Тема 1. Основные характеристики, области применения ЭВМ различных классов.

Лекция 1.

1. Классификация ЭВМ.

2. Основные характеристики ЭВМ.

3. Системы счисления, применяемые в ЭВМ.

1. Классификация ЭВМ

Методы классификации компьютеров

Номенклатура видов компьютеров сегодня огромная: машины различаются по назначению, мощности, размерам, элементной базе и т.д. Поэтому классифицируют ЭВМ по разным признакам. 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 как через нечеткость разделения групп, так и вследствие внедрения в практику заказной сборки компьютеров, где номенклатуру узлов и конкретные модели адаптируют к требованиям заказчика.

Критерии классификации компьютеров.

Классификация по назначению

большие электронно-вычислительные машины (ЭВМ);

миниЭВМ;

микроЭВМ;

персональные компьютеры.

Большие ЭВМ (Main Frame)

Применяют для обслуживания крупных областей народного хозяйства. Они характеризуются 64-разрядными параллельно работающими процессорами (количество которых достигает до 100), интегральным быстродействием до десятков миллиардов операций в секунду, многопользовательским режимом работы. Доминирующее положение в выпуске компьютеров такого класса занимает фирма IBM (США). Наиболее известными моделями суперЭВМ являются: IBM 360, IBM 370, IBM ES/9000, Cray 3, Cray 4, VAX-100, Hitachi, Fujitsu VP2000.

На базе больших ЭВМ создают вычислительный центр

МиниЭВМ похожа на большие ЭВМ, но меньших размеров. Используют на крупных предприятиях, научных учреждениях и организациях. Часто используют для управления производственными процессами. Характеризуются мультипроцессорной архитектурой, подключением до 200 терминалов, дисковыми запоминающими устройствами, которые наращиваются до сотен гигабайт, разветвленной периферией. Для организации работы с миниЭВМ, нужен вычислительный центр, но меньший чем для больших ЭВМ.

МикроЭВМ

Доступны многим учреждениям. Для обслуживания достаточно вычислительной лаборатории в составе нескольких человек, с наличием прикладных программистов. Необходимые системные программы покупаются вместе с микроЭВМ, разработку прикладных программ заказывают в больших вычислительных центрах или специализированных организациях.

Персональные компьютеры

Бурное развитие приобрели в последние 20 лет. Персональный компьютер (ПК) предназначен для обслуживания одного рабочего места и способен удовлетворить потребности малых предприятий и отдельных лиц. С появлением Интернета популярность ПК значительно возросла, поскольку с помощью персонального компьютера можно пользоваться научной, справочной, учебной и другой информацией. Персональные компьютеры условно можно поделить на профессиональные и бытовые, но в связи с удешевлением аппаратного обеспечения, грань между ними размывается.

---

С 1999 года введен международный сертификационный стандарт – спецификация РС99:

массовый персональный компьютер (Consumer PC)

деловой персональный компьютер (Office PC)

портативный персональный компьютер (Mobile PC)

рабочая станция (WorkStation)

развлекательный персональный компьютер (Entertaiment PC)

Большинство персональных компьютеров на рынке подпадают до категории массовых ПК. Деловые ПК - имеют минимум средств воспроизведения графики и звука. Портативные ПК отличаются наличием средств коммуникации отдаленного доступа (компьютерная связь). Рабочие станции - увеличенные требования к устройствам хранения данных. Развлекательные ПК - основной акцент на средствах воспроизведения графики и звука.

Классификация по уровню специализации

универсальные;

специализированные.

На базе универсальных ПК можно создать любую конфигурацию для работы с графикой, текстом, музыкой, видео и т.п. Специализированные ПК созданы для решения конкретных задач, в частности, бортовые компьютеры в самолетах и автомобилях. Специализированные миниЭВМ для работы с графикой (кино- видеофильмы, реклама) называются графическими станциями. Специализированные компьютеры, объединяющие компьютеры в единую сеть, называются файловыми серверами. Компьютеры, обеспечивающие передачу информации через Интернет, называются сетевыми серверами.

Классификация по размеру

настольные (desktop);

портативные (notebook);

карманные (palmtop).

Наиболее распространенными являются настольные ПК, которые позволяют легко изменять конфигурацию. Портативные удобны для пользования, имеют средства компьютерной связи. Карманные модели можно назвать "интеллектуальными" записными книжками, разрешают хранить оперативные данные и получать к ним быстрый доступ.

Классификация по совместимости

Существует великое множество типов компьютеров, которые собираются из деталей, изготовленных разными производителями. Важным является совместимость обеспечения компьютера:

аппаратная совместимость (платформа IBM PC и Apple Macintosh)

совместимость на уровне операционной системы;

программная совместимость;

совместимость на уровне данных.

2. Основные характеристики ЭВМ

Использование конкретной вычислительной машины имеет смысл, если ее показатели соответствуют показателям, определяемым требованиями к реализации заданных алгоритмов. В качестве основных показателей ВМ обычно рассматривают: емкость памяти, быстродействие и производительность, стоимость и надежность.

Быстродействие

Целесообразно рассматривать два вида быстродействия: номинальное и среднее. Номинальное быстродействие характеризует возможности ВМ при выполнении стандартной операции. В качестве стандартной обычно выбирают короткую операцию сложения. Если обозначить через _сл время сложения, то номинальное быстродействие определится из выражения

---

.

Среднее быстродействие характеризует скорость вычислений при выполнении эталонного алгоритма или некоторого класса алгоритмов. Величина среднего быстродействия зависит как от параметров ВМ, так и от параметров алгоритма и определяется соотношением

,

где Т_э — время выполнения эталонного алгоритма; N — количество операций, содержащихся в эталонном алгоритме.

Обозначим через п_i число операций i-го типа; l — количество типов операций в алгоритме (i = 1, 2,..., l); _i — время выполнения операции i-го типа.

Время выполнения эталонного алгоритма рассчитывается по формуле:

. (1)

Подставив (1) в выражение для V_cp, получим

. (2)

Разделим числитель и знаменатель в (2) на N:

(3)

Обозначив частоту появления операции i-го типа в (3) через , запишем окончательную формулу для расчета среднего быстродействия:

(4)

В выражении (4) вектор {₁,₂,…,_l} характеризует систему команд ВМ, а вектор {q₁,q₂,…,q_l}, называемый частотным вектором операций, характеризует алгоритм.

Очевидно, что для эффективной реализации алгоритма необходимо стремиться к увеличению V_cp. Если V_ном главным образом отталкивается от быстродействия элементной базы, то _Vcp очень сильно зависит от оптимальности выбора команд ВМ.

Формула (4) позволяет определить среднее быстродействие машины при реализации одного алгоритма. Рассмотрим более общий случай, когда полный алгоритм состоит из нескольких частных, периодически повторяемых алгоритмов. Среднее быстродействие при решении полной задачи рассчитывается по формуле:

, (5)

где m — количество частных алгоритмов; _j — частота появления операций j-го частного алгоритма в полном алгоритме; q_ji — частота операций i-го типа в j-м частном алгоритме.

Обозначим через N_j и T_j — количество операций и период повторения j- го частного алгоритма; T_max=max(T₁, …, T_j, …, T_m) – период повторения полного алгоритма; цикличность включения j-ro частного алгоритма в полном алгоритме.

Тогда за время T_max в ВМ будет выполнено операций, а частоту появления операций j-гo частного алгоритма в полном алгоритме можно определить из выражения

. (6)

Для расчета по формулам (5, 6) необходимо знать параметры ВМ, представленные вектором {₁,₂,…,_l}, параметры каждого частного алгоритма – вектор {q₁,q₂,…,q_l}, и параметры полного алгоритма — вектор {₁, ₂,…, _l}.

Производительность ВМ оценивается количеством эталонных алгоритмов, выполняемых в единицу времени:

П = 1/Т_Э [задач/сек]

Производительность при выполнении полного алгоритма оценивается по формуле:

(7)

Производительность является более универсальным показателем, чем среднее быстродействие, поскольку в явном виде зависит от порядка прохождения задач через ВМ.

Критерии эффективности вычислительных машин

Вычислительную машину можно определить множеством показателей, характеризующих отдельные ее свойства. Возникает задача введения меры для оценки степени приспособленности ВМ к выполнению возложенных на нее функций – меры эффективности.

---

Эффективность определяет степень соответствия ВМ своему назначению. Она измеряется либо количеством затрат, необходимых для получения определенного результата, либо результатом, полученным при определенных затратах. Произвести сравнительный анализ эффективности нескольких ВМ, принять решение на использование конкретной машины позволяет критерий эффективности.

Критерий эффективности – это правило, служащее для сравнительной оценки качества вариантов ВМ. Критерий эффективности можно назвать правилом предпочтения сравниваемых вариантов.

Строятся критерии эффективности на основе частных показателей эффективности (показателей качества). Способ связи между частными показателями определяет вид критерия эффективности.

Возможны следующие способы построения критериев из частных показателей.

Выделение главного показателя.

Из совокупности частных показателей A₁, А₂, ..., А_n выделяется один, например A₁, который принимается за главный. На остальные показатели накладываются ограничения: А_i = A_{i Доп} (i=1,2, …, n), где A_{i Доп} – допустимое значение i-го показателя. Например, если в качестве A₁ выбирается производительность, а на показатели надежности P и стоимости S накладываются ограничения, то критерий эффективности ВМ примет вид:

П  max, P = Р_Доп, S = S_Доп.

Способ последовательных уступок.

Все частные показатели нумеруются в порядке их важности: наиболее существенным считается показатель А₁ а наименее важным – А_n. Находится минимальное значение показателя А₁ – minА₁ (если нужно найти максимум, то достаточно изменить знак показателя). Затем делается «уступка» первому показателю А₁ и получается ограничение min А₁ + А₁.

На втором шаге отыскивается min А₂ при ограничении А₁ min A_l + А₁. После этого выбирается «уступка» для А₂: min A₂ + А₂. На третьем шаге отыскиваете min А₃ при ограничениях А₁ min A_l + А₁; А₂ = min A₂ + А₂ и т. д. На последнем шаге ищут min А_n при ограничениях

А₁ min A_l + А₁;

А₂ = min A₂ + А₂;

…

А_n-1 = min A_n-1 + А_n-1;

Полученный на этом шаге вариант вычислительной машины и значения ее показателей А₁, А₂, …, А_n считаются окончательными. Недостатком данного способ (критерия) является неоднозначность выбора А_i.

Отношение частных показателей.

В этом случае критерий эффективности получают в виде:

(8)

или в виде:

(9)

где А_i (i = 1, 2, ..., n) – частные показатели, для которых желательно увеличение численных значений, а В_i (i = 1, 2, ..., m) – частные показатели, численные значения которых нужно уменьшить. В частном случае критерий может быть представ лен в виде:

(10)

Наиболее популярной формой выражения (10) является критерий цены эффективного быстродействия

, (11)

где S — стоимость, V_cp — среднее быстродействие ВМ. Формула критерия К₄ характеризует аппаратные затраты, приходящиеся на единицу быстродействия.

Аддитивная форма.

Критерий эффективности имеет вид:

---

, (12)

где ₁ , ₂ ,…, _n — положительные и отрицательные весовые коэффициенты частных показателей. Положительные коэффициенты ставятся при тех показателях, которые желательно максимизировать, а отрицательные – при тех, которые желательно минимизировать.

Весовые коэффициенты могут быть определены методом экспертных оценок. Обычно они удовлетворяют условиям:

0_i1; .

Основной недостаток критерия заключается в возможности взаимной компенсации частных показателей.

Мультипликативная форма.

Критерий эффективности имеет вид

, (13)

где, в частном случае, коэффициенты _I полагают равными единице.

Критерий К₆ имеет тот же недостаток, что и критерий К₅.

Максиминная форма.

Критерий эффективности описывается выражением:

. (14)

Здесь реализована идея равномерного повышения уровня всех показателей за счет максимального «подтягивания» наихудшего из показателей (имеющего минимальное значение).

У максиминного критерия нет того недостатка, который присущ мультипликативному и аддитивному критериям.

Нормализация частных показателей

Частные показатели качества обычно имеют различную физическую природу и различные масштабы измерений, из-за чего их простое сравнение становится практически невозможным. Поэтому появляется задача приведения частных показателей к единому масштабу измерений, то есть их нормализация.

Способы нормализации.

Использование отклонения частного показателя от максимального.

В данном случае переходят к отклонениям показателей, однако способ не устраняет различия масштабов отклонений.

Использование безразмерной величины А_i

(15)

(16)

Формула (15) применяется тогда, когда уменьшение А_i приводит к увеличению (улучшению) значения аддитивной формулы критерия. Выражение (16) используется, когда к увеличению значения аддитивной формулы критерия приводит увеличение А_i.

Учет приоритета частных показателей

Необходимость в учете приоритетов возникает в случае, когда частные показатели имеют различную степень важности.

Приоритет частных показателей задается с помощью ряда приоритета I, вектора приоритета (b₁, …,b_q, …, b_n) и вектора весовых коэффициентов (₁,…, _q ,…, _n).

Ряд приоритета представляет собой упорядоченное множество индексов частных показателей I= (1, 2, ..., n). Он отражает чисто качественные отношения доминирования показателей, а именно отношения следующего типа: показатель А₁ важнее показателя А₂, а показатель А₂ важнее показателя А₃ и т. д.

Элемент b_q вектора приоритета показывает, во сколько раз показатель A_q важнее показателя A_q+1 (здесь A_q — показатель, которому отведен номер q в ряду приоритета). Если А_q и A_q+1 имеют одинаковый ранг, то b_q = 1 . Для удобства принимают b_n=1.

Компоненты векторов приоритета и весовых коэффициентов связаны между собой следующим отношением

Зависимость, позволяющая по известным значениям b_i определить величину _q имеет вид:

---

Смотрите также файлы

• Лек14_ОЭВМ.doc

• примерная_прогр_Орг_ЭВМ.doc

• Лек2_ОЭВМ.doc

• Лек17_ОЭВМ.doc

• Лек3_ОЭВМ.doc