Понятие функциональной организации (архитектуры) электронных вычислительных машин

Функциональная организация (архитектура) электронных вычислительных машин

Основные технические характеристики вычислительного комплекса

К числу основных относятся: операционные ресурсы, емкость памяти, быстродействие устройств, надежность, стоимость.

Операционные ресурсы – это перечень действий (операций), которые может делать (выполнять) аппаратура ВК в плане обработки информации (исходных данных). В этот перечень прежде всего включается система машинных операций – список F={+,-,*,/,…}. Кроме того, это порождающая ее (систему операций) система машинных команд К={К1, …, КN}. В понятие операционные ресурсы включаются также способы представления информации в ЭВМ, способы представления чисел, текстов, логических значений. Чем шире перечень действий, чем шире многообразие способов представления данных – тем шире операционные ресурсы ЭВМ и, следовательно, возможности ВК в плане обработки информации.

Емкость памяти – очевидная техническая характеристика, которая характеризует вместимость хранилища программ и данных ВК. Единицы измерения – бит, байт В, килобайт КВ = 2¹⁰В, мегабайт МВ = 2²⁰В, гигабайт ГВ = 2³⁰В, терабайт ТВ = 2⁴⁰В. Емкость памяти Е обычно кратна степени 2: Е = 2^m, m – длина адреса.

Быстродействие – это характеристика, которая отвечает на вопрос, как быстро действует (работает) аппаратура ЭВМ. Эта характеристика определяет потенциальные возможности устройств, указывает на верхнюю границу. Относится к отдельным устройствам, а не ВК в целом. Так, быстродействие АЛУ характеризует скорость, с которой это устройство может выполнять операции: V_АЛУ={V₊, V_-, V_*, V_дел, …}. Быстродействие определяется количеством операций в единицу времени и зависит от времени выполнения операции: V=1/t – чем меньше время выполнения операции t, тем выше быстродействие. Быстродействие – это паспортная характеристика, указывается в документе на устройство либо в виде вектора скоростей V, либо в виде набора времен: t₊, t_-, t_*, t_/, … Быстродействие процессора определяется временем выполнения команд. Следует отметить, что время выполнения команды t_к зависит от многих факторов – быстродействия памяти (т.к. выборка команды и данных осуществляется из памяти, результаты также засылаются в память), от быстродействия АЛУ, а также организации ВК. В простейшем случае

t_к = t_вк + t_во + t_алу + t_зр,

где первое слагаемое определяет время выборки команды из памяти, второе – время выборки операнда(ов), третье – время выполнения операции в АЛУ, четвертое – время засылки результата операции.

Быстродействие процессора принято измерять миллионами операций в секунду - MIPS или миллионами операций с плавающей запятой в секунду - MFLPS.

Память ЭВМ предназначена для хранения, записи и чтения информации. Быстродействие памяти принято характеризовать количеством операций чтения/записи в единицу времени. Память ЭВМ строится на базе ЗУ (БИС ОЗУ, ППЗУ). Быстродействие памяти зависит от быстродействия ЗУ и ее внутренней организации.

Т.о. быстродействие устройств ВК характеризует потенциальные возможности отдельных устройств ВК. Быстродействие ВК в целом зависит от многих факторов: от быстродействия устройств, внутренней организации самого комплекса, от операционной системы, под управлением которой работает аппаратура, т.е. от организации вычислительных процессов и др. факторов. Поэтому понятие быстродействие на ВК не распространяется. Вместо него используется понятие производительность ВК. Назначением ЭВМ является обработка информации, т.е. решение различных задач. Поэтому производительность ВК естественно оценивать количеством задач в единицу времени. Но решаемые задачи разные. Как оценить производительность ВК? Проблема. Простейшее ее решение – смеси операций (Гибсона, например). Для сравнения различных ВК по производительности в ВТ обычно используют один и тот же набор программ, который прогоняют на ВК различных типов. Например, т.н. Бенч-Марковские программы и др.

Надежность ВК – это свойство ВК выполнять возложенные на него функции в течение заданного отрезка времени. Надежность ВК отлична от 100% (т. е. от абсолютной). Почему? Дело в том, что элементы, из которых строится ЭВМ, рано или поздно перестают (отказываются) нормально работать. В результате отказа элемента работоспособность ВК нарушается. Отказы аппаратуры – случайные события, частоту которых принято характеризовать интенсивностью отказов l, т.е. количеством отказов в единицу времени. Другая характеристика надежности – т. н. наработка на отказ: T=1/l - это промежуток времени между двумя соседними (по времени) отказами.

Как увеличить надежность ВК? Общий подход – резервирование аппаратуры, например, дублирование – двукратное резервирование. Если недостаточно, то трехкратное и т. д.

Стоимость ВК – интегральная характеристика, определяется всеми перечисленными характеристиками. Чем лучше характеристика, тем выше стоимость.

Архитектура ЭВМ – это совокупность свойств и характеристик ЭВМ, рассматриваемых с точки зрения человека. Например, с точки зрения пользователя: его в первую очередь интересуют языки программирования, возможности ОС, организация работы с файлами, базами данных, приложениями и т.п. возможности ЭВМ, т.е. пользователя технические возможности ВК почти не интересуют.

Другой, более глубокий взгляд на ЭВМ у системных программистов (и тех, кто пишет на ассемблере). Их интересуют возможности машинного языка – т.н. ассемблера, организация ввода/вывода информации, система прерываний, способы представления данных, способы адресации информации в памяти ЭВМ и т.п.

Еще более глубокий интерес к архитектуре ВК у разработчиков ЭВМ. Пример: машинный язык – одна из архитектурных особенностей ЭВМ. На него системные программисты (и пользователи) смотрят с позиций его применения при программировании своих задач. У разработчиков аппаратуры взгляд с другой стороны – они должны для каждой машинной команды придумать (выбрать) алгоритм их выполнения и спроектировать аппаратуру, которая будет их выполнять.

В этой главе мы будем рассматривать архитектуру ЭВМ в основном с точки зрения разработчиков ЭВМ (т.к. курс посвящен организации ВК, а не применению при программировании). Прежде чем перейти к архитектурным понятиям, сначала несколько понятий из теории сложных систем.

Функциональная организация – это принципы построения абстрактных систем, т.е. систем, заданных только их функциями.

Исходя из этого определения архитектуру ЭВМ (ВК) можно определить как перечень тех функций, которые должна выполнять аппаратура ЭВМ, и способы их реализации. В этот перечень обычно включают: способы представления данных; список машинных операций – т.н. систему машинных операций; форматы машинных команд; способы адресации информации; режимы работы; организацию системы прерываний и др.

Рассмотрев эти вопросы, мы тем самым определим (зададим) те функции, которые должна выполнять аппаратура ЭВМ. Затем перейдем от функции ЭВМ F к ее структуре S.

Дата добавления: 2014-01-11