеспечения, без которых система не сможет работать.

52. Что такое микроядро операционной системы?

Микроядро - это минимальная реализация функций ядра операционной системы.

53. Что такое сервисы операционной системы?

Совокупность манипуляций и операций, содержащихся в ОС и обеспечивающих стабильную и комфортную работу пользователю.

· выполнение программ - способность системы загружать программу в память и выполнять ее;

· операции ввода/вывода, поскольку пользовательские программы не могут исполнять операции ввода/вывода непосредственно, ОС должна обеспечивать некоторые средства для их выполнения;

· манипуляции с файловой системой выражаются в обеспечении способности читать, писать, создавать и удалять файлы;

· взаимодействие и обмен информацией между выполняющимися процессами на одном компьютере или на различных системах, связанных посредством сети применяется через распределенную память или передачу сообщений;

· обнаружение ошибок - гарантия правильности вычислений посредством обнаружения ошибок в процессоре, памяти, устройствах ввода/вывода или в пользовательских программах.

54. Что такое экзоядро операционной системы?

Экзоядро - система, которая обеспечивает каждого пользователя абсолютной копией реального компьютера, но со своим подмножеством ресурсов. В ее задачу входит распределение ресурсов для виртуальных машин, а после этого проверка их использования (то есть отслеживание попыток машин задействовать чужой ресурс)

55. Что такое наноядро операционной системы?

Наноядро. Крайне упрощенное и минималистичное ядро выполняет лишь одну задачу — обработку аппаратных прерываний, генерируемых устройствами компьютера. После обработки прерываний от аппаратуры наноядро, в свою очередь, посылает информацию о результатах обработки (например, полученные с клавиатуры символы) вышележащему программному обеспечению при помощи того же механизма прерываний.

56. Что такое гибридные ядра операционной системы?

Гибридные ядра это модифицированные микроядра, позволяющие для ускорения работы запускать «несущественные» части в пространстве ядра.

57. Что такое пользовательское окружение операционной системы?

Операционная система обеспечивает совместное функционирование всех устройств компьютера и предоставляет пользователю доступ к его ресурсам.

В состав операционной системы входит специальная программа - командный процессор, - которая запрашивает у пользователя команды и выполняет их.

Пользователь может дать команду запуска программы, выполнения какой-либо операции над файлами (копирование, удаление, переименование), вывода документа на печать и так далее. Операционная система должна эту команду выполнить.

Пользователь имеет возможность вручную установить или переустановить драйверы.

Графический интерфейс. Для упрощения работы пользователя в состав современных операционных систем, и в частности в состав Windows, входят программные модули, создающие графический пользовательский интерфейс. В операционных системах с графическим интерфейсом пользователь может вводить команды с помощью мыши, тогда как в режиме командной строки необходимо вводить команды с помощью клавиатуры.

Справочная система. Для удобства пользователя состав операционной системы обычно входит также справочная система. Справочная система позволяет оперативно получить необходимую информацию как о функционировании операционной системы в целом, так и о работе ее отдельных модулей.

58. Что такое системное программное обеспечение?

Системное программное обеспечение — это комплекс программ, которые обеспечивают управление компонентамикомпьютерной системы, такими как процессор, оперативная память, устройства ввода-вывода, сетевое оборудование, выступая как «межслойный интерфейс», с одной стороны которого аппаратура, а с другой - приложения пользователя.

59. Что такое дополнительное системное программное обеспечение?

Программное обеспечение служебного уровня взаимодействует с программами системного уровня и, по сути, является его дополнением. Основное назначение служебных программ, их также называют утилитами (utilities), состоит в автоматизации работ по проверке, наладке и настройке компьютерной системы. Утилиты дают пользователю средства обслуживания компьютера и его ПО

Во многих случаях они используются для расширения или улучшения функций системных программ.

В разработке и эксплуатации служебных программ существует два альтернативных направления: интеграция с операционной системой и автономное функционирование. В первом случае служебные программы могут изменять потребительские свойства системных программ, делая их более удобными для практической работы. Во втором случае они слабо связаны с системным программным обеспечением, но предоставляют пользователю больше возможностей для персональной настройки их взаимодействия с аппаратным и программным обеспечением.

60. Что такое прикладное программное обеспечение?

Прикладное ПО — программа, предназначенная для выполнения определенных пользовательских задач и рассчитанная на непосредственное взаимодействие с пользователем.

61. Что относится к прикладному программному обеспечению (application software)?

• текстовые процессоры;

• табличные процессоры;

• системы иллюстративной и деловой графики (графические процессоры);

• системы управления базами данных;

• экспертные системы;

• программы математических расчетов, моделирования и анализа экспериментальных данных.

62. Что называют инструментальным программным обеспечением?

Обособленный подкласс прикладного ПО предназначенного для использования в ходе проектирования, разработки и сопровождения программ.