1. Основные параметры и характеристики вычислительных систем.

По пространству (количественные):

Габариты - предельное очертание предмета. 1 поколение ЭВМ представляло собой электронно-вакуумные лампы. ЭВМ была выполнена в виде громадных шкафов. Затем размеры уменьшаются.

Десктопы Неттопы Моноблоки

– масса –состав и количество блоков (память, устройства ввода-вывода) –энергопотребление (тестирование нескольких видов компьютеров) –разрядность процессора, памяти.

1) разрядность шины данных, то есть количество битовых разрядов, обрабатываемых за один такт и пересылаемых в ОЗУ; 2) разрядность шины адреса, определяющий максимальный объем адресуемой ОЗУ

Сейчас в ЭВМ используются 32- и 64-разрядные процессоры. Разрядность шины данных микропроцессора определяет разрядность ЭВМ в целом. Разрядность шины адреса процессора задает его адресное пространство, то есть максимальное количество ячеек ОЗУ, которое может непосредственно адресовано микропроцессором. Если шина имеет n разрядов, то адресное пространство -- 2n ячеек емкостью в 1 байт. Если шина адреса имеет 16 или 32 разряда, то объем адресного пространства МП равен 216 байт =64 Кбайта или 232 байт = 4 Гбайта.

– надежность - это способность ЭВМ при определенных условиях выполнять требуемые функции в течение заданного периода времени (стандарт ISO (Международная организация стандартов). Высокая надежность ЭВМ закладывается в процессе ее производства. Переход на новую элементную базу - сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) резко сокращает число используемых интегральных схем, а значит, и число их соединений друг с другом. Хорошо продуманы компоновка компьютера и обеспечение требуемых режимов работы (охлаждение, защита от пыли). Модульный принцип построения позволяет легко проверять и контролировать работу всех устройств, проводить диагностику и устранение неисправностей.

Временные параметры:

– быстродействие - которое характеризуется числом команд, выполняемых ЭВМ за одну секунду. Поскольку в состав команд ЭВМ включаются операции, различные по длительности выполнения и по вероятности их использования, то имеет смысл характеризовать его или средним быстродействием ЭВМ, или предельным (для самых “коротких” операций типа “регистр-регистр”). Современные вычислительные машины имеют очень высокие характеристики по быстродействию, измеряемые десятками и сотнями миллионов операций в секунду.

– производительность - объем работ, осуществляемых ЭВМ в единицу времени. Например, можно определять этот параметр числом задач, выполняемых за определенное время. Однако сравнение по данной характеристике ЭВМ различных типов может вызвать затруднения. Поскольку оценка производительности различных ЭВМ является важной практической задачей, хотя такая постановка вопроса также не вполне корректна, были предложены к использованию относительные характеристики производительности. Так, например, фирма Intel для оценки процессоров предложила тест, получивший название индекс iCOMP (Intel Comparative Microprocessor Performance). При его определении учитываются четыре главных аспекта производительности: работа с целыми числами, с плавающей точкой, графикой и видео. Данные имеют 16- и 32-разрядное представление. Каждый из восьми параметров при вычислении участвует со своим весовым коэффициентом, определяемым по усредненному соотношению между этими операциями в реальных задачах.

– скорость передачи информации — скорость передачи данных, выраженная в количестве бит, символов или блоков, передаваемых за единицу времени.

– время доступа - время, необходимое для получения информации из компьютерной памяти (memory) или для записи информации в память. Время доступа может варьировать от миллионной доли секунды (наносекунды) при быстродействующей электронной памяти до секунды и более при работе с памятью на магнитной ленте.

2. Классификация вычислительных средств и систем.

По назначению вычислительные системы делят на универсальные и специализированные. Универсальные ВС предназначаются для решения самых различных задач. Специализированные системы ориентированы на решение узкого класса задач.

1. IBM-совместимые персональные компьютеры. На данный момент это наиболее распространенный тип компьютеров. Они явлются своего рода универсальными машинами и могут применяються практически для любых задач. Однако в некоторых случаях связанных с обработкой больших обьемов информации их применение будет нецелесообразным.

2. Персональные компьютеры Macintosh. Компьютеры предназначенные для тех же целей что и компьютеры IBM, но не совместимые с ними.

3. Рабочие станции. Более мощные комьютеры, чем персональные. Используются обычно для хранения данных.

4. Сервера. Как правило самые мощные персональные комьютеры с большим дисковым пространством. Используются в компьютерных сетях для централизованного хранения и обработки данных.

5. Мейнфреймы. Считаются наиболее мощными (не считая суперкомпьютеров) вычислительными системами общего назначения, обеспечивающими непрерывный круглосуточный режим эксплуатации. Они могут оснощаться одним или несколькими процессорами.

6. Суперкомьютеры —компьютеры, созданные для обработки больших обьемов информации. Очень часто они используются для работы с трехмерным моделированием и анимацией.

По типу вычислительные системы различаются на многомашинные и многопроцессорные ВС. Многомашинные вычислительные системы (ММС) появились исторически первыми. Уже при использовании ЭВМ первых поколений возникали задачи повышения производительности, надежности и достоверности вычислений. Многопроцессорные вычислительные системы (МПС) строятся при комплексировании нескольких процессоров. В качестве общего ресурса они имеют общую оперативную память (ООП). Параллельная работа процессоров и использование ООП обеспечиваются под управлением единой общей операционной системы. По сравнению с ММС здесь достигается наивысшая оперативность взаимодействия вычислителей-процессоров. Многие исследователи считают, что использование МПС является основным магистральным путем развития вычислительной техники новых поколений.

По методам управления элементами ВС различают централизованные, децентрализованные и со смешанным управлением. Помимо параллельных вычислений, производимых элементами системы, необходимо выделять ресурсы на обеспечение управления этими вычислениями. В централизованных ВС за это отвечает главная, или диспетчерская, ЭВМ (процессор). Ее задачей являются распределение нагрузки между элементами, выделение ресурсов, контроль состояния ресурсов, координация взаимодействия. Централизованный орган управления в системе может быть жестко фиксирован или эти функции могут передаваться другой ЭВМ (процессору), что способствует повышению надежности системы. Централизованные системы имеют более простые ОС. В децентрализованных системах функции управления распределены между ее элементами. Каждая ЭВМ (процессор) системы сохраняет известную автономию, а необходимое взаимодействие между элементами устанавливается по специальным наборам сигналов. С развитием ВС и, в частности, сетей ЭВМ интерес к децентрализованным системам постоянно растет. В системах со смешанным управлением совмещаются процедуры централизованного и децентрализованного управления. Перераспределение функций осуществляется в ходе вычислительного процесса исходя из сложившейся ситуации.

По принципу закрепления вычислительных функций за отдельными ЭВМ (процессорами) различают системы с жестким и плавающим закреплением функций. В зависимости от типа ВС следует решать задачи статического или динамического размещения программных модулей и массивов данных, обеспечивая необходимую гибкость системы и надежность ее функционирования.

По режиму работы ВС различают системы, работающие в оперативном и неоперативном временных режимах. Первые, как правило, используют режим реального масштаба времени. Этот режим характеризуется жесткими ограничениями на время решения задач в системе и предполагает высокую степень автоматизации процедур ввода-вывода и обработки данных.

4. Оценка Эффективности вычислительных систем.

Эффективность системы — это свойство системы выполнять поставленную цель в заданных условиях использования и с определенным качеством.

Локальные показатели эффективности

 Эффективность системы является сложным, интегральным свойством, зависящим от ряда простых свойств, влияющих на оптимальность функционирования системы, таких как:

· действенности системы, то есть степени удовлетворения системой своего предназначения, (прагматическая эффективность, praqmatos [греч.] — действие);

· технического совершенства системы (технической Эффективности);

· простоты и технологичности разработки и создания системы (технологической эффективности);

· удобства использования и обслуживания системы (эксплуатационной эффективности) и ряда других характеристик.

 Показатели прагматической эффективности

Показатели прагматической эффективности должны отражать количественную оценку достигаемого системой результата, степень достижения поставленной перед системой цели. С помощью этих показателей должна определяться полезность решения поставленных перед системой задач, полезность выполнения ею заданных процедур преобразования информации.

В качестве таких показателей могут выступать показатели:

· достоверности преобразования информации

· безопасности информационных систем

· точности вычислений и преобразования информации

· полноты формирования системой результирующей информации

· оперативности, показывающие, насколько быстро в системе формируется результирующая информация, не устарела ли она

· своевременности, учитывающие соответствие заданного и реального момента поступления результирующей информации пользователю, и т. д.

  Показатели экономической эффективности

Учет только прагматических, технических, технологических и эксплуатационных показателей эффективности приводит к локальной оценке эффективности ИС. Но ведь необходимость создания информационных систем, обычно диктуется экономическими и социальными интересами. Улучшение локальных показателей тоже является средством совершенствования экономических и социальных показателей, и все же непосредственно социально-экономические факторы должны быть основными при научно обоснованном подходе к оценке эффективности ИС. Социальный эффект должен учитываться обязательно, ведь именно обеспечение определенных социальных показателей может являться основной целью создания ИС, в то же время функционирование ИС может давать и отрицательные побочные эффекты (повышение уровня излучений, например). В общем случае социальная и экономическая эффективности взаимно связаны. Однако эта взаимосвязь является сложной: повышение экономичности информационных систем часто приводит к отрицательным социальным последствиям. Для оценки социальных последствий пока не найдены, а часто вообще не применимы экономические методы измерения, базирующиеся на определении стоимостных показателей. Поэтому, если и используются социальные показатели эффективности ИС, они чаще всего формулируются на качественном уровне.

5. Принципы организации системы памяти.

Принципы организации памяти.

Чтобы уменьшить количество циклов ожидания, увеличить общую производительности системы и снизить ее стоимость, разработано несколько способов организации памяти. Эти способы следующие:

1. страничная организация памяти,

2. построение памяти с чередованием,

3. кэширование памяти.

Страничная организация — это простой способ повысить быстродействие памяти, разбив ее на страницы размером от 512 байт до нескольких килобайт каждая. Благодаря использованию специальных схем, к ячейкам памяти, расположенным внутри страницы, можно обращаться без введения циклов ожидания. Если нужно обратиться к ячейке, расположенной вне текущей страницы, приходится выжидать в течение одного или нескольких циклов, пока система выберет новую страницу.

Память с чередованием обладает большим быстродействием, чем страничная. При таком ее построении два банка памяти используются поочередно, причем один из них используется для хранения четных (с четными адресами ячеек), а другой — нечетных байтов данных. При таком их распределении можно начинать цикл обращения ко второму банку еще тогда, когда происходит обработка (считывание или запись) данных в первом банке (т.е. еще не завершен цикл предыдущего обмена), и наоборот. Используя этот метод, можно, при том же быстродействии ОЗУ, практически удвоить производительность системы (во всяком случае, при операциях обращения к памяти).

Кэширование памяти — это наиболее распространенный и обычно наиболее действенный метод повышения эффективности ее работы. Идея его заключается в том, что для промежуточного хранения данных используется специальный буфер (кэш) относительно небольшой емкости (от 8 до 512 К), построенный на статических ОЗУ (SRAM). Их быстродействия не достаточно для того, чтобы процессор мог работать без циклов ожидания. Статическими ОЗУ этого типа называются потому, что для них не нужны постоянно подаваемые регенерирующие сигналы, необходимые для динамических ОЗУ. Благодаря этому несколько упрощается процедура и схема управления этими устройствами, но даже, несмотря на это, из-за своего высокого быстродействия стоят они очень дорого. Однако, для построения кэша таких микросхем нужно немного.

Управление кэшем осуществляется с помощью специального кэшконтроллера, основной задачей которого является выбор из общей системной памяти наиболее часто адресуемых ячеек и хранение их содержимого в буфере, а также предварительная загрузка в буфер тех данных, к которым в дальнейшем ожидается обращение со стороны процессора. Кэш выполняет роль интеллектуального буферного ОЗУ, включенного между центральным процессором и более медленным динамическим ОЗУ.

6. Классификация и параметры ЗУ.

Запоминающее устройство — носитель информации, предназначенный для записи и хранения данных. В основе работы запоминающего устройства может лежать любой физический эффект, обеспечивающий приведение системы к двум или более устойчивым состояниям.

По устойчивости записи и возможности перезаписи ЗУ делятся на:

Постоянные ЗУ (ПЗУ), содержание которых не может быть изменено конечным пользователем (например, BIOS). ПЗУ в рабочем режиме допускает только считывание информации.

Записываемые ЗУ (ППЗУ), в которые конечный пользователь может записать информацию только один раз (например, CD-R).

Многократно перезаписываемые ЗУ (ПППЗУ) (например, CD-RW).

Оперативные ЗУ (ОЗУ) обеспечивают режим записи, хранения и считывания информации в процессе её обработки. Быстрые, но дорогие ОЗУ (SRAM) строят на триггерах, более медленные, но дешёвые разновидности ОЗУ — динамические ЗУ (DRAM) строят на конденсаторах. В обоих видах ЗУ информация исчезает после отключения от источника питания (например, тока).

По типу доступа ЗУ делятся на:

Устройства с последовательным доступом (например, магнитные ленты).

Устройства с произвольным доступом (RAM) (например, оперативная память).

Устройства с прямым доступом (например, жесткие магнитные диски).

Устройства с ассоциативным доступом (специальные устройства, для повышения производительности БД)

По физическому принципу:

перфорационные (с отверстиями или вырезами): перфокарта, перфолента

с магнитной записью

ферритовые сердечники

магнитные диски: Жёсткий магнитный диск, Гибкий магнитный диск

магнитные ленты

магнитные карты

оптические: CD, DVD, HD-DVD, Blu-ray Disc

магнитооптические: CD-MO

использующие накопление электростатического заряда в диэлектриках (конденсаторные ЗУ, запоминающие электроннолучевые трубки);

использующие эффекты в полупроводниках (EEPROM, флэш-память)

звуковые и ультразвуковые (линии задержки);

использующие сверхпроводимость (криогенные элементы)

другие.

По форме записанной информации выделяют аналоговые и цифровые запоминающие устройства.

Запоминающие устройства (ЗУ) характеризуются рядом параметров, определяющих возможные области применения различных типов таких устройств. К основным параметрам, по которым производится наиболее общая оценка ЗУ, относятся их информационная емкость (E), время обращения (T) и стоимость (C).

Под информационной емкостью ЗУ понимают количество информации, измеряемое в байтах, килобайтах, мегабайтах или гигабайтах, которое может храниться в запоминающем устройстве.