Тема 2_2010 Общие принципы (Все лекции Шамаевой в формате PDF)

Тема 2:Общие принципы построения и архитектура ЭВМОсновные вопросы:1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭВМ12. СФЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ СРЕДСТВ ЭВТ53. СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ЭВМ РАЗЛИЧНЫХ ПОКОЛЕНИЙ111. Основные характеристики ЭВМПервые ЭВМ появились всего лишь 60 лет тому назад. За это времямикроэлектроника, вычислительная техника и вся индустрия информатики стали одними изосновных составляющих мирового научно-технического прогресса. Влияниевычислительной техники на все сферы деятельности человека продолжает расширятьсявширь и вглубь. В настоящее время ЭВМ используются не только для выполнения сложныхрасчетов, но и в управлении производственными процессами, в образовании,здравоохранении, экологии и т.д.

Это объясняется тем, что ЭВМ способны обрабатыватьлюбые виды информации:числовую,текстовую,табличную,графическую,видео,звуковую.Электронная вычислительная машина - комплекс технических и программныхсредств, предназначенный для автоматизации подготовки и решения задач пользователей.Под пользователем понимают человека, в интересах которого проводится обработкаданных на ЭВМ. В качестве пользователя могут выступать заказчики вычислительных работ,программисты, операторы. Как правило, время подготовки задач во много раз превышаетвремя их решения.Требования пользователей к выполнению вычислительных работ удовлетворяютсяспециальным подбором и настройкой технических и программных средств. Обычно этисредства взаимосвязаны и объединяются в одну структуру.Структура - совокупность элементов и их связей.Различают структуры технических, программных и аппаратурно-программныхсредств.

Выбирая ЭВМ для решения своих задач, пользователь интересуетсяфункциональными возможностями технических и программных модулей (как быстро можетбыть решена задача, насколько ЭВМ подходит для решения данного круга задач, какойсервис программ имеется в ЭВМ, возможности диалогового режима, стоимость подготовки ирешения задач и т.д.). При этом пользователь интересуется не конкретной технической ипрограммной реализацией отдельных модулей, а более общими вопросами возможностиорганизации вычислений. Последнее включается в понятие архитектуры ЭВМ, содержаниекоторого достаточно обширно.Архитектура ЭВМ - это многоуровневая иерархия аппаратурно-программныхсредств, из которых строится ЭВМ. Каждый из уровней допускает многовариантноепостроение и применение.

Конкретная реализация уровней определяет особенностиструктурного построения ЭВМ.Детализацией архитектурного и структурного построения ЭВМ занимаютсяразличные категории специалистов вычислительной техники. Инженеры-схемотехникипроектируют отдельные технические устройства и разрабатывают методы их сопряжениядруг с другом. Системные программист создают программы управления техническимисредствами, информационного взаимодействия между уровнями, организациивычислительного процесса. Программисты-прикладники разрабатывают пакеты программболее высокого уровня, которые обеспечивают взаимодействие пользователей с ЭВМ инеобходимый сервис при решении ими своих задач.Самого же пользователя интересуют обычно более общие вопросы, касающиеся еговзаимодействия с ЭВМ (человеко-машинного интерфейса), начиная со следующих группхарактеристик ЭВМ, определяющих ее структуру:•технические и эксплуатационные характеристики ЭВМ (быстродействие ипроизводительность, показатели надежности, достоверности, точности, емкостьоперативной и внешней памяти, габаритные размеры, стоимость технических ипрограммных средств, особенности эксплуатации и др.);•характеристики и состав функциональных модулей базовой конфигурации ЭВМ;возможность расширения состава технических и программных средств; возможностьизменения структуры;•состав программного обеспечения ЭВМ и сервисных услуг (операционная система илисреда, пакеты прикладных программ, средства автоматизации программирования).Одной из важнейших характеристик ЭВМ является еебыстродействие, которое характеризуется числом команд, выполняемых ЭВМ заодну секунду.Поскольку в состав команд ЭВМ включаются операции, различные по длительностивыполнения и по вероятности их использования, то имеет смысл характеризоватьбыстродействие или средним быстродействием ЭВМ, или предельным (для самых“коротких” операций типа “регистр-регистр”).

Современные вычислительные машиныимеют очень высокие характеристики по быстродействию, измеряемые десятками и сотнямимиллионов операций в секунду. Например, микропроцессор совместного производства фирмIntel и Hewlett-Packard (Р7) имеет быстродействие порядка миллиарда операций в секунду.Реальное или эффективное быстродействие, обеспечиваемое ЭВМ, значительно ниже,и может сильно отличаться в зависимости от класса решаемых задач.

Сравнение побыстродействию различных типов ЭВМ, резко отличающихся друг от друга своимихарактеристиками, не обеспечивает достоверных оценок. Поэтому очень часто вместохарактеристики быстродействия используют связанную с ней характеристикупроизводительности - объем работ, осуществляемых ЭВМ в единицу времени.Например, можно определять этот параметр числом задач, выполняемых заопределенное время.Однако сравнение по данной характеристике ЭВМ различных типов может вызватьзатруднения.

Поскольку оценка производительности различных ЭВМ является важнойпрактической задачей, хотя такая постановка вопроса также не вполне корректна, былипредложены к использованию относительные характеристики производительности. Так,например, фирма Intel для оценки процессоров предложила тест, получивший названиеиндекс iCOMP (Intel Comparative Microprocessor Performance). При его определенииучитываются четыре главных аспекта производительности: работа с целыми числами, сплавающей точкой, графикой и видео. Данные имеют 16- и 32-разрядное представление.Каждый из восьми параметров при вычислении участвует со своим весовым коэффициентом,определяемым по усредненному соотношению между этими операциями в реальных задачах(табл. 1.).Таблица 1.Индекс iCOMPТипы данныхТест16- разрядныецелые32- разрядные целые16- разрядные, графика32- разрядные, графика16- разрядные, видео32- разрядные, видео16-разрядныевещественныеPC Labs v7.01; ProcessorSPECint92PC Labs WinBench v3.11SPECint92PC Labs v7.01; VideoSPECint92Power Meter vl.7; Whetstone PCLabs v7.01; Math CoprocessorSPECfp9232-разрядные вещественныеВесовой коэффициент вiCOMP, %521510555215По индексу iCOMP микропроцессор Pentium 100 имеет значение 810, а Pentium 1331000.Единственной подходящей и надежной единицей измеренияпроизводительности является время выполнения реальных программ.Рассмотрим некоторые популярные альтернативные единицы измерения (MIPS иMFLOPS)MIPS - миллион команд в секунду.

Имеется несколько различных вариантовинтерпретации определения MIPS.В общем случае MIPS есть скорость операций в единицу времени, т.е. для любойданной программы MIPS есть просто отношение количества команд в программе к времениее выполнения. Таким образом, производительность может быть определена как обратная квремени выполнения величина, причем более быстрые машины при этом будут иметь болеевысокий рейтинг MIPS.Положительными сторонами MIPS является то, что эту характеристику легко понять,особенно покупателю, и что более быстрая машина характеризуется большим числом MIPS,что соответствует нашим интуитивным представлениям. Однако использование MIPS вкачестве метрики для сравнения наталкивается на три проблемы.

Во-первых, MIPS зависитот набора команд процессора, что затрудняет сравнение по MIPS компьютеров, имеющихразные системы команд. Во-вторых, MIPS даже на одном и том же компьютере меняется отпрограммы к программе. В-третьих, MIPS может меняться по отношению кпроизводительности в противоположенную сторону.MFLOPS - миллион чисел-результатов вычислений с плавающей точкой в секунду,или миллион элементарных арифметических операций над числами с плавающей точкой,выполненных в секундуИзмерение производительности компьютеров при решении научно-техническихзадач, в которых существенно используется арифметика с плавающей точкой, всегдавызывало особый интерес.

Именно для таких вычислений впервые встал вопрос обизмерении производительности, а по достигнутым показателям часто делались выводы обобщем уровне разработок компьютеров. Обычно для научно-технических задачпроизводительность процессора оценивается в MFLOPS.Как единица измерения, MFLOPS, предназначена для оценки производительности толькоопераций с плавающей точкой, и поэтому не применима вне этой ограниченной области.Например, программы компиляторов имеют рейтинг MFLOPS близкий к нулю внезависимости от того, насколько быстра машина, поскольку компиляторы редко используютарифметику с плавающей точкой.Ясно, что рейтинг MFLOPS зависит от машины и от программы. Этот термин менеебезобидный, чем MIPS.

Он базируется на количестве выполняемых операций, а не наколичестве выполняемых команд. По мнению многих программистов, одна и та жепрограмма, работающая на различных компьютерах, будет выполнять различное количествокоманд, но одно и то же количество операций с плавающей точкой. Именно поэтому рейтингMFLOPS предназначался для справедливого сравнения различных машин между собой.Однако и с MFLOPS не все обстоит так безоблачно. Прежде всего, это связано с тем,что наборы операций с плавающей точкой не совместимы на различных компьютерах.Другая, осознаваемая всеми, проблема заключается в том, что рейтинг MFLOPSменяется не только на смеси целочисленных операций и операций с плавающей точкой, но ина смеси быстрых и медленных операций с плавающей точкой.

Например, программа со100% операций сложения будет иметь более высокий рейтинг, чем программа со 100%операций деления.Другой важнейшей характеристикой ЭВМ является емкость запоминающихустройств. Емкость памяти измеряется количеством структурных единиц информации,которое может одновременно находиться в памяти. Этот показатель позволяет определить,какой набор программ и данных может быть одновременно размещен в памяти.Наименьшей структурной единицей информации является бит - одна двоичнаяцифра. Как правило, емкость памяти оценивается в более крупных единицах измерения байтах (байт равен восьми битам). Следующими единицами измерения служат1 Кбайт = 210 1024 байта,1 Мбайт = 210Kбaйтa = 220 байта,1 Гбайт = 210 Мбайта = 220 Кбайта = 230 байта.Обычно отдельно характеризуют емкость оперативной памяти и емкость внешнейпамяти.

В настоящее время персональные ЭВМ могут иметь емкость оперативной памяти,равную 4-32 Мб и даже до 4 Гб ( для 32 разрядных ПЭВМ). Этот показатель очень важен дляопределения, какие программные пакеты и их приложения могут одновременнообрабатываться в машине.Емкость внешней памяти зависит от типа носителя. Так, емкость одной дискетысоставляет 0,3-3 Мб в зависимости от типа дисковода и характеристик дискет. Емкостьжесткого диска может достигать нескольких Гб и Тб, емкость компакт-диска (CD ROM) сотни Мбайтов (640 Мбайт и выше), флеш память до 16 Гбайт и т.д. Емкость внешнейпамяти характеризует объем программного обеспечения и отдельных программныхпродуктов, которые могут устанавливаться в ЭВМ.Надежность - это способность ЭВМ при определенных условиях выполнятьтребуемые функции в течение заданного периода времени (стандарт ISO (Международнаяорганизация стандартов) 23 82/14-78).Высокая надежность ЭВМ закладывается в процессе ее производства.