Уровни организации ЭВМ

Классификация и основные характеристики ЭВМ.

Пятое поколение ЭВМ.

Четвертое поколение ЭВМ.

В конце 70-х кодов появляются первые ЭВМ четвертого поколения. Связано с переходом на интегральные схемы средней и большой степени интеграции.

Характерные свойства ЭВМ четвертого поколения:

- Мультипроцессорность;

- параллельно - последовательная обработка;

- языки высокого уровня;

- появляются первые сети ЭВМ.

Технические характеристики ЭВМ четвертого поколения:

- средняя задержка сигнала 0.7 нс./вентиль (вентиль - типовая схема);

^- впервые основная память - полупроводниковая. Время выработки данных из такой памяти 100-150 нс. Емкость 10¹² -10¹³ символов;

- впервые применяется аппаратная реализация оперативной системы;

- модульное построение стало применяться и для программных средств.

Основная внимание машин четвертого поколения было направлено на сервис (улучшение общения ЭВМ и человека).

В конце 80-х годов появляются первые ЭВМ пятого поколения.

Пятое поколение ЭВМ связывают с переходом к микропроцессорам. С точки зрения структурного построения характерна максимальная децентрализация управления. С точки зрения программного и математического обеспечения - переход на работу в программных средах и оболочках. Производительность

108 – 109 операций в секунду. Для пятого и шестого поколения характерны многопроцессорные структуры, созданные на упрощенных микропроцессорах, которых очень много (решающие поля или среды). Создаются ЭВМ ориентированные на языки высокого уровня.

В этот период существуют две диаметрально противоположных тенденции:

- персонификация ресурсов;

- коллективизация ресурсов (коллективный доступ - сети).

Характеристики:

1. Операционные ресурсы ЭВМ - это (грубо говоря) перечень возможностей ЭВМ. Сюда включаются:

- способы представления информации в ЭВМ;

- система команд ЭВМ;

- способы адресации.

Операционные ресурсы ЭВМ напрямую связаны с аппаратными средствами, которые характеризуют степень приспособленности ЭВМ для решения тех или иных задач.

2. Емкость памяти (внешняя и основная) Основная память, какой бы большой она не была, всегда ограничена. Внешняя память не ограничена. Для характеристики компьютера используют емкость основной памяти. Использование памяти идет многобайтно, следовательно, доступ измеряется в байтах (максимальная память 4Гб). Внешняя память - суммарная емкость всех накопительных устройств. Следовательно, необходимо использовать косвенную характеристику - количество накопителей подключаемых к ЭВМ. В современных компьютерах есть также и сверхоперативная память (cashe), ее объем - один из важнейших параметров влияющих на время решения задачи.

3. Быстродействие ЭВМ характеризует скорость обработки информации компьютером (число операций в секунду (V), время выполнения (t=1/v)). Но для различных операций эти показатели различны, следовательно, реальная характеристика - номинальное быстродействие (Vн)- количество коротких операций в единицу времени (обычно берут операцию "+", а операнды хранятся во внутренних регистрах процессора (R-R)). Иногда также используют в качестве характеристики быстродействия цикл обращения к основной памяти, а также эффективное быстродействие (V_ф) V_ф=1/ ∑p_iτ_i Pi - вероятность выполнения i-ой операции. По содержанию производительность ЭВМ - это среднее число операций в единицу времени.

Производительность ЭВМ зависит от:

- быстродействия процессора;

- класса решаемых задач;

- порядка прохождения задачи через ЭВМ.

Для оценки числового выражения эффективности ЭВМ используют смеси команд. Для научно-технических расчетов используют "Смесь Гибсона"

Вид команды	Весовой коэффициент
«+», «-» фикс.зпт.
«*» фикс.зпт	0,6
«/» фикс.зпт	0,2
«+», «-» плав.зпт.	7,3
«*» плав.зпт	4,0
«/» плав.зпт	1,6
Логические операции	1,7
Безусловный переход	17,5
Условное ветвление	6,5

P=∑K_з/∑K_зτ_з –для n задач

4. Надежность ЭВМ. Надежность - свойство ЭВМ выполнять возложенные на нее функции в течение заданного промежутка времени, необходимого для решения поставленной задачи. В процессе функционирования ЭВМ возникают отказы, связанные с неисправностью отдельных элементов либо соединений между ними.

По характеру проявлений отказы могут быть:

- внезапный отказ (механическое разрушение элементов);

- постепенный отказ (деградация параметров ЭВМ).

С точки зрения математического подхода отказы - случайное событие. Используется самая простейшая математическая модель - "Простейший поток отказов". Если поток отказов простейший, то в качестве характеристики надежности используется величина интенсивности потоков отказа. λ=1/Т_р

Тр - среднее время безотказной работы между двумя очередными отказами. Если ЭВМ можно ремонтировать, то после находки отказа - работоспособность компьютера восстанавливается (Тв - среднее время восстановления) Тв - фактически время, которое происходит от момента обнаружения отказа до полного восстановления работоспособности. Для компьютеров с простейшим потоком отказов в качестве показателя используют показатель готовности:

Кг = Тр/(Тр+Тв)

который характеризует вероятность того, что в данный момент времени компьютер готов к решению требуемой задачи.

5. Показатель стоимости - суммарная стоимость всего оборудования, входящего в состав ЭВМ. Если возрастает количество оборудования ЭВМ, то в конечном итоге, будет расти не только стоимость, но будет расти и ее производительность. Путем статистического анализа была выведена связь между стоимостью и производительностью. Впервые это было установлено Найтом и получило название "Закон Гроша". (V=kS²)

k – константа, определяется эмпирически.

Вывод: если не менять технологическую базу компьютеров, то:

- при росте стоимости ЭВМ растет количество оборудования и, следовательно, снижается скорость решения задачи.

- при росте стоимости ЭВМ растет объем оборудования и, следовательно, увеличивается время ремонта.

Т∑=Тсч+Тр т.е. для данного уровня технологии всегда есть некоторая оптимальная стоимость, которая дает лучшие технические характеристики. Классификация ЭВМ.

ЭВМ классифицируются по:

- назначению. Обычно выделяют ЭВМ общего применения и ЭВМ ориентированные на вполне определенный класс задач;

- производительности (ЭВМ подразделяются по величине производительности);

- Режимам работы:

а) однопрограммные ЭВМ;

б) мультипрограммные ЭВМ (Эти ЭВМ должны иметь большую оперативную память, средства управления временем, ввода-вывода, средства позволяющие исключить влияния программ друг на друга);

в) ЭВМ для построения много машинных и многопроцессорных вычислительных систем (дополнительно к мультипрограммным ЭВМ должны реализовывать функции взаимного обмена между ЭВМ);

г) ЭВМ для работы в системах реального времени. Говоря о машинах реального времени наиболее очевиден пример, когда ЭВМ управляет техническим объектом (автопилот). К ним предъявляют требования быстродействия и способность получать массу сигналов от внешних источников)

4. Способ структурной организации.

Для увеличения скорости ЭВМ в ее состав включают несколько процессоров. Различают:

а) Однопроцессорные ЭВМ

б) Мультипроцессорные ЭВМ (можно также выделить квазипроцессорные ЭВМ), состоят как из однотипных, так и из разнотипных процессоров (неоднородные ЭВМ).

Основная цель мультипроцессирования - получение сверх высокой производительности вычислительных систем (ВС). Как правило, такие системы содержат несколько десятков, сотен или тысяч сравнительно простых процессоров, и их число позволяет увеличивать производительность. Принципиально такие системы ориентируются на большой круг задач, которые допускают эффективное распараллеливание вычисление на регулярную структуру (связи между процессорами, как правило, фиксированы). Вообще-то не каждая задача достаточно хорошо распараллеливается на заданную ВС. ВС с параллельной обработкой также классифицируются. В качестве такой классификации выступает классификация по Флину. В ее основе лежит способ организации параллелизма ВС (множественность). Этот параллелизм определяется как максимальное число одновременных команд или операндов, которые находятся на одинаковой или какой-то определенной стадии выполнения. Согласно Флину существует 4 разновидности ВС:

1. ОКОД (SISD, одиночный поток команд одиночный поток данных). Такое структурное построение характерно для классических машин фон Неймана.

Линейная организация вычислительного процесса обуславливает весьма низкую эффективность аппаратных средств (велик коэффициент простоя) Для повышения работы такой структуры применяются методы локального параллелизма - совмещенная или опережающая выборка команд, расслоение памяти, но, как правило, это требует дополнительных аппаратных затрат.

2. ОКМД (SIMD, одиночный поток команд множественный поток данных). Для данной ВС обычный поток команд воздействует на несколько процессорных блоков одновременно, которые обрабатывают различные данные по одной команде. Память в такой ВС является разделенной. Первоначально типовыми представителями таких ВС были супер-ЭВМ (ILLIAC IV, STARAN, PEPE, ПС-300). ВС с такой структурной организацией направлены на решение задач с естественным параллелизмом. В современных ЭВМ это реализовано в Pentium MMX.

3. МКОД (MISD, множественный поток команд одиночный поток данных). Эту ВС обычно рассматривают как результат идей локального параллелизма. Иначе их называют конвейерные ВС. Операционная часть Вс является регулярной и представляет собой цепочку последовательно (линейно) соединенных процессорных блоков, которые образуют конвейер процессора.

Данный конкретный блок является специализированным и выполняет вполне определенную часть команды. Впервые такую ВС разработал академик Лебедев.

4. МКМД (MIMD, множественный поток команд множественный поток данных) - общий случай мультипроцессорной системы. В общем случае связи между элементарными процессорами являются перестраевыми. Такая ВС позволяет повысить не только производительность, но и надежность. Как правило, отказ одного процессора не приводит к выходу из строя всей системы. При такой организации ВС возникают сложности взаимодействия управления, при решении одной задачи. Иногда MIMD называют «моделью коллектива вычислителей»

Основой функционирования любой ЭВМ является ее способность выполнять заданные действия. Аппаратные средства любой ЭВМ способны выполнять только ограниченный набор сравнительно простых команд. Эти примитивные команды примитивные команды составляют так называемый машинный язык машины. Говоря о сложности аппаратуры компьютера, машинные команды целесообразно делать как можно проще, но примитивность большинства машинных команд делают их использование неудобным и трудным. Вследствие чего разработчики вводят другой набор команд более удобный для человеческого общения (языки более высокого уровня).

Рисунок показывает, что между языками программирования и существующей виртуальной машиной существует тесная связь, но в общем случае она является нелинейной. Пользователь, который работает на каком-то уровне, в принципе может и не знать процессы, происходящие на других уровнях организации, но для составления эффективных программ, необходимо знание более низких языков программирования. Большинство современных ЭВМ включают 6-7 уровней виртуализации. Нижние уровни, начиная с машинного, более консервативны к изменениям.

Программные ооболочки

Проблемно-ориентированный язык

Уровень ассемблера

Уровень ОС

Машинный уровень (традиционный)

Микропрограммный уровень

Нанопрограммный уровень

Аппаратура

трансляция

ассемблирование

Частичная интерпретация

интерпретация

Многие коммерческие ЭВМ принципиально могут не иметь уровня нанопрограммирования, но и даже микропрограммирования (по крайней мере, на уровне пользователя). В современных ЭВМ машинные команды, как правило, интерпретируются с помощью микропрограмм. Уровень ОС обычно является смешанным уровнем, т.к. большинство супервизорных команд являются командами машинного уровня. В состав уровня ОС дополнительно включаются команды, которые фактически являются некоторыми типовыми программами машинного уровня (команды ввода-вывода, переключения между программами). Во многих ЭВМ были варианты, когда отдельные программы ОС непосредственно интерпретируются микропрограммами. В современных ЭВМ прослеживается тенденция все боле тесной связи уровня ОС с микропрограммным уровнем. Можно также найти массу команд уровня ОС, реализованных, на уровне ассемблирования. Простые пользователи, как правило, ограничиваются уровнем изучения начиная с машинного. Нижние уровни необходимы для разработчиков.

Дата добавления: 2013-12-12