🗊Презентация Основные характеристики и архитектура ЭВМ

Основные характеристики и архитектура ЭВМ

ЭВМ Электронная вычислительная машина – комплекс технических и программных средств, предназначенный для автоматизации подготовки и решения задач пользователей.

Характеристики ЭВМ быстродействие ; производительность ; надежность; точность; достоверность; емкость оперативной и внешней памяти; габаритные размеры; стоимость технических и программных средств; особенности эксплуатации и др. .

Быстродействие. Машинные команды Быстродействие характеризуется числом команд, выполняемых ЭВМ за одну секунду. Его можно вычислить как: B = 1/ tK , где tK – время выполнения одной машинной команды. ЭВМ выполняет множество различных команд, время выполнения которых значительно отличается друг от друга. Поэтому быстродействие оценивается обычно по времени выполнения самой короткой команды.

Быстродействие. Такт С другой стороны, команды в процессоре выполняются по тактам, и длительность такта tT зависит от частоты тактового генератора fT и определяется по формуле: tT = 1/ fT . Если считать, что на выполнение машинной команды затрачивается w машинных тактов, то быстродействие можно определить как: B = fT / w . Эта формула является основной для вычисления быстродействия.

Производительность Производительность компьютера — это количественная характеристика скорости выполнения определённых операций на компьютере. Чаще всего вычислительная мощность измеряется в флопсах (количество операций с плавающей точкой в секунду). Обычный современный настольный компьютер имеет производительность порядка 0.1 Терафлопс (1012). Intel Core i7-5960X (Extreme Edition Haswell-E), частоты 3,0-3,5 ГГц (2014) — до 350 гигафлопсов (теоретический пик 384 Гфлопс, 109). МЦСТ Эльбрус-8СВ 1,5 ГГц, 8 ядер (2017) — пиковая производительность 576 Гфлопс-(Предположительно), (288 Гфлопс двойной точности).

Производительность. Сложности Существуют сложности при определении вычислительной мощности компьютера. Производительность системы может зависеть от типа выполняемой задачи. В частности, отрицательно сказывается на вычислительной мощности необходимость частого обмена данных между составляющими компьютерной системы, а также частое обращение к памяти. В связи с этим выделяют пиковую вычислительную мощность - максимально возможное количество операций над числами с плавающей запятой в секунду, которое способен произвести компьютер. Важную роль играет также разрядность значений, обрабатываемых программой.

Производительность. Расчет Расчет производительности может быть произведен путем определения величины обратной времени выполнения эталонной программы: P=1/T. Т можно вычислить по формуле: где mi - число команд i-го типа с временем выполнения ti, h - число типов команд в эталонной программе. Оценка реальной производительности производится путём прохождения специальных тестов (бенчмарков) — набора программ, предназначенных для проведения вычислений и измерения времени их выполнения.

Тестовые программы Для более точных комплексных оценок существуют тестовые наборы, которые можно разделить на три группы: наборы тестов фирм-изготовителей для оценивания качества собственных изделий ( Intel для своих микропроцессоров использовала в 2000-х гг. показатель iCOMP - Intel Comparative Microprocessor Performance); стандартные универсальные тесты для ЭВМ, предназначенных для крупномасштабных вычислений (например, пакет математических задач Linpack, по которому ведется список ТОР 500, включающий 500 самых производительных компьютерных установок в мире); специализированные тесты для конкретных областей применения компьютеров (например тестовый пакет 3Dmark, предназначенный для измерения производительности систем в играх).

Производительность. Суперкомпьютеры Основой для рейтинга являются результаты исполнения испытания LINPACK (HPL), решающего большие СЛАУ. С июня 2018 года лидером является новый американский суперкомпьютер Summit. Summit — суперкомпьютер, разработанный компанией IBM для Окриджской Национальной лаборатории. Вычислительная мощность компьютера составляет 122,3 PFLOPS при 15 МВт потребляемой мощности. В состав 4608 серверов IBM Power Systems AC922 суперкомпьютера Summit входит 9216 22-ядерных процессоров IBM POWER9 и 27 648 графических процессоров NVIDIA Tesla V100.

Производительность. Суперкомпьютеры По общему количеству суперкомпьютеров в 50-м обновлении рейтинга сделанном 14 ноября 2017 года лидирует Китай с 202 суперкомпьютерами, следом США — 143 суперкомпьютера. Европа имеет 108, Азия — 252. Россия по данным на ноябрь 2017 года выбыла из первой десятки по количеству эксплуатируемых вычислительных систем, три суперкомпьютера в перечне — 63, 227, 412 позиции в списке. «Ломоносов-2» —построен компанией «Т-Платформы» для МГУ им. М.В. Ломоносова. После обновления его производительность на тесте Linpack возросла с 2,1 ПФЛОПС до 2,48 ПФЛОПС, пиковая производительность возросла до 4,95 ПФЛОПС.

Производительность. Суперкомпьютеры Стойки суперкомпьютера IBM Sequoia (~ 16 петафлопс). Суперкомпьютер состоит из 98 304 вычислительных узлов и имеет 1,6 Пб (1015 байт) памяти в 96 стойках, расположенных на площади в 300 кв. м.

Производительность микропроцессоров

Intel Core i9-7980XE Основная информация: Год выхода 2017 Количество ядер 18 Количество потоков 36 Базовая частота 2600 MHz Turbo Boost 4400 MHz Архитектура (ядро) Skylake-X Техпроцесс 14 nm TDP 165 W Макс. Температура 94° C Внутренняя память Кэш L1, КБ 18x32 + 18x32 (18x32=576 Кб) Кэш L2, КБ 18x1024 Кэш L3, КБ 25344

Надежность Надежность — это способность ЭВМ при определенных условиях выполнять требуемые функции в течение заданного времени (стандарт ISO – международной организации стандартов -2382/14-78). 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.  Для более сложных структур типа вычислительного комплекса или системы понятие «отказ» не имеет смысла. В таких системах отказы отдельных элементов приводят к некоторому снижению эффективности функционирования, а не к полной потере работоспособности в целом. 

Точность 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. Во многих применениях ЭВМ не требуется большой точности, например при обработке текстов и документов, при управлении технологическими процессами. В этом случае достаточно воспользоваться 8- и 16-разрядными двоичными кодами. При выполнении же сложных математических расчетов следует использовать высокую разрядность (32, 64 и даже более). Программными способами диапазон представления и обработки данных может быть увеличен в несколько раз, что позволяет достигать очень высокой точности.

Достоверность Достоверность — свойство информации быть правильно воспринятой. Достоверность характеризуется вероятностью получения безошибочных результатов. Заданный уровень достоверности обеспечивается аппаратно-программными средствами контроля самой ЭВМ. Возможны методы контроля достоверности путем решения эталонных задач и повторных расчетов. В особо ответственных случаях проводятся контрольные решения на других ЭВМ и сравнение результатов.

Классификация средств ЭВМ По виду представления обрабатываемой информации электронная вычислительная техника разделяется на аналоговую и цифровую. В аналоговых вычислительных машинах (АВМ) обрабатываемая информация представляется аналоговыми значениями величин (тока, напряжения и т.п. ) . Они проводили непрерывные измерения каких-либо величин, например, напряжения электрического тока, и с помощью определенных математических формул выдавали результат Такие вычислительные машины обеспечивают высокое быстродействие, но имеют невысокую точность вычислений и поэтому мало распространены. Их можно рассматривать как узкоспециализированные вычислительные машины.

Цифровые вычислительные машины В настоящее время под словом ЭВМ обычно понимают цифровые вычислительные машины, в которых информация представляются в виде двоичных кодов. Именно эти машины из-за их универсальности являются самой массовой вычислительной техникой.

Цифровые вычислительные машины По быстродействию ЭВМ можно разделить на: суперЭВМ для решения крупномасштабных вычислительных задач, для обслуживания крупнейших информационных банков данных; большие ЭВМ для комплектования вычислительных центров различного уровня, а также для управления сложными производственными и технологическими процессами. Эти ЭВМ могут использоваться для управления распределенной обработкой информации в качестве сетевых серверов; персональные и профессиональные ЭВМ, позволяющие удовлетворять индивидуальные потребности пользователей. На базе этого класса ЭВМ строятся автоматизированные рабочие места (АРМ) для специалистов различного уровня; встраиваемые микроконтроллеры, осуществляющие автоматизацию управления отдельными устройствами и механизмами.

Сетевая классификация С развитием сетевых технологий все больше начинает использоваться другой классификационный признак, отражающий место и роль ЭВМ в сети: системы для управления сетевыми хранилищами информации; кластерные структуры; серверы; рабочие станции; сетевые компьютеры.

Сетевые хранилища, кластеры серверы Мощные вычислительные системы и сетевые хранилища предназначаются для обслуживания крупных сетевых информационных банков. По своим характеристикам их можно отнести к классу суперЭВМ, но в отличие от них они являются более специализированными и ориентированными на обслуживание потоков информации. Кластерные структуры представляют собой многомашинные распределенные вычислительные системы, объединяющие несколько серверов. Это позволяет гибко управлять ресурсами сети, обеспечивая необходимую производительность, надежность, готовность и другие характеристики. Серверы - это вычислительные машины и системы, управляющие определенным видом ресурсов сети. Различают файл-серверы, почтовые, коммуникационные, Web-серверы и др.

Рабочие станции и сетевые компьютеры Рабочая станция ориентирована на работу профессиональных пользователей с сетевыми ресурсами. Персональная ЭВМ отличается от рабочей станции тем, что функционирует обычно в автономном режиме и предназначена в основном для непрофессиональных пользователей. Сетевые компьютеры представляют собой упрощенные персональные компьютеры, вплоть до карманных ПК. Их основным назначением является обеспечение доступа к сетевым информационным ресурсам. Вычислительные возможности у них достаточно низкие.

Рабочие станции и сетевые компьютеры Рабочая станция ориентированна на работу профессиональных пользователей с сетевыми ресурсами. Персональная ЭВМ отличается от рабочей станции тем, что функционирует обычно в автономном режиме и предназначена в основном для непрофессиональных пользователей. Сетевые компьютеры представляют собой упрощенные персональные компьютеры, вплоть до карманных ПК. Их основным назначением является обеспечение доступа к сетевым информационным ресурсам. Вычислительные возможности у них достаточно низкие.

Устройство ЭВМ. Структура При рассмотрении компьютерных устройств принято различать их архитектуру и структуру. Структура компьютера — это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые различные устройства — от основных логических узлов компьютера до простейших схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации.

Устройство ЭВМ. Структура Любая ЭВМ содержит следующие основные устройства: арифметико-логическое (АЛУ);  управления (УУ); ввода данных в ЭВМ и вывода результатов обработки (УВВ); память (ЗУ). АЛУ и УУ образуют процессор.

Устройство ЭВМ. Структура Память состоит из запоминающих устройств (ЗУ) и предназначена для хранения алгоритма обработки данных и самих данных. Запись и чтение данных осуществляется только при указании места их хранения. АЛУ. Выполняет арифметические и логические операции над поступающими в него кодами команд и данных. Каждый процессор выполняет ограниченный набор команд, входящий в систему команд ЭВМ. УУ под воздействием поступающих данных автоматически координирует работу всех устройств ЭВМ посредством своевременной выдачи на них управляющих сигналов: предписывает АЛУ выполнение конкретной операции, управляет обменом между ЗУ и процессором, работой УВВ.

Устройство ЭВМ. Структура Память состоит из запоминающих устройств (ЗУ) и предназначена для хранения алгоритма обработки данных и самих данных. Запись и чтение данных осуществляется только при указании места их хранения. АЛУ. Выполняет арифметические и логические операции над поступающими в него кодами команд и данных. Каждый процессор выполняет ограниченный набор команд, входящий в систему команд ЭВМ. УУ под воздействием поступающих данных автоматически координирует работу всех устройств ЭВМ посредством своевременной выдачи на них управляющих сигналов: предписывает АЛУ выполнение конкретной операции, управляет обменом между ЗУ и процессором, работой УВВ.

Структура ЭВМ на основе общей шины При организации ЭВМ на основе общей шины (ОШ) взаимодействие между ее устройствами осуществляется через общую шину, к которой подключены все устройства, входящие в состав ЭВМ. Взаимодействие между всеми устройствами ЭВМ осуществляется в режиме разделения времени общей шины (поочередно). Общая шина не обеспечивает высокой пропускной способности, что ограничивает число подключаемых устройств и общую производительность ЭВМ. Однако простота реализации обеспечили широкое использование такой структуры в ранних мини-ЭВМ и персональных компьютерах, а также в контроллерах - небольших специализированных микропроцессорных системах, предназначенных для управления производственными и бытовыми устройствами и приборами.

Структура ЭВМ на основе общей шины. Схема

Структура ЭВМ на основе множества шин По такому принципу построены современные компьютеры. На рисунке показана 2-х шинная структура ЭВМ, в которой выделена одна шина для памяти, а вторая шина используется для подключения устройств ввода/вывода. Структура ЭВМ на основе множества шин  

Структура ЭВМ на основе множества шин Поскольку общая шина работает на частоте самого медленного устройства, подключённого к ней, а память и периферийные устройства значительно отличаются скоростными характеристиками (быстродействие памяти намного выше быстродействия УВВ и ВЗУ), поэтому разделение шин является логичным. При 2-х шинной организации низкоскоростные устройства не ограничивают скорость обмена высокоскоростных устройств, при этом шина памяти должна обладать более высокой пропускной способностью, чем шина ввода/вывода.

Структура ЭВМ на основе множества шин В некоторых компьютерах число шин достигает трех и даже более, причем они образуют иерархию. Одна шина выделяется для низкоскоростных устройств типа принтеров, модемов, другая шина, более скоростная, для высокоскоростных периферийных устройств типа магнитных и оптических дисков, графических адаптеров, и третья шина, наиболее быстродействующая, используется для взаимодействия процессора с памятью. На вершине иерархии находится шина памяти, к которой через блок сопряжения (мост) подключают высокоскоростную периферийную шину, к которой, в свою очередь, через другой мост подключают шину ввода-вывода. Она характерна для большинства современных ЭВМ.

Каналы ввода-вывода В больших машинах для организации ввода-вывода используются специализированные процессоры, которые часто называют каналами ввода-вывода. Структура ЭВМ на основе каналов ввода-вывода  

Каналы ввода-вывода Каналы получают команды и параметры ввода-вывода от центрального процессора, после чего работают с периферийными устройствами самостоятельно. Процессор в это время может выполнять программы пользователя, обращаясь к памяти по высокоскоростной шине. Таким образом, достигается параллельная работа процессора и периферийных устройств. Каналы ввода-вывода имеют собственные шины для подключения к основной памяти. При такой организации ЭВМ ОП должна быть либо многовходовой, либо иметь необходимые коммутаторы для подключения множества устройств. В многомашинных и многопроцессорных системах применяют другие более высокоскоростные коммуникационные схемы для объединения процессоров, памяти и периферии.

Устройство ЭВМ. Архитектура Архитектурой компьютера называется его описание на некотором общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и т.д. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного запоминающего устройства (ЗУ), внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.

Классическая архитектура ЭВМ. В настоящее время наибольшее распространение в ЭВМ получили 2 типа архитектуры: Принстонская (фон Неймана) и Гарвардская. Обе они выделяют 2 основных узла ЭВМ: центральный процессор и память компьютера. Различие заключается в структуре памяти: в принстонской архитектуре программы и данные хранятся в одном массиве памяти и передаются в процессор по одному каналу, тогда как гарвардская архитектура предусматривает отдельные хранилища и потоки передачи для команд и данных.

Классическая архитектура ЭВМ. Принципы фон Неймана. Классические принципы построения ЭВМ были изложены в 1945 г. группой американских ученых, среди которых был очень известный математик и физик Джон фон Нейман. Впоследствии всем базовым принципам построения вычислительной техники стали приписывать его авторство, а архитектура с последовательным выполнением команд получила название «фон-неймановской».

Классическая архитектура ЭВМ. Принципы фон Неймана. Кратко сформулируем принципы фон Неймана. Использование двоичной системы счисления для представления чисел. Принцип программного управления. Принцип однородности памяти. Принцип адресности.

Использование двоичной системы счисления В докладе Неймана были продемонстрированы преимущества двоичной системы для технической реализации узлов компьютера, удобство и простота выполнения в ней арифметических и логических операций (ранее все вычислительные машины хранили обрабатываемые числа в десятичном виде). В дальнейшем ЭВМ стали обрабатывать текстовую, графическую, звуковую и другие виды информации, но по-прежнему двоичное кодирование данных составляет информационную основу любого современного компьютера.

Использование двоичной системы счисления Помимо машин, работавших с двоичным кодом, существовали и троичные машины. Троичные компьютеры имеют ряд преимуществ и недостатков перед двоичными. Среди преимуществ можно выделить быстродействие (операции сложения выполняются примерно в полтора раза быстрее), наличие двоичной и троичной логики, симметричное представление целых чисел со знаком (в двоичной логике либо будут иметь место два нуля (положительный и отрицательный), либо будет иметь место число, которому нет пары с противоположным знаком). К недостаткам — более сложная реализация по сравнению с двоичными машинами.

Принцип программного управления Программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором друг за другом в определенной последовательности. Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды. Если после выполнения команды следует перейти не к следующей, а к другой команде, используются команды условного или безусловного переходов, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти команды. Выборка команд из памяти прекращается после выполнения команды «стоп».

Принцип однородности памяти. Программа также должна храниться в виде набора нулей и единиц, причем в той же самой памяти, что и обрабатываемые ей числа. С точки зрения хранения и способов обработки принципиальная разница между программой и данными отсутствует.

Принцип адресности Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Адресом ячейки фактически является её номер; таким образом, местонахождение информации в ОЗУ также кодируется в виде чисел. Фон Нейман с соавторами предложил структуру ЭВМ, которая полностью воспроизводилась в машинах первого и второго поколений.

Принципы фон Неймана. Недостатки В данной архитектуре процессор одномоментно может либо читать инструкцию, либо читать/записывать данные, и то и другое не может происходить одновременно. Совместное использование шины для памяти программ и памяти данных приводит к узкому месту архитектуры фон Неймана, а именно ограничению пропускной способности между процессором и памятью по сравнению с объёмом памяти. Из-за того, что память программ и память данных не доступны в одно и то же время, пропускная способность процессора является меньшей, чем скорость, с которой он может работать.

Гарвардская архитектура Гарвардская архитектура обладает несколькими отличительными признаками: хранилище инструкций и хранилище данных, а так же каналы инструкций и каналы данных представляют собой разные физические устройства. Архитектура была разработана Говардом Эйкеном в конце 1930-х годов в Гарвардском университете. Идея заключалась в физическом разделении линий передачи команд и данных. В первом компьютере Эйкена «Марк I» для хранения инструкций использовалась перфорированная лента, а для работы с данными — электромеханические регистры. Это позволяло одновременно пересылать и обрабатывать команды и данные, благодаря чему значительно повышалось общее быстродействие.

Гарвардская архитектура Таким образом, в гарвардской архитектуре характеристики устройств памяти для инструкций и памяти для данных не обязательно должны быть одинаковыми. В частности, ширина слова, тактирование, технология реализации и структура адресов памяти могут различаться. В компьютере с использованием гарвардской архитектуры процессор может читать инструкции и выполнять доступ к памяти данных в то же самое время. Таким образом, компьютер с гарвардской архитектурой может быть быстрее.

Гарвардская архитектура Но соответствующая схема реализации доступа к памяти имеет один очевидный недостаток — высокую стоимость. При разделении каналов передачи команд и данных на кристалле процессора последний должен иметь почти вдвое больше выводов. Способом решения этой проблемы стала идея использовать общие шину данных и шину адреса для внешних данных, а внутри процессора использовать четыре раздельных шины: шину данных, шину команд и две шины адреса. Такую концепцию стали называть модифицированной гарвардской архитектурой.

Схемы

Разновидности архитектур ВМ и устройств