Организация ЭВМ и периферийные устройства

Организация ЭВМ и периферийные устройства
Михаил Викторович Рыбальченко

В данной части учебного пособия излагаются основы организации и функционирования компьютеров. Рассматриваются показатели производительности компьютеров и процессоров, приведена структура компьютера, описаны её основные компоненты. Подробно рассмотрен центральный процессор, включая его структуру, особенности системы команд, принцип конвейерной обработки команд, основные режимы работы, особенности построения и функционирования современных микропроцессоров. Рассмотрены основные характеристики и разновидности устройств памяти, принципы их построения и функционирования. Проиллюстрировано функционирование компьютера при выполнении команд.

Настоящее учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению 09.03.02 «Информационные системы и технологии», а также может быть полезно студентам, обучающихся по другим направлениям, связанным с применением компьютеров в различных прикладных областях.

М. В. Рыбальченко

Организация ЭВМ и периферийные устройства учебное пособие

Введение

Компьютерная техника оказывает большое влияние на прогресс в самых разных сферах деятельности человека. Компьютеры и периферийные устройства являются базой современных информационных систем и технологий. Поэтому значительное внимание уделяется изучению организации ЭВМ и периферийных устройств (ПУ) при подготовке студентов по направлению "Информационные системы и технологии". Понятие "организация" (от лат. organizo – делать сообща, устраивать) трактуется здесь как взаимодействие частей единой системы с помощью совокупности процессов, обеспечивающих это взаимодействие.

Автор при изложении материала стремился представить как классические основы, так и современные научно-технические достижения в области компьютерной техники. В рамках учебного пособия ряд вопросов излагается достаточно кратко, в связи с чем по этим вопросам может быть рекомендована дополнительная литература [1–3].

Планируется издание следующей части пособия, в которой будут рассмотрены построение, функционирование и разновидности оперативной и кэш-памяти, механизмы взаимодействия периферийных устройств с компьютером, основные периферийные устройства и их интерфейсы.

1. Основные понятия

Компьютер (вычислительная машина) – физическая система, предназначенная для автоматизации процесса алгоритмической обработки информации.

Вычислительная система – совокупность компьютеров или процессоров, периферийного оборудования и соответствующего программного обеспечения, предназначенная для выполнения информационно-вычислительных процессов.

Будем использовать узкое определение понятия «информация», ориентированное на практическое использование.

Информация[1 - Существует множество различных определений понятия информации. Так, в соответствии с философским определением, информация – это отражение объективной реальности как неотъемлемое свойство материи. Энциклопедическое определение информации представляет её как совокупность сведений, определяющих меру наших знаний о тех или иных явлениях, событиях и фактах.] – все сведения, являющиеся объектом хранения, передачи и преобразования.

Электронная вычислительная машина (ЭВМ) – совокупность электронных устройств, выполняющих алгоритмическую обработку информации, представленной, как правило, в цифровом виде.

Архитектура компьютера – совокупность общих принципов организации аппаратных средств, определяющих функциональные возможности компьютера.

Аппаратура компьютера представляется тремя уровнями:

1) физические устройства (интегральные схемы, платы, разъёмы, перемычки, накопители и т.д.);

2) микроархитектура – определяется количеством и типом внутренних регистров процессора, типом, количеством и характеристиками исполнительных устройств (выборка и исполнение команд), способом обработки, объёмом и архитектурой кэш-памяти и т.д.;

3) машинный язык – набор команд (от 50 до 300) некоторого процессора или семейства процессоров, обеспечивающих выполнение процессором основных функций обработки и управления (пересылка данных, арифметико-логические операции, ввод-вывод и другие).

2. Производительность компьютеров и её оценка

Производительность компьютера является объективной мерой эффективности его функционирования и используется в качестве одного из основных его технических параметров. Производительность определяется архитектурой и рабочей частотой процессора, пропускной способностью системной шины, типом и объёмом оперативной и кэш-памяти и другими особенностями конфигурации. Кроме того, она зависит от типа используемой ОС, применённых для получения программы трансляторов с языков программирования, конкретных приложений и др.

Таким образом, понятие производительности компьютера является весьма многоплановым, в связи с чем для её оценки используется целый ряд различных показателей.

2.1. Показатели производительности

Различают следующие показатели производительности:

1. Пиковая – максимально достижимая производительность процессорной подсистемы компьютера, включающей процессор, кэш- и оперативную память.

2. Номинальная – средняя производительность процессорной подсистемы компьютера.

3. Системная – средняя производительность всей аппаратно-программной системы ПК в целом, т.е. с учётом обмена данными с жёстким диском, видеосистемой, и другими внешними устройствами, взаимодействия с ОС.

4. Эксплуатационная – производительность компьютера на реальной рабочей нагрузке, с учётом конкретных используемых приложений, например текстовых процессоров, систем автоматизации проектирования, компиляторов и др.

Очевидно, что для обычного пользователя наибольший интерес представляет именно эксплуатационная производительность компьютера на наиболее часто используемых приложениях. Если же набор таких приложений не определён, то используются значения системной, номинальной и пиковой производительности.

2.2. Методы определения показателей производительности

2.2.1. Пиковая производительность

Пиковая производительность – производительность процессорной подсистемы компьютера при выполнении коротких команд, т.е. команд, не выполняющих обращений к оперативной и кэш-памяти. Такие команды обычно связаны с выполнением различных регистровых операций (например, инкремент регистра INC AX, пересылка данных MOV AX, BX) и могут выполняться за один цикл работы процессора.

Таким образом, пиковая производительность – число команд типа «регистр – регистр», выполняемых процессорной подсистемой в единицу времени без учета статистического веса таких команд в реальных программах. Обычно пиковая производительность оценивается для команды типа «Нет операции» (NOP – No OPeration)[2 - Данная команда выбирается из оперативной памяти, декодируется и не выполняет никаких действий, в связи с чем имеет минимальное время вполнения.].

Пиковая производительность зависит как от тактовой частоты процессора, так и от его архитектуры и микроархитектуры. Для выявления эффективности архитектуры и микроархитектуры целесообразно проводить сравнение пиковой производительности процессоров при одинаковой частоте.

2.2.2. Номинальная производительность

Номинальная производительность – среднее число команд, включая команды обмена с оперативной памятью, выполняемых в единицу времени процессорной подсистемой. Используемые при этом наборы команд подбирают с учетом их статистического веса (частоты использования) в популярных приложениях и имитируют реальную нагрузку на процессорную подсистему.

Номинальная производительность измеряется при помощи как абсолютных (количество операций в секунду), так и относительных единиц (программные тесты).

В качестве абсолютных используются следующие единицы:

• количество миллионов инструкций (команд) в секунду, MIPS (Million Instructions Per Second);

• количество операций в секунду над числами с плавающей точкой, FLOPS (FLoating-point Operations Per Second), а также производные единицы MFLOPS, GFLOPS, TFLOPS, PFLOPS и др.

Для оценки номинальной производительности широко используется тестовый пакет SPEC CPU от фирмы SPEC (Standard Performance Evaluation Corporation)[3 - Последняя версия тестового пакета SPEC CPU2006 V 1.2 (2011 г.) вычисляет оценки SPECint2006 и SPECfp2006.]. Пакет вычисляет две оценки – SPECint и SPECfp, представляющие целочисленные вычисления и вычисления над числами с плавающей точкой соответственно.

Тест SPECint использует универсальные наборы команд над числами с фиксированной точкой и сбалансирован по типам операций, глобальных и локальных переменных и констант в результате статистического исследования и усреднения по большому числу реальных программ (архивация, компиляция с С, комбинаторная оптимизация, искусственный интеллект, игра в шахматы, сжатие видео). Таким образом, тест фактически оценивает производительность процессорной подсистемы без учёта математического сопроцессора.

Тест SPECfp использует базовые арифметические команды над числами с фиксированной и плавающей точками одинарной и двойной точности с равновероятным распределением команд, операции вычисления тригонометрических функций, логарифмов и др. (распознавание речи, уравнение Максвелла, вычисление 3-мерных моделей в гидравлике, моделирование биомолекулярных систем, имитация отжига, симплес-метод).

Результат измерения выдается в виде коэффициента соотношения производительности тестируемой системы к производительности эталонной системы. В качестве эталонной системы корпорация SPEC выбрала систему Sun «Ultra Enterprise 2» на базе процессора Sun UltraSPARC II с частотой 296 МГц (1997 г.), но с увеличенным объемом кэша и оперативной памяти.

2.2.3. Системная производительность

Результаты оценки системной производительности некоторого компьютера обычно приводятся относительно базового компьютера стандартной конфигурации либо относительно некоторого набора компьютеров. Результаты оформляются в виде сравнительных таблиц, двухмерных и трёхмерных графиков и диаграмм.

Одним из известных тестов системной производительности является Business Winstone[4 - Последняя версия пакета Winstone вышла в 2004 г.]. Тест Winstone измеряет среднюю производительность компьютера при выполнении популярных офисных Windows- приложений с учётом величины занимаемого этими приложениями сектора рынка (текстовые процессоры, электронные таблицы, системы управления базами данных, программы деловой графики, издательские системы и т.д.). Результаты теста Winstone представляются в виде индекса производительности относительно базового ПК.

Примечание

Сектор рынка, занимаемый некоторым приложением, косвенно определяет удельный вес общего компьютерного времени, используемого данным приложением.