Основные характеристики ЭВМ 3 страница

Оперативная память - устройство, которое служит для хранения информации (программ, исходных данных, промежуточных и конечных результатов обработки), непосредственно используемой в ходе выполнения программы в процессоре. В настоящее время объем ОП персональных компьютеров составляет несколько сотен мегабайт. Оперативная память работает на частоте системной шины и требует 6-8 циклов синхронизации шины для обращения к ней. Так, при частоте работы системной шины 100 МГц (при этом период равен 10 нс) время обращения к оперативной памяти составит несколько десятков наносекунд.

Для заполнения пробела между РП и ОП по объему и времени обращения в настоящее время используется кэш-память, которая организована как более быстродействующая (и, следовательно, более дорогая) статическая оперативная память со специальным механизмом записи и считывания информации и предназначена для хранения информации, наиболее часто используемой при работе программы (предназначена для хранения активных страниц объемом десятки и сотни Кбайтов). Как правило, часть кэш-памяти располагается непосредственно на кристалле микропроцессора (внутренний кэш), а часть - вне его (внешняя кэш-память). Кэш-память программно недоступна. Для обращения к ней используются аппаратные средства процессора и компьютера.

Внешняя память организуется, как правило, на магнитных и оптических дисках, магнитных лентах. Емкость дисковой памяти достигает десятков гигабайт при времени обращения менее 1 мкс. Магнитные ленты вследствие своего малого быстродействия и большой емкости используются в настоящее время в основном только как устройства резервного копирования данных, обращение к которым происходит редко, а может быть и никогда. Время обращения для них может достигать нескольких десятков секунд.

Следует отметить, что электронная вычислительная техника развивается чрезвычайно быстрыми темпами. Так, согласно эмпирическому «закону Мура», производительность компьютера удваивается приблизительно каждые 18 месяцев. Поэтому все приводимые в данном пособии количественные характеристики служат по большей части только для отражения основных соотношений и тенденций в развитии тех или иных компонентов и устройств компьютеров.

Часть машинных программ, обеспечивающих автоматическое управление вычислениями и используемых наиболее часто, может размещаться в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ). На более низких уровнях иерархии находятся внешние запоминающие устройства на магнитных носителях:

§ на жестких и гибких магнитных дисках,

§ магнитных лентах,

§ магнитооптических дисках и др.

Их отличает более низкое быстродействие и очень большая емкость.

Организация заблаговременного обмена информационными потоками между ЗУ различных уровней при децентрализованном управлении ими позволяет рассматривать иерархию памяти как единую абстрактную кажущуюся (виртуальную) память. Согласованная работа всех уровней обеспечивается под управлением программ операционной системы. Пользователь имеет возможность работать с памятью, намного превышающей емкость ОЗУ.

Децентрализация управления и структуры ЭВМ позволила перейти к более сложным многопрограммным (мультипрограммным) режимам. При этом в ЭВМ одновременно может обрабатываться несколько программ пользователей.

В ЭВМ, имеющих один процессор, многопрограммная обработка является кажущейся. Она предполагает параллельную работу отдельных устройств, задействованных в вычислениях по различным задачам пользователей. Например, компьютер может производить распечатку каких-либо документов и принимать сообщения, поступающие по каналам связи. Процессор при этом может производить обработку данных по третьей программе, а пользователь - вводить данные или программу для новой задачи, слушать музыку и т.п.

В ЭВМ или вычислительных системах, имеющих несколько процессоров обработки, многопрограммная работа может быть более глубокой. Автоматическое управление вычислениями предполагает усложнение структуры за счет включения в ее состав систем и блоков, разделяющих различные вычислительные процессы друг от друга, исключающие возможность возникновения взаимных помех и ошибок (системы прерываний и приоритетов, защиты памяти). Самостоятельного значения в вычислениях они не имеют, но являются необходимым элементом структуры для обеспечения этих вычислений.

Как видно, полувековая история развития ЭВТ дала не очень широкий спектр основных структур ЭВМ. Все приведенные структуры не выходят за пределы классической структуры фон Неймана. Их объединяют следующие Традиционные признаки:

Ø ядро ЭВМ образует процессор - единственный вычислитель в структуре, дополненный каналами обмена информацией и памятью;

Ø линейная организация ячеек всех видов памяти фиксированного размера;

Ø одноуровневая адресация ячеек памяти, стирающая различия между всеми типами информации;

Ø внутренний машинный язык низкого уровня, при котором команды содержат элементарные операции преобразования простых операндов;

Ø последовательное централизованное управление вычислениями;

Ø достаточно примитивные возможности устройств ввода-вывода. Несмотря на все достигнутые успехи, классическая структура ЭВМ не обеспечивает возможностей дальнейшего увеличения производительности. Наметился кризис, обусловленный рядом существенных недостатков:

ª плохо развитые средства обработки нечисловых данных (структуры, символы, предложения, графические образы, звук, очень большие массивы данных и др.);

ª несоответствие машинных операций операторам языков высокого уровня;

ª примитивная организация памяти ЭВМ;

ª низкая эффективность ЭВМ при решении задач, допускающих параллельную обработку и т.п.

Все эти недостатки приводят к чрезмерному усложнению комплекса программных средств, используемого для подготовки и решения задач пользователей.

В ЭВМ будущих поколений, с использованием в них «встроенного искусственного интеллекта», предполагается дальнейшее усложнение структуры; В-первую очередь это касается совершенствования процессов общения пользователей с ЭВМ (использование аудио-, видеоинформации, систем мультимедиа и др.) , обеспечения доступа к базам данных и базам знаний, организации параллельных вычислений. Несомненно, что этому должны соответствовать новые параллельные структуры с новыми принципами их построения. В качестве примера укажем, что самая быстрая ЭВМ фирмы IBM в настоящее время обеспечивает быстродействие 600 MIPS (миллионов команд в секунду), самая же большая гиперкубическая система nCube дает быстродействие 123.103 MBPS. Расчеты показывают, что стоимость одной машинной операции в гиперсистеме примерно в тысячу раз меньше. Вероятно, подобными системами будут обслуживаться большие информационные хранилища.

1.4. Функции программного обеспечения

Электронные вычислительные машины являются универсальными техническими средствами автоматизации вычислительных работ, т.е. они способны решать любые задачи, связанные с преобразованием информации. Однако подготовка задач к решению на ЭВМ была и остается до настоящего времени достаточно трудоемким процессом, требующим от пользователей во многих случаях специальных знаний и навыков.

Для снижения трудоемкости подготовки задач к решению, более эффективного использования отдельных технических, программных средств и ЭВМ в целом, а также облегчения их эксплуатации каждая ЭВМ имеет специальный комплекс программных средств регулярного применения. Эти средства обеспечивают взаимодействие пользователей с ЭВМ и являются своеобразным “посредником” между ними. Они получили название программного обеспечения (ПО) ЭВМ.

Под программным обеспечением будем понимать комплекс программных средств регулярного применения, предназначенный для подготовки и решения задач пользователей.

Программное обеспечение отдельных ЭВМ и ВС может сильно различаться составом используемых программ, который определяется классом используемой вычислительной техники, режимами ее применения, содержанием вычислительных работ пользователей и т.п. Развитие ПО современных ЭВМ и ВС в значительной степени носит эволюционный и эмпирический характер, но можно выделить закономерности в его построении.

В общем случае процесс подготовки и решения задач на ЭВМ пользователями предусматривает выполнение следующей последовательности этапов (рисунок 1.8):

Рисунок 1.8 - Автоматизация подготовки и решения задач в ЭВМ

Ø формулировка проблемы и математическая постановка задачи;

Ø выбор метода и разработка алгоритма решения;

Ø программирование (запись алгоритма) с использованием некоторого алгоритмического языка;

Ø планирование и организация вычислительного процесса - порядка и последовательности использования ресурсов ЭВМ и ВС;

Ø формирование «машинной программы», т.е. программы, которую непосредственно будет выполнять ЭВМ;

Ø собственно решение задачи - выполнение вычислений по готовой программе.

По мере развития вычислительной техники автоматизация этих этапов идет снизу-вверх. В ЭВМ 1-го поколения автоматизации подлежал только последний этап. Все пять предыдущих этапов пользователь должен был готовить вручную самостоятельно. Трудоемкий и рутинный характер этих работ был источником большого количества ошибок в заданиях. Поэтому в ЭВМ следующих поколений появились сначала элементы, а затем целые системы, облегчающие процесс подготовки задач к решению.

Для ЭВМ 2-го поколения характерно широкое применение алгоритмических языков (Автокоды, Алгол, Фортран и др.) и соответствующих трансляторов, позволяющих автоматически формировать машинные программы по их описанию на алгоритмическом языке. Здесь же широко стали внедряться библиотеки стандартных программ, что позволило строить машинные программы блоками, используя накопленный и приобретенный программистами опыт. Отметим, что временные границы появления всех нововведений достаточно размыты. Обычно их истоки можно обнаружить в недрах ЭВМ предыдущих поколений.

ЭВМ 3-го поколения характеризуются расцветом операционных систем (ОС), отвечающих за организацию и управление вычислительным процессом. Именно здесь слово “ЭВМ” все чаще стало заменяться понятием “вычислительная система”, что в большей степени отражало усложнение как аппаратурной, так и программной частей ЭВМ. Стоимость программного обеспечения стала расти и в настоящее время намного опережает стоимость аппаратных средств (рисунок 1.9).

Рисунок 1.9 Динамика изменения стоимости аппаратурных и программных средств

Операционная система планирует последовательность распределения и использования ресурсов вычислительной системы, а также обеспечивает их согласованную работу. Под ресурсами обычно понимают те средства, которые используются для вычислений: машинное время отдельных процессоров или ЭВМ, входящих в систему; объемы оперативной и внешней памяти; отдельные устройства, информационные массивы; библиотеки программ; отдельные программы как общего, так и специального применения и т.п. Наиболее употребительные функции ОС в части обработки внештатных ситуаций (защита программ от взаимных помех, системы прерываний и приоритетов, служба времени, сопряжение с каналами связи и т.д.) были полностью или частично реализованы аппаратно. Одновременно были реализованы более сложные режимы работы: коллективный доступ к ресурсам, мультипрограммные режимы. Часть этих решений стала своеобразным стандартом и начала использоваться повсеместно в ЭВМ различных классов. Это позволило в значительной степени повысить эффективность применения ЭВМ и ВС в целом.

В ЭВМ 4-го поколения продолжается усложнение технических и программных структур (иерархия управления средствами, увеличение их количества). Следует отметить заметное повышение «интеллектуальности» машин. Особенно это стало видно при появлении персональных ЭВМ, ориентированных на определенные категории пользователей. Программное обеспечение этих машин создает дружественную среду общения человека и компьютера. Оно, с одной стороны, управляет процессом обработки информации, а с другой - создает необходимый сервис для пользователя, снижая трудоемкость его рутинной работы и предоставляя ему возможность больше внимания уделять творчеству.

Подобные тенденции будут сохраняться и в ЭВМ следующих поколений. Так, по мнению исследователей, машины следующего столетия будут иметь встроенный в них искусственный интеллект, что позволит пользователям обращаться к машинам (системам) на естественном языке, вводить и обрабатывать тексты, документы, иллюстрации, создавать системы обработки знаний и т.д. Все это приводит к необходимости разработки сложного, иерархического программного обеспечения систем обработки данных.

Классификация программного обеспечения

Выделяют три основных класса программного обеспечения (ПО):

1. Системное программное обеспечение.

2. Пакеты прикладных программ (ППП).

3. Инструментарий технологии программирования (ИТП).

Системное программное обеспечение – совокупность программ и программных комплексов для обеспечения работы компьютера и сетей ЭВМ. К ПП данного класса применяются высокие требования по надежности и технологичности работы, удобству и эффективности использования.

 


Данный класс ПО ориентирован, в основном, на профессиональных пользователей: системного программиста, администратора сети, прикладного программиста, оператора. Однако и конечный пользователь должен знать базовую технологию работы с этим классом ПО.

Операционная система (ОС) – совокупность программных средств, обеспечивающая управление аппаратной частью компьютера и прикладными программами, а также их взаимодействие между собой и пользователем. ОС предназначена для управления выполнением пользовательских программ, планирования и управления вычислительными ресурсами ЭВМ. Доход от продаж ОС в среднем превышает 30 млрд. долларов в год (IBM, Microsoft, Novell, UNISYS).

ОС для персональных компьютеров делятся на:

одно- и многозадачные (в зависимости от числа параллельно выполняемых прикладных процессов );

одно- и многопользовательские (в зависимости от числа пользователей, одновременно работающих с ОС );

непереносимые и переносимые на другие типы компьютеров;

несетевые и сетевые, обеспечивающие работу в сетях ЭВМ.

ОС MS DOS фирмы Microsoft появилась в 1981г. В настоящее время существуют версии 6.22 и 7.0 (в составе Windows 95), а также ее разновидности других фирм-разработчиков (DR DOS, PC DOS). MS DOS – однозадачная, однопользовательская ОС. Обеспечивает командный интерфейс пользователя.

Операционные оболочки – специальные программы, предназначенные для облегчения общения пользователя с командами ОС. Операционные оболочки имеют текстовый и графический варианты интерфейса пользователя. Наиболее популярны текстовые оболочки для MS DOS: Norton Commander (Symantec); DOS Navigator. Эти программы существенно упрощают задание команды ОС для выполнения.

Большую популярность получили графические оболочки Windows 95 - Windows 98. Наиболее популярен следующий комплект утилит: Norton Utilities, Symantec. Наиболее известные антивирусные программы DrWeb, лаборатория Касперского, NOD32.

Пакет прикладных программ (ППП) – комплекс взаимосвязанных программ для решения задач определенного класса конкретного программного обеспечения.

В данный класс ПП входят пакеты, выполняющие обработку информации в различных предметных областях. Это самый многочисленный класс ПП.

Все ППП разделяются на:

ü ППП общего назначения.

ü Проблемно-ориентированные ППП (бухучет, отдел кадров, управление производством и т.д.);

ü Системы автоматизированного проектирования САПР (для поддержки работы конструкторов и технологов, связанной с разработкой чертежей, схем и т.п.);

ü Автоматизированные системы управления (АИС - автоматизированные информационные системы; АСНИ – автоматизированные системы научных исследований; АСРВ – автоматизированные системы реального времени; ИПС –информационно0поисковые системы; АСУ ТП (технологическими процессами); АСУП (производством));

ü Методо-ориентированные ППП (математические, статистические и другие методы решения задач, независимо от сферы их применения);

ü Офисные ППП (органайзеры, программы-переводчики, программы проверки орфографии, коммуникационные: электронная почта, браузеры для Internet и т.д.);

ü Настольные издательские системы;

ü Программные средства мультимедиа (процесс обучения, организация досуга);

ü Системы искусственного интеллекта (экспертные системы, оболочки для их создания, системы управления базами знаний, системы анализа и распознавания речи и другие).

ППП общего назначения поддерживают информационные технологии конечных пользователей.

ü настольные системы управления базами данных (СУБД);

ü серверы БД (для создания и работы в сети интегрированных БД);

ü генераторы отчетов (серверы) – реализация запросов и генерация отчетов в условиях сети с архитектурой клиент-сервер;

ü текстовые и табличные процессоры;

ü средства презентационной графики – для подготовки слайд-фильмов, мультфильмов, видеофильмов, их редактирования;

ü интегрированные пакеты – набор нескольких ПП, функционально дополняющие друг друга и поддерживающие единые информационные технологии.

Инструментальные средства разработки ПО – совокупность программ и программных комплексов, обеспечивающих технологию разработки, отладки и внедрения создаваемых ПП. Включают языки программирования, системы программирования, инструментальные среды пользователя (средства тестирования и отладки), инструментальные средства связи с объектом (УСО).

Основные характеристики программ:

1. Алгоритмическая сложность.

2. Состав и глубина проработки реализованных функций.

3. Полнота и системность функций.

4. Объем файлов программ.

5. Требования к операционной системе и техническим средствам со стороны программы.

6. Объем дисковой памяти.

7. Размер оперативной памяти.

8. Тип процессора.

9. Версия операционной .системы.

10. Наличие вычислительной сети и др.

Показатели качества программного продукта (ПП)

Номенклатура и требуемые значения показателей качества определяются прежде всего функциональным назначением конкретных ПП. Прежде всего, хорошая программа должна делать то, что ожидает от нее заказчик – то есть удовлетворять требованиям заказчика. Это приводит к широкому спектру показателей качества в спецификации требований к программному продукту.

Про факторы качества и цели программирования много писалось, а также много делалось попыток их выделения и анализа. В общем случае подкачеством (quality) программпонимается то, насколько они соответствуют установленным для них требованиям - спецификациями сколько высоко установлена планка этих требований, это совокупность черт и характеристик ПП, которые влияют на ее способность удовлетворять заданные потребности пользователей.

1. Надежность(reliability)-это способность системы ПО выполнять возложенные на нее функции при поступлении требований на их выполнение. Понятие надежности существенно отличается от понятия доказательства правильности программы, т.к. правильность - это некоторое статическое свойство, а надежность относится кдинамическим требованиям, предъявляемым к системе, и способности системы удовлетворять этим требованиям. Надежное ПО обеспечивает бесперебойность и устойчивость в работе, дает возможность диагностики возникающих ошибок.

Надежность ПО включает в себя такие составные свойства, как:

Ø отказоустойчивость – возможность восстановления программы и данных в случае сбоев в работе;

Ø безопасность – сбои в работе программы не должны приводить к опасным последствиям (авариям);

Ø защищенность от случайных или преднамеренных внешних воздействий («защита от дурака», вирусов, спама т.п.).

2. Мобильность – независимость ПП от технических средств обработки информации, ОС, сетевой технологии. Мобильный ПП пригоден для массового использования без каких-либо изменений. Машины и технические средства развиваются и дешевеют быстрее, чем программы. Поэтому ПО должно быть легко переносимым на новые и более дешевые машины и с одной платформы на другую.

3. Эффективность – это отношение уровня услуг, предоставляемых ПС пользователю при заданных условиях, к объему используемых ресурсов. Эффективность ПО оценивается следующими показателями: время выполнения кода, загруженность процессора, объем требуемой памяти, время отклика и т.п. (минимально возможный расход вычислительных ресурсов и максимально возможное быстродействие).

4. Модифицируемость - простота внесения изменений.

5. Удобство использования (usability). ПП должен быть легким в использовании, причем именно тем типом пользователей, на которых он рассчитан. Это включает в себя интерфейс пользователя и адекватную документацию. Причем, пользовательский интерфейс должен быть не интуитивно, а профессионально понятным пользователю.

6. Коммуникативность – свойство интеграции с другими программами, обеспечения обмена данными в общих форматах представления.

7. Учет человеческого фактора – обеспечение дружественного интерфейса, наличие контекстно-зависимой подсказки или обучающей системы, хорошей документации.


ГЛАВА 1 ИНФОРМАЦИОННО-ЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭВМ

2.1. Системы счисления

Системой счисления называется способ изображения чисел с помощью ограниченного набора символов, имеющих определенные количественные значения. Систему счисления образует совокупность правил и приемов представления чисел с помощью набора знаков (цифр).

Различают позиционные и непозиционные системы счисления. В позиционных системах каждая цифра числа имеет определенный вес, зависящий от позиции цифры в последовательности, изображающей число. Позиция цифры называется разрядом. В позиционной системе счисления любое число можно представить в виде:

An=am-1am-2…aia0*a-1a-2…a-k=am-1*Nm-1+am-2*Nm-2…+a-k*N-k, (2.1)

где ai – i-я цифра числа; k – количество цифр в дробной части числа; m - количество цифр в целой части числа; N – основание системы счисления.

Основание системы счисления N показывает, во сколько раз «вес» i-го разряда больше (i-1) разряда. Целая часть числа отделяется от дробной части точкой (запятой).

Пример 2.1.

А10=37.25.

В соответствии с формулой (2.1) это число формируется из цифр с весами рядов:

А10=3*101+7*100+2*10-1+5*10-2.

Теоретически наиболее экономичной системой счисления является система с основанием е=2,71828..., находящимся между числами 2 и 3.

Во всех современных ЭВМ для представления числовой информации используется двоичная система счисления. Это обусловлено:

ü более простой реализацией алгоритмов выполнения арифметических и логических операций;

ü более надежной физической реализацией основных функций, так как они имеют всего два состояния (0 и 1);

ü экономичностью аппаратурной реализации всех схем ЭВМ.

При N=2 число различных цифр, используемых для записи чисел, ограничено множеством из двух цифр (нуль и единица). Кроме двоичной системы счисления широкое распространение получили и производные системы:

ª десятичная, точнее двоично-десятичное представление десятичных чисел, - {0, 1,...,9};

ª шестнадцатеричная - {0,1,2, ...9, А, В, С, D, Е, F}. Здесь шестнадцатеричная цифра А обозначает число 10,В-число 11, ...,F-число 15;

ª восьмеричная (от слова восьмерик) - {0,1,2,3,4,5, б, 7}. Она широко используется во многих специализированных ЭВМ.

Восьмеричная и шестнадцатеричная системы счисления являются производными от двоичной, так как 16 = 24 и 8 = 23. Они используются в основном для более компактного изображения двоичной информации, так как запись значения чисел производится существенно меньшим числом знаков.

Пример 2.2.

Число в двоичной, восьмеричной и шестнадцатеричной системах счисления имеет следующее представление:

А2=1100100,101;

Аg=144.5;

A16=64.A;

A2=1*26+1*25+0*24+0*23+1*22+0*21+1*20+1*2-1+0*2-2+1*2-3;

A8=1*82+4*81+4*80+5*8-1;

A16=6*161+4*160+10*16-1.

Представление чисел в различных системах счисления допускает однозначное преобразование их из одной системы в другую. В ЭВМ перевод из одной системы в другую осуществляется автоматически по специальным программам. Правила перевода целых и дробных чисел отличаются.

2.2.1. Представление числовой информации

В ЭВМ используются три вида чисел:

Ø с фиксированной точкой (запятой),

Ø с плавающей точкой (запятой);

Ø двоично-десятичное представление.

Точка (запятая) - это подразумеваемая граница целой и дробной частей числа.

У чисел с фиксированной точкой в двоичном формате предполагается строго определенное место точки (запятой). Обычно это место определяется или перед первой значащей цифрой числа, или после последней значащей цифрой числа. Если точка фиксируется перед первой значащей цифрой, то это означает, что число по модулю меньше единицы. Диапазон изменения значений чисел определяется неравенством

.

Если точка фиксируется после последней значащей цифры, то это означает, что n-разрядные двоичные числа являются целыми. Диапазон изменения их значений составляет:

Перед самым старшим из возможных разрядов двоичного числа фиксируется его знак. Положительные числа имеют нулевое значение знакового разряда, отрицательные - единичные.

Другой формой представления чисел является представление их в виде чисел с плавающей точкой (запятой). Числа с плавающей точкой представляются в виде мантиссы na и порядка рa , иногда это представление называют полулогарифмической формой числа. Например, число A10= 373 можно представить в виде 0.373 • 103, при этом na = 0.373, р = 3, основание системы счисления подразумевается фиксированным и равным десяти. Для двоичных чисел А2 в этом представлении также формируется тa и порядок рa при основании системы счисления равным двум.

что соответствует записи

Порядок числа рa определяет положение точки (запятой) в двоичном числе. Значение порядка лежит в диапазоне -рamax<=рa<=рamax , где величина pamах определяется числом разрядов r, отведенных для представления порядка

Положительные и отрицательные значения порядка значительно усложняют обработку вещественных чисел. Поэтому во многих современных ЭВМ используют не прямое значение рa, а модифицированное р'a приведенное к интервалу

Значение р'a носит название «характеристика числа». Обычно под порядок (модифицированный порядок - характеристику) выделяют один байт. Старший разряд характеристики отводится под знак числа, а семь оставшихся разрядов обеспечивают изменение порядка в диапазоне

Модифицированный порядок р'a вычисляется по зависимости

Этим самым значения р'a формируются в диапазоне положительных чисел

Мантисса числа ma представляется двоичным числом, у которого точка фиксируется перед старшим разрядом, т. е.








Дата добавления: 2017-01-13; просмотров: 425;


Поиск по сайту:

При помощи поиска вы сможете найти нужную вам информацию.

Поделитесь с друзьями:

Если вам перенёс пользу информационный материал, или помог в учебе – поделитесь этим сайтом с друзьями и знакомыми.
helpiks.org - Хелпикс.Орг - 2014-2024 год. Материал сайта представляется для ознакомительного и учебного использования. | Поддержка
Генерация страницы за: 0.056 сек.