
- •Архитектура вычислительных систем. Вычислительные машины, системы и сети
- •1. Основные понятия вычислительной техники и принципы организации вычислительных систем
- •1.1. Основные понятия и определения
- •1.2. Принципы организации вычислительных машин и систем
- •1.3. Основные характеристики вычислительных машин и систем
- •1.4. Многоуровневая организация вычислительных процессов
- •Вопросы для самопроверки
- •2. Простейшие типовые элементы вычислительных машин
- •2.1. Комбинационные схемы
- •1. Конъюнкция (логическое умножение) .
- •2. Дизъюнкция (логическое сложение) .
- •3. Отрицание (инверсия) .
- •4. Конъюнкция и инверсия (Штрих Шеффера) .
- •5. Дизъюнкция и инверсия (Стрелка Пирса) .
- •6. Эквивалентность .
- •7. Отрицание эквивалентности .
- •2.2. Автоматы с памятью
- •2.3. Триггеры
- •2.4. Проблемы и перспективы развития элементной базы вычислительных машин
- •Вопросы для самопроверки
- •3. Функциональные узлы комбинационного и последовательного типов
- •3.1. Функциональные узлы последовательного типа
- •3.1.1. Регистры
- •3.1.2. Счётчики
- •3.1. Функциональные узлы комбинационного типа
- •3.2.1 Шифраторы и дешифраторы
- •3.2.2 Компараторы
- •3.2.3 Сумматоры
- •Вопросы для самопроверки
- •4. Функциональная организация процессора
- •4.1. Основные характеристики и классификация процессоров
- •4.2. Физическая и функциональная структура процессора
- •4.2.1 Операционное устройство процессора
- •4.2.2 Шинный интерфейс процессора
- •4.3. Архитектурные принципы организации risc-процессоров
- •4.4. Производительность процессоров и архитектурные способы её повышения
- •Вопросы для самопроверки
- •5. Организация работы процессора
- •5.1 Классификация и структура команд процессора
- •5.2. Способы адресации данных и команд
- •5.2.1 Способы адресации данных
- •5.2.2 Способы адресации команд
- •5.3. Поток управления и механизм прерываний
- •Вопросы для самопроверки
- •6 Современное состояние и тенденции развития процессоров
- •6.1. Архитектурные особенности процессоров Pentium
- •6.2. Программная модель процессоров Pentium
- •6.2.1. Прикладная программная модель процессоров Pentium
- •6.2.2. Системная программная модель процессоров Pentium
- •6.2.3. Система команд и режимы адресации процессоров
- •6.3. Аппаратная организация защиты в процессорах Pentium
- •6.4. Аппаратные средства поддержки многозадачности
- •6.5. Перспективы развития процессоров
- •Вопросы для самопроверки
- •7. Память. Организация памяти
- •7.1. Иерархическая организация памяти
- •7.2. Классификация запоминающих устройств
- •7.3. Структура основной памяти
- •7.4. Память с последовательным доступом
- •7.5. Ассоциативная память
- •7.6. Организация флэш-памяти
- •7.7. Архитектурные способы повышения скорости обмена между процессором и памятью
- •Вопросы для самопроверки
- •8. Управление памятью. Виртуальная память
- •8.1. Динамическое распределение памяти
- •8.2. Сегментная организация памяти
- •8.3. Страничная организация памяти
- •8.4. Сегментно-страничная организация памяти
- •Вопросы для самопроверки
- •9. Организация ввода-вывода информации. Системная шина
- •9.1. Организация шин. Системная шина
- •9.1.1. Структура системной шины
- •9.1.2. Протокол шины
- •9.1.3. Иерархия шин
- •9.2 Организация взаимодействия между периферийными устройствами и процессором и памятью вычислительных машин
- •9.3. Внешние интерфейсы вычислительных машин
- •9.3.1. Параллельный порт lpt и интерфейс Centronics
- •9.3.1. Последовательный порт com и интерфейс rs-232c
- •9.3.3. Универсальная последовательная шина usb
- •9.3.4. Беспроводные интерфейсы
- •Вопросы для самопроверки
- •Модуль 2. Вычислительные системы
- •10. Вычислительные системы параллельной обработки. Многопроцессорные и многоядерные системы
- •10.1. Параллельная обработка информации
- •10.2. Классификация систем параллельной обработки данных
- •10.2.1 Классификация Флинна
- •10.2.2. Классификация Головкина
- •10.2.3. Классификация многопроцессорных систем по
- •10.3. Вычислительные системы на кристалле. Многоядерные системы
- •10.4. Тенденции развития вс
- •Вопросы для самопроверки
- •11. Организация микроконтроллеров и микроконтроллерных систем
- •11.1. Общие сведения о системах управления
- •11.2. Организация микроконтроллеров и микроконтроллерных систем
- •11.3. Области применения и тенденции развития мк
- •Вопросы для самопроверки
- •Модуль 3. Телекоммуникационные сети
- •12. Организация компьютерных сетей
- •12.1. Обобщённая структура компьютерных сетей
- •12.2. Классификация компьютерных сетей
- •Вопросы для самопроверки
- •13. Стандартизация компьютерных сетей. Эталонная модель взаимодействия открытых систем
- •13.1. Понятие «открытой системы». Взаимодействие открытых систем
- •13.2. Эталонная модель взаимодействия открытых систем
- •13.3. Структура блоков информации
- •7. Прикладной6. Представительный5. Сеансовый4. Транспортный3. Сетевой2. Канальный1. Физический
- •Вопросы для самопроверки
- •Литература
- •Архитектура вычислительных систем. Вычислительные машины, системы и сети
1.3. Основные характеристики вычислительных машин и систем
Основными показателями, влияющими на архитектуру ВМ, являются стоимость и производительность [2].
Стоимость определяет часть цены, которую, в свою очередь, можно рассчитать по формуле 1.1:
(1.1)
Главная надбавка учитывает стоимость научно-исследовательских работ, маркетинга, прибыль.
При установившемся производстве вычислительных машин и стабильной экономике относительные доли приведённых составляющих цены достаточно устойчивы, но различаются для разных классов ВМ [2]. Например, для ПК доля стоимости элементов составляет 31, стоимости изготовления – 10, главной надбавки – 14, неучтённых расходов – 45 %.
Зная стоимость комплектующих элементов на текущий момент времени и относительные доли составляющих цены, можно оценить стоимость ВМ.
Производительность – это объём вычислительной работы, выполняемой ВМ за единицу времени. Для количественных оценок производительности используют понятия номинальной и системной производительности.
Номинальная производительность – это вектор Vн (формула 1.2):
(1.2)
где vi – быстродействие i-го устройства ВМ (чаще всего, – процессора и дисковой памяти).
Для характеристики степени использования потенциальных возможностей устройства в составе системы используется показатель загрузки i-го устройства pi (формула 1.3):
(1.3)
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 операционной системы для определённого класса задач (формула 1.4):
(1.4)
Получение достоверных оценок показателей pi весьма затруднительно, поэтому показатель системной производительности используется редко.
Чаще всего показатель производительности требуется как средство для качественного сопоставления производительности различных типов ВМ и выбора наиболее быстродействующей. Для этого используют упрощённые подходы, подробно изложенные в [2].
Ещё одной характеристикой ВМ, тесно связанной с производительностью, является быстродействие, определяемое как число операций, выполняемых в секунду. Поскольку разные команды выполняются с различной скоростью и вероятности использования каждой команды для разных классов задач различны, то говорят о среднем быстродействии ВМ для каждого класса задач, которое вычисляется по формуле 1.5:
(1.5)
где P – среднее быстродействие;
bj – все команды j-го типа;
tj – среднее время выполнения;
N – число команд для разных классов задач.
Также к основным характеристикам ВМ можно отнести операционные ресурсы и ёмкость памяти [9].
Операционные ресурсы – это перечень действий (операций), которые может выполнять ВМ при обработке информации (исходных данных):
1) система машинных
операций
;
2) система машинных
команд
,
порождающая указанную выше систему
машинных операций;
3) способы представления информации в ВМ.
Чем шире операционные ресурсы ВМ, тем шире её возможности в плане обработки информации.
Ёмкость памяти
– это объём хранилища программ и данных
ВМ. Единицы измерения – бит, байт
,
килобайт
,
мегабайт
,
гигабайт
,
терабайт
.
Ёмкость памяти
обычно
кратна 2 (
,
где
– длина адреса).
Дополнительные характеристики ВМ:
1. Надёжность – способность ВМ при определённых условиях выполнять требуемые функции в течение заданного периода времени (стандарт ISO 2382/ 14 – 78).
2. Точность – возможность различать почти равные значения (стандарт ISO 2382/ 2 – 76). Точность полученных результатов определяется, в основном, разрядностью ВМ и величиной единицы информации (байтом, словом и т.д.).
3. Достоверность – свойство информации быть правильно воспринятой. Характеризуется вероятностью получения безошибочных результатов.
По указанным признакам, а также по ряду других (например, по областям применения, поколениям) ВМ и ВС можно разбить на различные группы, с чем подробно можно ознакомиться в приведённых литературных источниках.
Перейдём к рассмотрению организации вычислительных процессов в ВМ.