Тема 6. Принципы работы компьютера

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 12Следующая ⇒

Даже самые современные компьютеры имеют схожие принципы работы с самыми ранними вычислителями. Впервые эти принципы изложил в своем докладе знаменитый математик Джон фон Нейман.

В общих чертах работу компьютера можно описать так. Вначале с помощью какого-либо внешнего устройства в память компьютера вводится программа. Устройство управления считывает содержимое ячейки памяти, где находится первая инструкция (команда) программы, и организует ее выполнение. Эта команда может задавать выполнение арифметических или логических операций, чтение из памяти данных для выполнения арифметических или логических операций или запись их результатов в память, ввод данных из внешнего устройства в память или вывод данных из памяти на внешнее устройство.

Как правило, после выполнения одной команды устройство управления начинает выполнять команду из ячейки памяти, которая находится непосредственно за только что выполненной командой. Однако этот порядок может быть изменен с помощью команд передачи управления (перехода). Эти команды указывают устройству управления, что ему следует продолжить выполнение программы, начиная с команды, содержащейся в некоторой другой ячейке памяти. Такой " скачок", или переход, в программе может выполняться не всегда, а только при выполнении некоторых условий, например, если некоторые числа равны, если в результате предыдущей арифметической операции получился нуль и т.д. Это позволяет использовать одни и те же последовательности команд в программе много раз (т.е. организовывать циклы), выполнять различные последовательности команд в зависимости от выполнения определенных условий, т.е. создавать сложные программы.

Таким образом, управляющее устройство выполняет инструкции программы автоматически, т.е. без вмешательства человека. Оно может обмениваться информацией с оперативной памятью и внешними устройствами компьютера. Поскольку внешние устройства, как правило, работают значительно медленнее, чем остальные части компьютера, управляющее устройство может приостанавливать выполнение программы до завершения операции ввода-вывода с внешним устройством. Все результаты выполненной программы должны быть ею выведены на внешние устройства компьютера, после чего компьютер переходит к ожиданию каких-либо сигналов внешних устройств.

Следует заметить, что схема устройства современных компьютеров несколько отличается от приведенной выше. В частности, арифметическо-логическое устройство и устройство управления. Как правило, объединены в единое устройство — центральный процессор (CPU). Кроме того, процесс выполнения программ может прерываться для выполнения неотложных действий, связанных с поступившими сигналами от внешних устройств компьютера — прерываний. Многие быстродействующие компьютеры осуществляют параллельную обработку данных на нескольких процессорах.

Основные функциональные характеристики ЭВМ.

Качество ЭВМ характеризуется многими показателями. Это и набор инструкций (команд), которые ЭВМ способна понимать и выполнять, и скорость работы (быстродействие), и количество периферийных устройств, которые можно одновременно подключать к ЭВМ, и размеры ЭВМ, и потребление электроэнергии и многое другое. Рассмотрим основные функциональные характеристики ЭВМ, которые в дальнейшем помогут их классифицировать.

Быстродействие, производительность, тактовая частота.

Оценка быстродействия ЭВМ всегда приблизительна, поскольку ориентируется на скорость выполнения некоторых усредненных видов арифметических операций. Единицами измерения быстродействия ЭВМ служат:

• МИПС (MIPS - Mega Instruction Per Second) - миллион операций в секунду над числами с фиксированной запятой;

• МФЛОПС (MFLOPS - Mega Floating Operations Per Second) - миллион операций в секунду над числами с плавающей запятой;

• ГФЛОПС (GFLOPS Giga Floating Operations Per Second) - миллиард операций в секунду над числами с плавающей запятой.

ТФЛОПС) ТераФЛОПС - 1 триллион арифметических операций в секунду.

При решении реальных задач используется различные наборы операций, скорость выполнения которых в ЭВМ отличается в несколько раз. Кроме того, производительность ЭВМ в целом зависит не только от скорости выполнения арифметических операций, но и от скорости передачи информации между ее узлами, а также от целого рада других факторов. Поэтому в качестве характеристики производительности современных ЭВМ, как правило, указывается тактовая частота, используемого микропроцессора. Каждая выполняемая операция требует выполнения определенного количества тактов. Зная тактовую частоту, можно достаточно точно определить время выполнения любой машинной операции. Установлено, что тактовая частота процессора 33 МГц обеспечивает быстродействие, эквивалентное 7 MIPS, а частота 100 МГц ~ 20 MIPS

Разрядность.

Разрядность — это максимальное количество разрядов двоичного числа (битов), над которым одновременно может выполняться машинная операция.

Чем больше разрядность ЭВМ, тем, при прочих равных условиях, будет больше их производительность.

Память.

Память ЭВМ служит для хранения программ и данных. Она измеряется в килобайтах, мегабайтах, гигабайтах и т.д. Память представляет собой совокупность нескольких запоминающих устройств, различных по функциональному назначению и конструктивному исполнению. Различают оперативную память (память на оперативных запоминающих устройствах — память ОЗУ) и внешнюю память (память на внешних запоминающих устройствах память ВЗУ). Чем больше память ЭВМ, тем лучше ее характеристики, тем выше ее производительность.

Тема 7. Классификация ЭВМ.

Классификация компьютеров

Существуют различные классификации компьютеров –

• Классификация по назначению.

• Классификация по уровню специализации.

• Классификация по размеру.

• Классификация по совместимости.

Следует заметить, что любая классификация является в некоторой мере условной, поскольку развитие компьютерной науки и техники настолько бурное, что, например, сегодняшняя микроЭВМ не уступает по мощности миниЭВМ пятилетней давности и даже суперкомпьютерам недавнего прошлого. Кроме того, зачисление компьютеров к определенному классу довольно условно через нечеткость разделения групп, так и вследствие внедрения в практику заказной сборки компьютеров, где номенклатуру узлов и конкретные модели адаптируют к требованиям заказчика.

Мы приведем классификацию, которую используют ведущие производители компьютеров:

• Суперкомпьютеры

• Мэйнфреймы

• Серверы

• Персональные компьютеры: настольные, переносные, наладонные

Суперкомпьютеры:

Это большие компьютеры, которые создаются для задач, требующих больших вычислений, таких как определение координаты далекой звезды или галактики, моделирования климата, составления карт нефтяных и газовых месторождений и т.д.

Суперкомпьютеры - это штучный продукт, они создаются для решения конкретных задач заказчика. Но, составляющие элементы суперкомпьютера являются серийными.

Суперкомпьютеры состоят из сотен процессоров, имеют большую оперативную память и высокое быстродействие. Они занимают большие залы по площади равные 2-3 баскетбольным площадкам.

Многие суперкомпьютеры создаются по кластерной технологии (Cluster Кластер

Cluster Кластер - класс родственных элементов статистической совокупности.

Кластерный анализ

По этой технологии компьютер строится из нескольких десятков серверов, которые работают как единая система. Кластерные суперкомпьютеры легко масштабируются и позволяют создавать дублирующие вычислительные линии, что бывает необходимым, когда вычисления, например, моделируют процессы в реальном времени и сбои недопустимы.

Разновидности

• магистральные (конвейерные) (МКОД — многократный поток команд и однократный поток данных) — несколько процессоров одновременно выполняют различные операции над одним последовательным потоком обрабатываемых данных;

• векторные (ОКМД - однократный поток команд и многократный поток данных) все процессоры одновременно выполняют одну команду над различными данными;

• матричные (МКМД — многократный поток команд и многократный поток данных) различные процессоры одновременно выполняют разные операции над несколькими последовательными потоками обрабатываемых данных.

На современном этапе наибольшее распространение получили суперЭВМ с архитектурой ОКМД.

Организация TOP500 Supercomputer sites с 1993 года публикует статистику по 500 наиболее мощным суперкомпьютерам.

Россия по данным на июнь 2010 года занимает 7 место по числу установленных систем (11 суперкомпьютеров в списке)

Лидирует по этому показателю США — 282 системы.

В данной таблице представлена первая десятка 35-й по счёту редакции списка Top500, опубликованного 31 мая 2010 года на конференции ISC'10 в Гамбурге,

(Tflops) Название Компьютер Число процессорных ядер Производитель Место, страна, год

1 1759.00

2331.00 Jaguar Cray XT5 224162 (Opteron) Cray Окриджская национальная лаборатория США, 2009

2 1271.00

2984.30 Nebulae Intel X5650,

NVidia Tesla C2050 GPU 120640 Dawning

Национальный суперкомпьютерный центр (Шэньчжэнь) Китай, 2010

3 1042.00

1375.78 Roadrunner BladeCenter QS22/LS21 122400 (Cell/Opteron) IBM Лос-Аламосская национальная лаборатория США, 2009

4 831.70

1028.85 Kraken Cray XT5 98928 (Opteron) Cray Национальный институт вычислительных наук при университете в Теннесси

США, 2009

5 825.50

1002.70 JUGENE Blue Gene/P Solution 294912 (POWER) IBM Юлихский исследовательский центр Германия, 2009

С помощью такой мощной, но дорогостоящей вычислительной техники, оказалось возможным решение целого ряда сложных научных и практических задач прогнозирование метеоусловий, управление сложными оборонными, технологическими и космическими комплексами, моделирования экологических, экономических и социальных систем.

Мэйнфреймы:

Это большие компьютеры, с высоким быстродействием и большими вычислительными ресурсами, которые могут обрабатывать большое количество данных и выполнять обработку запросов одновременно нескольких тысяч пользователей.

Мэйнфреймы выполнены с избыточными техническими характеристиками, что делает их очень надежными. Физически мэйнфреймы имеют один корпус - системный блок размером со шкаф, к которому могут подключаться терминалы (терминал состоит из монитора и клавиатуры). Используются мэйнфреймы для хранения и обработки больших баз данных, а также крупных web-узлов с большим количеством одновременных обращений.

Основные направления эффективного использования больших ЭВМ это решение крупных научно-технических задач, работа в информационных системах с большими объемами данных, управление вычислительными сетями и т.д.

Серверы:

Это компьютеры, которые служат центральными узлами в компьютерных сетях. На серверах устанавливается программное обеспечение, позволяющее управлять работой сети.

На серверах хранится информация, которой могут пользоваться все компьютеры, подключенные к сети. От сервера зависит работоспособность всей сети и сохранность баз данных и другой информации, поэтому серверы имеют несколько резервных дублирующих систем хранения данных, электропитания, возможность замены неисправных блоков без прерывания работы.

Серверы могут содержать от нескольких процессоров до нескольких десятков процессоров.

Персональные компьютеры

настольные, переносные, наладонные

Микро-ЭВМ.

Наибольшей популярностью пользуются персональные компьютеры (ПК), так как они отвечают достаточно широкому спектру требований как индивидуальных потребителей, так и различных по масштабу предприятий и фирм:

• универсальность и доступность применения,

• высокие технические характеристики,

• автономность эксплуатации,

• гибкость архитектуры, что дает возможность создавать на базе ПК вычислительные комплексы в различных областях науки, образования, производства, экономики и в быту,

• открытость архитектуры, что означает, во-первых, возможность взаимозаменяемости использования узлов сборки от различных производителей, и, во-вторых, возможность доукомплектования ПК (upgrade), наращивания его мощности уже в процессе эксплуатации,

• относительно малая стоимость и высокая надежность в эксплуатации.

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒