2.4. Емкость памяти

Емкость памяти зависит от назначения компьютера, т.е. от класса задач, решение которых возлагается на компьютер. Чем больше объем программ и данных, с которым должен оперировать компьютер, тем больше должна быть емкость памяти.

Как правило, наименьшей емкостью памяти обладают компьютеры специального назначения, встраиваемые в технические системы. В простейшем случае в таких компьютерах используется оперативная память емкостью 128 – 512 слов, и постоянная память емкостью 512 – 4096 слов, в которых размещаются данные и программы для выполнения функций локального управления электроприводами, стабилизации режимов функционирования и т.д. В персональных компьютерах, предназначенных для обслуживания одного сотрудника, емкость оперативной памяти составляет 32 – 2048 Мбайт. В оперативной памяти размещается и данные, и программы, вызываемые из накопителей на магнитных дисках. Большие мощные компьютеры – серверы и суперкомпьютеры, строятся обычно на мультипроцессорной платформе и имеют емкость оперативной памяти 512 – 4096 Мбайт на каждый процессор и развитую систему внешней памяти, в которую входит значительной число и, возможно, система архивирования данных. Для научно–технических расчетов используются мощные компьютеры, содержащие сотни процессоров, но имеющие меньшую по сравнению с коммерческими системами емкость оперативной, внешней и архивной памяти.

Все компьютеры, кроме рядовых компьютеров специального назначения, оснащаются сверхоперативной памятью – кэш-памятью, емкостью 256 – 2048 Кбайт и временем обращения, меньшим тактовой частоты процессора. Кэш-память уменьшает количество обращений к оперативной памяти, в результате чего повышается производительность процессора и мультипроцессорной системы в целом.

Наиболее существенное влияние на характеристики компьютера оказывает емкость оперативной памяти: чем больше емкость оперативной памяти, тем больше системная производительность и стоимость компьютера. Увеличение производительности компьютера связано с увеличением вероятности нахождения в оперативной памяти данных и программ. В результате этого снижается интенсивность обмена информацией между оперативной памятью и дисками и, как следствие, возрастает системная производительность компьютера.

К такому же эффекту приводит увеличение емкости кэш-памяти: чем больше кэш-память, тем больше системная производительность и стоимость компьютера. Обращение к кэш-памяти производиться с целью чтения или записи слов данных – значений и команд. Чем больше емкость кэш-памяти, тем больше вероятность наличия в ней слова, и, следовательно, тем меньше вероятность обращения к оперативной памяти. Уменьшения числа обращений к оперативной памяти приводит к увеличению системной производительности компьютера.

2.5. Надежность компьютеров

Надежность – это свойство компьютера выполнять возложенные на него функции в течение заданного промежутка времени. Работоспособность компьютера нарушается в результате сбоев и отказов оборудования, возникающих из-за неисправности элементов и соединений. Сбои и отказы – случайные события, частоту которых принято характеризовать интенсивностью отказов. Интенсивность отказов – среднее количество отказов, за единицу времени, например за год. Интенсивность отказов зависит от сложности компьютера. Сложность – число элементов и соединений, входящих в состав объекта. Чем больше элементов ( в том числе и соединений ) входит в состав объекта, тем выше интенсивность отказов. Кроме того крайне существенно на надежность влияет технология производства изделий. Прогресс в области вычислительной техники в первую очередь связан с технологией производства интегральных схем и периферийных устройств. Именно технологии позволили создать компьютеры на процессорах, содержащих десятки и сотни миллионов логических элементов, элементы памяти емкостью 256-512 Мбайт, запоминающие устройства на магнитных дисках емкостью от 10 Гбайт и более и другие уникальные устройства, надежность которых значительно превышает надежность компьютеров первых поколений.

Характеристики надежности. При расчете надежности интенсивность отказов рассматривается как постоянная во времени величина. Если принять, что отказы различных элементов взаимонезависимы и любой отказ носит катастрофический для компьютера характер, то интенсивность отказов устройства равна сумме интенсивностей отказов элементов ( в том числе соединений ), входящих в состав устройства:

г де i - интенсивность отказа элемента, i = 1, …, N и ni - количество элементов типа i в устройстве. Интенсивность отказов – основная характеристика надежности элементов, устройств и системы в целом.

Если - интенсивность отказов, то средний промежуток времени между двумя соседними отказами и называется наработкой на отказ. Вероятность исправной работы в течении времени t равна

и называется наработкой на отказ. Вероятность исправной работы в течение времени t

После возникновения отказа устройство либо заменяют, либо ремонтируют и используют повторно. Затраты времени на восстановление работоспособности устройства складываются из времени поиска причины отказа и времени замены вышедшего из строя устройства. Это время – случайная величина, называемая временем восстановления Т_В. Время восстановления зависит в основном от технологии поиска неисправности в компьютере.

Эксплуатационные свойства компьютеров и составляющих их устройств принято характеризовать к оэффициентом готовности :

где Т и Т_В- время наработки на отказ и время восстановления соответственно. Значение к_г имеет двоякий смысл. Во-первых, коэффициент готовности характеризует долю времени, в течение которого устройство работоспособно. Так, если k_г =0,99 , то в среднем 99% времени устройство работоспособно, а 1% времени устройство простаивает из-за отказов оборудования. Во-вторых, коэффициент готовности k_г характеризует вероятность того, что в любой момент времени t устройство работоспособно.

Классы надежности. Сложившийся к настоящему времени уровень технологии обеспечивает возможность создания простейших систем, таких как персональные компьютеры, рабочие станции и простейшие серверы, с коэффициентом готовности порядка 0,99. Это означает, что в течение года работы такие компьютерные системы обеспечивают безотказную работу в среднем в течение 361,5 дней и простой в среднем в течение 3,5 дней при условии, что для любых ремонтно-восстановительных работ имеются все необходимые устройства для замены отказавшей аппаратуры. Этот показатель надежности весьма высокий. Естественно, что другие более мощные компьютерные системы, содержащие несколько процессоров, большое число запоминающих устройств на магнитных дисках и лентах, значительное количество высокоскоростных каналов передачи данных и т.д., имеют гораздо худшие показатели надежности, близкие к десяткам дней простоя системы.

Чтобы обеспечить непрерывность функционирования больших компьютерных систем, используется широкая палитра программных и аппаратных методов повышения надежности, основанных на контроле верности результатов и наличие в составе системы резервных устройств, исключающих отказ системы при отказе одного устройства. В результате этого для каждого индекса надежности, определяемого значением коэффициентом готовности k_г, вводятся четыре класса систем, представленные в табл. 2.1.

Таблица 2. 1. Классы надежности

Класс надежности kг	Среднее время простоя Тп в году	Тип системы
0,99	3,5 дней	Обычная
0,999	8,5 часов	Высокая надежность
0,9999	1 час	Отказоустойчивая
0,99999	5 минут	Безотказная

Компьютерные системы относятся к классу обычных систем, если они имеют надежность, обеспечивающую среднее время простоя на уровне 3,5 дня в год. При более высоком коэффициенте готовности принято выделять компьютерные системы высоконадежные, отказоустойчивые и безотказные, в которых используются дополнительные меры для повышения надежности.