Аппаратные средства вычислительной техники. Ч.1. Лабораторный практикум
.pdfПостроить на одном графике все зависимости времени работы трех устройств, а на другом графике – все зависимости величины загрузки этих устройств.
Задание 3. Определить зависимости ТП, ТВЗУ, ТОП и SП, SВЗУ, SОП для процессора, ВЗУ и ОП, где аргумент – числа обращений к файлу n1 и n2 для каждой задачи меняются одновременно от 2 до 10 с шагом 2.
Параметры: все остальные значения параметров компьютера берутся из табл. 5.1 по номеру варианта.
Выполнить два варианта:
а) операция «Чтение» из ВЗУ в ОП; б) операция «Запись» из ОП в ВЗУ.
Построить на одном графике все зависимости времени работы трех устройств, а на другом графике – все зависимости величины загрузки этих устройств.
Задание 4. Определить зависимости ТП, ТВЗУ, ТОП и SП, SВЗУ, SОП для процессора, ВЗУ и ОП, где аргумент – число n1 обращений к файлу для первой задачи меняется от 2 до 10 с шагом 2. Число обращений n2 к файлу для второй задачи устанавливается равным 10.
Параметры: все остальные значения параметров компьютера берутся из табл. 5.1 по номеру варианта.
Выполнить два варианта:
а) операция «Чтение» из ВЗУ в ОП; б) операция «Запись» из ОП в ВЗУ.
Построить на одном графике все зависимости времени работы трех устройств, а на другом графике – все зависимости величины загрузки этих устройств.
Задание 5. Определить зависимости ТП, ТВЗУ, ТОП и SП, SВЗУ, SОП для процессора, ВЗУ и ОП, где аргумент – длины записей в файле LR1 и LR2 для каждой задачи меняются одновременно от 2 до 10 с шагом 2.
Параметры: все остальные значения параметров компьютера берутся из табл. 5.1 по номеру варианта.
Выполнить два варианта:
а) операция «Чтение» из ВЗУ в ОП;
60
б) операция «Запись» из ОП в ВЗУ.
Построить на одном графике все зависимости времени работы трех устройств, а на другом графике – все зависимости величины загрузки этих устройств.
Задание 6. Определить зависимости ТП, ТВЗУ, ТОП и SП, SВЗУ, SОП для процессора, ВЗУ и ОП, где аргумент – длина записи в файле LR1
для первой задачи меняется от 2 до 10 с шагом 2. Длина записи LR2 для второй задачи устанавливается равной 10.
Параметры: все остальные значения параметров компьютера берутся из табл. 5.1 по номеру варианта.
Выполнить два варианта:
а) операция «Чтение» из ВЗУ в ОП; б) операция «Запись» из ОП в ВЗУ.
Построить на одном графике все зависимости времени работы трех устройств, а на другом графике – все зависимости величины загрузки этих устройств.
Задание 7. Определить зависимости ТП, ТВЗУ, ТОП и SП, SВЗУ, SОП для процессора, ВЗУ и ОП, где аргумент – пропускная способность
шины ОП VШОП меняется от 0,5 до 3 с шагом 0,5.
Параметры: а) параметры первой задачи устанавливаются по умолчанию; б) для второй задачи параметр К – число процессорных команд принимает значения: 50; 100; 200. Все остальные значения параметров компьютера берутся из табл. 5.1 по номеру варианта.
Выполнить два варианта:
а) операция «Чтение» из ВЗУ в ОП; б) операция «Запись» из ОП в ВЗУ.
Построить на одном графике все зависимости времени работы трех устройств, а на другом графике – все зависимости величины загрузки этих устройств.
2. Для трех задач
Задание 8. Определить зависимости ТП, ТВЗУ, ТОП и SП, SВЗУ, SОП для процессора, ВЗУ и ОП, где аргумент – числа процессорных команд К1, К2 и К3 для каждой задачи меняются одновременно от 20 до
100 с шагом 10.
61
Параметры: все остальные значения параметров компьютера берутся из табл. 5.1 по номеру варианта.
Выполнить два варианта:
а) операция «Чтение» из ВЗУ в ОП; б) операция «Запись» из ОП в ВЗУ.
Построить на одном графике все зависимости времени работы трех устройств, а на другом графике – все зависимости величины загрузки этих устройств.
Задание 9. Определить зависимости ТП, ТВЗУ, ТОП и SП, SВЗУ, SОП для процессора, ВЗУ и ОП, где аргумент – число процессорных команд К3 для третьей задачи меняется от 20 до 100 с шагом 10. Количество команд К1 и К2 для первой и второй задач устанавливаются равными 100.
Параметры: все остальные значения параметров компьютера берутся из табл. 5.1 по номеру варианта.
Выполнить два варианта:
а) операция «Чтение» из ВЗУ в ОП; б) операция «Запись» из ОП в ВЗУ.
Построить на одном графике все зависимости времени работы трех устройств, а на другом графике – все зависимости величины загрузки этих устройств.
Задание 10. Определить зависимости ТП, ТВЗУ, ТОП и SП, SВЗУ, SОП для процессора, ВЗУ и ОП, где аргумент – числа обращений к файлу n1, n2 и n3 для каждой задачи меняются одновременно от 2 до 10 с шагом 2.
Параметры: все остальные значения параметров компьютера берутся из табл. 5.1 по номеру варианта.
Выполнить два варианта:
а) операция «Чтение» из ВЗУ в ОП; б) операция «Запись» из ОП в ВЗУ.
Построить на одном графике все зависимости времени работы трех устройств, а на другом графике – все зависимости величины загрузки этих устройств.
62
Задание 11. Определить зависимости ТП, ТВЗУ, ТОП и SП, SВЗУ, SОП для процессора, ВЗУ и ОП, где аргумент – число обращений к файлу n3 для третьей задачи меняется от 2 до 10 с шагом 2. Числа n1 и n2 обращений к файлу для первой и второй задач устанавливаются равны-
ми 10 (максимум).
Параметры: все остальные значения параметров компьютера берутся из табл. 5.1 по номеру варианта.
Выполнить два варианта:
а) операция «Чтение» из ВЗУ в ОП; б) операция «Запись» из ОП в ВЗУ.
Построить на одном графике все зависимости времени работы трех устройств, а на другом графике – все зависимости величины загрузки этих устройств.
Задание 12. Определить зависимости ТП, ТВЗУ, ТОП и SП, SВЗУ, SОП для процессора, ВЗУ и ОП, где аргумент – длины записи в файле LR1, LR2 и LR3 для каждой задачи меняются одновременно от 2 до 10 с шагом 2.
Параметры: все остальные значения параметров компьютера берутся из табл. 5.1 по номеру варианта.
Выполнить два варианта:
а) операция «Чтение» из ВЗУ в ОП; б) операция «Запись» из ОП в ВЗУ.
Построить на одном графике все зависимости времени работы трех устройств, а на другом графике – все зависимости величины загрузки устройств.
Задание 13. Определить зависимости ТП, ТВЗУ, ТОП и SП, SВЗУ, SОП для процессора, ВЗУ и ОП, где аргумент – длина записи в файле LR3 для третьей задачи меняется от 2 до 10 с шагом 2. Длины записи LR1 и LR2 для первой и второй задач устанавливаются равными 10 (максимум).
Параметры: все остальные значения параметров компьютера берутся из табл. 5.1 по номеру варианта.
Выполнить два варианта:
а) операция «Чтение» из ВЗУ в ОП; б) операция «Запись» из ОП в ВЗУ.
63
Построить на одном графике все зависимости времени работы трех устройств, а на другом графике – все зависимости величины загрузки устройств.
Таблица 5.1
Значения параметров
№ |
РЦП |
EОП |
EВЗУ |
VСШ |
VСМ |
VЮМ |
VШОП |
VВЗУ |
NВЗУ |
К |
n |
LF |
LR |
варианта |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
2 |
2 |
10 |
4 |
3 |
5 |
5 |
0 |
100 |
2 |
100 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
5 |
4 |
3 |
5 |
6 |
4 |
10 |
5 |
1 |
200 |
3 |
200 |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
10 |
6 |
4 |
10 |
8 |
5 |
5 |
4 |
0 |
300 |
4 |
100 |
10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
20 |
4 |
3 |
5 |
10 |
6 |
10 |
3 |
1 |
100 |
5 |
200 |
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
10 |
2 |
2 |
10 |
4 |
5 |
5 |
5 |
0 |
200 |
6 |
100 |
6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
5 |
1 |
3 |
5 |
6 |
4 |
10 |
4 |
1 |
300 |
7 |
100 |
9 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7 |
2 |
2 |
4 |
10 |
8 |
3 |
5 |
3 |
0 |
200 |
8 |
200 |
7 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8 |
5 |
4 |
3 |
5 |
10 |
2 |
10 |
5 |
1 |
100 |
9 |
200 |
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
9 |
10 |
6 |
2 |
10 |
4 |
5 |
6 |
4 |
0 |
200 |
10 |
100 |
6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10 |
20 |
4 |
3 |
5 |
6 |
6 |
10 |
3 |
1 |
300 |
8 |
200 |
7 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
11 |
5 |
2 |
4 |
10 |
8 |
5 |
5 |
3 |
0 |
200 |
6 |
100 |
8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
12 |
2 |
1 |
2 |
5 |
10 |
4 |
10 |
4 |
1 |
100 |
4 |
200 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА О ВЫПОЛНЕННОЙ РАБОТЕ
Отчет должен содержать следующее:
1.Название и цель работы.
2.Исходные данные.
3.Графики зависимостей времени работы устройств и их загрузки от изменяемых параметров.
4.Выводы о влиянии параметров задач на характеристики исследованной подсистемы.
5.Выводы о влиянии параметров устройств на характеристики исследованной подсистемы.
Контрольные вопросы
1.Какие режимы ввода-вывода поддерживаются в компьютере?
2.Какое устройство управляет прямым доступом в память?
3.Перечислите основные операции, выполняемые при чтении данных из ВЗУ.
4.Какие операции выполняются при записи данных в файл на ВЗУ?
64
5.Каковы преимущества прямого доступа в память?
6.Как влияет наличие второй программы на характеристики компьютера при ПДП?
7.Как влияет выполнение трех программ на характеристики компьютера при ПДП?
8.Как влияет длина исполняемых программ на характеристики компьютера при ПДП?
9.Как влияет количество обращений к файлам на характеристики компьютера при ПДП?
10.Как влияет длина записи файлов на характеристики компьютера при
ПДП?
11.Чем занят центральный процессор при выполнении прямого доступа к
памяти?
12.Как влияет быстродействие процессора на характеристики компьютера при ПДП?
13.Как влияет пропускная способность системной шины на характеристики компьютера при ПДП?
14.Как влияет пропускная способность шины памяти на характеристики компьютера при ПДП?
15.Как влияет пропускная способность шины ВЗУ на характеристики компьютера при ПДП?
16.Как влияет тип операции обращения к ВЗУ на характеристики компьютера при ПДП?
65
Лабораторная работа № 6 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИНЦИПОВ КОНВЕЙЕРНОЙ ОБРАБОТКИ КОМАНД
Краткая теория
Цель работы. Изучение принципов конвейерной обработки с помощью простейшей имитационной модели.
Максимальная производительность современных процессоров и ЭВМ определяется, в первую очередь, уровнем развития соответствующей технологии, которая ограничивает время распространения сигнала по электронным схемам. Дальнейшее увеличение производительности возможно за счёт архитектурных решений. Одним из основных способов построения высокопроизводительных систем является параллелизм [2, 4].
Параллельная обработка реализуется двумя способами:
–во времени;
–в пространстве.
Первый способ называют конвейерным, а второй – матричным. В обоих случаях необходимо использовать несколько обрабатывающих устройств, количество которых определяет максимальное число параллельных процессов.
Известно, что типичную арифметическую команду можно разделить на следующие микрооперации:
1)выборка команд из памяти (по адресу в счётчике команд);
2)декодирование кода операции;
3)выборка операндов из регистров;
4)выполнение операции в АЛУ;
5)запоминание результата в регистре.
Если система содержит 5 обрабатывающих устройств, каждое из которых обеспечивает выполнение одной из перечисленных микроопераций, то имеется возможность реализовать конвейерную обра-
66
ботку. Устройства должны быть специализированными. Их необходимо расположить в порядке следования микроопераций в типовой команде, что позволит совместить выполнение отдельных микроопераций разных команд и сократить общее время обработки данных.
Если предположить, что каждая микрооперация занимает один такт машинного времени, то реализация последовательности из нескольких (например, трёх) команд с совмещением может быть представлена в виде схемы, представленной на рис. 6.1. Из рисунка видно, что результат первой команды будет получен после 5-го такта, второй
– после 6-го, а третьей – после 7-го. Таким образом, среднее время выполнения последовательности из трех команд будет равно 2.33 такта. С увеличением длины последовательности это время уменьшается и в пределе стремится к 1 такту. Такой эффект наблюдается только при одинаковых длительностях микроопераций. Если эти длительности отличаются, то некоторые устройства будут простаивать, и среднее время выполнения команды увеличится. Для согласования работы устройств в таких условиях применяют буферизацию.
|
|
(1) |
(2) |
(3) |
(4) |
(5) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(1) |
(2) |
(3) |
(4) |
(5) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(1) |
(2) |
(3) |
(4) |
(5) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Такты |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
Рис. 6.1. Возможное совмещение во времени микроопераций при выполнении трех последовательных команд
(в скобках указаны номера микроопераций)
Эффективность работы произвольного конвейера определяется величиной разности между средним временем выполнения команды в нем и предельным временем. Целью предлагаемой лабораторной работы является исследование влияния длины последовательности команд и соотношения длительностей отдельных микроопераций на эффективность работы конвейера.
67
Описание лабораторной установки
Лабораторная работа выполняется на персональном компьютере с ОС Windows. Программа имитационного моделирования конвейера команд составлена на языке Delphi 3.0 и позволяет выполнить следующие исследования [4]:
1.Варьировать количество команд в последовательности от 3 до 10 (по умолчанию их 3).
2.Изменять количество тактов любой микрооперации в диапазоне от 1 до 30. По умолчанию эти значения равны единице.
3.Установить один из двух режимов моделирования: непрерывно или по тактам. По умолчанию моделирование осуществляется в непрерывном режиме.
В имитационной модели последовательность микроопераций в команде (занятость соответствующих устройств) для наглядности изображена разными цветами, как показано на рис. 6.2, а простой устройства (ожидание прихода очередной команды) представлен черным цветом. Изменение параметров команд и микроопераций сопровождается соответствующим изменением схемы их выполнения, которая выводится на экран. При варьировании параметров микрооперации изменяется ширина ее поля на схеме.
Выборка |
Декодирование |
Выборка |
Выполнение |
Запись |
команды |
команды |
операндов |
операции |
результата |
(1) |
(2) |
(3) |
(4) |
(5) |
желтый |
голубой |
синий |
красный |
светло-зеленый |
|
|
|
|
|
Рис. 6.2. Представление последовательности микроопераций при моделировании типовой команды
Исполняемый модуль программы моделирования имеет имя Labcv и находится в папке Лаб_6. Его запуск осуществляется традиционным способом. После запуска на экране появляется основное окно, которое позволяет задать параметры модели и режим моделирования. Все пере-
68
численные значения и режимы устанавливаются с помощью соответствующих кнопок, как это принято в Windows. Если запуск модели был осуществлён в тактовом режиме, то каждый раз для продолжения работы необходимо нажимать на кнопку «Следующий такт».
Во время работы программы в обоих режимах на экране цветом представляется реализация команд, выводится количество завершенных на данный момент тактов, среднее время выполнения команды и суммарный простой устройств в тактах. Работа модели прекращается, если выполнены все команды заданной последовательности. При этом программа автоматически завершает работу и осуществляет подсчёт и вывод всех характеристик:
−среднего времени выполнения одной команды;
−суммарного времени ожидания устройств в системе;
−графиков зависимости среднего времени выполнения команды от количества команд и от длительностей каждой из пяти микроопераций в команде;
−пяти графиков зависимости среднего времени ожидания каждого обрабатывающего устройства от длительностей любой из пяти микроопераций в команде.
Перечисленные графики выводятся после нажатия кнопки «Графики» в соответствующие окна, которые можно расположить каскадом и просматривать в любой последовательности, нажав соответствующую кнопку.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ
Подготовка к работе
1.Знакомство со всеми разделами руководства.
2.Получение у преподавателя задания на исследование конвейера с различными параметрами потока команд.
3.Исследование заданного конвейера.
4.Оформление отчета.
69