Лекция 1

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ, СИСТЕМЫ И СЕТИ.

Терминология

ВМ и ВС предназначены для автоматизации процессов обработки, хранения и передачи информации. ВМ относятся к сложным системам, при их описании и проектировании используются понятия и принципы, определенные в обшей теории систем: система, алгоритм, функция, структура, функциональная и структурная организации.

Система — это совокупность элементов или устройств, соединенных между собой для достижения определенной цели. Среди систем выделяют сложные системы. Это качественное понятие. Перечислим основные отличительные признаки сложных систем. Большая размерность — большое число элементов: сотни, тысячи. Разнородность элементов и узлов, как следствие этого — отсутствие единого математического аппарата для описания поведения этих элементов и узлов. Многокритериальность при оптимизации выбора вариантов построения системы.

Вычислительная машина — это система, выполняющая заданную, четко определенную последовательность операций (программу) в соответствии с выбранным алгоритмом обработки информации.

ЭВМ – Электронная Вычислительная Машина. Как и всякая другая машина ЭВМ обеспечивает преобразование сырья, поступающего на вход машины, в конечный продукт. Особенность ЭВМ в том, что в качестве сырья на вход машины поступает информация (исходные данные), а на выход выдаются результаты решения задачи. Термин вычислительная означает, что обработка информации осуществляется путем выполнения сравнительно простых математических (арифметических, логических и т.п.) операций, т.е. путем вычислений. Термин электронная означает, что машина построена на основе электронных элементов, электронной элементной базы.

Алгоритм — набор предписаний, однозначно определяющий содержание и последовательность выполнения действий для систематического решения задачи. Для алгоритма можно выделить семь характеризующих его параметров: совокупность возможных исходных данных, совокупность возможных результатов, совокупность возможных промежуточных результатов, правило начала процесса обработки данных, правило непосредственной обработки, правило окончания процесса, правило извлечения результата. Алгоритм должен обладать свойствами массовости и результативности.

Программа - это запись алгоритма в форме, воспринимаемой ЭВМ. Любая программа состоит из отдельных команд. Каждая команда предписывает определенное действие и указывает, над какими операндами это действие производится. Программа представляет собой совокупность команд, записанных в определенной последовательности, обеспечивающих решение задачи на ЭВМ.

СОД (системы обработки данных) – это совокупность технических средств и программного обеспечения (ПО), предназначенная для информационного обслуживания пользователей и (или) технических объектов (рисунок 1).

СОД делятся на два больших класса: СОД общего назначения и автоматизированные СОД (АСОД). АСОД или просто

АС – это человеко-машинная сис-

тема, в которой информация об объекте управления или исследования (изучения) собирается и обрабатывается с помощью ЭВМ, а результаты обработки выдаются человеку–оператору АС и используются им для принятия решения по управлению (исследованию) объектом.

К классу АС относятся: информационно-измерительные системы (ИИС), АС управления технологическими процессами (АСУ ТП) и т.п. АС.

Технические средства СОД строятся на базе ЭВМ (в основном). Следует отметить, что в настоящее время термин ЭВМ (компьютер) трактуется широко – под ним понимается не только аппаратура, но и ПО, т.е. система в целом. Поэтому в ВТ аппаратную часть СОД обычно называют ВК.

ВК – это аппаратная основа всех СОД. Простейшим из ВК является однопроцессорный ВК. Большинство ЭВМ относятся к классу однопроцессорных, наиболее простых. Более сложные ВК встречаются (используются) реже. К ним относятся многомашинные и многопроцессорные (мультипроцессорные) ВК. Многомашинные ВК – это прежде всего локальные сети ЭВМ. Мультипроцессорные ВК образуют класс супер-ЭВМ (в смысле вычислительной мощности). В одном ряду с понятиями ЭВМ, СОД, ВК стоит и понятие ВС.

ВС - сложная динамическая система, состоящая из двух частей (элементов) - АО и ПО, находящихся во взаимодействии (рисунок 2). Здесь: АО - аппаратное обеспечение. АО ВС - это технические средства ВС, т.е. ВК. ПО ВС - это системное ПО (СПО) и прикладное ПО (ППО), т.е., если точнее, ВС состоит из трех частей (рисунок 3).

Следует отметить, что в популярных источниках вместо терминов СОД, АС, ВК, ВС обычно используют термин ЭВМ (или компьютер), т.е. термином ЭВМ обычно называют СОД, другими словами, ВК, решающий какие-то конкретные задачи.

Таким образом, термин ЭВМ (в широком смысле) является популярным термином для обозначения более сложных специальных понятий, которые используются в ВТ: ВК, ВС, СОД, АС.

Классы ЭВМ

Информация – сведения о тех или иных явлениях природы, событиях общественной жизни, процессах в технических устройствах. Информация, зафиксированная на носителях, называется сообщением.

Сообщения отличаются друг от друга по источнику информации, по способу представления, по продолжительности и т.д. Сообщения могут быть непрерывными (аналоговыми) и дискретными (цифровыми).

Аналоговое сообщение представляется некоторой физической величиной (обычно электрическим током или напряжением), изменение которой во времени отражает протекание рассматриваемого процесса, например, температуры в нагревательной печи. Физическая величина, передающая непрерывное сообщение, может в определенном интервале принимать любые значения и изменяться в произвольные моменты времени, т.е. может иметь бесконечное множество состояний.

Дискретное сообщение характеризуется конечным набором состояний, например, передача текста. Каждое из этих состояний можно представить в виде конечной последовательности символов или букв, принадлежащих конечному множеству, называемому алфавитом. Такая операция называется кодированием, а последовательность символов - кодом. Число символов, входящих в алфавит, называется основанием кода. Важным здесь является не физическая природа символов кода, а то, что за конечное время можно передать только конечное число состояний сообщения. Причем чем меньше основание кода, тем длиннее требуются кодовые группы для передачи фиксированного набора сообщений.

Гибридные - вычислительные машины комбинированного действия работают с информацией, представленной и в цифровой, и в аналоговой форме; они совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ. ГВМ целесообразно использовать для решения задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами.

История развития ЭВМ

1. Считается, что первым механизмом для счета являлся абак, в котором сложение и вычитание чисел выполнялось перемещением камешков по желобам доски. Подобные устройства встречаются в разных вариантах в различных странах древнего мира.

Но настоящая потребность в автоматическом вычислении возникла в средние века в связи с резко возросшими в этот период торговыми операциями и океаническим судоходством. Торговля требовала больших денежных расчетов, а судоходство - надежных навигационных таблиц.

2. Первые эскизы счетной таблицы создал Леонардо да Винчи (около 1500 года). А первые сведения о работающей счетной машине относятся к 1646 году в Германии. Но подробное устройство этой счетной машины не сохранилось.

3. В 1646 году во Франции Паскаль создал механическое устройство, которое складывало и вычитало многозначные числа. В 1673 году в Германии Лейбниц строит счетную машину, выполняющую все четыре арифметических действия. Он же предложил использовать двоичную систему счисления для нужд вычислительной математики. В этот период были созданы и другие счетные машины. Все они были построены в одном экземпляре (поскольку создавались десятки лет) и не могли долго работать - слишком сложны были их механизмы и слишком примитивная технология их изготовления.

4. Только в 1820 году был налажен серийный выпуск (сотни штук в год) арифмометров конструкции Томаса де Кальмера. Вычисления, состоящие из последовательности арифметических операций, все еще лежали за пределами возможностей счетной машины.

5. В 1834 году Ч. Бэббидж разработал проект счетной машины, позволяющей реализовать вычисления любой сложности. Машина была задумана как механическая и стала прообразом ЦВМ. Его машина содержала механический эквивалент практически всех основных устройств современной ЭВМ: память ("склад" на 1000 чисел по 50 десятичных знаков), арифметическое устройство ("мельница"), устройство управления, устройства ввода и вывода информации. Последовательность выполнения операций и пересылки чисел между устройствами задавались программой на перфокартах Жаккарда (1804), которые использовались для управления работой ткацких станков. Кроме того, в машине Бэббиджа предусматривалась возможность изменения программы в зависимости от результата вычислений, говоря современным языком, имелись команды условных переходов. Интересно отметить, что Бэббидж изобрел наиболее эффективный способ сложения чисел - сложение по схеме со сквозным переносом. Эту машину Бэббидж строил всю оставшуюся жизнь (до 1871 года), но создал только ее отдельные узлы. В то же время (50-е годы прошлого столетия) благодаря трудам английского математика Ады Лавлейс зародилось машинное программирование (она пыталась написать программы к еще не созданной счетной машине Бэббиджа).

6. В конце XIX начале XX веков начали появляться электромеханические счетно-аналитические машины для выполнения расчетно-бухгалтерских и статистических операций. Сильным толчком к развитию таких устройств стал конкурс, объявленный в США при проведении переписи 1888 года. В нем победил табулятор Холлерита. Табулятор Холлерита является родоначальником семейства электронно-механических машин для обработки статистических данных. В 1898 году Холлерит организовал фирму, которая поставляла такие машины всему миру.

Эти машины непрерывно совершенствовались: в 1913 году создан табулятор, печатающий результаты; в 1921 году к нему добавлена коммутационная доска, на которой хранилась программа обработки данных, считываемая с различных позиций перфокарты.

7. Первые вычислительные машины в современном смысле появились в конце 30-х начале 40-х годов. В 1936-37 году К. Цузе (Германия) спроектировал машину с программным управлением. В 1941 году она была создана (машина на электромагнитных реле). Это первая в мире ЦВМ с программным управлением. Программа наносилась на перфоленту и целиком вводилась в машину. Поскольку перфолента двигалась в одну сторону, все циклы записывались в развернутом виде, т.е. в виде последовательности групп команд. После этого оператор уже не мог влиять на последовательность выполнения команд программы.

8. В 1937 году Г. Айкин (США) разработал проект электромеханической универсальной ЦВМ с программным управлением. Она была построена в 1944 году фирмой IBM и названа "Марк-1". В 1947 году под руководством Айкина построена более мощная машина "Марк-2". В ней для хранения чисел и выполнения операций использовано 16000 электромеханических реле. В этот период был разработан целый ряд подобных релейных вычислительных машин, одна из которых практически полностью повторяла "аналитическую" машину Бебиджа.

Эти релейные вычислительные машины были ненадежны, медленно работали и потребляли много энергии, но позволили накопить большой опыт по созданию машин для автоматизированных вычислений. На них было опробовано двоичное кодирование чисел, представление чисел в форме с плавающей запятой, способы выполнения операций над числами на основе релейных схем и т.д.

9. В этот же период начали появляться машины, построенные на электронных лампах, причем первоначально лампы стали использоваться в простейших счетчиках импульсов. На них строились схемы с двумя устойчивыми состояниями, впоследствии названные триггерами. Исследуя свойство триггеров, американские ученые Дж. Моучли и Д. Эккер пришли к выводу о целесообразности использования в вычислительных машинах вместо электромеханических реле ламповых триггеров. В 1946 году под их руководством построена вычислительная машина "ЭНИАК" для баллистических расчетов. Она содержала 18000 электронных ламп и 1500 реле. Использование электронных ламп позволило резко (на два порядка) повысить скорость выполнения операций.

Анализируя работу этой машины, математик Дж. Нейман сформулировал основные концепции организации ЭВМ. В соответствии с этими концепциями началась разработка ЭВМ "ЭДВАК" - прообраза современных ЭВМ. Она была построена в 1950 году. А в 1949 году в Англии была введена в эксплуатацию первая в мире ЭВМ с хранимой в памяти программой - "ЭДСАК", созданная под руководством М. Уилкса.

Вычислительные машины "ЭДВАК" и "ЭДСАК" положили начало первому поколению ЭВМ - поколению ламповых машин (1945-1960 гг.). С начала 50-х годов было осуществлено много проектов ЭВМ, в каждом из которых применялись новые типы устройств, способы управления вычислительным процессом и обработки информации. Особое внимание уделялось улучшению характеристик памяти, поскольку в ламповых ЭВМ она была незначительной. Так в 1952 г. впервые были использованы ферритовые сердечники.

Принципы действия ЭВМ.

АЛУ - производит арифметические и логические преобразования над поступающими в него машинными словами, т.е. кодами определенной длины, представляющими собой числа или другой вид информации.

Память - хранит информацию, передаваемую из других устройств, в том числе поступающую извне через устройство ввода, и выдает во все другие устройства информацию, необходимую для протекания вычислительного процесса.

Устройство управления (УУ) - автоматически, без участия человека, управляет вычислительным процессом, посылая всем другим устройствам сигналы, предписывающие те или иные действия, в частности, заставляет ОП пересылать необходимые данные, включать АЛУ на выполнение необходимой операции, перемещает полученный результат в необходимую ячейку ОП.

Пульт управления - позволяет оператору вмешиваться в процесс решения задачи, т.е. давать директивы устройству управления.

Устройство ввода - позволяет ввести программу решения задачи и исходные данные в ЭВМ и поместить их в ОП. В зависимости от типа устройства ввода исходные данные для решения задачи вводятся непосредственно с клавиатуры (дисплей, пишущая машина), либо должны быть предварительно помещены на какой-либо носитель - перфокарты, перфоленты, магнитные карты, магнитные ленты, магнитные и оптические диски и т.д. В системах САПР осуществляется ввод графической информации.

Устройство вывода - служит для вывода из ЭВМ результатов обработки исходной информации. Чаще всего это символьная информация, которая выводится с помощью различного типа ПчУ или на экран дисплея. В ряде случаев это графическая информация в виде чертежей и рисунков, которые могут быть выведены с помощью графических дисплеев, графопостроителей, принтеров, плоттеров и т.д.

Лекция 2

МНОГОУРОВНЕВАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ

Часть свойств ЭВМ приобретает благодаря наличию в ней электрического и электромеханического оборудования, специально предназначенных для реализации этих свойств. Примером такого устройства является АЛУ.

Ряд других свойств реализуется без специальных электронных блоков с помощью программных средств. При этом используются имеющиеся аппаратные средства ЭВМ, выполняющие действия, предписанные специальными программами.

Следует иметь в виду, что с помощью аппаратных средств соответствующие функции ЭВМ выполняются значительно быстрее, чем программным путем, но при этом ЭВМ становится сложнее и дороже. Поэтому в малых ЭВМ с достаточно простым АЛУ стремятся как можно больше функций реализовать программным путем, а в больших ЭВМ для повышения быстродействия - по максимуму использовать аппаратные средства.

Вообще же стараются как можно оптимальнее соотнести аппаратные и программные средства, чтобы при сравнительно небольших аппаратных затратах достигнуть высокой эффективности и быстродействия.

Система программного (математического) обеспечения - это комплекс программных средств, в котором можно выделить операционную систему, комплект программ технического обслуживания и пакеты прикладных программ. На рис. 1.2 изображена упрощенная структура вычислительной системы как совокупности аппаратных и программных средств.

Оператор Пользователь

Операционная система (ОС) - это центральная и важнейшая часть программного обеспечения ЭВМ, предназначенная для эффективного управления вычислительным процессом, планирующая работу и распределение ресурсов ЭВМ, автоматизации процесса подготовки программ и организации их выполнения при различных режимах работы машины, облегчения общения оператора с машиной.

ОС состоит из программ, относящихся к двум большим группам:

Управляющие программы - осуществляют управление работой устройств ЭВМ, т.е. координируют работу устройств в процессе ввода, подготовку и выполнение других программ.

Обрабатывающие программы - осуществляют работу по подготовке новых программ для ЭВМ и исходных данных для них, например, сборка отдельно транслируемых модулей в одну или несколько исполняемых программ, работы с библиотеками программ, перезаписи массивов информации между ВП и т.д. ОС в большинстве случаев являются универсальными и не учитывают особенности конкретных аппаратных средств. В современных ЭВМ для адаптации универсальной ОС к конкретным аппаратным средствам используют аппаратно-ориентированную часть операционной системы, которая в персональных компьютерах называется BIOS (Basic Input / Output System – базовая система ввода/вывода).

Следует иметь в виду, что оператор и пользователь не имеют прямого доступа к аппаратным средствам ЭВМ. Все связи осуществляются только через ОС, обеспечивающую определенный уровень общения человека и машины. А уровень общения определяется в первую очередь уровнем языка, на котором оно происходит. На схеме представлена приближенная иерархия таких языков.

Проблемно-ориентированный - это язык, строго ориентированный на какуюлибо проблему (задачу моделирования сложной системы, задачу САПР и т.д.).

Процедурно-ориентированный - это язык, ориентированный на выполнение общих процедур переработки данных (Фортран, Паскаль, Бейсик и т.д.).

Машинный язык - это самый нижний уровень языка. Команды записываются в виде двоичных кодов. Адреса ячеек памяти - абсолютны. Программирование очень трудоемко.

Ассемблер- это язык более высокого уровня, использует мнемокоды (т.е. команды обозначаются буквенными сочетаниями). Запись программы ведется с использованием символических адресов, т.е. вместо численных значений адреса используются имена. За исключением первого оператора программы, который должен быть жестко привязан к физическому адресу. (Вообще более правильно говорить язык ассемблера, поскольку Ассемблер - это служебная программа, преобразующая символические имена команд и символические адреса в команды в машинном коде и числовые адреса).

Макроязык - в первом приближении его можно определить как язык процедур, написанных на языке ассемблера, т.е. когда вместо целого комплекса команд (которые часто встречаются) используется только имя (название) этого комплекса.

Язык ОС - это язык, на котором оператор может выдавать директивы ОС, вмешиваться в ход вычислительного процесса.

Пакет программно-технического обслуживания предназначен для уменьшения трудоемкости эксплуатации ЭВМ. Эти программы позволяют провести тестирование работоспособности ЭВМ и ее отдельных устройств, определять места неисправностей.

Пакеты прикладных программ - представляют собой комплексы программ для решения определенных, достаточно широких классов задач (научно-технических, планово-экономических), а также для расширения функций ОС (управление базами данных, реализация режимов телеобработки данных, реального времени и др.).

АРХИТЕКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ЭВМ.

Были разработаны и опубликованы в 1946 г. венгерским математиком и физиком Джоном фон Нейманом и его коллегами Г. Гольдстайном и А. Берксом в ставшем классическом отчете «Предварительное обсуждение логического конструирования электронного вычислительного устройства».

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.

Важнейшие для пользователя группы характеристик ЭВМ, определяющие ее архитектуру:

• характеристики машинного языка и системы команд (количество и состав команд, их форматы, системы адресации, наличие программно-доступных регистров в процессоре и т.д.), которые определяют алгоритмические возможности процессора ЭВМ;

• технические и эксплутационные характеристики ЭВМ: производительность, показатели надежности, точности, емкость памяти, потребляемая мощность, стоимость и т.д.;

• характеристики и состав функциональных модулей базовой конфигурации ЭВМ; наличие возможности подключения дополнительных модулей (сверхоперативной памяти, канала прямого доступа к памяти, арифметического расширителя и др.) с целью расширения базовой конфигурации или улучшения технических характеристик базовых модулей;

• состав программного обеспечения и принципы его взаимодействия с техническими средствами ЭВМ.

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.

Базовая функциональная схема компьютера PC

Базовая функциональная схема компьютера PC (рис. 2.1) содержит четыре основных функциональных устройства: процессор, основную память, устройства вводавывода (УВВ или периферийные устройства), системную шину (СШ). СШ содержит три группы соединительных линий, которые называются шиной адреса (ША), шиной данных (ШД) и шиной управления (ШУ). Разрядность ША, ШД, ШУ, порядок взаимодействия устройств, уровни и последовательности сигналов в СШ стандартизованы.

Управление вычислительным процессом осуществляет процессор — Central Processing Unit (CPU). ОП имеет линейно-адресную организацию. Адреса являются именами данных, которые используются в командах программ. Множество адресов, используемых в командах, образует адресное пространство (АП). Обмен информацией между устройствами по СШ называют внутримашинным обменом. В любом обмене участвуют как минимум два устройства: активное (источник) и пассивное (приемник). В PC для организации внутримашинных обменов используют два адресных пространства: АП ОП и АП УВВ.

Рассмотрим подробнее принципы организации обменов данными по СШ.

Шиной (магистралью) в ВС называют совокупность линий передачи сигналов, к которым параллельно может подключаться несколько блоков. По шине передаются адреса, данные и управляющие сигналы. Физически шина представляет собой печатные проводники, к которым подключаются одноименные входы-выходы различных блоков ВС.

ША служит для адресации ячеек памяти и регистров (портов) внешних устройств, с которыми взаимодействует процессор. Адрес по шине подается во все, подключенные к ней устройства. Все устройства содержат селекторы адреса, с помощью которых распознают собственный адрес. На обращение по шине реагирует только адресуемое устройство. Именно оно по сигналу от селектора адреса воспринимает управляющие сигналы, передаваемые по ШУ, и реализует соответствующие операции.

Различают два типа информационного обмена по СШ: ввод (чтение) и вывод (запись). Передача данных в процессор называется вводом, а от процессора — выводом.

По ШД производится обмен данными между процессором, памятью и УВВ, подключенными к шине. ШД — двунаправленная. По этой шине процессор имеет возможность как передавать информацию в другие устройства, так и получать информацию от других устройств.

В каждый конкретный момент времени информация по двунаправленной ШД может передаваться только в одном направлении, поэтому необходимо иметь специальные сигналы, указывающие это направление. Такие управляющие сигналы вырабатывает процессор. Эти сигналы определяют «режим обмена» по шине.

Все управляющие сигналы пересылаются по ШУ, в которой большинство линий — однонаправленные, а некоторые — двунаправленные. Управляющие сигналы передаются во все блоки ВС, подключенные к шине, настраивая их на нужный режим работы.