Лекция по информатике «Базовые параметры и технические характеристики ЭВМ»

Лекция «Базовые параметры и технические характеристики ЭВМ»
ЭВМ самые сложные системы, и сравнение их может быть проведено весьма относительно. Провести сравнительную оценку ЭВМ разных типов возможно, рассмотрев совокупность различных показателей. Главными из них являются технические характеристики, стоимость приобретения, стоимость эксплуатации. Для специализированных ЭВМ это может быть еще и масса.
Основные технические характеристики:
производительность
емкость оперативного запоминающего устройства (ОЗУ)
пропускная способность подсистемы ввода-вывода
надежность функционирования.
Производительность это показатель эффективности ЭВМ или вычислительного средства, использующий некоторые характеристики скорости работы системы. Измеряется обычно в числе наиболee часто повторяющихся либо средних по длительности операций в секунду (опер/с), либо в числе миллионов операций над числами с плавающей точкой в секунду MIPS (Million Instructions Per Second). Значения производительности изменяются от сотен опер/с у персональных компьютеров, микроЭВМ и микропроцессоров до 109 опер/с и выше у суперЭВМ. Производительность зависит не только от самой ЭВМ, но и от особенностей обрабатываемой информации, таких, как разрядность слов, форма представления чисел с плавающей или фиксированной точкой, частоты повторения различных операций в общем потоке выполняемых программ и др. Поэтому оценка производительности осуществляется для тестовых наборов задач и предварительно выявляется процентное содержание команд различного типа. Значения производительности могут использоваться для ориентировочной оценки реальной производительности при решении конкретных задач. Иногда производительность удобно оценивать как число выполняемых команд в минуту, число выполняемых заданий в день и т.д.
Емкость ОЗУ и внешнего запоминающего устройства (ВЗУ) определяет возможности ЭВМ по выполнению сложных программ с обработкой больших объемов информации. Обозначается Созу, измеряется в битах, байтах, словах, килобайтах (Кбайт), мега- и гигабайтах (Мбайт и Гбайт).
Разрядность число двоичных разрядов, которыми оперирует ЭВМ.
Пропускная способность подсистемы ввода-вывода позволяет определить возможности ЭВМ при обмене информацией с различными внешними устройствами или другими ЭВМ. Измеряется максимальным количеством единиц информации, передаваемых через подсистему ввода-вывода за единицу времени. Единицы измерения бит/с, равный 1 Бод; байт/с; Кбайт/с; Мбайт/с. Значения пропускной способности подсистемы ввода-вывода измеряются от сотен байт/с до сотен мегабайт/с. В справочной литературе обычно указывается количество каналов ввода-вывода и скорость работы каждого канала.
Надежность функционирования ЭВМ выражается показателями, имеющими вероятностный характер, и основывается на значениях
·-характеристик интенсивностей отказов составляющих элементов. Основные показатели надежности функционирования:
вероятность безотказной работы в течение заданного интервала времени
·, Р(
·);
время наработки до первого отказа Тн иногда обозначается как То;
среднее время восстановления работоспособности ТВ;
коэффициент готовности КГ = TН(TH + ТВ);
живучесть системы способность системы к сохранению своих основных функций хотя бы при пониженной эффективности системы при воздействии факторов катастрофического характера в отличие от надежности как способности системы выполнять свои функции в нормальных, заранее рассчитанных условиях.
Четкое разделение ЭВМ на классы затруднено, так как микроэлектроника развивается быстро и ЭВМ по одним признакам относится, например, к мини-ЭВМ, а по другим к ЭВМ высокой производительности (табл. 1.1).
Сравнительные параметры классов
ЭВМ



Параметр

МикроЭВМ
Малые ЭВМ
Большие ЭВМ
СуперЭВМ

Производительность, MIPS

1... 100
1..
.100
10..
1000
1000...
100000

Емкость оперативной памяти, Мбайт

4...256
4..
.512
64...
10000
2000..
.10000

Емкость ВЗУ, Гбайт

0,5... 10
2.
..100
50..
1000
500.
.5000

Разрядность, бит

16...64
16
...64
32
..64
64.
.128



Исторически первыми появились большие ЭВМ, элементная база которых прошла путь от электронных ламп до интегральных схем со сверхвысокой степенью интеграции.
Производительность больших ЭВМ оказалась недостаточной для ряда задач: прогнозирования метеообстановки, управления сложными оборонными комплексами, моделирования экологических систем и др. Это явилось предпосылкой для разработки и создания суперЭВМ, самых мощных вычислительных систем, интенсивно развивающихся и в настоящее время.
Появление в 1970-х гг. малых ЭВМ обусловлено, с одной стороны, прогрессом в области электронной элементной базы, а с другой избыточностью ресурсов больших ЭВМ для ряда приложений. Малые ЭВМ используются чаще всего для управления технологическими процессами. Они более компактны и значительно дешевле больших ЭВМ.
Изобретение в 1969 г. микропроцессора (МП) привело к появлению в 1970-х гг. еще одного класса ЭВМ микроЭВМ. Именно наличие МП послужило первоначально определяющим признаком микроЭВМ. Сейчас микропроцессоры используются во всех без исключения классах ЭВМ.
Условно микроЭВМ можно разделить на многопользовательские (серверы), однопользовательские (персональные, рабочие станции).
Многопользовательские микроЭВМ это мощные микроЭВМ, оборудованные несколькими видеотерминалами и функционирующие в режиме разделения времени, что позволяет эффективно работать на них сразу нескольким пользователям.
Серверы (server) многопользовательские мощные микроЭВМ в вычислительных сетях, выделенные для обработки запросов от всех станций сети.
Персональные компьютеры (ПК) однопользовательские микроЭВМ, удовлетворяющие требованиям общедоступности и универсальности применения.
Рабочие станции (work station) представляют собой однопользовательские мощные микроЭВМ, специализированные для выполнения определенного вида работ (графических, инженерных, издательских и др.).
Конечно, вышеприведенная классификация весьма условна, ибо мощный современный ПК, оснащенный проблемно-ориентированным программным и аппаратным обеспечением, может использоваться и как полноправная рабочая станция, и как многопользовательская микроЭВМ, и как хороший сервер, по своим характеристикам почти не уступающий малым ЭВМ. Рассмотрим кратко современное состояние некоторых классов ЭВМ.
Архитектура вычислительной системы.
Структура аппаратной части и назначение основных
функциональных узлов ЭВМ
Вычислительная система (ВС) взаимосвязанная совокупность средств вычислительной техники как программных, так и аппаратных, включающая не менее двух процессоров или вычислительных машин, причем хотя бы один из этих процессоров выполняет роль основного, центрального (ЦП).
ВС может включать в себя несколько процессоров, различающихся по выполняемым функциям. Для производства вычислений, задаваемых оператором абонентом, применяется центральный процессор; для управления вводом-выводом данных периферийный процессор; для переработки информации объекта правления управляющий процессор; для решения задач определенного типа специализированный процессор и т.д.
Микропроцессор полупроводниковая микросхема или комплект-набор микросхем, на которых реализуется центральный процессор. Первый микропроцессор Intel 4004 на четырех микросхемах появился в 1971 г., тогда много спорили о его применимости и покупательском спросе на него. Он был построен фирмой Intel для калькулятора, реализующего простейший набор команд аппаратным способом, но при этом имелась возможность хранить сложные последовательности команд в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ). Один из кристаллов набора представлял собой память с произвольной выборкой.
Архитектура ВС система основных функциональных средств, доступных пользователю, и принципов организации процесса переработки информации в ЭВМ на уровне операций над массивами и задачами в целом. Как видно из этого определения, архитектура объединяет аппаратные, микропрограммные и программные средства вычислительной техники в систему, т.е. архитектура логическая организация системы. В контексте разработки вычислительной системы и проектирования ее аппаратных средств термин «архитектура» используется для описания принципа действия, конфигурации и взаимного соединения основных логических узлов ЭВМ. Обычно частью, а зачастую и основой такого описания служит подробная структурная схема конкретной реальной машины. Под микропроцессорной системой (МПС) будем понимать вычислительную либо управляющую систему, построенную на микропроцессорных наборах.
В свою очередь, основным рабочим элементом вычислительного устройства, ЭВМ является ЦП, который состоит из арифметико-логического устройства (АЛУ) и устройства управления, а иногда и внутренней памяти. По мере того, как функции вычислительной системы становятся все более распределенными и автономными, этот термин «центральный процессор» приобретает более широкое толкование.
Центральный процессор ВС выполняет вычисления, предусмотренные алгоритмами решаемых задач. В отличие от него вспомогательный процессор (сопроцессор) применяется для предварительной обработки информации, например, для «сжатия» информации, диспетчирования, не предусматриваемой этими алгоритмами; либо для выполнения неосновных действий редактирование вводимой и выводимой информации, поиск, накопление и подготовка исходных данных для решаемой задачи и др. Вспомогательный процессор может быть частью вычислительного устройства, ЭВМ либо отдельной машиной. В последнем случае его сопряжение с основным процессором (ЦП) является достаточным для того, чтобы эта совокупность также называлась вычислительной системой.
Управляющая МПС входит как подсистема в состав систем автоматического управления (САУ), предназначенных для автоматического поддержания желаемого режима работы объекта.
Назначение средств вычислительной техники ввод, хранение, обработка, передача и вывод информации. Соответственно, над информацией производятся следующие действия: ее можно создавать, передавать, запоминать, искать, принимать, копировать, обрабатывать и разрушать.
Для выполнения своего назначения проведения действий над информацией аппаратная часть ВС должна включать в себя основные узлы, показанные на рис. 1.1. В структурной схеме можно проследить два типа информационных потоков. Первый поток данные входные и выходные. Широкими стрелками (см. рис. 1.1) показаны потоки входных, выходных данных и адресов, тонкими потоки управляющих сигналов Vt. Это собственно данные в виде чисел, слов и адресов, по которым хранятся или передаются данные. В МПС данные передаются по шине данных (ШД), адреса по адресной шине (ША). Второй тип информационного потока команды управления узлами и устройствами, соответствующие выполняемым операциям программы. Сигналы управления в МПС передаются по управляющей шине (ШУ).
Информация, подлежащая обработке, поступает либо от оператора с помощью устройства ввода (УВв), либо, в случае управляющей системы, с датчиков объекта управления. В последнем случае устройство ввода будет представлять собой один или несколько аналого-цифровых преобразователей. Назначение УВв преобразование информации без изменения ее содержания в вид, удобный для ЭВМ, т.е. в последовательность сигналов двоичного цифрового кода.
Результаты обработки информации выходные данные с помощью устройства вывода (УВыв) преобразуются в вид, удобный для восприятия оператором или исполнительными органами объекта управления. В САУ устройством вывода будут являться один или несколько цифроаналоговых преобразователей.


Устройства ввода-вывода информации (УВВ) в отличие от центральных устройств (процессора, памяти, устройства управления) называют внешними (ВУ) или периферийными устройствами (ПУ). Информация от внешних устройств к центральным и наоборот передается по каналу ввода-вывода. Это специализированный процессор, в котором реализованы аппаратные и программные средства пересылки данных и управления операциями ввода-вывода. Совокупность унифицированных аппаратных, программных и конструктивных средств, необходимых для реализации взаимодействия различных функциональных узлов в ВС при условиях, предписанных стандартом по обеспечению информационной, электрической и конструктивной совместимости этих узлов, называется стандартным интерфейсом.
Интерфейс может включать в себя несколько каналов. В случае большой удаленности терминалов от центральных устройств интерфейс включает в себя и канал связи. Это коаксиальные кабели, телефонные линии, волоконно-оптические, лазерные и спутниковые каналы. Все они имеют конечную скорость передачи данных и задержку распространения сигналов. Каналы связи подвержены влиянию помех, приводящих к возникновению ошибок.
Для осуществления передачи информации по каналам связи необходимо преобразовать (модулировать) поток битов двоичного цифрового кода в аналоговые сигналы, пригодные для передачи, а принимаемые аналоговые сигналы необходимо преобразовать обратно в цифровую форму демодулировать. Для этого подключаются устройства модуляции-демодуляции модемы.
К ВУ относится и внешнее запоминающее устройство, используемое для хранения справочной информации, больших массивов данных, не участвующих непосредственно в обработке в данное время, а также программ задач, подлежащих выполнению. ВЗУ, хотя и связано с центральными устройствами и управляется ими, в конструктивном отношении выполнено отдельно. Когда термин «ВЗУ» используется в абсолютном смысле, то обычно имеется в виду накопитель на магнитном диске. ВЗУ может коллективно использоваться несколькими ЭВМ.
Перейдем к рассмотрению центральных устройств МПС.
АЛУ является частью центрального процессора, формирующей функции двух входных переменных операндов, порождает одну выходную переменную. Эти функции обычно состоят: из простой арифметической операций сложения; простых логических операций И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ; операций сдвига арифметического, логического или циклического.
ОЗУ, или внутренняя или основная память, непосредственно связано с процессором. В нем хранятся программные команды и данные, участвующие в данное время в вычислениях. В него записываются результаты вычислений перед пересылкой их в ВЗУ или УВыв.
В быстродействующих МПС в качестве буфера между АЛУ и ОЗУ используется сверхоперативное запоминающее устройство (СОЗУ), или кэш-память.
Наиболее сложным устройством является устройство управления (УУ), вырабатывающее из потока поступающей информации последовательность управляющих сигналов, координирующих совместную работу всех узлов и обеспечивающих управление перемещением информации между памятью, АЛУ и другими частями ЭВМ. Основной функцией УУ является управление выполнением команд и операций.
Выборка команд из ОЗУ осуществляется естественным (в порядке очередности) или принудительным (по адресу, содержащемуся в предыдущей команде) способом. Команды выполняются по частям, называемым микрокомандами. Последовательность микрокоманд, реализующая заданный алгоритм, образует микропрограмму. Каждая микрокоманда соответствует одной или нескольким микрооперациям. Микропрограммы хранятся в ПЗУ.
Контрольные вопросы
Каково назначение средств вычислительной техники?
В чем отличие вычислительной микропроцессорной системы от управляющей МПС?
В чем заключается отличие универсальной ЭВМ от специализированной?
Какие по меньшей мере пять функциональных устройств составляют структуру цифровой ЭВМ?
Перечислите типы процессоров по функциональному назначению.
Каков состав ЦП и каковы его функции?
Каково назначение АЛУ?
Каково назначение устройства управления ЦП?
В какой памяти располагаются микрокоманды?
В какой памяти располагаются временные, часто сменяющиеся: программы и данные?
Каково назначение внешних устройств ВС?
Какие два типа информационных потоков вводятся в ЭВМ и помещаются в память?
Перечислите основные технические характеристики ЭВМ и порядок их значений для микроЭВМ.
На какие классы подразделяются ЭВМ по размерам и функциональным возможностям?


Приложенные файлы

  • doc 197566
    Размер файла: 112 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий