В.А. Фисун - Прикладное программирование в задачах математической физики. Архитектурные принципы построения ЭВМ (pdf) (1127762), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Галанину за большуюпомощь при написании данной работы.Пособие 17.09.096ВведениеВ первой части курса “Прикладное программирование в задачах математической физики” излагаются основные архитектурные принципы конструирования ЭВМ и их влияние на эффективность научных вычислений.Содержание каждой главы курса состоит из описания отдельного этапа выполнения программ на ЭВМ, в курсе содержатся также сведения по историивопроса, тенденции развития и ссылки на литературу для углубленного изучения материала.В первой главе рассматриваются общие вопросы информатики: информация и средства ее обработки.
Приводятся простейшие метрики, примеры измерения количества информации для определения объема памяти прикодировании и передаче информации. Перечисляются теоретические проблемы оценки информации. За основные виды ЭВМ принимаются аналоговые вычислительные машины и цифровые вычислительные машины.
Эволюционная классификация ЭВМ используется для иллюстрации истории развития отечественной вычислительной техники и программирования.Вторая глава посвящена принципам классификации ЭВМ. Перечисляются принципы фон-Неймана, являющиеся основой архитектур всех современных компьютеров. Реализация ЭВМ традиционной фон-неймановскойархитектуры позволяет повышать производительность микропроцессоров вдва раза каждые полтора года, однако такие узкие места этой архитектуры,как программное управление вычислениями, ограничивают возможность выполнения распределенных вычислений. Обсуждаются вопросы влияния архитектуры ЭВМ на программирование приложений.В третьей главе рассматриваются номенклатура запоминающих устройств, физические принципы методов хранения информации.
Память ЭВМпредставляется в виде многоуровневой пирамиды, вверху которой располагаются сверхоперативная, затем оперативная память, внизу массовая память.Оперативная память является одним из важных факторов эффективностивычислений, так как для реализации одной арифметической или логическойкоманды могут потребоваться четыре обращения к оперативной памяти.Поэтому детально рассматриваются различные схемы ускорения выборкиданных и команд такие, как расслоение памяти и механизмы кэш-памяти.Виртуальная память служит для организации мультипрограммной работыЭВМ, а также для облегчения программирования приложений.Четвертая глава описывает один из важных методов повышения быстродействия ЭВМ – конвейеризацию работ и учет особенностей совмещенного по времени выполнения команд. Приводятся оценки повышения производительности вычислений для конвейерных арифметико-логических устройств, параметры векторно-конвейерных вычислителей.
Рассматриваютсястатический и динамический механизмы предсказания переходов для конвейеризации потока команд и их влияние на эффективность выполнения вычислений.Пособие 17.09.097В пятой главе классифицируются наборы команд различных процессоров: сокращенный и полный наборы команд, многофункциональные исверхдлинные команды. Рассматриваются скалярные, суперскалярные вычислители, особенности и достоинства архитектуры современных микропроцессоров - EPIC с гибкими сверхдлинными командами и особенности выполнения программ для различных архитектур микропроцессоров. Описываетсяэволюция микропроцессоров серии Intel, приводится перечень микропроцессоров современных серий.В шестой главе описываются метрики измерения производительностиЭВМ. Приводятся методы оценки пиковой и реальной производительностивычислительных систем, перечисляются стандартные пакеты для измеренияпроизводительности.
Описывается структура топ-листа рейтинга наиболеепроизводительных ЭВМ.Пособие 17.09.0981. Глава 1Информатика1.1. Бинарные коды и информацияОдно из самых распространенных определений ЭВМ как устройствадля обработки информации есть заблуждение или, по крайней мере, сильноепреувеличение. Электронная вычислительная машина – это просто оборудование для хранения и переработки текстов. Текст – это последовательностьсимволов в некотором алфавите. В вычислительной технике чаще всего используется символы бинарного алфавита.
Наименьшая единица этого текста- элемент двухсимвольного алфавита - в вычислительной технике называетсябит – bit. Термин является аббревиатурой выражения "binary digit" (двоичный разряд) и представляется сочетанием чисел – 0 и 1 (символов ‘0’ или ‘1’,‘+’ или ‘-‘, слов 'да' или 'нет'). Для измерения бинарного текста используетсяобычно его объем, выраженный в байтах. Байт – единица измерения текстов,равная 8 битам.
Такая разметка кодирует текст символами алфавита, состоящего из 256 (28) кодов. В вычислительной технике принято измерять объемы текстов при их хранении в двоичной системе счисления, т.е. Килобайт –это 210 , Мегабайт – это 220 , Гигабайт – 230 байтов и т.д.Для измерений в цифровых коммуникационных системах - напримерскорости передачи текстов - используются такие же метрики. Бит в секунду– bits per second, bps – единица измерения скорости передачи (компьютернойобработки) текстов с учетом всех передаваемых битов данных, как содержательных, так и служебных. Для измерения скорости передачи только полезной информации используется показатель "символы в секунду" (characters persecond, cps).
Для указания объемов текстов в телекоммуникациях используется уже десятичная система.Электронному тексту или его фрагментам может быть определена семантика, придающая тексту новые качества. Так, разметка текста на 32битовые элементы и принятие соответствующих соглашений об интерпретации разрядов в элементе могут означать запись массива вещественных чисел. ‘‘Машинное слово’’ – квант кода, считываемый из оперативной памятиодной операцией, в ряде ЭВМ может трактоваться как команда или как ее аргумент. Байтовая разметка текста широко используется для кодировки алфавитно-цифрового текста, причем каждому символу текста отводится байт целиком (стандарт ANSII).
В один Гигабайт текста может быть переписано содержимое грузовика книг, в десять Терабайтов – книжный фонд большойбиблиотеки.К текстам, которым придается семантика, может относиться понятие‘‘информация’’(information).Пособие 17.09.099В прикладном, телекоммуникационном аспекте информация трактуется как сведения, разъяснение, информирование, изложение, сбор и обработка,хранение, прием и передача сигналов и сообщений. Толковый словарь компьютерных терминов А. Синклера определяет информацию как данные, организованные таким образом, что имеют смысл для имеющего с ними делочеловека.
Понятие информации нельзя считать лишь техническим термином.Информация - это фундаментальная философская категория. Вот некоторыеконцепции данной области знаний.М. Брой называет информацией абстрактное содержание, семантикукакого либо высказывания, описания, указания, сообщения или известия.Конкретная, внешняя форма информации называется “представлением”. Одна и та же информация может иметь различные формы представления. Переход от представления к абстрактной информации, к значению представления, называется “интерпретацией”.
Наконец, Брой вводит понятие “понимание”, как процесс установления соотношения между содержащейся в представлении информацией и окружающим миром, т. е. толкование значенияинформации /23/.Категория “понимание” Броя очень близко к понятию “знания”, длякоторого также предложено несколько определений. Например, знания определяются как усвоенная человеком структурированная информации. Илизнаниями называют накопленную реципиентом информацию, которая можетбыть использована для получения новых фактов. А если в процессе понимания структуры информации будут постигнуты и принципы организации этихструктур, то это уже “мудрость” (wisdom) /Ackoft R.L./.По определению президента Международной академии информатизации И. Юзвишина "информация - это фундаментальный генерализационноединый безначально-бесконечный законопроцесс резонансно-сотового, частотно-квантового и волнового отношения, взаимодействия, взаимопревращения и взаимносохранения (в пространстве и времени) энергии, движения,массы и антимассы на основе материализации и дематериализации в микро и макроструктурах Вселенной" /18/.Отец кибернетики Н.
Винер говорил: ‘‘информация есть информация,а не материя и не энергия’’, т.е., она не принадлежит миру вещей и на неёне распространяется законы сохранения.Дискуссии ученых о философских аспектах информации показали несводимость информации ни к одной из предложенных категорий. Корогодины сравнивают положение исследователей в данной области с ситуациейв некой религии, адепты которой признают наличие у Бога несколькихимен, но ни одно из них нельзя произносить вслух /19/.Пособие 17.09.09101.2. Измерение информацииОдин из конструктивных методов рассмотрения содержание понятия"информация" основан на теории множеств и этот подход предложил Р.Хартли (R.
Hartley) в 1928 г. Он обосновал использование логарифмической меры для измерения количества информации. Текст из n символовдвоичного алфавита (телеграфных знаков: точек и тире) может приниматьвид одного из N=2n возможных сообщений, однако время передачи одноготакого сообщения пропорционально его длине – n, двоичному логарифму отчисла возможных сообщений.
Хартли предложил использовать для измерения количества информации не число всевозможных сообщений N, афункцию от него: логарифм. Пусть имеется N состояний объекта или Nопытов с различными, равновозможными состояниями системы. Для кодировки состояний можно использовать числовые коды в той или иной системе счисления.
Естественно, что число разрядов в кодах при этом зависит отвыбранной системы счисления. Допустим, что имеется n-разрядный код,использующий m различных символов. Так как количество всевозможныхкодовых комбинаций будет N=mn, то при равновероятности появления любой из них, Хартли предложил измерять количество информации в этом коде по формуле: I= log N = log mn = n*log m.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
