28

Структура и характеристики ЭВМ
© МЦИТ ГУАП 2008
Электронная вычислительная машина —
это комплекс технических и программных средств,
предназначенный для автоматизации подготовки и
решения задач пользователей.
Структура — совокупность элементов и их связей:
• структура технических средств,
• структура программных средств,
• структура аппаратно-программных средств.
Архитектура ЭВМ — это многоуровневая
иерархия аппаратно-программных средств, из которых
строится ЭВМ

Характеристики ЭВМ с точки зрения
человеко-машинного интерфейса
Технические и эксплуатационные характеристики ЭВМ
(быстродействие и производительность, показатели надежности,
достоверности, точности, емкость оперативной и внешней памяти,
габаритные размеры, стоимость технических и программных средств,
особенности эксплуатации и др.)
Характеристики и состав функциональных модулей
базовой конфигурации ЭВМ
(возможность расширения состава технических и программных
средств; возможность изменения структуры)
Состав программного обеспечения ЭВМ
и сервисных услуг
(операционная система или среда, пакеты прикладных программ,
средства автоматизации программирования)

Быстродействие —
число определенного типа команд, выполня-
емых ЭВМ за одну секунду.
• С одной стороны, оно характеризуется количеством
элементарных операций, выполняемых центральным
процессором в секунду. Под элементарной операцией
понимается любая простейшая операция типа сложения,
пересылки, сравнения и т. д.
• С другой стороны, быстродействие ЭВМ существенно зависит
от организации ее памяти. Время, затрачиваемое на поиск
необходимой информации в памяти, заметно сказывается на
быстродействии ЭВМ.

Производительность —
это объем работ (например, число стандартных
программ), выполняемый ЭВМ в единицу времени
Производительность связана с ее архитектурой и
разновидностями решаемых задач
Различают:
• пиковое быстродействие, определяемое тактовой частотой
процессора без учета обращения к оперативной памяти;
• номинальное быстродействие, определяемое с учетом
времени обращения к оперативной памяти;
• системное быстродействие, определяемое с учетом системных
издержек на организацию вычислительного процесса;
• эксплуатационное, определяемое с учетом характера
решаемых задач (состава операций или их «смеси»)

Единица измерения быстродействия
MIPS Million Instructions Per Second —
миллион операций в секунду. Обычно
рассматриваются наиболее короткие
операции типа сложения
Для оценки современных ЭВМ применяется
достаточно редко по следующим причинам:
• набор команд современных микропроцессоров
может включать сотни команд, сильно
отличающихся друг от друга длительностью
выполнения
• значение, выраженное в MIPS, меняется в
зависимости от особенностей программ

Единица измерения быстродействия
MFPOPS Million Floating Point Operations Per
Second — миллион операций с плавающей
точкой в секунду
Для персональных ЭВМ этот показатель
практически не применяется из-за
особенностей решаемых задач и структурных
характеристик ЭВМ

Тестовые наборы для комплексных оценок
производительности:
• наборы тестов фирм-изготовителей для
оценивания качества собственных изделий
• стандартные универсальные тесты для ЭВМ,
предназначенных для крупномасштабных
вычислений
• специализированные тесты для конкретных
областей применения компьютеров

Емкость запоминающих устройств —
количество структурных единиц информации, которые
одновременно можно разместить в памяти
Память ЭВМ подразделяется на внутреннюю и внешнюю.
 Внутренняя, или оперативная память, по своему объему у
различных классов машин различна и определяется системой
адресации ЭВМ.
Емкость внешней памяти из-за блочной структуры и съемных
конструкций накопителей практически неограничена.

Бит —
одна двоичная цифра, наименьшая структурная
единица информации
1 бит (binary digit – двоичное число) = 0 или 1,
1 байт = 8 бит,
1 килобайт (1К) = 213
бит = 210
байт ,
1 мегабайт (1М) = 223
бит = 210
Кбайт = 220
байт ,
1 гигабайт (1Г) = 233
бит = 210
Мбайт ,
1 терабайт (1Т) = 243
бит = = 210
Гбайт ,
1 петабайт (1П) = 253
бит,
1 эксабайт (1Э) = 263
бит.
1 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0
1 0 1 1 101 0 1 0 0 1 0 1 1 0
1 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0
1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 1 1 0
1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0
1 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0
1 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0
1 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0

Емкость оперативной памяти — для ПЭВМ
в 2004 году – 128-256 Мб
в 2006 году – 256-512 Мб
в 2009 году – 4-8 Гб
Емкость внешней памяти
• флоп (1.44Мб)
• винчестер (40Гб – 1 Тб)
• CD (DVD) (600Мб - 18Гб)

Надежность —
это способность ЭВМ при определенных
условиях выполнять требуемые функции в
течение заданного времени
(стандарт ISO - 2382/14-78
(Международная организация стандартов))
Количественной оценкой надежности ЭВМ, содержащей элементы,
отказ которых приводит к отказу всей машины, могут служить
следующие показатели:
вероятность безотказной работы за определенное время при данных
условиях эксплуатации;
 наработка ЭВМ на отказ;
 среднее время восстановления машины и др.

Точность —
возможность различать почти равные
значения (стандарт ISO — 2382/2-76).
Точность получения результатов обработки в
основном определяется разрядностью ЭВМ,
которая в зависимости от класса ЭВМ может
составлять 32, 64 и 128 двоичных разрядов.

Достоверность —
свойство информации быть правильно
воспринятой.
Достоверность характеризуется
вероятностью получения безошибочных
результатов.

Система команд —
это перечень команд, которые
способен выполнить процессор ЭВМ.
На современном этапе развития вычислительной техники
используются два основных подхода при формировании
системы команд процессора.
 традиционный подход, связанный с разработкой процессоров с
полным набором команд, — архитектура CISC (Complete Instruction
Set Computer — компьютер с полным набором команд).
 реализация в ЭВМ сокращенного набора простейших, но часто
употребляемых команд, что позволяет упростить аппаратные
средства процессора и повысить его быстродействие — архитектура
RISC (Reduced Instruction Set Computer — компьютер с сокращенным
набором команд).

Общие принципы построения ЭВМ
Основным принципом
построения всех современных ЭВМ является
программное управление
В основе его лежит представление алгоритма
решения любой задачи в виде программы
вычислений
Алгоритм —
конечный набор предписаний, определяющий решение
задачи посредством конечного количества операций
Программа для ЭВМ —
упорядоченная последовательность команд,
подлежащая обработке
(стандарт ISO 2382/1-84 г.)

Принцип программного управления,
описанный Дж. фон Нейманом
Все вычисления, предписанные алгоритмом
решения задачи, должны быть представлены
в виде программы, состоящей из
последовательности управляющих слов —
команд.
Каждая команда содержит указания на
конкретную выполняемую операцию,
местонахождение (адреса) операндов и ряд
служебных признаков.

Фон-неймановская архитектура компьютеров
содержит пять компонент:
• Арифметико-логическое устройство
(АЛУ)
• Устройство управления
• Память
• Устройство ввода информации
• Устройство вывода информации
(Подавляющее большинство современных
компьютеров).

Операнды —
переменные, значения которых участвуют в
операциях преобразования данных
Список (массив) всех переменных
(входных данных, промежуточных значений и
результатов вычислений) —
неотъемлемый элемент любой программы

Для доступа к программам, командам и
операндам используются их адреса.
В качестве адресов выступают номера ячеек
памяти ЭВМ, предназначенных для хранения
объектов

Структурные единицы информации ЭВМ
Последовательность битов в формате,
имеющая определенный смысл,представлена
полем.
Последовательность, состоящая из
определенного, принятого для данной ЭВМ
числа байтов, называется словом

Структурные единицы информации ЭВМ
самая малая структурная единица — бит
последовательность битов — поле
поле длинной 8 бит — байт
последовательность байтов (2, 4, 8) — слово
(особенность слова как структурной единицы в том, что оно
записывается в ОЗУ и считывается из него за один цикл)
последовательность слов
одинакового смысла — массив
Файл — это имеющий имя информационный
массив (программа, данные, текст и т.п.),
размещаемый во внешней памяти
и рассматриваемый как неделимый объект
при пересылках и обработке.

Децентрализация построения и управления
вызвала к жизни также элементы, которые
являются общим стандартом структур
современных ЭВМ:
• модульность построения
• магистральность
• иерархия управления

Модульная конструкция ЭВМ —
делает ее открытой системой, способной
к адаптации и совершенствованию

Модульность структуры ЭВМ
требует стандартизации и унификации
оборудования, номенклатуры технических и
программных средств, средств сопряжения —
интерфейсов, конструктивных решений,
унификации типовых элементов замены,
элементной базы и нормативно-технической
документации

В современных ЭВМ
принцип децентрализации и параллельной
работы распространен как на периферийные
устройства, так и на сами ЭВМ (процессоры).

Все существующие типы ЭВМ выпускаются
семействами, в которых различают старшие
и младшие модели.
Информационная, аппаратная и программная
совместимость

Общие и специальные шины или магистрали
для обмена информацией
Стандартизация и унификация привели
к появлению иерархии шин
и к их специализации:
• системная шина — для взаимодействия
основных устройств
• локальная шина — для ускорения
обмена видеоданными
• периферийная шина — для подключения
«медленных» периферийных устройств

Децентрализация управления
предполагает
иерархическую организацию структуры

Иерархический принцип
построения памяти ЭВМ:
• сверхоперативное запоминающее устройство
небольшой емкости
• кэш-память или память блокнотного типа
• кэш L1 (Еп= 16-32 Кбайта с временем доступа
1-2 такта процессора);
• кэш L2 (Еп= 128-512 Кбайт с временем доступа
3-5 тактов)
• кэш L3 (Еп= 2-4 Мбайта с временем доступа
8-10 тактов).
• оперативное запоминающее устройство
• постоянное запоминающее устройство
• внешнее запоминающее устройство

Децентрализация
управления и структуры ЭВМ позволила
перейти к более сложным многопрограммным
(мультипрограммным) режимам

28

Recommended

Recommended

More Related Content

Similar to 28

Similar to 28 (20)

More from JIuc

More from JIuc (20)

28