Состав устройств, структура и порядок функционирования электронных вычислительных машин

Состав устройств ЭВМ известен: это устройства типа "процессор", запоминающее устройство (ЗУ), устройство ввода (УВв), устройство вывода (УВыв).

Известно, что для того, чтобы решить некоторую задачу, сначала необходимо разработать алгоритм ее решения, а затем этот алгоритм выполнить над некоторым набором исходных данных.

Выполнение известного алгоритма — работа механическая. Если работа чисто механическая, рутинная, следовательно, ее может выполнить и какое-то техническое устройство. Ответ Дж. фон Неймана таков: чтобы аппаратура ЭВМ могла выполнять алгоритм автоматически, без участия человека, алгоритм необходимо представить в терминах машинных команд, т. е. в форме программы, а затем заставить аппаратуру эту программу выполнить. Именно программа описывает путь решения задачи, чтобы ее решить — надо по этому пути пройти. Решение задачи - это процесс, протекающий во времени, в динамике. Отсюда следует, что для решения задачи с помощью аппаратуры необходимо в состав ЭВМ, кроме фон Неймановской памяти, состоящей из пронумерованных ячеек, ввести устройство, реализующее процесс выполнения программы. Это устройство естественно названо процессором. Он в основном и реализует фон Неймановский принцип программного управления. Процессор выполняет специальный алгоритм управления вычислительным процессом. Этот алгоритм прост и не зависит от конкретных программ (инвариантен по отношению к конкретным задачам). Он и реализуется аппаратурой ЭВМ. Называется он циклом выполнения команд и сводится к выполнению следующих действий:

• выборка очередной команды из памяти машины;

• выборка операндов (если необходимо);

• выполнение операции, предписанной командой;

• запись результата операции в память (если необходимо);

• переход к пункту 1.

Какие еще устройства, кроме памяти и процессора необходимы для автоматизации решения задачи? Ответ очевиден: устройство ввода и устройство вывода.

Структура простейшей ЭВМ также является очевидной (рисунок 2.2). Чего в ней нет по сравнению с современной машиной? Нет внешней памяти (ВП).

Порядок функционирования ЭВМ. Современные ЭВМ работают под управлением операционных систем (ОС). Программы ОС обычно хранятся во ВП (на дисках). В момент включения питания в основной оперативной памяти (ОП) пусто. Для нормальной работы в ОП необходимо сначала ввести основную часть ОС (т.н. резидентную часть) из ВП. Обычно это делается под управлением программы начальной загрузки, которая в современных ЭВМ хранится в части ОП, реализованной на основе БИС ПЗУ. По объему это малая часть ОП.

Основная часть ОП строится на основе БИС ОЗУ.

После загрузки в ОП ЭВМ операционная система превращается в инструмент, помогающий человеку в автоматическом режиме быстро и без ошибок выполнять машинные программы.

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, KN}. 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 KB = 2^|0В, мегабайт MB = 2^2(,В, гигабайт ГВ = 2³⁰В, терабайт ТВ = 2^4НВ. 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_ALU={V₊, V., V*, V_дел,...}. Быстродействие определяется количеством операций в единицу времени и зависит от времени выполнения операции: V=l/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_K 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

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. Оценка производительности 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) ввиду того, что элементы, из которых строится ЭВМ, рано или поздно перестают нормально работать. В результате отказа

элемента работоспособность ВК нарушается. Отказы аппаратуры случайные события, частоту которых принято характеризовать интенсивностью отказов А,, т.е. количеством отказов в единицу времени. Другая характеристика надежности - т. Н. наработка на отказ: Т=1А, - это промежуток времени между двумя соседними (по времени) отказами.

Общий подход к увеличению надежности ВК - 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.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: