Лекции по "Информатике"

    Тема 1.

    Основные  характеристики, области  применения ЭВМ различных классов.

1. Определение производительности ЭВМ.

 

Основным техническим  параметром ЭВМ является её производительность. Этот показатель определяется архитектурой процессора, иерархией внутренней и внешней памяти, пропускной способностью системного интерфейса, системой прерывания, набором периферийных устройств в конкретной конфигурации, совершенством операционной системы и т.д.

Различают следующие  виды производительности:

- пиковая (предельная) — это производительность процессора без учета времени обращения к оперативной памяти (ОП) за операндами;

- номинальная  — производительность процессора  с ОП;

- системная —  производительность базовых технических  и программных средств, входящих в комплект поставки ЭВМ;

- эксплуатационная  — производительность на реальной  рабочей нагрузке, формируемой в основном используемыми пакетами прикладных программ (ППП) общего назначения.

Методы определения  производительности разделяются на три основных

группы:

- расчетные, основанные на информации, получаемой теоретическим или эмпирическим путем;

- экспериментальные,  основанные на информации, получаемой  с использованием аппаратно-программных измерительных средств;

- имитационные, применяемые для сложных ЭВМ.  Основные единицы оценки .производительности:

- абсолютная, определяемая  количеством элементарных работ,  выполняемых в единицу времени;

- относительная,  определяемая для оцениваемой  ЭВМ относительно базовой в  виде индекса производительности.

Для каждого  вида производительности применяются следующие традиционные методы их определения.

Пиковая производительность (быстродействие) определяется средним  числом команд типа «регистр-регистр», выполняемых в одну секунду без  учета их статистического веса в  выбранном классе задач.

Номинальная производительность (быстродействие) определяется средним числом команд, выполняемых подсистемой «процессор-память» с учетом их статистического веса в выбранном классе задач. Она рассчитывается, как правило, по формулам и специальным методикам, предложенным для процессоров определенных архитектур, и измеряется с помощью разработанных для них измерительных программ, реализующих соответствующую эталонную нагрузку.

Для данных типов  производительностей используются следующие единицы измерения:

MIPS (Mega Instruction Per Second) - миллион целочисленных операций  в секунду;

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

GFLOPS (Giga Floating Operations Per Second) - миллиард операций не  с числами с плавающей загоггой в секунду;

TFLOPS (Tera Floating Operations Per Second) - триллион операций на  числами с плавающей запятой  в секунду.

Системная производительность измеряется с помощью синтезированны типовых (тестовых) оценочных программ, реализованных на унифицирова! ных языках высокого уровня. Унифицированные тестовые программы и< пользуют типичные алгоритмические действия, характерные для реальны применений, и штатные компиляторы ЭВМ. Они рассчитаны на использовг ние базовых технических средств и позволяют измерять производитеяьност для расширенных конфигураций технических средств. Результаты оценк системной производительности ЭВМ конкретной архитектуры приводятс относительно базового образца, в качестве которого используются ЭВМ, т ляющиеся промышленными стандартами систем ЭВМ различной архитекту ры. Результата оформляются в виде сравнительных таблиц, двумерных гра фиков и трехмерных изображений.

Существует большое  количество различных тестовых программ, напри мер:

SPEC mt 95 и SPEC fp 95 - для интенсивной проверки процессоров п< целочисленным операциям и вычислениям с плавающей запятой (табл. 1.3);

Graphstone - набор  из 125 подпрограмм, проверяющих компьютер  на'1;

различных типах  графических элементов;

Khomevstone - методика  испытаний с использованием 21 теста, интен сивно нагружающих центральный процессор, процессор с плавающей зал» той и дисковую подсистему.

Эксплуатационная  производительность оценивается на основании ис пользования данных о реальной рабочей нагрузке и  функционировании ЭВ^ при выполнении типовых производственных нагрузок в основных областя? применения. Расчеты делаются главным образом на уровне типовых пакете! прикладных программ текстообработки, систем управления базами данных пакетов автоматизации проектирования, графических пакетов и т.д.

Очень часто  при сравнении компьютеров пользуются отношением производительности к стоимости.

К другим технико-эксплуатационным характеристикам ЭВМ относятся:

- разрядность  обрабатываемых слов и кодовых  шин интерфейса;

- типы системного и локальных интерфейсов;

- тип и емкость  оперативной памяти; 

- тип и емкость  накопителя на жестком магнитном  диске; 

- тип и емкость  накопителя на гибком магнитном  диске;

- тип и емкость  кэш-памяти;

- тип видеоадаптера  и видеомонитора;

- наличие средств  для работы в компьютерной сети;

- наличие и  тип программного обеспечения;

- надежность  ЭВМ;

- стоимость;

габариты и  масса.

Таблица 1.3 Результаты тестирования процессоров

Тема 2.

    Функциональная  и структурная  организация процессора.

1. Алгоритм  работы процессора.

По ходу исполнения практически любого приложения возникает  необходимость пересылки данных на устройство вывода или считывания их с устройства ввода. Эти фрагменты кода одинаковы для любого приложения. Это обстоятельство позволяет выделить их и сделать общеупотребимыми. Другими словами, отнести к операционной системе. Таким образом, по ходу исполнения приложений возникает событие — передача управления центральным процессором от приложения операционной системе. Это событие называют прерыванием.

Прерывание – это временное прекращение процессором текущей работы для выполнения некоторых действий, по завершении которых процессор возвращается в прежнее состояние и продолжает прерванную работу.

Прежде, чем пояснить это определение кратко опишем работу процессора.

Рисунок 1 – Алгоритм работы процессора

1. Вначале выполнения программы текущим является адрес первой команды.
2. Любую программу перед ее выполнением записывают в ОЗУ. Туда же помещают и относящиеся к ней данные.

 
В приведенном алгоритме использован  термин "аппаратная реализация команды". Поясним его.

Любая программа - это совокупность команд и данных. В свою очередь команда - это последовательность микроопераций, которые в свою очередь  представляют собой набор нулей  и единиц. Для процессора, как  полупроводникового устройства, микрооперация - это описание его текущего состояния. Другими словами, замкнутых и разомкнутых ключей его электрической схемы. Получающаяся таким образом электрическая цепь позволяет преобразовать данные так, что результат соответствует указанному в программе действию.

Для однозначной  интерпретации рис. 1 приведем обобщенную структурную схему процессора - функционально законченного программно управляемого модуля арифметической и логической обработки данных.

Рисунок 2 – Обобщенная структурная  схема процессора

Здесь использованы следующие обозначения:

• УС - указатель стека;
• ВП - внутренняя память процессора;
• АЛУ - арифметико-логическое устройство;
• РК - регистр команд;
• ПС - программный счетчик;
• УУ - устройство управления.

Процессор исполняет  различные программы обработки  данных. Фрагменты этих программ (подпрограммы) описывают часто используемые операции, например, обслуживание устройств ввода данных.

Такие подпрограммы может написать сам автор программы. Однако этот подход приводит к необходимости  многократного переписывания наиболее общих наборов команд для всех выполняемых прикладных программ.

Можно поступать иначе - поставлять подпрограммы как часть операционной системы. Такие подпрограммы называют программами обработки прерываний (Interrupt Service Routine - ISR). При таком подходе к разработке программ ее текст - это последовательность действий по обработке информации, где при необходимости выполнения наиболее общих наборов команд программист ссылается на конкретную программу обработки прерываний.

Тема 3.

    Организация памяти ЭВМ.

1. Что такое  стековая память ?

 

    Стек- это структура данных, над которой можно осуществлять две операции: проталкивание (Push) значения и выталкивание (Pop). 

      
 

   Стек - неявный способ адресации, когда информация хранится в виде последовательности, в которой доступен только последний член. Аналогией стека может служить детская пирамидка, нижнее кольцо которой невозможно снять, пока не будут сняты все остальные. Стек всегда имеет единственный вход и выход информации - для хранения его адреса служит специальный регистр микропроцессора под названием указатель стека.

   Стек- это структура данных, над которой можно осуществлять две операции: проталкивание (Push) значения и выталкивание (Pop).

   Пример: Пусть требуется на время сохранить значения трех целочисленных 2-байтовых переменных N1, N2 и N3, а затем их все восстановить. Воспользуемся для этого стековой памятью. Пусть указатель стека содержит адрес 2006 (рис. а). Тогда по команде "записать в стек N1" процессор проделает следующее:

   1.     уменьшит указатель стека на 2;

   2.     запишет N1 по полученному адресу 2004 (рис. б);

   3.     аналогично при выполнении команд "записать в стек N2" и "записать в стек N3" значения этих переменных попадут в ячейки 2002 и 2000, причем указатель стека станет равным 2000 (рис. в).