Материал из eSyr's wiki.

Версия 19:12, 19 января 2010

Информация и её измерения.

Термин "информация" происходит от латинского слова "informatio", что означает сведения, разъяснения, изложение. Несмотря на широкое распространение этого термина, понятие информации является одним из самых дискуссионных в науке. В настоящее время наука пытается найти общие свойства и закономерности, присущие многогранному понятию информация, но пока это понятие во многом остается интуитивным и получает различные смысловые наполнения в различных отраслях человеческой деятельности: в обиходе информацией называют любые данные или сведения, которые кого-либо интересуют. Например, сообщение о каких-либо событиях, о чьей-либо деятельности и т.п. "Информировать" в этом смысле означает "сообщить нечто, неизвестное раньше"; в технике под информацией понимают сообщения, передаваемые в форме знаков или сигналов; в кибернетике под информацией понимает ту часть знаний, которая используется для ориентирования, активного действия, управления, т.е. в целях сохранения, совершенствования, развития системы (Н. Винер).

Клод Шеннон, американский учёный, заложивший основы теории информации — науки, изучающей процессы, связанные с передачей, приёмом, преобразованием и хранением информации, — рассматривает информацию как снятую неопределенность наших знаний о чем-то.

Приведем еще несколько определений: Информация — это сведения об объектах и явлениях окружающей среды, их параметрах, свойствах и состоянии, которые уменьшают имеющуюся о них степень неопределенности, неполноты знаний (Н.В. Макарова); Информация — это отрицание энтропии (Леон Бриллюэн); Информация — это мера сложности структур (Моль); Информация — это отраженное разнообразие (Урсул); Информация — это содержание процесса отражения (Тузов); Информация — это вероятность выбора (Яглом).

Современное научное представление об информации очень точно сформулировал Норберт Винер, "отец" кибернетики. А именно: Информация — это обозначение содержания, полученного из внешнего мира в процессе нашего приспособления к нему и приспособления к нему наших чувств.

Подходы к определению количества информации. Формулы Хартли и Шеннона.

Американский инженер Р. Хартли в 1928 г. процесс получения информации рассматривал как выбор одного сообщения из конечного наперёд заданного множества из N равновероятных сообщений, а количество информации I, содержащееся в выбранном сообщении, определял как двоичный логарифм N. Формула Хартли:

Допустим, нужно угадать одно число из набора чисел от единицы до ста. По формуле Хартли можно вычислить, какое количество информации для этого требуется: I = log₂100 > 6,644. Таким образом, сообщение о верно угаданном числе содержит количество информации, приблизительно равное 6,644 единицы информации.

Для задач такого рода американский учёный Клод Шеннон предложил в 1948 г. другую формулу определения количества информации, учитывающую возможную неодинаковую вероятность сообщений в наборе. Формула Шеннона:

где p_i — вероятность того, что именно i-е сообщение выделено в наборе из N сообщений.

Легко заметить, что если вероятности p₁,...,p_N равны, то каждая из них равна 1 / N, и формула Шеннона превращается в формулу Хартли.

Помимо двух рассмотренных подходов к определению количества информации, существуют и другие. Важно помнить, что любые теоретические результаты применимы лишь к определённому кругу случаев, очерченному первоначальными допущениями.

В качестве единицы информации Клод Шеннон предложил принять один бит (англ. bit — binary digit — двоичная цифра). Бит в теории информации — количество информации, необходимое для различения двух равновероятных сообщений (типа "орел"—"решка", "чет"—"нечет" и т.п.).

В вычислительной технике битом называют наименьшую "порцию" памяти компьютера, необходимую для хранения одного из двух знаков "0" и "1", используемых для внутримашинного представления данных и команд.

Арифметические вычисления до эры ЭВМ.

Эволюционная классификация ЭВМ.

Одна из форм классификации ЭВМ - по "поколениям" связана с эволюцией аппаратного и программного оборудования, причем основным классификационным параметром является технология производства. Классификация рассматривается на примерах из отечественной техники, что дает возможность перечислить хотя бы основных творцов отечественной информационной технологии. История отечественных исследований в данной области пока малоизвестна. Это связано с тем, что работы в данной области длительное время носили закрытый характер. В России (в СССР) начало эры вычислительной техники принято вести от 1946г., когда под руководством Сергея Алексеевича Лебедева закончен проект малой электронной счетной машины (МЭСМ - 50 оп./сек. ОЗУ на 63 команды и 31 константы) - фон Нейманновская универсальная ЭВМ. В 1950/51 гг. она пущена в эксплуатацию. Далее, приводятся некоторые крупные отечественные достижения в области вычислительной техники.

Первое поколение

Первое поколение ЭВМ /1946-1957гг/ использовало в качестве основного элемента электронную лампу. Быстродействие их не превышало 2-3 т. оп./сек; емкость ОЗУ - 2-4 К слов. Это ЭВМ: БЭСМ-1 (В.А. Мельников,1955г.), Минск-1 (И.С. Брук 1952/59 гг.), Урал-4 (Б. И. Рамеев), Стрела (Ю.Я. Базилевский, 1953 г.), М-20 (М.К. Сулим 1860 г.). А.Н. Мямлиным была разработана и несколько лет успешно эксплуатировалась "самая большая в мире ЭВМ этого поколения" - машина Восток. Программирование для этих машин: однозадачный, пакетный режим, машинный язык, ассемблер.

Второе поколение

В ЭВМ второго поколения /1958-1964гг/ элементной базой служили транзисторы. Отечественные: Урал-14,Минск-22,БЭСМ-4,М-220,Мир-2,Наири и БЭСМ-6 (1 млн. оп./сек , 128К), Весна (В.С. Полин, В.К. Левин), М-10 (М.А. Карцев). ПС-2000,ПС-3000, УМШМ, АСВТ, Сетунь. Программирование: мультипрограммный режим, языки высокого уровня, библиотеки подпрограмм.

Третье поколение

Элементная база ЭВМ третьего поколения, /1965-1971гг/ интегральные схемы - логически законченный функциональный блок, выполненный печатным монтажом. Отечественные ЭВМ этого поколения ЭВМ ЕС (Единой Системы):ЕС-1010,ЕС-1020, ЕС-1066 (2 млн. оп./сек , 8192К) и др. Программирование: мультипрограммный, диалоговый режимы, ОС, виртуальная память.

В 1996 г. в России работают 5 тысяч ЕС ЭВМ из 15 т., уставленных а СССР. НИИЦЭВТ на базе комплектующих IBM/390 разработал 23 модели производительностью от 1.5 до 167 Мфлоп (ЕС1270, ЕС1200, аналоги серверов 9672)). IBM предоставляет также лицензионные программные продукты (ОС-390). Используются в Росси для сохранения программного задела прикладных систем (проблема наследия ЕС ЭВМ).

Четвертое поколение

ЭВМ четвертого поколения /1972-1977гг/ базируются на "больших интегральных схемах"(БИС) и "микропроцессорах". Отечественные - проект "Эльбрус", ПК. Программирование: диалоговые режимы, сетевая архитектура, экспертные системы.

Пятое поколение

ЭВМ пятого поколения /начиная с 1978г/ используют "сверхбольшие интегральные схемы" (СБИС). Выполненные по такой технологии процессорные элементы на одном кристалле могут быть основным компонентом различных платформ - серверов: от супер-ЭВМ (вычислительных серверов), до интеллектуальных коммутаторов в файл-серверах.

На этом поколении технологические новации приостанавливаются и в восьмидесятые годы в ряде стран появляются проекты создания новых вычислительных систем на новых архитектурных принципах. Так, в 1982 японские разработчики приступили к проекту "компьютерные системы пятого поколения", ориентируясь на принципы искусственного интеллекта, но в 1991 японское министерство труда и промышленности принимает решение о прекращении программы по компьютерам пятого поколения; вместо этого запланировано приступить к разработке компьютеров шестого поколения на основе нейронных сетей.

В СССР под руководством А.Н. Мямлина в рамках такого проекта велась разработка вычислительной системы, состоящей из специализированных процессоров: процессоров ввода/вывода, вычислительного, символьного, архивного процессоров.

В настоящее время в России создаются мультисистемы на базе зарубежных микропроцессоров: вычислительные кластеры (НИИЦЭВТ), супер-ЭВМ МВС-1000 (В.К. Левин, А.В.Забродин). Под руководством Б.А.Бабаяна проектируется микропроцессор Мерсед-архитектектуры. В.С. Бурцев разрабатывает проект суперЭМВ на принципах потоковых машин.

Эволюция отечественного программного обеспечения непосредственно связана с эволюцией архитектуры ЭВМ, первая Программирующая Программа ПП, Интерпретирующая Система- ИС создавались для М-20 (ИПМ). Для ЭВМ этого семейства были реализованы компиляторы с Алгола: ТА-1 (С.С.Лавров), ТФ-2 (М.Р.Шура-Бура), Альфа(А.П.Ершов).

Для БЭСМ-6 создан ряд операционные системы: от Д-68 до ОС ИПМ (Л.Н. Королев, В.П. Иванников, А.Н. Томилин, В.Ф.Тюрин, Н.Н. Говорун, Э.З. Любимский).

Под руководством С.С.Камынина и Э.З. Любимского был реализован проект Алмо: создание машинно-ориентированного языка и на его базе системы мобильных трансляторов.

В.Ф.Турчин предложил функциональный язык Рефал, системы программирования на базе этого языка используются при создании систем символьной обработки и в исследованиях в области мета вычислений.

Принципы фон Неймановской архитектуры.

В основу построения подавляющего большинства компьютеров положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом.

Принцип программного управления.

Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности. Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды. А так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти. Если же нужно после выполнения команды перейти не к следующей, а к какой-то другой, используются команды условного или безусловного переходов, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды “стоп”. Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.

Принцип однородности памяти.

Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти — число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. Это открывает целый ряд возможностей. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей (так в программе организуется выполнение циклов и подпрограмм). Более того, команды одной программы могут быть получены как результаты исполнения другой программы. На этом принципе основаны методы трансляции — перевода текста программы с языка программирования высокого уровня на язык конкретной машины.

Принцип адресности.

Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен. Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-неймановских. Но существуют компьютеры, принципиально отличающиеся от фон-неймановских. Для них, например, может не выполняться принцип программного управления, т.е. они могут работать без “счетчика команд”, указывающего текущую выполняемую команду программы. Для обращения к какой-либо переменной, хранящейся в памяти, этим компьютерам не обязательно давать ей имя. Такие компьютеры называются не-фон-неймановскими.

Виды запоминающих устройств.

Система построена из разнообразных элементов, поэтому для того, чтобы она правильно функционировала, применяются специальные средства, сглаживающие дисбаланс (историческое решение – регистры общего назначения), достигается минимум реальной частоты обращения к памяти - расслоение памяти (это параллельность передачи данных и передача управления). Считывание в память фрагментов данных – организация ассоциативной памяти – КЭШа – сверхоперативной памяти, которая аккумулирует наиболее частые команды и минимизирует обращения к оперативной памяти. Также широко используется аппарат прерываний- средство, аппаратно-ориентированное на своевременную обработку поступающей информации, осуществляющее реакцию на ошибки.

Система внешних запоминающих устройств (ВЗУ) компьютера очень широка, она включает в себя типовой набор внешних устройств Традиционно это:

• внешние запоминающие устройства, предназначенные для организации хранения данных и программ;
• устр-ва ввода и отображения, предназначенные для ввода извне данных и программ и отображения этой инф-ции;
• устр-ва приема данных, предназначенные для получения данных от других компьютеров и извне.

1. Обмен данными:
   • записями фиксированного размера – блоками
   • записями произвольного размера
2. Доступ к данным:
   • операции чтения и записи (жесткий диск, CDRW).
   • только операции чтения (CDROM, DVDROM, …).

По доступу к данным различают устройства:

Последовательного доступа:

В устройствах последовательного доступа для чтения i-ого блока памяти необходимо пройти по первым i-1 блокам. (Пример: пульт дистанционного управления ТВ, кнопки «канал+» и «канал-» или бытовые кассетные магнитофоны - ВЗУ большинства бытовых компьютеров 80-х годов). Устройства последовательного доступа менее эффективны чем устройства прямого доступа.

• Магнитная лента. Это тип ВЗУ широко известный всем пользователям бытовых компьютеров. Его принцип основывается на записи/чтении информации на магнитной ленте. При этом перед началом и окончанием очередной записи на ленту заносится специальный признак - маркер начала, соответственно, конца. Головка проходит на нужный номер цилиндра и не более чем зза 1 оборот находит нужный сектор.

Прямого доступа:

В устройствах прямого доступа для того, чтобы прочесть i-ый блок данных, не нужно читать первые i-1 блоков данных. (Пример: пульт дистанционного управления Вашего телевизора, кнопки - каналы; для того, чтобы посмотреть i-ый канал не нужно «перещелкивать» первые i-1).

• Магнитные диски. Конструкция ВЗУ данного типа состоит в том, что имеется несколько дисков (компьютерный жаргон - «блины»), обладающих возможностью с помощью эффекта перемагничивания хранить информацию, размещенных на оси, которые вращаются с некоторой постоянной скоростью. Каждый такой диск имеет одну или две поверхности, покрытые слоем, позволяющим записывать информацию
• Магнитный барабан.металлический цилиндр большой массы, вращающийся вокруг своей оси. Роль большой массы - поддержание стабильной скорости вращения. Поверхность этого цилиндра покрыта магнитным слоем, позволяющим хранить, читать и записывать информацию. Поверхность барабана разделена на n равных частей (в виде колец), которые называются треками (track). Над барабаном расположен блок неподвижных головок так, что над каждым треком расположена одна и только одна головка. (Головок, соответственно, тоже n штук). Головки способны считывать и записывать информацию с барабана. Каждый трек разделен на равные сектора. В каждый момент времени в устройстве может работать только одна головка. Запись информации происходит по трекам барабана, начиная с определенного сектора. При заказе на обмен поступают следующие параметры: № трека, № сектора, объем информации.
• • Магнито-электронные ВЗУ прямого доступа (память на магнитных доменах).В конструкции этого устройства опять таки используется барабан, но на этот раз он неподвижен. Барабан опять таки разделен на треки и над каждым треком имеется своя головка. За счет некоторых магнитно-электрических эффектов происходит перемещение по треку цепочки доменов. При этом каждый домен однозначно ориентирован, то есть он бежит стороной, с зарядом «+», либо стороной, заряженной «-». Так кодируется ноль и единица. Эта память очень быстродейственна, т.к. в ней нет «механики». Память на магнитных доменах очень дорога и используется в большинстве случаев в военной и космической областях.

Иерархия памяти

Выглядит следующим образом:

Адресация ОЗУ.

ОЗУ - устройство, предназначенное для хранения оперативной информации. В ОЗУ размещается исполняемая в данный момент программа и используемые ею данные. ОЗУ состоит из ячеек памяти, каждая из которых содержит поле машинного слова и поле служебной информации.

Машинное слово – поле программно изменяемой информации, в машинном слове могут располагаться машинные команды (или части машинных команд) или данные, с которыми может оперировать программа. Машинное слово имеет фиксированный для данной ЭВМ размер (обычно размер машинного слова – это количество двоичных разрядов, размещаемых в машинном слове). Служебная информация (иногда ТЭГ) – поле ячейки памяти, в котором схемами контроля процессора и ОЗУ автоматически размещается информация, необходимая для осуществления контроля за целостностью и корректностью использования данных, размещаемых в машинном слове. Использование содержимого поля служебной информации

• контроль за целостностью данных.: (при записи машинного слова подсчет числа единиц в коде машинного слова и дополнение до четного или нечетного в контрольном разряде), при чтении контроль соответствия;

Пример контроля за целостностью данных по четности.

• контроль доступа к командам/данным (обеспечение блокировки передачи управления на область данных программы или несанкционированной записи в область команд);
• контроль доступа к машинным типам данных – осуществление контроля за соответствием машинной команды и типа ее операндов;

Конкретная структура, а также наличие поля служебной информации зависит от конкретной ЭВМ.

В ОЗУ все ячейки памяти имеют уникальные имена, имя - адрес ячейки памяти. Обычно адрес – это порядковый номер ячейки памяти (нумерация ячеек памяти возможна как подряд идущими номерами, так и номерами, кратными некоторому значению). Доступ к содержимому машинного слова осуществляется посредством использования адреса. Производительность оперативной памяти – скорость доступа процессора к данным, размещенным в ОЗУ.

• время доступа (access time- taccess) – время между запросом на чтение слова из оперативной памяти и получением содержимого этого слова.
• длительность цикла памяти (cycle time – tcycle) – минимальное время между началом текущего и последующего обращения к памяти.

Обычно скорость доступа к данным ОЗУ существенно ниже скорости обработки информации в ЦП. (tcycle>>taccess). Необходимо, чтобы итоговая скорость выполнения команды процессором как можно меньше зависела от скорости доступа к коду команды и к используемым в ней операндам из памяти. Это составляет проблему, которая системным образом решается на уровне архитектуры ЭВМ.

Расслоение оперативной памяти.

Расслоение ОЗУ – один из аппаратных путей решения проблемы дисбаланса в скорости доступа к данным, размещенным в ОЗУ и производительностью ЦП. Суть расслоения ОЗУ состоит в следующем. Все ОЗУ состоит из k блоков, каждый из которых может работать независимо. Ячейки памяти распределены между блоками таким образом, что у любой ячейки ее соседи размещаются в соседних блоках. Возможность предварительной буферизации при чтении команд/данных. Оптимизация при записи в ОЗУ больших объемов данных.

При конвейерном доступе при М-кратном расслоении и регулярной выборке доступ к памяти возможен в интервале 1/М цикла памяти. Но возможны конфликты по доступу, если шаг регулярной выборки коррелируется с числом банков памяти.

Ассоциативная память.

Оперативную память (ОП) можно представить в виде двумерной таблицы, строки которой хранят в двоичном коде команды и данные. Обращения за содержимом строки производится заданием номера (адреса) нужной строки. При записи, кроме адреса строки указывается регистр, содержимое которого следует записать в эту строку. Запись занимает больше времени, чем чтение. Пусть в памяти из трех строк хранятся номера телефонов.

Для получения номера телефона второго абонента следует обратиться: load (2) и получить в регистре ответа R = 9448304. Такой вид памяти, при котором необходимая информация определяется номером строки памяти, называется адресной. Другой вид оперативной памяти – ассоциативной можно рассматривать также как двумерную таблицу, но у каждой строки которой есть дополнительное поле, поле ключа.

Например:

После обращение к ассоциативной памяти с запросом : load (Петров) для данного примера получим ответ: R = 9448304. Здесь задание координаты строки памяти производится не по адресу, а по ключу. Но при состоянии ассоциативной памяти:

можно получить номер телефона из второй строки запросом: load (2). Таким образом на ассоциативной памяти можно моделировать работу адресной. Ассоциативная память имеет очевидное преимущества перед адресной, однако, у нее есть большой недостаток - ее аппаратная реализация невозможна для памяти большого объема.

ВОПРОС: Предложите схему реализации модели ассоциативной памяти при помощи адресной.

Ответ: Область памяти делим ровно пополам. Первая половина заполняется ключами, вторая соответствующими ключам значениями. Когда найден ключ, известен его адрес как смещение относительно начала памяти. Тогда адрес содержимого по ключу – это смещение + размер области ключей, то есть адрес ячейки из второй половины памяти, которая соответствует ключу.

Виртуальная память.

Алгоритмы управления страницами ОЗУ.

Использование в ЭВМ принципа локальности вычислений.

Полностью ассоциативная кэш-память.

Кэш-память с прямым отображением.

Частично-асссоциативная кэш-память.

Изменение данных в кэш памяти.

Учет параметров кэша при программировании задач.

Конвейерная обработка данных.

Внеочередное выполнение команд.

Производительность конвейеров.

Векторно-конвейерные вычислители.

Конвейерная обработка команд.

Конвейерные конфликты.

Спекулятивное выполнение команд.

Статическое предсказание условных переходов.

Механизмы динамического предсказания переходов.

Обработка условных операторов в EPIC.

Эволюция системы команд микропроцессоров.

Суперскалярные микропроцессоры.

Широкоформатные команды для параллельной обработки данных.

Проект EPIC.

Мультитредовые, многоядерные вычислители.

Классификация параллельных вычислителей по Флинну.

Статические коммутационные сети.

Динамические коммутаторы.

Метакомпъютинг.

Вычислительные кластеры.

Матричные параллельные мультипроцессоры.

Симметричные мультипроцессоры.

Архитектура памяти cc-NUMA.

Парадигмы программирования для параллельных вычислителей.

Нетрадиционные вычислители.

Организация вычислений на графе.

Реализация потоковых машин.

Нейронные сети как вычислители.

Измерения производительности ЭВМ.

Реальная и полная производительность вычислителей.

Пакеты для измерения производительности вычислительных систем.

Параметры рейтинга ТОР500.

Закон Амдала.

Параллельные алгоритмы. Метрики.

Параллельные алгоритмы редукции.

Распараллеливание алгоритмов рекурсии первого порядка.

Векторизация последовательных программ.

Синхронизация параллельных процессов.

Исполняемые комментарии в языках программирования.

Система Open MP.

Пакет MPI.

Язык Фортран-GNS.

Порождение параллельных процессов. Идентификация абонентов.

Протоколы передачи сообщений.

Учет топологии кластера в МР программировании.

Язык Фортран-DVM.

Система программирования НОРМА.

Особенности машинной арифметики.

Погрешности параллельных вычислений. Оценить ошибки суммирования.

Алгоритмы оптимизации программ, влияющие на точность вычислений.