Основные характеристики ЭВМ

1. Основные  характеристики ЭВМ

      Первые  электронные вычислительные машины (ЭВМ) появились немногим более полувека назад. За это время микроэлектроника, вычислительная техника и вся индустрия информатики стали одними из основных составляющих мирового научно-технического прогресса. Влияние вычислительной техники на все сферы деятельности человека продолжает распространяться вширь и вглубь. В настоящее время ЭВМ используются не только для выполнения сложных расчетов, но и в управлении производственными процессами, в образовании, здравоохранении, экологии и т.д. Это объясняется тем, что ЭВМ способны обрабатывать любые виды информации: числовую, текстовую, табличную, графическую, видео, звуковую.

      Электронная вычислительная машина — это комплекс технических и программных средств, предназначенный для автоматизации подготовки и решения задач пользователей. Под пользователем понимают человека, в интересах которого проводится обработка данных на ЭВМ. В качестве пользователя могут выступать заказчики вычислительных работ, программисты, операторы. Как правило, время подготовки задач во много раз превышает время их решения.

      Требования  пользователей к выполнению вычислительных работ удовлетворяются специальным  подбором и настройкой технических  и программных средств. Обычно эти  средства взаимосвязаны и объединяются в одну структуру.

      Структура — совокупность элементов и их связей. Различают структуры технических, программных и аппаратно-программных средств. Выбирая ЭВМ для решения своих задач, пользователь интересуется функциональными возможностями технических и программных модулей (как быстро может быть решена задача, насколько ЭВМ подходит для решения данного круга задач, какой сервис программ имеется в ЭВМ, возможности диалогового режима, стоимость подготовки и решения задач и т.д.). При этом пользователь интересуется не конкретной технической и программной реализацией отдельных модулей, а общими вопросами организации вычислений. Последнее включается в понятие архитектуры ЭВМ, содержание которого достаточно обширно.

      Архитектура ЭВМ — это многоуровневая иерархия аппаратно-программных средств, из которых строится ЭВМ. Каждый из уровней допускает многовариантное построение и применение. Конкретная реализация уровней определяет особенности структурного построения ЭВМ. В последующих разделах учебника эти вопросы подробно рассматриваются.

      Детализацией  архитектурного и структурного построения ЭВМ занимаются различные категории  специалистов вычислительной техники. Инженеры-схемотехники проектируют отдельные технические устройства и разрабатывают методы их сопряжения друг с другом. Системные программисты создают программы управления техническими средствами, информационного взаимодействия между уровнями, организации вычислительного процесса. Программисты-прикладники разрабатывают пакеты программ более высокого уровня, которые обеспечивают взаимодействие пользователей с ЭВМ и необходимый сервис при решении ими своих задач. Перечисленные специалисты рассматривают понятие архитектуры в более узком смысле. Для них наиболее важные структурные особенности сосредоточены в наборе команд ЭВМ, разграничивающем аппаратные и программные средства.

      Сами  же пользователи ЭВМ, которые обычно не являются профессионалами в области  вычислительной техники, рассматривают  архитектуру через более высокоуровневые  аспекты, касающиеся их взаимодействия с ЭВМ (человеко-машинного интерфейса), начиная со следующих групп характеристик  ЭВМ, определяющих ее структуру:

      •    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).

      Важнейшими  характеристиками ЭВМ являются быстродействие и производительность. И хотя эти характеристики тесно связаны, тем не менее их не следует смешивать. Быстродействие, характеризуется

      •    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, для тестирования ПК по критериям  офисной группы приложений используется тест Winstone97-Business, для группы «домашних компьютеров» — WinBench97-CPUMark32, а для группы ПК для профессиональной работы — 3DWinBench97-UserScene).

      Отметим, что результаты оценивания ЭВМ по различным тестам несопоставимы. Наборы тестов и области применения компьютеров  должны быть адекватны.

      Другой  важнейшей характеристикой ЭВМ  является емкость запоминающих устройств. Она измеряется количеством структурных единиц информации, которые одновременно можно разместить в памяти. Этот показатель позволяет определить, какой набор программ и данных может быть одновременно размещен в памяти.

      Наименьшей  структурной единицей информации является бит — одна двоичная цифра. Как правило, емкость памяти оценивается в более крупных единицах измерения — байтах (байт равен восьми битам). Следующими единицами измерения служат: 1Кбайт=210 бай-та=1024 байта, 1Мбайт =210 Кбайта=220 байта, 1 Гбайт=210 Мбай-та=220 Кбайта=230 байта.

      Обычно  отдельно характеризуют емкость  оперативной памяти и емкость  внешней памяти. Современные персональные ЭВМ могут иметь емкость оперативной  памяти, равную 64 — 256 Мбайтам и даже больше. Этот показатель очень важен для определения, какие программные пакеты и их приложения могут одновременно обрабатываться в машине.

      Емкость внешней памяти зависит от типа носителя. Так, емкость одной дискеты составляет 1,2; 1,4; 2,88 Мбайта в зависимости от типа дисковода и характеристик дискет. Емкость жесткого диска и дисков DVD может достигать нескольких десятков Гбайтов, емкость компакт-диска (CD-ROM) — сотни Мбайтов (640 Мбайт и выше) и т.д. Емкость внешней памяти характеризует объем программного обеспечения и отдельных программных продуктов, которые могут устанавливаться в ЭВМ. Например, для установки операционной среды Windows 2000 требуется объем памяти жесткого диска более 600 Мбайт и не менее 64 Мбайт оперативной памяти ЭВМ.

      Надежность  — это способность ЭВМ при определенных условиях выполнять требуемые функции в течение заданного времени (стандарт ISO (Международная организация стандартов) -2382/14-78).

      числом  определенного типа команд, выполняемых  ЭВМ за одну секунду. Производительность — это объем работ (например, число  стандартных программ), выполняемый  ЭВМ в единицу времени.

      Определение характеристик быстродействия и  производительности представляет собой  очень сложную инженерную и научную  задачу, до настоящего времени не имеющую  единых подходов и методов решения.

      Казалось  бы, что более быстродействующая  вычислительная техника должна обеспечивать и более высокие показатели производительности. Однако практика измерений значений этих характеристик для разнотипных  ЭВМ может давать противоречивые результаты. Основные трудности в  решении данной задачи заключены в проблеме выбора: что и как измерять. Укажем лишь наиболее распространенные подходы.

      Одной из альтернативных единиц измерения  быстродействия была и остается величина, измеряемая в MIPS (Million Instructions Per Second — миллион операций в секунду). В качестве операций здесь обычно рассматриваются наиболее короткие операции типа сложения. MIPS широко использовалась для оценки больших машин второго и третьего поколений, но 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;

      •    значение MIPS и значение производительности могут противоречить друг другу, когда оцениваются разнотипные вычислители (например, ЭВМ, содержащие сопроцессор для чисел с плавающей точкой и без такового).

      При решении научно-технических задач в программах резко увеличивается удельный вес операций с плавающей точкой. Опять же для больших однопроцессорных машин в этом случае использовалась и продолжает использоваться характеристика быстродействия, выраженная в 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.

      Для более точных комплексных оценок существуют тестовые наборы, которые  можно разделить на три группы:

      •    наборы тестов фирм-изготовителей для  оценивания качества собственных изделий (например, компания Intel для своих микропроцессоров ввела показатель iCOMP-Intel Comparative Microprocessor Performance);

      В аналоговых вычислительных машинах (АВМ) обрабатываемая информация представляется соответствующими значениями аналоговых величин: тока, напряжения, угла поворота какого-то механизма и т.п. Эти машины обеспечивают приемлемое быстродействие, но

      Высокая надежность ЭВМ закладывается в  процессе ее производства. Переход  на новую элементную базу — сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) — резко  сокращает число используемых интегральных схем, а значит, и число их соединений друг с другом. Хорошо продуманы компоновка компьютера и обеспечение требуемых режимов работы (охлаждение, защита от пыли). Модульный принцип построения позволяет легко проверять и контролировать работу всех устройств, проводить диагностику и устранять неисправности.

      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). Для  работы с такими данными применяются  соответствующие структурные единицы  представления информации (байт, слово, двойное слово). Программными способами  диапазон представления и обработки  данных может быть увеличен в несколько  раз, что позволяет достигать  очень высокой точности.

      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.

2. Классификация средств ЭВТ

      В настоящее время в мире произведены, работают и продолжают выпускаться  миллионы вычислительных машин, относящихся  к различным поколениям, типам, классам; отличающихся своими областями применения, техническими характеристиками и вычислительными  возможностями. Традиционно электронную  вычислительную технику подразделяют на аналоговую и цифровую.

      Не очень высокую точность вычислений (0,001 — 0,01). Подобные машины распространены не очень широко. Они используются в основном в проектных и научно-исследовательских учреждениях в составе различных стендов по отработке сложных образцов техники. По своему назначению их можно рассматривать как специализированные вычислительные машины.

      В настоящее время под словом ЭВМ  обычно понимают цифровые вычислительные машины, в которых информация кодируется двоичными кодами чисел. Именно эти  машины благодаря универсальным  возможностям и являются самой массовой вычислительной техникой.

      Рынок современных компьютеров отличается разнообразием и динамизмом, каких  еще не знала ни одна область человеческой деятельности. Каждый год стоимость  вычислений сокращается примерно на 25—30%, стоимость хранения единицы  информации — до 40%. Практически  каждое десятилетие меняется поколение  машин, каждые год-два — основные типы микропроцессоров, определяющих характеристики новых ЭВМ. Такие  темпы сохраняются уже многие годы.