Информатика в техническом университете / Информатика в техническом университете. Компьютерная графика

2. /. Общие сведения об ЭВМ

ся наборы задач, предлагаемые независимой и некоммерческой организацией Standard Performance Evaluation Corporation (SPEC). Оценки производительности большинства современных ЭВМ, публикуемые этой организацией, являются достаточно объективными и надежными в отличие от оценок, приводимых производителями микропроцессоров и ЭВМ. Существует также ряд организаций (например, www.ixbt.com), проводящих сравнительное тестирование ЭВМ на различных популярных задачах и публикующих результаты тестирования.

Емкость ОЗУ определяет возможности ЭВМ выполнять сложные программы, обрабатывающие большие объемы данных. Емкость ОЗУ измеряется в байтах, килобайтах (1 Кбайт = 1024 байт), мегабайтах (1 Мбайт = 1024 Кбайт) и гигабайтах (1 Гбайт = 1024 Мбайт). Емкость ОЗУ у ЭВМ, используемых для обработки графической информации, колеблется от десятков мегабайт до единиц гигабайт.

Емкость ВЗУ определяет возможности ЭВМ по хранению и архивированию больших объемов данных и определенного числа программ, характеризующего универсальность ЭВМ. Емкость ВЗУ у ЭВМ, используемых для обработки графической информации, составляет от десятков гигабайт до единиц терабайт.

Пропускная способность подсистемы ввода-вывода определяет возможности ЭВМ по обмену информацией с периферийными устройствами (ПУ) ЭВМ и другими устройствами. Она измеряется максимальным числом единиц информации, передаваемых через подсистему ввода-вывода за единицу времени. Реальная пропускная способность подсистемы ввода-вывода современных ЭВМ измеряется от сотен килобайт до десятков гигабайт в секунду.

Другие параметры ЭВМ характеризуют надежность функционирования, стоимость приобретения и эксплуатации ЭВМ и т. п. В популярной литературе часто приводятся параметры, относящиеся обычно к отдельным устройствам. Например, значения тактовой частоты центрального процессора ЭВМ, тактовой частоты системной шины, емкости памяти видеоадаптера, емкости кэш-памяти второго уровня и т. п.

2.1.2. Классификация ЭВМ

ЭВМ можно классифицировать по различным признакам. ЭВМ, используемые для обработки графической информации можно разделить на две группы — универсальные (общего назначения) и специализированные. Большинство ЭВМ, оперирующих с ГИ, относятся к универсальным, а специализированные ЭВМ предназначены для решения узкого круга очень сложных задач КГ. Примером специализированных графических ЭВМ может служить многопроцессорная суперЭВМ Onyx4 UltimateVision фирмы Silicon Graphics, содержащая от 2 до 64 ЦП и от 2 до 32 графических процессоров.

Часто ЭВМ классифицируют по числу обрабатываемых потоков команд и потоков данных. Эта классификация была предложена Флинном (Flinn) в 1955 г.

73

ком команд и обрабатывающий единственный поток данных. Структура такого компьютера приведена на рис. 2.1;

•SIMD (Single Instructions — Multiple Data) — многопроцессорный компьютер, управляемый единственным потоком команд (т. е. все процессоры одновременно выполняют одну и ту же команду или пропускают ее) и обрабатывающий несколько потоков данных. В таких компьютерах процессоры соединены в виде матрицы, возможно, многомерной или одномерной, где каждый процессор обрабатывает собственный поток данных. В системе команд многих современных процессоров имеется набор SIMD-операций, предназначенных для работы с векторами и используемых для обработки графической информации. Структура матричного компьютера изображена на рис. 2.2;

•MISD (Multiple Instructions — Single Data) — многопроцессорный компьютер, управляемый несколькими потоками команд (т. е. все процессоры одновременно выполняют команды, относящиеся к разным потокам) и обрабатывающий единственный поток данных. В этих компьютерах процессоры соединены в конвейер и результаты с выхода одного процессора поступают на вход следующего. Ряд узлов современных процессоров организован также в виде конвейера. Структура конвейерного компьютера приведена на рис. 2.3;

•MIMD (Multiple Instructions — Multiple Data) — многопроцессорный компьютер, управляемый несколькими потоками команд и обрабатывающий много потоков данных. В таких компьютерах процессоры могут быть соединены в ви-

Подсистема ввода-вывода

Рис. 2.2. Структура матричного компьютера

74

2. Технические средства компьютерной графики

Рис. 2.5. Суперкомпьютер BlueGene/L фирмы IBM

числений, таких как моделирование атмосферных явлений, решение астрономических задач, прогнозирование погоды, разведка нефтяных и газовых месторождений и т. п. Как правило, суперкомпьютеры создаются под конкретные задачи или научные программы и изготавливаются в единичных экземплярах из серийных комплектующих. Суперкомпьютеры содержат сотни и тысячи процессоров, имеют большую оперативную память и очень высокое быстродействие. Они состоят из большого количества различных аппаратных средств, стоят десятки миллионов долларов, занимают большие помещения, а иногда и специально построенные здания (рис. 2.5).

Многие современные суперкомпьютеры созданы по кластерной технологии (Cluster). По этой технологии компьютер строится из нескольких десятков вычислительных машин, связанных между собой и функционирующих как единая система. Кластерные суперкомпьютеры легко масштабируются и позволяют получать высокое быстродействие и высокую готовность.

Быстродействие суперкомпьютеров обычно измеряется во ФЛОПСах (FLOPS — Floating Point Operations Per Second). ФЛОПС — количество арифметических операций с плавающей запятой, выполняемых в секунду. Производные единицы: 1 МегаФЛОПС (МФЛОПС) = 1 млн арифметических операций в секунду. 1 ГигаФЛОПС (ГФЛОПС) = 1 млрд арифметических операций в секунду; 1 ТераФЛОПС (ТФЛОПС) = 1 трлн арифметических операций в секунду.

Организация ТОР500 Supercomputer sites (www.top500.org) с 1993 г. дважды в год публикует статистику по 500 наиболее мощным суперкомпьютерам, определяя их производительность на тестовой программе High-Performance Unpack Benchmark (HPL) решения системы алгебраических уравнений. Характеристики пяти лучших компьютеров по данным на ноябрь 2006 г. приведены в табл. 2.1.

Мэйнфреймы — высокопроизводительные компьютеры с большими вычислительными ресурсами, способные решать сложные задачи, обрабатывать большие объемы данных и выполнять обработку нескольких тысяч запросов одновременно.

76

Конструктивно мэйнфреймы выполняются в едином корпусе в форме шкафа или тумбы (отсюда и их название), к которому могут подключаться многочисленные терминалы (рис. 2.6). Как правило, мэйнфреймы отличаются очень высокой надежностью.

Мэйнфреймы обычно используют для хранения и обработки больших баз данных, а также для создания крупных webузлов с большим количеством клиентов.

Серверы — компьютеры, которые в вычислительных сетях являются центральными управляющими и информационными узлами. На серверах хранится большое количество информации, в том числе и графической, которую могут использовать все компьютеры, подключенные к сети, в зависимости от их статуса.

Сервер определяет работоспособность всей сети, сохранность баз данных и другой информации, поэтому серверы имеют систему хранения данных, отличающуюся большой емкостью и высокой надежностью, возможность замены неисправных блоков

при непрерывной работе («горячая» замена)

77

2. /. Общие сведения об ЭВМ

Рис. 2.9. Персональная рабочая станция

разнообразными устройствами для ввода графической информации и манипулирования изображениями — от простой мыши до больших графических планшетов или специальных шлемов для работы в режиме виртуальной реальности.

Персональные рабочие станции — графические рабочие станции, выполненные на вычислительной платформе, используемой в персональных ЭВМ, как правило, это платформа WINTEL. Вычислительная платформа — совокупность центрального процессора (в данном случае — микропроцессор фирмы Intel) и ОС (в этом случае — вариант ОС Windows фирмы Microsoft). Обычно в качестве персональных рабочих станций используются высокопроизводительные персональные ЭВМ, укомплектованные дополнительными периферийными устройствами в зависимости от назначения станции (рис. 2.9).

Персональные компьютеры (ПК) — компьютеры, предназначенные для индивидуального использования одним пользователем автономно или в сети совместно с другими компьютерами. Персональные компьютеры бывают настольные, переносные и карманные. С точки зрения аппаратной и программной совместимости большинство современных ПК совместимы с IBM PC.

Персональные настольные компьютеры предназначены для работы в лабораторных условиях, в офисе или кабинете. Их располагают непосредственно на рабочем месте, обычно на столе, в соответствии с их названием. Это наиболее распространенные компьютеры, составляющие большую часть всех компьютеров в мире. Настольные персональные ЭВМ в зависимости от их возможностей и назначения можно разделить на профессиональные, офисные, учебные и бытовые.

Как правило, конструктивно настольные компьютеры и рабочие станции состоят из центральной части — системного блока — монитора, клавиатуры и мыши, подключенных к системному блоку. Конструктивное оформление системного блока отличается большим разнообразием — от классического горизонтального или вертикального до самых экзотических решений дизайнеров (рис. 2.10). В некоторых моделях ПК монитор и системный блок совмещены.

79

2. Технические средства компьютерной графики

<N»

Рис. 2.10. Настольный компьютер с вертикальным (а) и горизонтальным (б) системным блоком

Переносные (мобильные) персональные компьютеры широко используются наравне с настольными компьютерами. Современные переносные компьютеры часто называют ноутбуками (от англ. notebook), или блокнотными компьютерами. Ноутбук функционально аналогичен настольному ПК и часто не уступает ему по техническим параметрам. В ноутбуках используется такое же ПО и ОС, что и в настольных ПК. Основная особенность ноутбука — возможность автономной работы с питанием от встроенного аккумулятора. Это позволяет использовать ноутбук в различных условиях при отсутствии питающей сети. Конструктивно ноутбук содержит жидкокристаллический дисплей, клавиатуру, совмещенную с системным блоком, жесткий диск и оптический дисковод (CD-ROM, CD-RW или комбинированный DVD+RW). Рядом с клавиатурой размещается манипулятор для управления курсором. Размеры ноутбуков соответствуют портфелю или небольшой сумке.

Широкое распространение ноутбуков сдерживалось их высокой стоимостью по сравнению с настольными компьютерами, однако по мере развития технологии изготовления для них комплектующих их стоимость снижалась, что обусловило повышение спроса и интенсивное развитие их производства. В настоящее время все основные производители настольных компьютеров предлагают большое число моделей ноутбуков, отличающихся функциональными возможностями

истоимостью. Более того, за последние годы появились новые виды ноутбуков:

•мультимедийные — отличаются достаточной производительностью и функциональными возможностями, необходимыми для комфортного решения большинства задач мультимедиа: качественное воспроизведение фильмов с DVD с многоканальным звуком; воспроизведение музыки на Hi-Fi уровне; редактирование и монтаж видеофайлов; 3D игры в высоком разрешении; большой экран с широкими углами обзора (как правило, 17" по диагонали); полный набор коммуникационных возможностей и интерфейсных портов; удобная полноразмерная клавиатура. Их стоимость обычно превышает 2500 долл.;

80

2. /. Общие сведения об ЭВМ

Рис. 2.11. Субноутбук (а) и планшетный ноутбук (б)

•субноутбуки — самые компактные и легкие модели (размеры менее 11", вес до 2 кг, диагональ дисплея до И") с достаточно высокой функциональностью, предназначенные в первую очередь тем, кто часто путешествует. Субноутбук может обеспечить неплохую комфортность в работе, однако высокой производительности от подобных компьютеров ожидать не следует. Часто их возможности ограничены офисными приложениями, интернет-браузером, почтовым агентом и прочими не особо требовательными к ресурсам приложениями (рис. 2.11, а). Их стоимость составляет около 2000 долл.;

•планшетные ПК (Tablet PC) — по оснащенности и габаритным размерам близки к субноутбукам, но оснащены сенсорным экраном, позволяющим выполнять различные операции с помощью стилуса или пальца, включая ввод рукописного текста и его распознавание. Выпускаются два вида планшетных ПК: чистые планшетные ПК (без клавиатуры) и планшетные ноутбуки (имеющие обычную клавиатуру и поворотно-откидной сенсорный экран (рис. 2.11, б)). Стоимость планшетных ПК составляет около 2000 долл.

Карманные (или наладонные) переносные компьютеры (КПК) помещаются на ладони или в кармане. КПК также называют наладонники (от англ. — palmtop). Кроме палмтопов существуют карманные компьютеры, которые называют PDA (personal digital assistent). Общее название карманных компьютеров — handhold computers — компьютеры, которые держат в руках (рис. 2.12).

Все карманные компьютеры в зависимости от наличия клавиатуры делятся на две большие группы: КПК с клавиатурой и КПК без клавиатуры. КПК с клавиатурой внешне похожи на ноутбук, уменьшенный до карманных размеров. КПК без клавиатуры оснащены сенсорным экраном и информация вводится на экран при помощи специальной указки — стилуса, при этом может использоваться экранная клавиатура или написание символов стилусом непосредственно на экране. Стоимость карманных ПК колеблется от 300 до 1000 долл.

В карманных компьютерах программы хранятся в микросхемах энергонезависимой памяти. В набор программ обычно входит ОС, текстовый и графический редакторы, система баз данных и электронные таблицы, программы для

81

2. Технические средства компьютерной графики

а б в

Рис. 2.12. Карманные компьютеры: а — палмтоп; б — Pocket PC; в — PDA

работы в Интернете. Эти компьютеры позволяют обрабатывать документы, работать с базами данных, производить вычисления, читать электронные книги, слушать музыку, просматривать фильмы и работать в Интернете. Переносной и карманный компьютеры удобны для использования в поездках.

Карманные компьютеры в зависимости от используемой ОС также делятся на две группы — Palm OS и Windows Mobile. Причем в отличие от настольных компьютеров и ноутбуков конструкция КПК сильно связана с типом ОС и замена типа ОС для КПК возможна только теоретически. ОС Palm OS разработана специально для КПК и не предъявляет особых требований к их ресурсам. ОС Windows Mobile разработана фирмой Microsoft и хорошо интегрирована с ОС Microsoft для настольных компьютеров, что расширяет функциональные возможности КПК, однако при этом возрастают требования к ресурсам КПК.

Из всех перечисленных классов в России наибольшее распространение получили персональные ЭВМ, персональные рабочие станции и ноутбуки. Причем указанные классы ЭВМ базируются на процессорах семейства х86 фирмы Intel. Другие классы ЭВМ в России широкого применения не нашли. В связи с вышесказанным в дальнейшем основное внимание будет уделяться аппаратным средствам ЭВМ на платформе IBM PC с процессорами, совместимыми с архитектурой х86 фирмы Intel, относящимися к трем распространенным классам.

Каждая ВС обладает определенными функциональными возможностями обработки ГИ. Все возможности ВС реализуются совместно программными и аппаратными средствами и должны органично сочетаться с возможностями пользователя ЭВМ. Разделение функций между аппаратными и программными средствами направлено на повышение эффективности ВС при решении различных задач. Степень разделения функций между аппаратными и программными средствами зависит от уровня развития микроэлектроники и вычислительной техники.

Программные средства дешевы, гибки и доступны, аппаратные средства сложнее в реализации и специализированы. Соотношение по стоимостным затратам между аппаратными и программными средствами постоянно изменяется

82

2./. Общие сведения об ЭВМ

всторону снижения стоимости аппаратной реализации функций. Поэтому одной из тенденций развития ВС является решение все большего числа функций аппаратными средствами. Особенно ярко эта тенденция проявляется в области визуализации трехмерных графических изображений.

2.1.3. Аппаратные средства ЭВМ

Традиционно аппаратные средства ЭВМ делят на две группы — центральные и периферийные устройства.

Кцентральным устройствам, непосредственно участвующим в обработке данных, относятся центральный процессор, оперативная память и подсистема ввода-вывода.

Кпериферийным устройствам (ПУ) относятся устройства, реализующие функции ввода, вывода, подготовки данных и хранения больших объемов информации. Общим для всех ПУ является то, что они преобразуют форму представления данных без изменения их содержания.

Центральный процессор (ЦП) предназначен для преобразования информации в соответствии с выполняемой программой, управления вычислительным процессом и устройствами, работающими совместно с процессором.

Оперативная память (ОП) предназначена для хранения, приема и выдачи данных и программ. Функции ОП в современных компьютерах реализуются сложной многоуровневой системой запоминающих устройств (ЗУ). Функции основного хранилища информации выполняет оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), имеющее большую емкость и высокое быстродействие. Однако быстродействие ОЗУ не позволяет работать на тактовой частоте ЦП, поэтому для согласования скорости работы ЦП и ОЗУ используется многоуровневая кэшпамять. При этом верхний (самый быстродействующий) уровень кэш-памяти обычно работает на тактовой частоте ЦП и размещается непосредственно на кристалле ЦП. Число уровней кэш-памяти определяется разницей в быстродействии ЦП и ОЗУ и обычно равно двум.

Подсистема ввода-вывода предназначена для реализации обмена данными между ОЗУ и различными ПУ без участия ЦП, согласования скорости работы ПУ

иОЗУ, унификации протоколов обмена данными и обеспечения возможности изменения конфигурации ВС путем подключения разнообразных ПУ. С каналами подсистемы ввода-вывода, к которым подключаются непосредственно ПУ, связано понятие интерфейса — совокупности аппаратных средств сопряжения канала

иустройства управления (контроллера) ПУ, а также унифицированных сигналов и протоколов обмена данными между устройствами.

Одновременная работа нескольких ПУ обеспечивается большой разницей в скорости работы ПУ и канала. Подсистема ввода-вывода может осуществлять обмен данными с несколькими ПУ, распределяя между ними время использования общих средств подсистемы в режиме мультиплексирования.

83

2. Технические средства компьютерной графики

ПУ, используемые в системах КГ, можно разделить на несколько групп:

• внешние запоминающие устройства;

• устройства отображения ГИ; •

•устройства оперативного взаимодействия пользователя с ЭВМ в графическом режиме;

•устройства документирования ГИ;

• устройства ввода ГИ; - ,

• устройства организации локальных вычислительных сетей.

Построение и функционирование компьютеров опирается на два основополагающих принципа:

•программное управление вычислительным процессом;

•хранение программ и данных в общей памяти.

При выполнении любой программы все устройства ЭВМ взаимодействуют между собой. Схема, отражающая связи между устройствами, называется структурной схемой ЭВМ. Структурные схемы современных ЭВМ отличаются большим разнообразием. Для персональных ЭВМ на базе процессоров х86 наиболее распространена структурная схема, включающая микросхему ЦП, микросхемы памяти и две микросхемы северного и южного мостов (так называемый чипсет), связывающие все устройства ЭВМ. Фактически чипсет в современных ЭВМ выполняет значительную часть функций подсистемы ввода-вывода, дополненных функциями блоков, отвечающих за объединение устройств ЭВМ в единую систему. Подобная схема на базе чипсета i915 Express и процессора Pentium 4 фирмы Intel представлена на рис. 2.13.

При выполнении программы процессор выбирает из ОП очередную команду и определяет, какие действия необходимо совершить при выполнении этой команды. Затем выбирает из памяти числа, над которыми надо проделать действия, определяемые данной командой, выполняет их и одновременно выбирает из памяти следующую команду, отправляет полученный результат в память — и весь цикл повторяется сначала. Так, постоянно взаимодействуя, процессор и память выполняют любую программу, обращаясь если необходимо к ПУ.

Процессоры. Процессоры можно классифицировать по разным признакам. По назначению различают процессоры центральные, специализированные, передачи данных, коммуникационные и др. В зависимости от особенностей системы команд процессора часто упоминаются следующие типы процессоров и компьютеров: CISC — Complex Instruction Set Computer, RISC — Reduced Instruction Set Computer и VLIW — Very Long Instruction Word.

В CISC-процессорах обычно используется принцип микропрограммного управления и для них характерно наличие команд регистр-память, большое число методов адресации, переменная длина кода команды и большое число тактов при исполнении команды. В RISC-процессорах применяется управление с жесткой логикой и для них характерен сокращенный набор команд, команды в основном типа регистр-регистр, малое число методов адресации, фиксированная

84