Архитектура ЭВМ и операционные среды Лекция 9 материал

Архитектура ЭВМ и операционные среды Лекция 9 материал подобран Румянцевой Галиной Николаевной (доцент кафедры ВСИ)

Тема. Операционные системы. Основные понятия и определения (продолжение) § 5. Классификация компьютерных систем Рассмотрим классификацию компьютерных систем по различным направлениям: 1. Суперкомпьютеры (англ. supercomputers) - это мощные многопроцессорные компьютеры, наиболее современные из которых имеют производительность до нескольких петафлопс(petaflops). FLOPS (также flops, flop/s, флопс или флоп/с) (акроним от англ. FLoating-point Operations Per Second, произносится как флопс) — внесистемная единица, используемая для измерения производительности компьютеров, показывающая, сколько операций с плавающей запятой в секунду выполняет данная вычислительная система. Данная величина - флопс- определяется путем запуска на испытуемом компьютере тестовой программы, которая решает задачу с известным количеством операций и подсчитывает время, за которое она была решена. Наиболее популярным тестом производительности на сегодняшний день является программа LINPACK.

Классификация компьютерных систем Суперкомпьютер Sequoia компании IBM в рамках проекта TOP 500 призван на сегодняшний день самым мощным в мире. Sequoia — проект суперкомпьютера петафлопсной производительности, основанный на архитектуре Blue Gene/Q. Разрабатывается компанией IBM для Национальной администрации по ядерной безопасности в рамках программы передовых вычислений и моделирования (англ. Advanced Simulation and Computing Program). 18 июня 2012 года в рамках проекта TOP 500 было объявлено, что суперкомпьютер Sequoia стал самым производительным в мире и сместил с первого места японский K computer. Производительность суперкомпьютера Sequoia в тесте LINPACK составила 16, 32 петафлопс на 1 572 864 ядрах. Суперкомпьютер IBM Sequoia

Классификация компьютерных систем Самый мощный компьютер СНГ (по данным 16 -й редакции списка Тор50 самых мощных компьютеров СНГ от 27 марта 2012 г) - система «Ломоносов» компании «Т-Платформы» , установленная в МГУ им. М. В. Ломоносова, производительностью в 872, 5 терафлопса (терафлопс=1012 операций с плавающей запятой в секунду). Планируется, что в скором времени комплекс сможет преодолеть петафлопсный рубеж (квадриллион {1015=1 000 000 000} операций с плавающей запятой в секунду). По состоянию на 30 июня 2012 года суперкомпьютер Ломоносов занимает 22 -е место в рейтинге TOP 500 самых производительных суперкомпьютеров мира. Суперкомпьютер «Ломоносов» в МГУ им. М. В. Ломоносова

Классификация компьютерных систем Суперкомпьютеры используются для вычислений, требующих больших вычислительных мощностей, сверхвысокой производительности и большого объема памяти. Например, для решения задач моделирования (моделирования ядерных процессов, климата в конкретном регионе, прогнозирования на основе построенной модели погоды на ближайшие дни), для предотвращения стихийных бедствий, исследования глобального климата, в метеорологии и в медицине. Особенностью суперкомпьютеров является их параллельная архитектура, как правило все они являются многопроцессорными, таким образом ОС для суперкомпьютеров должна поддерживать распараллеливание решения задач и синхронизацию параллельных процессов, одновременно решающих подзадачи некоторой программы. 2. Многоцелевые компьютеры, или компьютеры общего назначения (mainframes). Mainframe (от англ. main – главная, frame- конструкция, стойка)- это большая универсальная ЭВМ (высокопроизводительный компьютер) со значительным объемом оперативной и внешней памяти, предназначенный для организации централизованных хранилищ данных большой емкости и выполнения интенсивных вычислительных работ. Чаще всего, mainframe - это мощный компьютер, используемый в качестве главного и центрального компьютера (например, сервера). В отличие от суперкомпьютеров (которые, как известно, используются для научных и инженерных задач - высокопроизводительные вычисления, где ограничительными факторами являются мощность процессора о объем оперативной памяти) мейнфреймы применяются для целочисленных операций, требовательных к скорости обмена данными, к надежности и к способности одновременной обработки множества процессов. Применяются при выполнении банковских операций, проведении инвентаризации товаров, при резервировании билетов, “облачных вычислений” (в качестве “облачных” хранилищ и пр. ).

Классификация компьютерных систем Производительность мэйнфрэймов, как правило, вычисляется в миллионах операций в секунду (MIPS). MIPS (англ. Million Instructions Per Second) – единица измерения быстродействия, равная одному миллиону инструкций в секунду. Как правило, быстродействие в MIPS показывает сколько миллионов инструкций в секунду выполняет процессор в некоторых синтетических тестах. Производительность разных компьютеров сравнивалась с машиной VAX 11/780, быстродействие которой принималось за 1 MIPS. Такой эталон был выбран в том числе из-за того что 11/780 имеет производительность, близкую мейнфрейму IBM System/370 модель 158 -3, которая также часто принималась за 1 MIPS. Термин «мэйнфрейм» родился в недрах IBM, когда в 1964 году появился вычислительный комплекс System/360, содержащий значительное число стоек различного назначения. Первоначально так называли стойку центрального процессора, а впоследствии этот термин стал визитной карточкой целого класса машин, архитектурные особенности которых отличают их от других высокопроизводительных серверов. Вслед за System/360 появились вычислительные комплексы других производителей с такой же системой команд – так называемые клоны. Среди них, например, Spectra 70 компьютерного подразделения Radio Corporation of America и System 4 британской компании ICL. В нашей стране выпускалась Единая серия ЭВМ. Мэйнфрэймы могут выполнять два вида работ, которые представляют собой два абсолютно различных типов рабочих нагрузок: 1. 1). пакетная обработка задания (Batchjob), когда компьютер выполняет работу без участия человека. Используется в случае значительных объемов данных на входе. 1. 2). обработка задания в реальном времени (On-line), например транзакционные системы, такие как система приобретения ж/д билетов, система оплаты по кредитной карте и т. п. Главное отличие этих видов работ — в объемы вводимых и выводимых данных. Если требуется соблюсти заведомо, оговоренное самое высокое быстродействие, при этом обслужить значительное количество пользователей, стоит использовать мэйнфрэйм, ОС которой может координировать всю эту работу.

Классификация компьютерных систем Пример осуществления работ по пакетной обработке заданий (Batch job) приведен на рисунке данного слайда. В центре рисунка показана большая вычислительная машина (мэйнфрейм), которая в наши дни не выглядит такой уж большой. Ее физические размеры (100 см х50 см) соизмеримы с размером старинного комода. На выходе мэйнфрейм мы видим отчеты, которые отправляются в головной офис (Main office) и в филиалы предприятия (Branch offices), показано также, что балансовые счета и другие отчеты могут поступать непосредственно по месту жительства пользователя (Residence). Пример использования мэйнфрейма для пакетных видов рабочих нагрузок Как видно на рисунке, отдельное внимание уделено резервированию (Backup), которое осуществляется в одном месте (например, в банковской структуре) в определенное время, например, в конце каждого рабочего дня, либо по завершению месяца, квартала, года и т. д. Главный признак пакетного вида нагрузок – большой объем вводимых данных.

Классификация компьютерных систем Рассмотрим пример обработки заданий в реальном времени – общение с банком через банкомат. Самое важное в таком виде нагрузок – централизация и координация. Пример использования мэйнфрейма для выполнения рабочих нагрузок в реальном времени Мэйнфрейм должен в автоматическом режиме управлять доступом пользователей к банковской информации, отслеживать порядок очередей на обработку заданий, выполнять своевременное обновление и резервное копирование хранимой информации, при этом четко разделяя роли (конечных пользователей, аналитиков, отвечающих за соответствие данных, системных администраторов, программистов) в этом вычислительном мире: предоставляя соответствующие ролям права и услуги. Отметим при этом, что несколько ролей может играть одно лицо и наоборот, может быть несколько человек, которые выполняют одну роль.

Классификация компьютерных систем В настоящее время компьютеры mainframe компании IBM занимают лидирующее положение в мире, также на рынке со своей продукцией присутствуют фирмы Hitachi, Fujitsu. IBM z. Enterprise systems является последней линией IBM мэйнфреймов. Корпорация IBM разработала мэйнфрейм z. Enterprise и системную архитектуру, которая сочетается с технологиями IBM z. Enterprise Blade. Center Extension и IBM z. Enterprise Unified Resource Manager. С точки зрения производительности z. Enterprise System – это самая мощная система IBM за всю ее историю. Базовый сервер семейства, z. Enterprise 196, содержит 96 самых быстрых и мощных микропроцессоров, функционирующих на частоте 5, 2 ГГц и способных к выполнению более 50 млрд операций в секунду. 1. Мейнфрейм IBM z. Enterprise 196 Основные заказчики mainframe (компании IBM) в России (данные за 2009 г): ОАО «РЖД» Центробанк России ЦКБ Примеры ОС, работающих с мэйнфрэймом: • z/VM –предоставляет возможность работать в мульти-операционной среде, то есть, есть возможность работы с несколькими операционными системами; • Linux for r/Series - работает с тысячами машин; • VSE – операционная система (ОС) для небольших инсталляций для ограниченного числа пользователей, в этой ОС нет возможности использовать Parallel. Sysplex; Parallel Sysplex позволяет равномерно распределять загрузку между новейшими процессорами более старых моделей. Parallel Sysplex также предоставляет пользователям возможность выполнять динамическую реконфигурацию (добавление или удаление процессоров) системы без ее остановки и последующего рестарта. Следует также отметить обеспечение целостности разделяемых между несколькими процессорами данных при их постоянном изменении. • z/TPZ – очень большая ОС, специализированная, обслуживающая большое количество транзакций, например, системы оформления билетов.

Классификация компьютерных систем 3. Кластеры компьютеров (computer clusters) — это группы компьютеров, физически расположенных рядом и соединенные друг с другом высокоскоростными шинами и линиями связи. Кластеры компьютеров используются для высокопроизводительных параллельных вычислений. Кластеры имеют общую файловую систему и воспринимается пользователем как единый ресурс. ОС для кластеров, помимо общих возможностей, должна предоставлять средства для его конфигурирования, управления компьютерами (процессорами), входящими в него, распараллеливание решения задач между компьютерами кластера и мониторинга кластерной компьютерной системы. Отличительной особенность кластера является то, что каждый его работающий компьютер может взять на себя дополнительную нагрузку отказавшего узла. Примеры территориального расположения наиболее известных кластеров компьютеров: исследовательский центр CERN (Швейцария) – известен, установленным в нем адронным коллайдером; Петродворцовый учебно-научный комплекс СПб. ГУ. Примеры ОС для кластеров компьютеров: Windows 2003 for Clusters; Windows 2008 High-Performance Computing (HPC). Примеры кластеров компьютеров

Классификация компьютерных систем 4. Настольные компьютеры (desktops) – стационарные ПК обычно размещающиеся на рабочем столе, состоящие из монитора, системного блока, клавиатуры и мыши. Всё разнообразие современных ОС. 5. Портативные компьютеры (notebook, нетбук и др. ) - это миниатюрные компьютеры по своим параметрам не уступающие настольным. Всё разнообразие современных ОС. 6. Карманные портативные компьютеры и органайзеры (КПК, handhelds, PDA). Карманный персональный компьютер (КПК) — PDA – personal digital assistent (личный цифровой секретарь) портативное вычислительное устройство, обладающее широкими функциональными возможностями (просмотр видеороликов, изображений, выход в интернет, работа с графическими программами, офисными приложениями). Их часто называют наладонниками от англ. palmtop. Handheld PC – клавиатурный КПК, выполненный в раскладном или раздвижном форм-факторе. ОС для HPC: Microsoft Windows CE (Consumer Electronics — бытовая техника), вариант ОС для наладонных КПК, мобильных телефонов и встраиваемых систем. ОС для КПК: Black. Berry OS, Palm OS, Symbian OS, Android, Windows Phone 7, Windows Mobile. КПК Handheld PC

Классификация компьютерных систем 7. Мобильные устройства (mobile intelligent devices) – мобильные телефоны, смартфоны, коммуникаторы. В настоящее время получили большое распространение коммуникаторы и смартфоны, которые представляют собой разновидность КПК со встроенным GSM модулем. ОС теже, что и для КПК. 8. Носимые компьютеры (wearable computers) — критическим фактором данных компьютеров является их сверхвысокая надежность, а для их ПО в том числе для ОС это минимальное возможное время ответа (response time) — интервал в течении которого система обрабатывает информацию от датчиков, от пользователя или от сети превышение которого грозит катастрофическими последствиями. С этой точки зрения ОС для носимых компьютеров можно отнести к системам реального времени. Используется самыми различными специалистами: ◦ при операциях с недвижимостью ◦ в геодезии ◦ медицине ◦ и т. д Первый носимый компьютер был сконструирован в 1961 году математиком Эдвардом О. Торпом. Пример ОС для носимых компьютеров: ОС на базе Android. 9. Системы реального времени (real-time systems) – вычислительные системы предназначенные для управления различными техническими, военными и другими объектами в режиме реального времени. Характеризуются основным требованием к аппаратуре и к ПО (в т. ч. к ОС): недопустимость превышения времени ответа системы, т. е. ожидаемого времени выполнения типичной операции системы. Операционные системы реального времени иногда делят на два типа: системы жесткого реального времени системы мягкого реального времени. Операционная система, которая может обеспечить требуемое время выполнения задачи реального времени даже в худших случаях, называется операционной системой жёсткого реального времени. Операционная система, которая может обеспечить требуемое время выполнения задачи реального времени в среднем, называется операционной системой мягкого реального времени.

Классификация компьютерных систем Системы жёсткого реального времени не допускают задержек реакции системы, так как это может привести к: потере актуальности результатов; большим финансовым потерям; авариям и катастрофам. Если не выполняется обработка критических ситуаций, либо она происходит недостаточно быстро, система жёсткого реального времени прерывает операцию и блокирует её, чтобы не пострадала надёжность и готовность остальной части системы. Примерами систем жёсткого реального времени могут быть — бортовые системы управления (на самолёте, космическом аппарате, корабле, и пр. ), системы аварийной защиты, регистраторы аварийных событий. Системы мягкого реального времени характеризуются возможностью задержки реакции, что может привести к увеличению стоимости результатов и снижению производительности системы в целом. Примером cистемы мягкого реального времени может служить работа компьютерной сети. Если система не успела обработать очередной принятый пакет, это приведет к остановке на передающей стороне и повторной посылке (в зависимости от протокола). Данные при этом не теряются, но производительность сети снижается. Основное отличие систем жёсткого и мягкого реального времени можно охарактеризовать так: система жёсткого реального времени никогда не опоздает с реакцией на событие, система мягкого реального времени — не должна опаздывать с реакцией на событие. Классическим примером задачи, где требуется ОСРВ, является управление роботом, берущим деталь с ленты конвейера. Деталь движется, и робот имеет лишь маленький промежуток времени, когда он может её взять. Если он опоздает, то деталь уже не будет на нужном участке конвейера, и следовательно, работа не будет выполнена, несмотря на то, что робот находится в правильном месте. Если он подготовится раньше, то деталь ещё не успеет подъехать, и он заблокирует ей путь.

Классификация компьютерных систем 10. Встроенные системы работают на компьютерах, которые управляют различными устройствами. Поскольку на этих системах установка пользовательских программ не предусмотрена, поэтому их не принято считать обычными компьютерами. Примеры устройств с установленными встроенными компьютерами: микроволновые печи, телевизоры, автомобили, пишущие DVD, сотовые телефоны, MP 3 -плееры и др. Главное отличие встроенных систем заключается в том, что на них не при каких условиях не будет работать стороннее программное обеспечение, т. к. все их программы записаны в ПЗУ. При этом отпадает необходимость в защите приложений друг от друга и ОС-му можно упростить. Пример ОС для встроенных систем: QNX; Vx. Works. 11. Сенсорные сети. Сенсорными принято считать сети, составленные из миниатюрных сенсорных узлов, связанных друг с другом и с базовой станцией по беспроводным каналам. Узлы такой сети представляют собой миниатюрные компьютеры, питающиеся от батареи и имеющие встроенную радиосистему. Они ограничены по мощности и должны работать длительный период времени в необслуживаемом режиме на открытом воздухе, часто в тяжелых климатических условиях. Сеть д. б. достаточно надежной и допускать отказы отдельных узлов. Каждый сенсорный узел является настоящим компьютером, оснащенным процессором, оперативной памятью и постоянным запоминающим устройством, а также одним или несколькими датчиками. Также, как и у встроенных систем, все программы являются предварительно загруженными. Назначение сенсорных сетей: защита периметров зданий, охрана государственной границы, обнаружение возгораний на территории лесополосы, измерение температуры и уровня осадков в целях составления прогнозов погоды, сбора информации о перемещениях противника и пр. измерения. Пример ОС для сенсорных сетей: Tiny. OS.

Классификация компьютерных систем 12. Смарт-карты. Самые маленькие ОС-мы работают на смарт-картах. Смарт-карта представляет собой устройство размером с кредитную карту, имеющее собственный процессор. На операционные системы для них накладываются очень жесткие ограничения по требуемой вычислительной мощности процессора и объему памяти. Некоторые из смарт-карт получают питание через контакты считывающего устройства, в которое вставляются, другие — бесконтактные смарт-карты — получают питание за счет эффекта индукции, что существенно ограничивает их возможности. Некоторые из них способны справиться с одной-единственной функцией, например с электронными платежами, но существуют и многофункциональные смарт-карты. Зачастую они являются патентованными системами. Некоторые смарт-карты рассчитаны на применение языка Java. Это значит, что ПЗУ смарт-карты содержит интерпретатор Java Virtual Machine (JVM — виртуальной машины Java). На карту загружаются Java-апплеты (небольшие программы), которые выполняются JVM-интерпретатором. Некоторые из этих карт способны справляться сразу с несколькими Java-апплетами, что влечет за собой работу в мультипрограммном режиме и необходимость установки очередности выполнения программ. При одновременном выполнении двух и более апплетов приобретают актуальность вопросы управления ресурсами и защиты, которые должны быть решены с помощью имеющейся на карте операционной системы (как правило, весьма примитивной). 13. Многопроцессорные системы. Сейчас все шире используется объединение множества центральных процессоров в единую систему, что позволяет добиться вычислительной мощности, достойной высшей лиги. В зависимости от того, как именно происходит это объединение, а также каковы ресурсы общего пользования, эти системы называются параллельными компьютерами, мультикомпьютерами или многопроцессорными системами. Им требуются специальные операционные системы, в качестве которых часто применяются особые версии серверных операционных систем, оснащенные специальными функциями связи, сопряжения и синхронизации. Мультикомпьютер — вычислительная система без общей памяти, состоящая из большого числа взаимосвязанных компьютеров, у каждого из которых имеется собственная память. Процессоры мультикомпьютера отправляют другу сообщения С недавним появлением многоядерных процессоров для персональных компьютеров операционные системы даже обычных настольных компьютеров и ноутбуков стали работать по меньшей мере с небольшой многопроцессорной системой. Со временем, похоже, число ядер будет только расти.

Классификация компьютерных систем За годы предыдущих исследований были накоплены обширные знания о многопроцессорных операционных системах, и использование этого арсенала в многоядерных системах не должно вызвать особых осложнений. Труднее всего будет найти приложения, которые смогли бы использовать всю эту вычислительную мощь. На многопроцессорных системах могут работать многие популярные операционные системы, включая Windows и Linux. 14. Серверные системы. Серверные операционные системы работают на серверах, которые представлены очень. мощными персональными компьютерами, рабочими станциями или даже универсальными машинами. Они одновременно обслуживают по сети множество пользователей, предоставляя им общий доступ к аппаратным и программным ресурсам. Серверы могут предоставлять услуги печати, хранения файлов или веб-служб. Интернетпровайдеры для обслуживания своих клиентов обычно задействуют сразу несколько серверных машин. При обслуживании веб-сайтов серверы хранят веб-страницы и обрабатывают поступающие запросы. Типичными представителями серверных операционных систем являются Solaris, Free. BSD, Linux и Windows Server 200 x. 15. Распределенные системы (distributed systems) – системы, состоящие из нескольких компьютеров, объединенных в проводную или беспроводную сеть. Таким образом все ОС должны поддерживать распределенный режим работы, средства сетевого взаимодействия, высокоскоростную надежную передачу информации