В.А. Фисун - Прикладное программирование в задачах математической физики. Архитектурные принципы построения ЭВМ (pdf) (1127762), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Это свойство и есть главная особенность ЭВМфон-неймановской архитектуры.Пособие 17.09.0918Единичный шаг преобразования информации можно трактовать какдвуместную арифметическую или логическую операцию, процедуру извлечение корня, а также векторную операцию, например, операцию сложениявекторов. Последняя трактовка единичного акта шага работы ЭВМ вноситдополнительную сумятицу в классификатор ЭВМ по Флинну при идентификации векторных машин.Возможность динамической модификации программ, допустимая в силутретьего принципа, противоречит философии структурного программирования. Более того, в некоторых ЭВМ (Эльбрус) ОЗУ содержит теги: разряды,уточняющие тип хранимой информации, что позволяет предотвратить попытки передачи управления на данные в случае ошибки - использованиятекстов программ в качестве данных.
М.Р.Шура-Бура до сих пор гордитсяэкономией одной ячейки памяти, которую он произвел, используя код некойкоманды программы в качестве константы, при составлении для системыИС-2 одной из первой в СССР стандартной программы перевода чисел издесятичной системы в двоичную систему. Исключением могут считатьсяфункциональные языки Лисп, Рефал, для которых концепция единства данных и программ поддержана принципом хранимой программой.
Архитектура памяти современных микропроцессоров, определяющая размещение впамяти кода программ и данных и стиль работы с этими элементами, реализуется одним их двух вариантов. Традиционная, фон-неймановская архитектура, без учета семантики хранимых данных, получила название Принстонской архитектурой памяти. В ней правила хранения данных и кода одинаковы. Раздельное размещение кодов программ и данных используется вГарвардском варианте архитектуры. В современных ЭВМ используются совместно оба варианта памяти.
Так, процессорная кэш-память первого уровня разделены на память данных и память инструкций, но запросы к ОЗУуже обезличены.Принцип использования двоичной системы счисления для представления информации нарушен при проектировании ЭВМ Сетунь, в которой использована троичная система счисления. Эта система так же, как и десятичная, шестнадцатеричная, признаны нецелесообразными для реализацииЭВМ.Все современные микропроцессоры имеют фон-неймановскую архитектуру, ключевым параметром которых является производительность, скорость вычислений, которую грубо можно определить как число команд,выполняемых за единицу времени, обычно за секунду.2.2.
Принципы фон Неймана и проблемы программированияАрхитектура вычислителя фон Неймана допускает простую и универсальную аппаратную интерпретацию. Усложнения оборудования при реализации классических вычислителей относятся, главным образом, к необходимости учитывать и преодолевать ограничения объемов и быстродействияоперативной памяти.Пособие 17.09.0919Производительность ЭВМ повышается также за счет реализации параллельной и конвейерной схем обработки данных. Так как архитектурныесхемы ЭВМ давно отработаны, то технология проектирования микропроцессоров реализуется на уровне индустриального производства. Рост производительности вычислителей в соответствии с законом Мура (G.Moore) удвоение производительности вычислителей каждые полтора года - обеспечивается, главным образом, технологическим прогрессом: увеличениемплотности размещения транзисторов на кристалле, снижением толщиныслоев монтажа. В 1953 г.
Х.Грош (H.R.J.Grosch) предложил формулу оценкироста стоимости вычислительной системы - С в зависимости от роста производительности системы - Р: Р = Const * С2. Это означает, что за удвоеннуюцену можно купить вычислительную систему с учетверёнными возможностями.Принципы фон Неймана обеспечивают абсолютное превосходство микропроцессоров перед всеми моделями нетрадиционных, альтернативныхфон-неймановской схеме вычислителей, обороты компьютерного рынка постоянно увеличиваются. Однако известно, что уже десятки лет сохраняетсятенденция к увеличению в финансовом обороте компьютерного рынка доходов от продажи программных средств по сравнению с доходами от продажиаппаратных средств.
Такое нарушение пропорций возникает из-за низкихтемпов роста производительности программирования при высоких темпахспроса на информационные продукты. В отличие от индустриальныхсредств проектирования и изготовления вычислительной аппаратуры, программирование до сих пор рассматривается как искусство. Наращиваниеобъемов производства программ на базе современных технологий программирования таких, как использование языков программирование высокогоуровня, модульное, объектно-ориентированное программирование и т.д., необеспечивает потребностей пользователей ЭВМ.Консерватизм технологий программирования отчасти определен традиционной моделью последовательных вычислений. Математически тривиальная модель вычислителя фон Неймана при реализации усложняется механизмами, особенности которых учитывают системные программисты приразработке операционных систем, оболочек.
А прикладным программистампредлагается адаптировать модель последовательного счета к условиям реальной машинной среды. Отображение многомерных массивов, структурированных данных и списков на одномерную, линейную память также должны учитываться технологией программирования. Другой недостаток традиционных ЭВМ: при переходе от программ на языках высокого уровня кобъектным кодам происходит значительное усложнение и увеличение этихкодов из-за линейной структуры памяти и примитивного набора команд.Современные мультисистемы усугубляют проблемы управления памятью,добавляют проблемы синхронизации параллельных вычислительных процессов.Пособие 17.09.093.20Глава 3Архитектура памяти ЭВМПроизводительность ЭВМ определяется технологией исполнения электронных схем и характеризуется максимальной частотой срабатывания еедискретных элементов.
Сейчас это свыше 3 миллиардов тактов в секунду,один такт за каждые 3 наносекунды. Для сравнения: за одну наносекундулуч света проходит расстояние всего в 29.98 см. Современные микропроцессоры могут вырабатывать результаты вычислений арифметических операций над числами с плавающей точкой на каждом такте. При выполнениипоследовательных арифметических вычислений без потери эффективностиоборудования ЭВМ следует обеспечить доставку в арифметическое устройство машины (АЛУ) на каждом такте двух операндов, сохранение результатаоперации и выборку следующей команды, т.е.
реализовать четыре обращения к памяти за такт. Запрос к оперативной памяти ОЗУ за единицей информации “стоит” не менее 30 тактов. Естественно, что архитектура виртуальной машины фон Неймана не может сгладить этот дисбаланс быстродействия между АЛУ и ОЗУ примерно в два порядка. Поэтому все современные микропроцессоры содержат аппаратные схемы для ускорения потоковданных, основанные на использовании буферной сверхбыстрой памяти,конвейерной и параллельной обработки данных.
Эти схемы реализуютсяспециальными интерфейсами сопряжения функциональных блоков ЭВМ.Решающее значение для достижения полной загрузки АЛУ, то есть высокойпроизводительности ЭВМ имеет архитектура оперативной памяти и дисциплина работы с ней. При программировании приложений можно ускоритьвыполнение задач математической физики за счет знания и учета особенностей функционирования оперативной памяти ЭВМ.3.1. Виды запоминающих устройствХранилищем информации в вычислительных системах служит память,состоящая из различных видов запоминающих устройств (ЗУ). ЗУ различаются по ряду признаков: по физическим принципам реализации, по объемухранимой информации, по времени и стилю доступа к информации, и дажепо месту расположения и способам сопряжения с процессорами ЭВМ.Основным, но не всегда главным, параметром ЗУ является размер памяти – максимальное количество информации, которые может быть размещено для хранения в устройстве. Размер памяти принято измерять в байтах,причем, для указания объема памяти используются числа восьмеричнойсистемы счисления.1 К (Кило) байт = 210 байт (1024 в десятичной системе).1 М (Мега) байт = 220 байт (1 048 576 в десятичной системе).1 Г (Гига) байт = 230 байт (1 073 741 824 в десятичной системе).1 Т (Тера) байт = 240 байт.1 П (Пета) байт = 250 байт.Пособие 17.09.0921Внимание! Префиксы Кило, Мега, и др.
в метриках для измерения пропускной способности каналов передачи информации и оценки производительности ЭВМ относятся к десятичной системе счисления. Емкость магнитных дисков (винчстеров) также чаще всего измеряется в десятичной системе. Зависимость значений вышеуказанных префиксов от контекста применения неудобно, так как может вызвать двусмысленное толкование. Одна изпопыток унифицировать отношение префиксов к основанию системы счисления заключается в предложении добавлять к соответствующему двоичному префиксу окончание binary, а сами единицы обозначать Ki, Mi, Gi и т.д.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
