Все этапы развития ЭВМ принято условно делить на поколения:
Первое поколение создавалось на основе вакуумных электроламп, машина управлялась с пульта и перфокарт с использованием машинных кодов. Эти ЭВМ размещались в нескольких больших металлических шкафах, занимавших целые залы.
Втрое поколение появилось в 60-е годы 20 века. Элементы ЭВМ выполнялись на основе полупроводниковых транзисторов. Эти машины обрабатывали информацию под управлением программ на языке Ассемблер. Ввод данных и программ осуществлялся с перфокарт и перфолент.
Третье поколение выполнялось на микросхемах, содержавших на одной пластинке сотни или тысячи транзисторов. Пример машины третьего поколения - ЕС ЭВМ. Управление работой этих машин происходило с алфавитно-цифровых терминалов. Для управления использовались языки высокого уровня и Ассемблер. Данные и программы вводились как с терминала, так и с перфокарт и перфолент.
Четвертое поколение было создано на основе больших интегральных схем (БИС). Наиболее яркие представители четвертого поколения ЭВМ - персональные компьютеры (ПК). Персональной называется универсальная однопользовательская микроЭВМ. Связь с пользователем осуществлялась посредством цветного графического дисплея с использованием языков высокого уровня.
Пятое поколение создано на основе сверхбольших интегральных схем (СБИС), которые отличаются колоссальной плотностью размещения логических элементов на кристалле.
Предполагается, что в будущем широко распространится ввод информации в ЭВМ с голоса, общения с машиной на естественном языке, машинное зрение, машинное осязание, создание интеллектуальных роботов и робототехнических устройств.
ВМ – это комплекс технических и программных средств, предназначенный для автоматизации подготовки данных и решения задач.
ВС (вычислительная система) – это совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих ЦП и ВМ, периферийного оборудования (принтеры, сканеры, плоттеры и т.д.), также предназначенные для подготовки данных и решения задач пользователя.
Структура ВМ охватывает вопросы физ. построения, состава устройств и связей между ними.
Архитектура – это логическое построение ВМ, какой она представляется программисту (память, команды ЦП и др.)
В 1945 году Фон Нейман разработал принцип построения ВМ.
Все устройства имеют непосредственные связи. Такая ВМ не поддается модификации. По этой схеме в США в 1946 году была построена ламповая ВМ. От недостатка избавились путем разработки шины.
Все устройства в виде дополнительных плат подключались к общей шине. Недостаток: ЦП и память занимают шину и надолго. И для работы УВВ не хватает свободной шины.
Изменения ВМ происходили в такой последовательности:
1. механические ВМ
2. электромеханические (электродвигатель)
3. транзисторные ВМ
4. микросхемы малой интеграции
5. БИС
6. СБИС
23. Процессоры фирмы Intel (разрядность, тактовая частота, адресное пространство, число элементов, модели процессоров). Реализация принципа адресации памяти с помощью дескрипторных регистров.
Характеристики процессоров
Первоначально основной характеристикой процессора была его тактовая частота, то есть количество машинных циклов, выполняемых процессором за секунду. Таким образом, производительность процессора напрямую зависит от тактовой частоты его работы.
Все предыдущие поколения микропроцессоров фирмы Intel маркировались в соответствии с тактовой частотой их работы. Например, маркировка Pentium 4 2,8 ГГц означала, что процессор был разработан фирмой Intel, отн приближаться к своему предельному значению, при котором транзисторы, находящиеся внутри микропроцессора, не успевают переключаться, и, как следствие, процессор работает со сбоями, что снижает его производительность.
С увеличением производительности процессоров на передний план выходят такие характеристики, как объём кэша, частота шины, а также ряд других параметров. Они в меньшей степени, чем тактовая частота, влияют на производительность, однако при постоянном значении тактовой частоты способны увеличить производительность микропроцессора.
В связи с тем, что эти параметры могут быть различными для процессоров одинаковой частоты, возникла необходимость в новой маркировке, которая отражала бы свойства каждого из процессоров наиболее полно.
Закон Амдала
Можно ли утверждать, что в ВМ из n-ЦП будет ускорение работать в n-раз? Оказывается, не будет.
Джин Амдал сформулировал закон в 1967 году, обнаружив простое по существу, но непреодолимое по содержанию ограничение на рост производительности при распараллеливании вычислений: «В случае, когда задача разделяется на несколько частей, суммарное время ее выполнения на параллельной системе не может быть меньше времени выполнения самого длинного фрагмента». Согласно этому закону, ускорение выполнения программы за счет распараллеливания её инструкций на множестве вычислителей ограничено временем, необходимым для выполнения её последовательных инструкций.
Амдал в 1967 году показал, что можно использовать max n=10 и при последующих увеличениях количества ЦП, ускорения не произойдет. Дело в том, что в любой программе будут 2 участка:
· последовательный участок, команды которого выполняются одним ЦП
· параллельный участок, команды которого могут выполняться несколькими ЦП
Он вывел формулу, отражающую показатель ускорения:
S= 
Ts – время, затрачиваемое на программу одним ЦП
Tp – время для решения той же задачи на параллельной ВС (несколько ЦП)
f - доля команд, выполняемая последовательно
1-f - это доля команд, выполняемая параллельно
f*Ts - время выполнения последовательного участка программы
- время выполнения параллельного участка одним ЦП
Tp = (f*Ts) + - время выполнения всей программы одним ЦП
S= = 
= 
Если N велико, то limS= 1\f
Оказывается оптимальным ускорение будет тогда, когда f=0,1
Закон Амдала показывает, что прирост эффективности вычислений зависит от алгоритма задачи и ограничен сверху для любой задачи с f≠0 . Не для всякой задачи имеет смысл наращивание числа процессоров в вычислительной системе.
Более того, если учесть время, необходимое для передачи данных между узлами вычислительной системы, то зависимость времени вычислений от числа узлов будет иметь максимум. Это накладывает ограничение на масштабируемость вычислительной системы, то есть означает, что с определенного момента добавление новых узлов в систему будет увеличивать время расчёта задачи.
Конвейеризация вычислений
Важным элементом архитектуры, появившимся в i486, является конвейер – специальное устройство, реализующее обработку команд внутри процессора в несколько этапов. Вышеупомянутый конвейер имеет 5-ти ступенчатый конвейер. Соответствующие этапы включают:
- выборку команд из кэш-памяти или оперативной памяти;
- декодирование команды;
- генерацию адреса, в процессе которой определяются адреса операндов в памяти;
- выполнение операции с помощью АЛУ (арифметико-логического устройства);
- запись результаты ( адрес определяется конкретной машинной командой).
Каждому этапу соответствует своя схема в составе конвейера. Поэтому, когда после выборки команда поступает в блок декодирования, блок выборки оказывается свободным и может обрабатывать следующую команду. Таким образом, на конвейере могут находиться в разной стадии выполнения 5 команд, в результате чего возрастает скорость обработки отдельной команды.
Микропроцессоры, имеющие один конвейер называются скалярными, а более одного – суперскалярными. Микропроцессор Pentium имеет два конвейера, и поэтому может выполнять 2 команды за машинный такт.
Одной из наиболее важных прикладных характеристик ВМ является ее производительность. Повышение производительности - зачастую главное требование, стоящее перед
разработчиками ВТ. Можно выделить несколько основных путей решения этой задачи:
1. Совершенствование технологии производства ЭВМ («физический» путь) - повышение быстродействия логических элементов.
2. Распараллеливание вычислений.
3. Конвейеризация вычислений.
4. Специализация вычислений.
5. Аппаратная реализация сложных функций.
Дата: 2019-12-10, просмотров: 281.
