• Показатель эффективности архитектурных свойств эвм.

Поколения ВТ характеризуются показателем эффективности и архитектурных свойств. Для представления эффективности ЭВМ каждого поколения можно использовать вектор E, определенный следующим образом: совокупность 4х координат

E = {ω, ν, υ, σ}, где

ω – показатель производительности (среднее число операций, выполняемых ЭВМ в секунду),

ν - емкость ОЗУ (в битах),

υ - среднее время работы ЭВМ (работы до отказа, в часах),

σ - цена операции, определяется как отношение цены ЭВМ к ее показателю производительности.

• Первое поколение (1949-1951[формирование поколений])

ω = 10⁵ опер/с

ν = 10⁶ бит

υ = 10 час

σ = 10 дол/(опре*с^-1)

ЭВМ предназначались для последовательной обработки информации в однопрограммном режиме.

Разнообразие ЭВМ определяется возможностями реализации концептуальной ЭВМ Фон-Неймана, хорошо известной нам в современном понимании, представляющей собой архитектуру общей шины, к которой подключаются все устройства. Алгоритм управления вычислительными процессами универсально и последовательно адаптировали под фиксированную структуру ЭВМ. Алгоритм закладывался в аппаратное обеспечение ЭВМ при ее конструировании и оставался неизменным в течении всего ее существования.

Возможности ПО были примитивны. Использовались машинные языки для записи алгоритма обработки информации и стандартизации программ.

Элементная база – электронные лампы.

Рис. Поколения ЭВМ.

На рисунке представлены авторы разработок поколений, 2 исчисления и элементная база.

IV и V фоктически можно определить в одно поколение.

Существует в целом два подхода классификации ЭВМ по поколениям:

в рамках первого считается, что поколений 4, в рамка второго — 5.

Первое поколение реализованно на базе эл. Механического реле, и не является электронным вычислитеным средством обработки.

• Второе поколение (1955-1966[формирование поколений])

ω = 10⁶ опер/с

ν = 10⁷ бит

υ = 10² час

σ = 10⁰ дол/(опре*с^-1)

Способ обработки данных в ЭВМ второго поколения остается последовательным. В это поколение внедряется мультипрограммирование. Его особенностью являлась реализация размещения в машине набора последовательности программ, решение которых оставалось последовательным.

Процессор ЭВМ второго поколения позволял одновременно выполнять только одну команду. При этом допускалась параллельная работа внешних устройств.

Такой способ реализации позволил снизить простои процессора и повысить производительность ЭВМ. ЦП продолжает выполнять программу, а ВУ вводит или выводит данные.

Опр.: мультипрограммный режим – режим обработки данных при котором ресурсы ЭВМ используются более чем одной программой. В вычислительные ресурсы ЭВМ входят: ресурс производительности процессора, ресурс по объему памяти (оперативная, внешняя), пропускная способность коммуникационных каналов (внутренних и внешних).

Наиболее быстродействующей является оперативная память. По внутренним каналам передачи данных в ЭВМ скорость передачи данных такая же или выше, чем по внешним.

Устройство и структура ЭВМ второго поколения не претерпели серьезных модификаций. По сравнению с первым поколением в процессор введены устройство ускорения арифметических операций, средства прерывания для обеспечения работы ЭВМ в реальном времени, что было востребовано при управлении объектами, технологическими процессами, научными экспериментами. В основе архитектуры ЭВМ по прежнему остаётся модель вычислителя фон Неймановского типа.

В структуре ЭВМ появились устройства для подключения каналов удаленного доступа. Абонентские пульты находились в непосредственной близости от пользователей, к ним подключалось несколько устройств ввода и вывода информации. Сами абонентские пульты находились на значительном расстоянии от ЭВМ и были связаны с ней каналами передачи данных.

Алгоритм управления вычислительными процессами был трансформирован в последовательно-параллельный, при котором допускалось совместимость во времени выполнения программ процессора и работы внешних устройств.

ОС представляла собой реализацию диспетчера, который позволял управлять ресурсами ЭВМ. При разработке ЭВМ внедрялись элементы проектирования для разработки печатной платы.

Способ обработки информации в ЭВМ 1го и 2го поколений был последовательно процедурным. Процедурная обработка основывалась на фиксированной системе команд, обладающей полнотой для обеспечения универсальности ЭВМ и заключающейся в представлении любого алгоритма преобразования данных в виде программы, состоящей из последовательности команд ЭВМ. Процедурный способ обработки данных характеризуется тем, что время выполнения команды зависит от адекватности системы задач ЭВМ к решению задачи. При этом возникают накладные расходы, связанные с выбором команды из памяти ее дешифрации.

При выполнении каждой команды можно выделить определённые фазы (этапы, ступени):

1) Дешифрация кода операции команды.

2) Дешифрация кода операнда 1.

3) Дешифрация кода операнда 2.

4) Выполнение операции команды.

5) Запись результата выполнения операции команды (в регистр, в память, изменение слова состояния процессора – запись признаков выполненной операции).

В разных ОС количество фаз выполнения команды и их содержание может быть различным. Но уже из этого списка фаз видно, что выполнение операции осуществляется во время выполнения только 1 из фаз.

Во время 2го поколения ЭВМ зарождаются виды архитектуры с полным набором команд, а затем и с сокращённым (упрощённым) набором команд.

Виды архитектур:

CISC (complex instruction Set Command) – полный набор команд -> сложные команды (арифметические операции, операции с памятью – ОЗУ -> ЦП; ЦП -> ОЗУ, перемножение и скалярное произведение векторов) и простые.

Простые команды – это операции со скалярными данными.Они представляют из себя арифметические, логические и другие операции, операции с памятью по записи, перезаписи и чтению простых скалярных данных.

Сложные команды в качестве операндов могут использовать наборы данных, векторы, отдельные данные. Результатом сложной операции может быть набор данных или отдельные данные.

CISC процессор реализовывает сложные команды позволяющие с помощью одной операции выполняющие обработку данных представляющие собой вектора и массивы данных (вектор — одномерный массив)

Вместо использование одноц команды можно взять из системы команд, команды сложения, умножения и пересылки данных, проверки условия и с помощью программных циклов и выполнить эти операции с пмощью большого количества повторных команд, в следствии ограничения количества регисторов в ЦП, придется переодически их разгружать и загружать данные из памяти. Таким образом CISK процессора имеет в системе команд, как простые так и сложные команды, которые выполняются за различное количество рабочих тактов ЦП, причем количество рабочих тактов сложных команд может зависеть от размерности операнда(количество элементов ) и результатов, поэтому для CISK процессора существует понятие среднего количества тактов рабочего ЦП за одну команду. Средняя производительность CISK процессора может быть определена, как тактовая частота на среднее количество тактов.

RISC (Reduced Instruction Set Command) – упрощенный (сокращённый) набор команд -> простые команды (арифметические операции и операции с памятью).RISK процессор, характерезуется обязательным условием, по которому все команды выпоняются за один такт не зависимо от их сложности, это обеспечивается наличием на кристалле аппаратного умножителя устройств барабанного цикличного сдвига данных . Все команды в RISK делятся на три группы: «загрузка данных в регистр», «обработка данных в регистре», «выгрузка данных из регистра в память». Таким образом все командны RISK- процессора, являются простыми и выполняется за один такт.

Условная средняя производительность(ТРЧ) — это среднее количество тактов на одну операцию деленая на ТРЧ. Производительность (ТРЧ – тактовая рабочая частота) – среднее количество тактов на одну операцию. Сложные команды выполняются за большое число тактов, простые – за маленькое. Из оценки производительности видно. Что машина с CISC архитектурой должна иметь высокую тактовую рабочую частоту.

Одним из способов достижения на практике высокой тактовой рабочей частоты является совершенствование технологии производства СБИС, связанное с уменьшением технологических норм. Для обеспечения высокой производительности МП с RISC архитектурой не требуется значительного роста тактовой рабочей частоты.

Развитие систем команд – усложнение: обработка 1 данного, 2 операндов, вообще без операндов; как можно большая обработка данных на фазе выполнения.

RISC – только команды выполнения операций с данными, записанными в регистр ЦП. Как правило, это 1 или 2 данных (операнда). Результат – также записывается в регистр ЦП. Чтобы загружать данные в регистры из памяти, используются команды и программы загрузки. Чтобы разгрузить регистры ЦП (ограниченное количество) – команды записи данных из регистров в память. Это – 3 основные группы команд RISC-архитектуры.

Для повышения производительности ЭВМ с CISC-архитектурой, требуется постоянно повышать тактовую рабочую частоту (ТРЧ). При выполнении команд CISC-архитектуры требуется большое количество рабочих тактов ЦП. Реальную производительность ЦП можно оценить по среднему количеству тактов, приходящихся на 1 операцию. Сложные команды выполняются за большое число рабочих тактов. Простые – за 1 или несколько тактов. Из оценки производительности по среднему количеству тактов на 1 операцию видно, что машина с CISC-архитектурой должны иметь высокую ТРЧ, чтобы конкурировать с машинами RISC-архитектуры. Однако следует помнить, что 1 команда машины с CISC-архитектурой может заменить несколько команд машины с RISC-архитектурой. ЦСП выполняет 1 команду за 1 рабочий такт, поэтому, ТРЧ у них почти на порядок ниже, чем у машин с СISC-архитектурой.

Одним из способов достижения на практике высокой ТРЧ является совершенствование технологии производства СБИС, связанное с уменьшением технологических норм производства. Для обеспечения высокой производительности МП и RISC-архитектурой не нужно большого роста ТРЧ.

С уменьшением технологических норм появляются возможности не только повысить ТРЧ, но и разместить на кристалле дополнительные устройства, которые могут работать одновременно и параллельно с аналогичными или другими устройствами. На кристалле размещаются дополнительные ядра ЦП, аппаратные ускорители выполнения операций умножения, сдвига данных, буферы команд и данных, коммутатор ОШ, каналы прямого доступа в память, интерфейсы связи с Host-процессором (главным), программируемые контроллеры ввода\вывода, интерфейсы доступа в общую память нескольких МП или ЦСП (параллельные) и интерфейсы внешних Линковых каналов (последовательные).