Лекция по информатике «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 С_озу, 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 λ-характеристик интенсивностей отказов составляющих элементов. Основные показатели надежности функционирования:

- вероятность безотказной работы в течение заданного интервала времени τ, Р(τ);

- время наработки до первого отказа Т_н иногда обозначается как Т_о;

- среднее время восстановления работоспособности Т_В;

- коэффициент готовности К_Г = T_Н(T_H + Т_В);

- 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).

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. 

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.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.

Весь материал - в документе.

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 С_озу, 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 λ-характеристик интенсивностей отказов составляющих элементов. Основные показатели надежности функционирования:

• вероятность безотказной работы в течение заданного интервала времени τ, Р(τ);

• время наработки до первого отказа Т_н иногда обозначается как Т_о;

• среднее время восстановления работоспособности Т_В;

• коэффициент готовности К_Г = T_Н(T_H + Т_В);

• 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).

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 V_t. 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

1. Каково назначение средств вычислительной техники?

1. В чем отличие вычислительной микропроцессорной системы от управляющей МПС?

2. В чем заключается отличие универсальной ЭВМ от специализированной?

3. Какие по меньшей мере пять функциональных устройств составляют структуру цифровой ЭВМ?

1. Перечислите типы процессоров по функциональному назначению.

2. Каков состав ЦП и каковы его функции?

3. Каково назначение АЛУ?

4. Каково назначение устройства управления ЦП?

5. В какой памяти располагаются микрокоманды?

1. В какой памяти располагаются временные, часто сменяющиеся: программы и данные?

2. Каково назначение внешних устройств ВС?

3. Какие два типа информационных потоков вводятся в ЭВМ и помещаются в память?

4. Перечислите основные технические характеристики ЭВМ и порядок их значений для микроЭВМ.

5. На какие классы подразделяются ЭВМ по размерам и функциональным возможностям?