Вопрос2 Основные принципы построения эвм.

1.Программное управление работой ЭВМ. Программы состоят из отдельных шагов-команд; команда осуществляет единичный акт преобразования информации; последовательность команд, необходимая для реализации алгоритма, является программой; все разновидности команд, использующиеся в конкретной ЭВМ, в совокупности являются языком машины или системой команд машины.

2.Принцип условного перехода. Это возможность перехода в процессе вычислений на тот или иной участок программы в зависимости от промежуточных, полученных в ходе вычислений результатов; реализация этого принципа позволяет легко осуществлять в программе циклы с автоматическим выходом из них, итерационные процессы и т.п. Благодаря принципу условного перехода, число команд в программе получается значительно меньше, чем при использовании программы за счет многократного вхождения в работу участков программы.

3.Принцип хранимой программы. Заключается в том, что команды представляются в числовой форме и хранятся в том же ОЗУ, что и исходные данные. Команды для исполнения выбираются из ОЗУ в УУ, а числа – в АЛУ. Для ЭВМ и команда, и число являются машинным словом, и если команду направить в АЛУ в качестве операнда, то над ним можно произвести арифметические операции, изменив ее. Это открывает возможность преобразования программ в ходе их выполнения; кроме того это обеспечивает одинаковое время выборки команд и операндов из ОЗУ для выполнения, позволяет быстро менять программы и их части, вводить непрямые системы адресации, видоизменять программы по определенным правилам.

4.Принцип использования двоичной системы счисления для представления информации в ЭВМ. Это существенно упрощает техническую конструкцию ЭВМ.

5.Принцип иерархичности ЗУ. Это компромисс между емкостью и временем доступа к данным для обеспечения относительной дешевизны.

Эти принципы фон Неймана относятся к фундаментальным положениям, определившим на многие годы развитие вычислительной техники и кибернетики.

Архитектура ЭВМ – совокупность ее свойств и характеристик, рассматриваемых с точки зрения пользователя машины. Полный комплекс значимых для пользователя общих вопросов функциональной и структурной организации ЭВМ, общения с нею, организации вычислительного процесса, включая совокупность характеристик и параметров ЭВМ, влияющих на решение этих вопросов, охватывается понятием архитектуры.

Вопрос6 основные характеристики вычислительных машин и систем.

(МЕТОДЫ ОЦЕНКИ )

Общетехническими показателями ВМ и ВС являются стоимость, производительность и надежность.

1. Операционные ресурсы – это перечень действий (операций), которые может делать (выполнять) аппаратура ВК в плане обработки информации (исходных данных). В этот перечень прежде всего включается система машинных операций, система машинных команд. В понятие операционные ресурсы включаются также способы представления информации в ЭВМ, способы представления чисел, текстов, логических значений. Чем шире перечень действий, чем шире многообразие способов представления данных – тем шире операционные ресурсы ЭВМ и, следовательно, возможности ВК в плане обработки информации.

Разрядность — это максимальное количество разрядов двоичного числа, над которым одновременно может выполняться машинная операция, в том числе и операция передачи информации; чем больше разрядность, тем, при прочих равных условиях, будет больше и производительность ПК.

Разрядность МП определяется иногда по разрядности его регистров и кодовой шины данных, а иногда по разрядности кодовых шин адреса.

2. Производительность ВМ и систем (производительность, быстродействие, тактовая частота)

Производительность определяется количеством вычислительной работы, выполняемой за единицу времени. Поскольку нет единой меры (единиц) для измерения вычислительной работы, отсутствует общепринятая методика оценки производительности. Для количественных оценок используют понятия номинальной и системной производительности.

Номинальная производительность - характеристика определяет потенциальные возможности устройств, указывает на верхнюю границу. Относится к отдельным устройствам, а не ВК в целом. Так, быстродействие АЛУ характеризует скорость, с которой это устройство может выполнять операции: VАЛУ={V+, V-, V*, Vдел, …}. Быстродействие определяется количеством операций в единицу времени и зависит от времени выполнения операции: V=1/t – чем меньше время выполнения операции t, тем выше быстродействие. Быстродействие – это паспортная характеристика, указывается в документе на устройство либо в виде вектора скоростей V, либо в виде набора времен: t+, t-, t*, t/, …

При оценках чаще всего выделяют устройства: процессор, ОП и дисковую память. Номинальная производительность характеризует только потенциальные возможности устройств. При работе в составе системы эти возможности полностью не используются. Степень их использования зависит от характера и количества решаемых задач, интенсивности входного потока задач, ОС, выполняющей функции распределения ресурсов системы и организации управления ими.

Быстродействие процессора определяется временем выполнения команд. Следует отметить, что время выполнения команды tк зависит от многих факторов – быстродействия памяти (т.к. выборка команды и данных осуществляется из памяти, результаты также засылаются в память), от быстродействия АЛУ, а также организации ВК. В простейшем случае

tк = tвк + tво + tалу + tзр,

где первое слагаемое определяет время выборки команды из памяти, второе – время выборки операнда(ов), третье – время выполнения операции в АЛУ, четвертое – время засылки результата операции. Быстродействие процессора принято измерять миллионами операций в секунду - MIPS или миллионами операций с плавающей запятой в секунду - MFLPS.

Память ЭВМ предназначена для хранения, записи и чтения информации. Быстродействие памяти принято характеризовать количеством операций чтения/записи в единицу времени.

Номинальной производительностью называют вектор Vн:

где v, — быстродействие i-го устройства ВС.

Память ЭВМ предназначена для хранения, записи и чтения информации. Быстродействие памяти принято характеризовать количеством операций чтения/записи в единицу времени.

Для характеристики степени использования потенциальных возможностей устройства в составе системы используется показатель загрузки i-го устройства p_i:

где Ti — время, в течение которого работало i-е устройство за время T работы

системы.

Системная производительность Vc учитывает совместную работу устройств в системе под управлением ОС для определенного класса задач:

Однако следует учесть, что показатели р, зависят от большого числа факторов, оценка их значений может быть получена на основе статистических данных по результатам моделирования. Получение достоверных оценок весьма затруднительно. Поэтому показатель системной производительности для ВМ используется редко.

Чаще всего показатель производительности требуется не как некоторая величина, измеренная в тех или иных единицах, а как средство для количественного сопоставления производительности различных типов выпускаемых промышленностью ВМ и выбора более быстродействующей, а также для оценки влияния на ее производительность вводимых усовершенствований в архитектуре ВМ (ВС) при комплексировании и разработке.

Для этого используется упрощенный подход, основанный на следующих положениях.

1. От абсолютных показателей переходим к относительным. Сравниваем производительность двух ВС — X, У. При большем числе альтернативных вариантов (X, Y, Z, ...) одну (например, X) выбираем за базовую и сравниваем попарно X с Y, X с Z и т.д.

Определяем относительный показатель К, показывающий, во сколько раз рассматриваемый вариант ВС производительнее базового:

К = <Время исполнения на Х>/<Время исполнения на Y> = =<Производительность Y>/<Производительность Х>.

2. Для сравнения различных ВК по производительности в ВТ обычно используют один и тот же набор программ, который прогоняют на ВК различных типов.

• реальная программа, имеющая широкое применение (например, компилятор языка программирования С, программы автоматизированного проектирования CAD, ...);

• ядро реальной программы;

• тест объемом порядка 100 строк;

• синтетический тест (Syntetic Benchmark), содержащий набор реальных программ (каждая содержит 2—10 тыс. строк) из различных областей использования компьютеров (в показателе производительности время выполнения отдельных программ теста учитывается с весовыми коэффициентами).

MIPS. В общем случае MIPS есть скорость операций в единицу времени, т.е. для любой данной программы MIPS есть просто отношение количества команд в программе к времени ее выполнения. Таким образом, производительность может быть определена как обратная к времени выполнения величина, причем более быстрые машины при этом будут иметь более высокий рейтинг MIPS.

Во-первых, MIPS зависит от набора команд процессора, что затрудняет сравнение по MIPS компьютеров, имеющих разные системы команд. Во-вторых, MIPS даже на одном и том же компьютере меняется от программы к программе. В-третьих, MIPS может меняться по отношению к производительности в противоположенную сторону.

Классическим примером для последнего случая является рейтинг MIPS для машины, в состав которой входит сопроцессор плавающей точки. Поскольку в общем случае на каждую команду с плавающей точкой требуется большее количество тактов синхронизации, чем на целочисленную команду, то программы, используя сопроцессор плавающей точки вместо соответствующих подпрограмм из состава программного обеспечения, выполняются за меньшее время, но имеют меньший рейтинг MIPS. При отсутствии сопроцессора операции над числами с плавающей точкой реализуются с помощью подпрограмм, использующих более простые команды целочисленной арифметики и, как следствие, такие машины имеют более высокий рейтинг MIPS, но выполняют настолько большее количество команд, что общее время выполнения значительно увеличивается. Подобные аномалии наблюдаются и при использовании оптимизирующих компиляторов, когда в результате оптимизации сокращается количество выполняемых в программе команд, рейтинг MIPS уменьшается, а производительность увеличивается.

MFLOPS. Измерение производительности компьютеров при решении научнотехнических задач, в которых существенно используется арифметика с плавающей точкой, всегда вызывало особый интерес. Именно для таких вычислений впервые встал вопрос об измерении производительности, а по достигнутым показателям часто делались выводы об общем уровне разработок компьютеров. Обычно для научно-технических задач производительность процессора оценивается в MFLOPS (миллионах чиселрезультатов вычислений с плавающей точкой в секунду, или миллионах элементарных арифметических операций над числами с плавающей точкой, выполненных в секунду).

Ясно, что рейтинг MFLOPS зависит от машины и от программы. Этот термин менее безобидный, чем MIPS. Он базируется на количестве выполняемых операций, а не на количестве выполняемых команд. По мнению многих программистов, одна и та же программа, работающая на различных компьютерах, будет выполнять различное количество команд, но одно и то же количество операций с плавающей точкой. Именно поэтому рейтинг MFLOPS предназначался для справедливого сравнения различных машин между собой.

• Компьютер ЭНИАК, построенный в 1946 году, при массе 27 т и энергопотреблении 150 кВт, обеспечивал производительность в 300 флопс

IBM PC/XT (1983) — 6,9 кфлопс Intel Pentium 75 МГц (1993) — 7,5 Мфлопс Intel Pentium II 300 МГц (1997) — 50 Мфлопс Intel Pentium III 1 ГГц (1999) — 320 Мфлопс AMD Athlon 64 2,211 ГГц (2003) — 840 Мфлопс Intel Core 2 Duo 2,4 ГГц (2006) — 1,3 Гфлопс Intel Core 2 Duo E8400 3000 MГц (2008) — 18.6 Гфлопс При использовании стандартной версии LINPACK 10

• Intel Core 2 Quad Q9450 2.66ГГц @3.5ГГц - 48 ГФлопс (LINPACK Benchmark 10.0 64-бит) в Windows 2003sp2 x64

LINPACK. Ливерморские циклы - это набор фрагментов фортран-программ, каждый из которых взят из реальных программных систем, эксплуатируемых в Ливерморской национальной лаборатории им.Лоуренса (США). Обычно при проведении испытаний используется либо малый набор из 14 циклов, либо большой набор из 24 циклов.

В основе алгоритмов действующего варианта LINPACK лежит метод декомпозиции.

Исходная матрица размером 100х100 элементов (в последнем варианте размером 1000х1000) сначала представляется в виде произведения двух матриц стандартной структуры, над которыми затем выполняется собственно алгоритм нахождения решения. Подпрограммы, входящие в LINPACK, структурированы. В стандартном варианте LINPACK выделен внутренний уровень базовых подпрограмм, каждая из которых выполняет элементарную операцию над векторами. Набор базовых подпрограмм называется BLAS (Basic Linear Algebra Subprograms). Например, в BLAS входят две простые подпрограммы SAXPY (умножение вектора на скаляр и сложение векторов) и SDOT (скалярное произведение векторов). Все операции выполняются над числами с плавающей точкой, представленными с двойной точностью. Результат измеряется в MFLOPS.

SPECint92, SPECfp92. Набор тестов CINT92, измеряющий производительность процессора при обработке целых чисел, состоит из шести программ, написанных на языке Си и выбранных из различных прикладных областей: теория цепей, интерпретатор языка Лисп, разработка логических схем, упаковка текстовых файлов, электронные таблицы и компиляция программ.

Набор тестов CFP92, измеряющий производительность процессора при обработке чисел с плавающей точкой, состоит из 14 программ, также выбранных из различных прикладных областей: разработка аналоговых схем, моделирование методом МонтеКарло, квантовая химия, оптика, робототехника, квантовая физика, астрофизика, прогноз погоды и другие научные и инженерные задачи. Две программы из этого набора написаны на языке Си, а остальные 12 - на Фортране. В пяти программах используется одинарная, а в остальных - двойная точность.

SPECrate_int92, SPECrate_fp92. При этом для измерения выбран метод "однородной нагрузки", заключающийся в том, что одновременно выполняются несколько копий одной и той же тестовой программы. Результаты этих тестов показывают, как много задач конкретного типа могут быть выполнены в указанное время, а их средние геометрические значения (SPECrate_int92 - целочисленных операций и SPECrate_fp92 - операции с плавающей точкой) наглядно отражают пропускную способность однопроцессорных и многопроцессорных конфигураций при работе в многозадачном режиме в системах коллективного пользования.

Тесты TPC. TPC определяет и управляет форматом нескольких тестов для оценки производительности OLTP (On-Line Transaction Processing). Тест TPC-A определяет пропускную способность системы, измеряемую количеством транзакций в секунду, которые система может выполнить при работе с множеством терминалов. TPC-B измеряет пропускную способность системы в транзакциях в секунду (tpsB). Поскольку имеются существенные различия между двумя тестами TPC-A и TPC-B (в частности, в TPC-B не выполняется эмуляция терминалов и линий связи), их нельзя прямо сравнивать. Тестовый пакет TPC-C моделирует прикладную задачу обработки заказов. Он моделирует достаточно сложную систему OLTP, которая должна управлять приемом заказов, управлением учетом товаров и распространением товаров и услуг. Тест TPC-C осуществляет тестирование всех основных компонентов системы: терминалов, линий связи, ЦП, дискового в/в и базы данных.

AIM. К настоящему времени AIM создала восемь стандартных смесей, которые представляют собой обычную среду прикладных задач. В состав этих стандартных смесей входят:

1. Универсальная смесь для рабочих станций (General Workstation Mix) - моделирует работу рабочей станции в среде разработки программного обеспечения.

2. Смесь для механического САПР (Mechanical CAD Mix) моделирует рабочую станцию, используемую для трехмерного моделирования и среды системы автоматизации проектирования в механике.

3. Смесь для геоинформационных систем (GIS Mix) - моделирует рабочую станцию, используемую для обработки изображений и в приложениях геоинформацинных систем.

4. Смесь универсальных деловых приложений (General Business) - моделирует рабочую станцию, используемую для выполнения таких стандартных инструментальных средств, как электронная почта, электронные таблицы, база данных, текстовый процессор и т.д.

5. Многопользовательская смесь (Shared/Multiuser Mix) моделирует многопользовательскую систему, обеспечивающую обслуживание приложений для множества работающих в ней пользователей.

6. Смесь для вычислительного (счетного) сервера (ComputeServer Mix) - моделирует систему, используемую для выполнения заданий с большим объемом вычислений, таких как маршрутизация PCB, гидростатическое моделирование, вычислительная химия, взламывание кодов и т.д.

7. Смесь для файл-сервера (File Server Mix) - моделирует запросы, поступающие в систему, используемую в качестве централизованного файлового сервера, включая ввод/вывод и вычислительные мощности для других услуг по запросу.

8. Смесь СУБД (RBMS Mix) - моделирует систему, выполняющую ответственные приложения управления базой данных.

Для оценки влияния на производительность вносимых в систему усовершенствований (расширения определенных ресурсов) используют подход (закон) Амдаля. Идея подхода заключается в том, чтобы оценку такого комплексного показателя, как относительное увеличение производительности, представить как композицию оценок более простых показателей. Для его применения требуется на основе знания архитектуры и организации вычислительного процесса оценить два показателя:

где Fизм — показатель, показывающий, какая часть времени выполнения программы в старой ВС изменится в новом варианте системы;

где s — показатель, показывающий, во сколько раз выделенная показателем Fизм

часть работы выполняется быстрее в новом варианте системы по сравнению со старым.

Тогда для оценки относительного уменьшения времени выполнения программы справедливо соотношение

где Тнов и Тст — время выполнения программы в новой и старой системе

соответственно.

Первые два слагаемых оценивают, какая часть работы в новом варианте выполняется по-старому. Третье слагаемое оценивает: числитель — какая часть работы выполняется по-новому, знаменатель — во сколько раз эта часть работы выполняется быстрее. С помощью этого соотношения легко оценивается также предельный эффект от введения усовершенствования. Время выполнения программы не может стать меньше, чем Тст (1 - Fизм).

3. Емкость памяти – очевидная техническая характеристика, которая характеризует вместимость хранилища программ и данных ВК.

   • Тип и емкость оперативной памяти. Увеличение емкости основной памяти в 2 раза, помимо всего прочего, увеличивает эффективную производительность компьютера при решении сложных задач (когда ощущается дефицит памяти) примерно в 1,41 раза (закон корня квадратного).

   • Тип и емкость накопителей.

   • Наличие, виды и емкость кэш-памяти. Кэш-память — это буферная, недоступная для пользователя быстродействующая память, автоматически используемая компьютером для ускорения операций с информацией, хранящейся в более медленно действующих запоминающих устройствах. Например, для ускорения операций с основной памятью организуется регистровая кэш-память внутри микропроцессора (кэш-память первого уровня) или вне микропроцессора на материнской плате (кэш-память второго уровня); для ускорения операций с дисковой памятью организуется кэш-память на ячейках электронной памяти.

3. Надежность ВК – это свойство ВК выполнять возложенные на него функции в течение заданного отрезка времени. Отказы аппаратуры – случайные события, частоту которых принято характеризовать интенсивностью отказов λ, т.е. количеством отказов в единицу времени. Другая характеристика надежности – т. н. наработка на отказ: T=1/λ - это промежуток времени между двумя соседними (по времени) отказами.

Общий подход увеличения надежности ВК – резервирование аппаратуры, например, дублирование.

3. Стоимость и цена аппаратного обеспечения

Стоимость ВК – интегральная характеристика, определяется всеми перечисленными характеристиками.

Стоимость определяется большим числом факторов, точный учет которых весьма затруднителен. Существенно, что все эти факторы (элементная база, технология изготовления печатных плат, технология и инструментальные средства проектирования) находятся в состоянии непрерывного развития. Соответственно абсолютные значения отдельных составляющих стоимости также динамично изменяются. Но с учетом взаимного влияния рассматриваемых факторов в ходе технического прогресса относительные показатели (доли отдельных составляющих) весьма устойчивы. Они и используются для оценок.

Стоимость определяет часть цены. При определении цены учитываются дополнительно затраты на научно-исследовательские работы (НИР), маркетинг, отчисления на прибыль:

Цена = <стоимость элементов> + <стоимость изготовления> + <главная надбавка> + <неучтенные расходы>.

Главная надбавка учитывает стоимость НИР, маркетинга, прибыль. При установившемся производстве ВМ и стабильной экономике относительные доли приведенных составляющих цены достаточно устойчивы, но отличаются для разных классов ВМ (табл. 3.1).

Таблица 3.1 Структура цены для ПК и рабочих станций, %

Тип ВМ	Стоимость		Главная надбавка	Неучтенные расходы
	элемена	изготовления
ПК	31	10	14	45
Рабочая станция	25	8	34	33

6. Основные функциональные характеристики:

• Типы системного и локальных интерфейсов.Разные типы интерфейсов обеспечивают разные скорости передачи информации между узлами машины, позволяют подключать разное количество внешних устройств и различные их виды.

• Тип видеомонитора (дисплея) и видеоадаптера.

• Наличие и тип принтера.

• Наличие и тип накопителя CD ROM.

• Наличие и тип модема.

• Наличие и виды мультимедийных аудио-видео средств.

• Имеющееся программное обеспечение и вид операционной системы.

• Аппаратная и программная совместимость с другими типами компьютеров означает возможность использования на компьютере, соответственно, тех же технических элементов и программного обеспечения, что и на других типах машин.

• Возможность работы в вычислительной сети.

• Возможность работы в многозадачном режиме. Многозадачный режим позволяет выполнять вычисления одновременно по нескольким программам (многопрограммный режим) или для нескольких пользователей (многопользовательский режим). Совмещение во времени работы нескольких устройств машины, возможное в таком режиме, позволяет существенно увеличить эффективное быстродействие компьютера.

• Надежность.

• Стоимость.

• Габариты и вес.