К. Хамахер, З. Вранешич, С. Заки - Организация ЭВМ - 5-е издание (2003) (1114649), страница 10
Текст из файла (страница 10)
Какой из двух вариантов лучше, сказать трудно. Основным фактором, учитываемым при сравнении двух вариантов системы команд процессора, является возможность использования конвейерной обработки. Выше мы указывали, что для процессора с конвейерной обработкой комагщ значение параметра 5 приближается к единице, даже если количество базовых шагов, составляющих одну команду, достаточно велико. Это означает, что чем сложнее команды процессора, тем быстрее выполняется программа. Однако эффективную конвейерную обработку все же проще реализовать для простых команд. Поэтому систему команд проектируют таким образом, чтобы она оптимально подходила для конвейерного выполнения, и часто именно этот фактор является решающим. О проектировании системы команд процессора и о возможных вариантах его архитектуры рассказывается в главе 2.
Сравнительные характеристики процессоров с простыми и сложными командами изучены достаточно основательно. Архитектура первого типа получила название К1ЯС (Кег(асей 1пзСгпс~1оп Яе~ Сотригег — компьютер с сокращенным набором команд), а архитектура второго типа— С15С (Согпр1ех 1пзггпсггоп Бег Сошрпгег — компьютер с полным набором команд). В главах 3 и 11 приводятся примеры процессоров обоих типов и обсуждаются преимущества каждого из них. Читателям же следует помнить, что хотя термины К15С и С15С считаются общепринятыми, они не являются названиями четко определенных типов процессоров.
Архитектура каждого конкретного процессора представляет собой результат множества компромиссов. Термины ИЯС и С1$С в большей мере относятся к принципам и технологиям построения процессоров, и мы к этим вопросам еще не раз будем возвращаться. 1.6.6. Компилятор Компилятор преобразует программу, написанную на языке высокого уровня, в последовательность машинных команд. Для уменьшения значения параметра Аг нам нужен подходящий набор машинных команд и компилятор, способный максимально эффективно его задействовать. Овтлимилгруюи1ий компилятор использует особенности процессора, который будет выполнять программу, для того чтобы предельно сократить величину произведения Агх 5, определяющую общее количество тактов.
Из главы 8 станет ясно, что количество тактов зависит не только от выбора команд, но и от порядка их следования в программе. Компилятор может реорганизовать команды в программе для достижения лучшей производительности. Конечно, такие изменения не должны отразиться на результатах вычислений. Хотя по отношению к процессору компилятор является внешним элементом (и даже может быть создан другим производителем), он должен быть тесно связан с его архитектурой. Но очень часто компилятор и процессор разрабатываются 42 Глава 1. Базовая структура компьютеров параллельно, а их создатели для достижения наилучшего результата активно сотрудничают. Их общей целью является сокращение общего количества тактов, необходимых для выполнения программной задачи. 1.6.7.
Оценка яроизводительности Чтобы оценить производительность компьютера, ее необходимо как-то измерить. Руководствуясь показателями производительности, конструкторы компьютеров обычно оценивают эффективность новых элементов и технологий, производители базируют на них маркетинговую политику, а покупатели производят выбор из числа имеющихся в продаже моделей.
В предыдущих разделах предполагалось, что единственным параметром, наиболее точно определяющим производительность компьютера, является время выполнения программы Т. Несмотря на концептуальную простоту формулы 11.1), вычислить значение Т не так-то просто. Более того, такие параметры, как тактовая частота„а также различные архитектурные параметры компьютера не являются достоверными показателями производительности. Поэтому производительность компьютеров принято измерять с помощью тестовых программ. Для того чтобы можно было сравнивать производительность разных систем, эти программы должны быть стацдартизированы. Показателем производительности является время, в течение которого компьютер выполняет заданный тест.
Раньше предпринимались попытки создания искусственных программ, которые могли бы использоваться в качестве стандартньгх тестов. Однако практика показала, что с их помощью невозможно точно предсказывать скорость выполнения реальных прикладных программ.
В настоящее время общепринятой практикой является использование некоторого набора специально подобранных реальных прикладных программ. Подбором таких приложений занимается некоммерческая организация под названием 5узгеш Рег1опвапсе Ета1иат1оп СогрогаГ1оп (5РЕС). Она публикует списки программ для разных прикладных областей и результаты тестирования многих имеющихся на рынке моделей компьютеров. Для компьютеров общего назначения набор тестовых приложений был определен в 1989 году. С тех пор он дважды модифицировался, а его новые версии были опубликованы в 1995 и 2000 годах. В этот список входят самые разнообразные программы, от игр, компиляторов и приложений баз данных до программ, производящих интенсивные вычисления в области астрофизики и квантовой химии. В каждом случае программа компилируется для тестируемого компьютера и измеряется реальное время ее выполнения на этом компьютере. (Никакая эмуляция не допускается.) Та же самая программа компилируется и выполняется на компьютере, выбранном в качестве эталона.
Для теста 5РЕС95 в качестве такового применяется компьютер 5ПХ 5РАКСзсаГ1оп 10/40, а для теста 5РЕС2000 — рабочая станция П1тга5РАКС10 с процессором 1Лсга5РАКС-1й, тактовая частота которого составляет 300 МГц. Коэффициент производительности 5РЕС вычисляется по следующей формуле: Время выполнения на эталонном компьютере 5РЕС-коэффициент- Время выполнения на тестируемом компьютере 1.8. Историческая справка 43 Таким образом, 5РЕС-коэффициент 50 указывает на то, что тестируемый компьютер выполняет данный тест в 50 раз быстрее, чем компьютер Игга5РАКС10.
Для проведения полного тестирования по очереди компилируются и выполняются все программы из списка ПРЕС, а затем вычисляется среднее геометрическое полученных результатов. Итоговый 5РЕС-коэффициент для конкретного компьютера рассчитывается по формуле 1 г' л ~й 5РЕС-коэффициент - ~П5РЕС,~ г=1 где и — количество программ в тестовом наборе. Поскольку измеряется реальное время выполнения приложений, 5РЕС-коэффициент характеризует результат суммарного влияния всех факторов, от которых зависит производительность компьютера, в том числе влияние компилятора, операционной системы, процессора и памяти. Более подробную информацию о тестовых программах ПРЕС и результатах тестирования вы найдете на веЪ-узле корпорации по адресу нвч.зрес.огя.
1.7. Мультипроцессорные и мультикомпьютерные системы До сих пор мы с вами рассматривали компьютеры с одним процессором. Однако большие компьютерные системы могут содержать достаточно много процессорных устройств. Такие системы называются мультипроцессорными. Они могут параллельно выполнять либо несколько различных прикладных задач, либо несколько подзадач одной крупной задачи. Обычно все процессоры имеют доступ ко всей памяти системы, которую в таком случае называют мультипроцессорной системой с общей памятью. Высокая производительность таких систем достигается за счет их большой сложности и очень высокой стоимости. Их стоимость определяется не только огромным количеством процессоров и объемом памяти, но и более сложными схемами их внутренних соединений. Наряду с мультипроцессорными системами используются так называемые мультикомпьютерные (многомашинные) системы, представляющие собой соединенные друг с другом группы компьютеров.
Такое соединение также позволяет повысить вычислительную мощь системы. Обычно каждому компьютеру доступна только его собственная память. Для того чтобы при выполнении задачи обменяться данными, компьютеры пересылают друг другу сообщения через коммуникационную сеть. Эта особенность отличает их от мультипроцессорных систем с общей памятью, и именно ей они обязаны названием мультикомпьютерные системы со связью через сообщения. 1.8.
Историческая справка Появлению 60 лет назад первых компьютеров предшествовала долгая и медленная эволюция механических вычислительных устройств. Об этом вы можете прочесть 44 Глава 1. Базовая структура компьютеров во многих книгах, журналах и других источниках. Мы же лишь дадим краткий обзор истории разработки компьютеров. В течение последних трех столетий, вплоть до середины двадцатого века, для выполнения базовых операций сложения, вычитания, умножения и деления изобретались все более сложные механизмы, состоящие из колесиков, рычагов и блоков. Для автоматического управления последовательностью вычислений сначала использовали перфорированные карты, расположение отверстий в которых определялось механическим путем.
Эти карты представляли собой прообраз компьютерных программ. Механические устройства могли вычислять целые математические таблицы логарифмов и тригонометрических функций. Выходные результаты пробивачи на картах или печатали на бумаге. Во время второй мировой войны были сконструированы компьютеры, основанные на электромеханических реле, подобных тем, которые использовались в ранних телефонных коммутаторах.
Тогда же в Университете штата Пенсильвания был разработан и первый электронный компьютер, основанный на технологии вакуумных ламп, использовавшихся в то время в радиоприемниках и военных радарах. Вакуумные лампы применялись для выполнения логических операций и хранения данных. Эта технология положила начало новой эре электронных цифровых компьютеров. Все созданные за это время компьютеры в зависимости от технологий, используемых при проектировании и изготовлении процессоров, устройств памяти и систем ввода-вывода, можно отнести к одному из четырех поколений: первое— с 1945 по 1955 год; второе — с 1955 по 1965, третье — с 1965 по 1975, а четвертое с 1975 года по сегодняшний день. 1.8.1. Первое поколение Столь важная для компьютеров концепция хранимых программ была введена Джоном фон Нейманом.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
