Файл: Состав и свойства вычислительных систем (Математическое обеспечение вычислительной системы).pdf
Добавлен: 17.05.2023
Просмотров: 42
Скачиваний: 3
ВВЕДЕНИЕ
Согласно ГОСТ 15971-90, вычислительная машина (ВМ) представляет собой совокупность технических средств, позволяющих обрабатывать информацию (данные) и получать результат в требуемой форме. Под техническими средствами мы понимаем все оборудование, предназначенное для автоматической обработки данных. Как правило, системное программное обеспечение также входит в состав виртуальной машины.
Вычислительная машина, основные функциональные устройства которой выполнены на электронных компонентах, называется электронной вычислительной машиной (компьютером).
В последнее время английский термин «компьютер» (англ. Computer - computer) получил широкое распространение в отечественной литературе. Мы будем использовать эти термины как равные. Следует отметить, что в настоящее время активно развиваются компьютеры, работа которых основана на оптических, фотонных, квантовых и других физических принципах. Например, оптические компьютеры в своей работе используют скорость света, а не скорость электричества, что делает их лучшими проводниками данных. Сверхъестественный мир квантовой механики не подчиняется законам общей классической физики. Квантовый бит (кубит) не существует в типичных 0 или 1 двоичных формах современных компьютеров - квантовый бит может существовать в одной из них или в обеих системах одновременно. В связи с этим понятие «электронный компьютер», в котором подчеркивается, что машина построена на основе электронных устройств, становится более узким, чем понятие «компьютер».
С развитием вычислительной техники, многопроцессорных систем и сетей, объединяющих большое количество отдельных процессоров и компьютеров, программные системы осуществляют параллельную обработку данных на многих вычислительных узлах. Термин «вычислительные системы» появился.
Цель курсовой работы - изучить особенности вычислительных систем, проанализировать информацию и программное обеспечение.
Задачи курсовой работы:
- изучить особенности и структуру вычислительной системы;
- анализировать информацию и программное обеспечение.
Предметом исследования являются особенности вычислительных систем, анализа информационно-математического обеспечения.
Объект исследования - вычислительные системы, информация и программное обеспечение.
В состав работы входит введение, три главы, заключение, список литературы.
1Состав и структура вычислительной системы
Таким образом, вычислительная система состоит из аппаратного и программного обеспечения, которые действуют как неразрывное единство.
Аппаратное обеспечение включает электронные схемы, из которых построена система, и схемы, обеспечивающие их работоспособность.
Программные средства включают в себя последовательности команд, которые реализуют функции решения проблем и обработки информации.
Технические и эксплуатационные характеристики компьютеров[20,С. 121]
Производительность компьютера. Эта цифра определяется архитектурой процессора, иерархией внутренней и внешней памяти, пропускной способностью системного интерфейса, системой прерываний, набором периферийных устройств в конкретной конфигурации, совершенством операционной системы и т. Д. оценка эффективности:
• абсолютная, определяемая количеством элементарных работ, выполненных за единицу времени;
• относительный, определяется для оцениваемого компьютера относительно базы в виде индекса производительности.
Для каждого типа производительности для их определения используются следующие традиционные методы.
Пиковая производительность (скорость) определяется средним числом команд регистр-регистр, выполняемых в секунду, без учета их статистического веса в выбранном классе задач.
Номинальная производительность (скорость) определяется средним числом команд, выполняемых подсистемой память процессора, с учетом их статистического веса в выбранном классе задач. Он рассчитывается, как правило, по формулам и специальным методикам, предлагаемым для процессоров определенных архитектур, и измеряется с помощью разработанных для них программ измерения, которые реализуют соответствующую эталонную нагрузку[26].
Для этих типов производительности используются следующие единицы:
• • MIPS (Mega Instruction в секунду) - один миллион команд в секунду;
• • MFLOPS (мегаплатежные операции в секунду) - миллион операций с числами с плавающей запятой в секунду;
• • GFLOPS (число операций с плавающей запятой в секунду) - миллиард операций с числами с плавающей запятой в секунду и т. д.
Производительность системы измеряется с использованием программ оценки (тестирования) синтезированных образцов, реализованных на унифицированных языках высокого уровня. Унифицированные тестовые программы используют типичные алгоритмические действия, типичные для реальных приложений и обычных компьютерных компиляторов. Они предназначены для использования базового оборудования и измерения производительности для расширенных конфигураций оборудования. Результаты оценки производительности системы конкретной архитектуры компьютера относятся к базовому образцу, в котором используются компьютеры, являющиеся отраслевыми стандартами компьютерных систем различной архитектуры. Результаты представлены в виде сравнительных таблиц, двухмерных графиков и трехмерных изображений.
Эксплуатационные характеристики оцениваются на основе использования данных о реальной рабочей нагрузке и функционировании компьютера при выполнении типичных производственных нагрузок в основных областях применения. Расчеты выполняются в основном на уровне типовых пакетов программного обеспечения для обработки текстов, систем управления базами данных, пакетов автоматизации проектирования, графических пакетов и т. д[2,С.89].
Классическая компьютерная архитектура
Разнообразие современных компьютеров очень велико, но все они представляют собой реализацию так называемой архитектуры фон Неймана (Принстона), представленной Джорджем фон Нейманом в 1945 году. Рассмотрим классическую архитектуру вычислительной машины на примере архитектуры фон Неймана Принцип работы компьютера заключается в выполнении программ - последовательностей арифметических, логических и других операций, описывающих решение конкретной задачи.
Программа (для компьютера) - это упорядоченная последовательность команд для обработки (стандарт 180 2382 / 1-84).
Команда - это описание операции, которую должен выполнить компьютер.
Результат команды создается в соответствии с правилами, определенно определенными для команды, включенными в конструкцию компьютера. Электронные схемы каждого компьютера могут распознавать и выполнять ограниченный набор простых команд.
На рис. 1.1 - схема компьютера фон Неймана, на основе которого современные компьютеры создавались более полувека.
Рис. 1.1. Схема фон-неймановской вычислительной машины
Большим преимуществом архитектуры является ее простота. Однако совместное использование этих объектов в архитектуре фон Неймана. Термин «узкое место архитектуры фон Неймана» был введен Джоном Бэкусом в 1977 году в его лекции «Можно ли освободить программиста от стиля фона Неймана?», Который он прочитал, вручая ему премию Тьюринга.
Фоновая архитектура - не единственный способ создания компьютеров, например потоковых машин. Однако в том числе сложные многопроцессорные комплексы, которые можно рассматривать как комбинацию машин фон Неймана[4,С. 145].
Таким образом, основополагающие принципы можно утверждать, что современный компьютер представляет собой техническое устройство, которое необходимо вводить в память с использованием цифровых кодов и программ обработки. готовые результаты решения проблемы в форме, удобной для человеческого восприятия.
Рассмотрим традиционную архитектуру микропроцессорной системы на примере персонального компьютера, такого как IBM PC.
Персональный компьютер типа IBM PC состоит из материнской платы (материнской платы) и внешних плат, которые взаимодействуют друг с другом и с помощью материнской платы через шину. Ввод / вывод данных (порты). Все они имеют разные характеристики, а также временные характеристики.
Стандартная архитектура для персональных компьютеров, такая как IBM PC / AT и ISA (промышленная стандартная архитектура). Шина EISA, в настоящее время используется редко.
Основные различия между шиной ISA персонального компьютера IBM PC / AT и его предшественником, шиной IBM PC / XT, заключаются в следующем:
• • Шина A-T компьютера позволяет использовать как 16-разрядные устройства ввода-вывода, так и 16-разрядную память на внешних платах;
• • цикл доступа к 16-битной памяти на внешней плате может быть выполнен без вставки циклов ожидания;
• • объем непосредственно адресуемой памяти на внешних платах может достигать 16 МБ;
• • Внешняя плата может стать ведущей (установочной) на шине и независимо получать доступ ко всем ресурсам на шине и на материнской плате.
Чисто условно, для удобства понимания функционирования шины ISA, мы будем предполагать, что на материнской плате компьютера существуют следующие устройства, которые могут быть владельцами шины (сеттерами): центральный процессор (ЦП); контроллер прямого доступа к памяти (PDP); контроллер регенерации памяти (КРП). Кроме того, на внешней плате может быть водитель на автобусе. При выполнении цикла доступа на шине, только одно из устройств может быть устройством настройки. Рассмотрим более подробно функции этих устройств на шине ISA.
Центральный процессор (CPU) является основным заданным значением на шине. По умолчанию это процессор, который будет считаться ведущим на шине. Контроллер PDP и контроллер регенерации памяти запрещают работу ЦП на время его работы[15,С.109].
Контроллер PDP представляет собой устройство, связанное с сигналами запроса для режима PDP и сигналами подтверждения режима PDP. Активный сигнал запроса к PDP позволит последующему захвату шины контроллером PDU для передачи данных из памяти на выходные порты или с входных портов в память.
Контроллер регенерации памяти становится владельцем шины и генерирует сигналы адреса и чтения памяти для регенерации информации в микросхемах динамической памяти как на материнской памяти, так и на внешних платах.
Внешняя карта связывается с другими устройствами через разъем на шине ISA. Он может стать драйвером на шине для доступа к памяти или устройствам ввода / вывода.
Кроме того, на материнской плате компьютера есть несколько устройств, которые не могут быть установщиками на шине, но, тем не менее, взаимодействуют с ней. Это следующие устройства.
Часы реального времени (таймер-счетчик) - это устройство состоит из часы реального времени для поддержки даты, времени и таймера, как правило, на базе чипа Intel 8254A. Один из таймеров этого чипа генерирует импульсы с периодом 15 мкс, чтобы запустить контроллер памяти регенерации для регенерации.
Крест на материнской плате является частью материнской платы, которая соединяет разъемы шины ISA для подключения внешних плат к другим ресурсам на материнской плате.
Память на материнской плате - часть или все микросхемы памяти прямого доступа (оперативная память, ОЗУ), используемые для хранения информации о процессоре. Внешние карты памяти также могут содержать дополнительные микросхемы памяти.
Контроллер прерываний - это устройство подключено к линиям запроса прерываний на шине. Прерывания требуют дальнейшего обслуживания процессора.
Устройства ввода / вывода. Часть или все устройства ввода / вывода (например, параллельные или последовательные порты) могут быть размещены либо на материнской плате, либо на внешних картах.
Data Byte Reranger - это устройство позволяет обмениваться данными между 16- и 8-битными устройствами.
Архитектура персонального компьютера IBM PC / AT с точки зрения использования шины ISA показана на рисунке 1.2.
Рис. 1.2. Архитектура персонального компьютера типа 1ВМ РС
Внешние карты, установленные в шинных разъемах, могут быть 8- и / или 16-разрядными. Восьмибитная плата имеет только один интерфейсный разъем и может работать только с 8-битными данными. Восьмибитовый слот также не может быть ведущим на шине. 16-битная плата обязательно имеет два интерфейсных разъема: один основной, такой же, как у 8-битных плат, и один дополнительный. Такая плата может работать как с 8-, так и с 16-битными данными и, кроме того, она может быть драйвером на шине. Общее количество плат, установленных в разъемах шины, ограничено как нагрузочной способностью шины, так и конструкцией материнской платы. Как правило, допускается установка не более восьми (пяти 16-битных и трех 8-битных) внешних карт на шину. Это ограничение также вызвано относительно небольшим количеством свободных строк запросов на PDL и запросов на прерывания на шине.
Основные особенности архитектуры персональных компьютеров сводятся к принципам аппаратной компоновки, а также к выбранному набору системного оборудования.