Состав и свойства вычислительных систем. Информационное и математическое обеспечение вычислительных систем (Базовые понятия вычислительных машин и систем)

Содержание:

Введение

Электронные вычислительные машины (ЭВМ), или компьютеры (от англ. Compute – вычислять, подсчитывать), – одно из самых удивительных изобретений человека. Простейшие устройства для облегчения счета появились в глубокой древности, несколько тысячелетий назад. По мере развития человеческой цивилизации они медленно эволюционировали, непрерывно совершенствуясь. Однако только в 40-е годы XX столетия было положено начало созданию вычислительных машин современной архитектуры и с современной логикой – современных электронных вычислительных машин.

За исторически очень короткий срок компьютеры – благодаря огромным успехам электроники – проделали такой путь в своем техническом совершенствовании, масштабах применения и влияния на человеческое общество, с каким не сравнится никакое другое изобретение человечества, включая атомную энергию и космическую технику. Да и последние не могли бы получить столь мощного развития без использования достижений вычислительной техники.

Компьютер в первую очередь является машиной – не существующим в природе, а созданным человеком объектом, предназначенным для умножения природных возможностей человека. В отличие от инструментов, приспособлений и механизмов компьютер, как и любая машина, не использует для своего функционирования физическую силу (энергию) человека. При работе с любой машиной человек выполняет только функцию управления.

Компьютер является особенной – вычислительной, информационной машиной, усиливающей не физические возможности человека, а его способность к вычислениям, накоплению и обработке информации, выполняющей разного рода вычисления или облегчающей этот процесс.

Основные функциональные элементы компьютера построены с помощью электронных приборов, с использованием современной наиболее развитой технологии обработки сигналов, на базе применения достижений электроники.

По способу представления информации вычислительные машины разделяют на три группы: аналоговые вычислительные машины (АВМ), в которых информация представлена в виде непрерывно изменяющихся переменных, выраженных какими-либо физическими величинами; цифровые вычислительные машины (ЦВМ), в которых информация представлена в виде дискретных значений переменных (чисел), выраженных комбинацией дискретных значений какой-либо физической величины (цифр); гибридные вычислительные машины, в которых используются оба способа представления информации.

Важную роль в развитии вычислительной техники, средств обработки информации и управляющих устройств, являющихся основой автоматизации в различных сферах человеческой деятельности, сыграло появление микропроцессоров. Неослабевающий интерес к микропроцессорам объясняется такими их свойствами, как низкая стоимость, высокая надежность, компактность и значительные вычислительные и функциональные возможности, позволяющие применять их даже там, где использование средств цифровой обработки информации ранее считалось нецелесообразным. В любой стране достижение высоких экономических и социальных результатов в значительной степени зависит от масштабов и темпов информатизации общества, использования информационных технологий во всех сферах человеческой деятельности.

Несмотря на различие процессов информатизации в различных областях человеческой деятельности, ее объединяют три составляющие: единство основных средств производства (средства вычислительной техники и информации), единство сырья (данные, подлежащие анализу и обработке), единство выпускаемой продукции (информация, используемая для управления и совершенствования деятельности человека).

Цель курсовой работы – изучение состава и свойств вычислительных систем, а также их информационного и математического обеспечения.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

– представить базовые понятия вычислительной системы;

– изучить состав и свойства вычислительных систем;

– показать технические и эксплуатационные характеристики вычислительных машин;

– описать классическую архитектуру вычислительной машины.

При написании курсовой работы были использованы учебные пособия и монография отечественных и зарубежных авторов.

1. Базовые понятия вычислительных машин и систем

Согласно ГОСТ 15971-90 вычислительная машина (ВМ) – совокупность технических средств, создающая возможность проведения обработки информации (данных) и получения результата в необходимой форме. Под техническими средствами понимают все оборудование, предназначенное для автоматизированной обработки данных. Как правило, в состав ВМ входит и системное программное обеспечение.

Вычислительную машину, основные функциональные устройства которой выполнены на электронных компонентах, называют электронной вычислительной машиной (ЭВМ).

В отечественной литературе широкое распространение получил англоязычный термин «компьютер» (англ. Computer – вычислитель). Следует отметить, что в настоящее время активно ведутся разработки компьютеров, 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 наилучшими проводниками данных. Сверхъестественный мир квантовой механики не подчиняется законам общей классической физики. Квантовый бит (qubit) не существует в типичных 0- или 1-бинарных формах сегодняшних компьютеров – квантовый бит может существовать в одной из них или же в обеих системах одновременно. В связи с этим понятие «электронная вычислительная машина», в котором акцентируется, что машина построена на основе электронных устройств, становится более узким, чем понятие «компьютер».^[1]

С развитием вычислительной техники появились многопроцессорные системы и сети, объединяющие большое количество отдельных процессоров и вычислительных машин, программные системы, реализующие параллельную обработку данных на многих вычислительных узлах. Появился термин «вычислительные системы».

Система (от греч. systema – целое, составленное из частей соединение) – это совокупность элементов (объектов), взаимодействующих друг с другом, образующих определенную целостность, единство.

Объект (от лат. objectum – предмет) – это термин, используемый для обозначения элементов системы.

Вычислительную систему (ВС) стандарт ISO/IEC2382/1-93 определяет как одну или несколько вычислительных машин, периферийное оборудование и программное обеспечение, которые выполняют обработку данных.

Вычислительная система состоит из связанных между собой средств вычислительной техники, содержащих не менее двух основных процессоров, имеющих общую память и устройство ввода-вывода.

Формально отличие ВС от ВМ выражается в количестве вычислительных средств. Множественность этих средств позволяет реализовать в ВС параллельную обработку.^[2]

Таким образом, вычислительная система является результатом интеграции аппаратных средств и программного обеспечения, функционирующих в единой системе и предназначенных для совместного выполнения информационно-вычислительных процессов.

Аппаратное средство (hardware) включает в себя все внешние и внутренние физические компоненты компьютерной системы (из п. 3.7.2 ГОСТ Р 53394-2009).

Программное обеспечение (software) по ГОСТ Р 53394-2009 – это совокупность информации (данных) и программ, которые обрабатываются компьютерной системой.

С технической точки зрения вычислительная система – это комплекс вычислительных средств, объединенных в информационновычислительную сеть.

Основной отличительной чертой вычислительных систем по отношению к ЭВМ является наличие в них нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработку. Точного различия между вычислительными машинами и вычислительными системами определить невозможно, так как вычислительные машины даже с одним процессором обладают разными средствами распараллеливания, а вычислительные системы могут состоять из традиционных вычислительных машин или процессоров.

Необходимо понимать разницу между компьютерами и информационной системой: компьютеры оснащены специальными программными системами, являются технической базой и инструментом для информационных систем.

Информационная система – это организационно упорядоченная совокупность документов (массивов документов) и информационных технологий, в том числе с использованием средств вычислительной техники и связи, реализующих информационные процессы (из п. 3.1.7 ГОСТ Р 54089-2010).

Информационная система немыслима без персонала, взаимодействующего с компьютерами и телекоммуникациями.

Информационная система с технической точки зрения – это взаимосвязанная совокупность средств, методов и персонала, используемых для хранения, обработки и выдачи информации в интересах достижения поставленной цели.

С развитием средств вычислительной техники изменился подход к созданию вычислительных машин. Вместо разработки аппаратуры и средств математического обеспечения стала проектироваться система, состоящая из синтеза аппаратных и программных средств. При этом на главный план выдвинулась концепция взаимодействия аппаратных и программных средств. Так возникло новое понятие – архитектура вычислительной машины.^[3]

Архитектура (architecture) – это базовая организация системы, воплощенная в ее компонентах, их отношениях между собой и с окружением, а также принципы, определяющие проектирование и развитие системы [ИСО/МЭК 15288:2008, определение 4.5].

Архитектура вычислительной машины (Computer architecture) – это концептуальная структура вычислительной машины, определяющая проведение обработки информации и включающая методы преобразования информации в данные и принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения [ГОСТ 15971-90, определение 29].

Таким образом, архитектуру вычислительной машины можно представить как множество взаимосвязанных компонентов, включающих элементы различной природы: программное обеспечение (software), аппаратное обеспечение (hardware), алгоритмическое обеспечение (brainware), специальное фирменное обеспечение (firmware), создающих возможность проведения обработки информации и получения результата в необходимой форме.

Следует отличать архитектуру вычислительной машины от ее структуры.

Структура – это отношение между элементами системы [ISO/ IEC2382/1-93].

Структура вычислительной машины определяет отношение между ее элементами (множество взаимосвязанных компонентов) на уровне детализации. Элементами детализации могут быть различные функциональные узлы (блоки, устройства и т.д.). Графически описание вычислительной машины на любом уровне детализации представляется в виде структурных схем.

Под архитектурой вычислительной машины понимают общее описание принципов организации аппаратно-программных средств и основных их характеристик, определяющих функциональные возможности вычислительной машины.

Архитектура вычислительной системы – совокупность характеристик и параметров, определяющих функционально-логичную и структурно-организованную систему и затрагивающих в основном уровень параллельно работающих вычислителей.

Понятие архитектуры охватывает общие понятия организации системы, включающие такие высокоуровневые аспекты разработки компьютера, как система памяти, структура системной шины, организация ввода/вывода и т.п.

Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного запоминающего устройства (ЗУ), внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.^[4]

2. Состав и свойства вычислительных систем

Как и любой технологический процесс, обработка информации на компьютере формируется комплексом действий, выполняемых определенным способом и в определенной последовательности. Этот специальным образом организованный процесс осуществляется с помощью двух главных составляющих любого вида компьютерной техники – ее аппаратной части (англ. hardware) и программного обеспечения (англ. software). Эти два компонента в совокупности обеспечивают функционирование всех типов электронно-вычислительной техники (ЭВМ).

Рисунок 1. Базовая схема устройства персонального компьютера.^[5]

Аппаратное обеспечение компьютера – это его электронные и механические части, которые входят в состав системы или сети, исключая программное обеспечение и данные (информацию, которую вычислительная система хранит и обрабатывает).

Понятие программного обеспечения менее однозначно и имеет несколько частично различающихся определений. Базовое определение этого термина (как и всех основных терминов, используемых в области ИТ) приведено в международном стандарте на терминологию в области информационных технологий ISO/IEC 2382-1: 1993 «Термины и определения». В нем дана следующая дефиниция понятия «программное обеспечение»:

Программное обеспечение – любая часть программ, процедур, правил и документации для систем обработки информации.

Каждый из базовых компонентов ЭВМ не может полноценно функционировать по отдельности, они взаимосвязаны и взаимозависимы и вместе обеспечивают поступательное развитие вычислительной техники. Появление новых программ вызывает совершенствование аппаратной базы компьютеров, а новые аппаратные возможности и решения стимулируют написание программистами новых программных средств.

Наряду с аппаратным и программным обеспечением средств вычислительной техники в некоторых случаях целесообразно рассматривать информационное обеспечение, под которым понимают совокупность программ и предварительно подготовленных данных, необходимых для работы данных программ.

Рассмотрим, к примеру, систему автоматической проверки орфографии в редактируемом тексте. Ее работа состоит, по сути в том, что лексические единицы исходного текста сравниваются с заранее заготовленным эталонным массивом данных (словарем). В данном случае для успешной работы системы крайне важно иметь кроме аппаратного и программного обеспечения специальные наборы словарей, подключаемые извне. Это пример информационного обеспечения вычислительной техники.

В специализированных компьютерных системах (бортовых компьютерах автомобилей, судов, ракет, самолетов, космических летательных аппаратов и т. п.) совокупность программного и информационного обеспечения называют математическим обеспечением. Как правило, оно «жестко» записывается в микросхемы ПЗУ и может быть изменено только путем замены ПЗУ или его перепрограммирования на специальном оборудовании.^[6]

Все компьютерные программы, которые входят в программное обеспечение ЭВМ, можно разделить на два основных класса, каждый из которых обеспечивает выполнение вычислительных операций определенного типа:

• системное программное обеспечение – не привязано к какому-либо конкретному типу прикладных задач и обеспечивает работу прикладного программного обеспечения (например, операционная система (ОС));

• прикладное программное обеспечение – программы, специально предназначенные для решения прикладных задач определенного класса (например, текстовый процессор, электронные таблицы и т.д.).^[7]

К системному программному обеспечению относится в первую очередь специальный программный комплекс, который получил название «операционная система».

Операционная система является главным элементом функциональности компьютерных систем, так как именно она обеспечивает управление аппаратными средствами компьютера, организует работу с файлами и выполнение прикладных программ, осуществляющих ввод, обработку и вывод данных. Программный пакет, входящий в операционную систему, загружается на компьютерное устройство на самом первом этапе и в дальнейшем позволяет изменять набор прикладных программ в зависимости от характера решаемых задач и пополнять состав его прикладного программного обеспечения. Основным общепринятым определением понятия операционной системы является следующее.

Операционная система (англ. OS – operating system) – комплекс управляющих и обрабатывающих программ, выполняющих функции интерфейса между устройствами аппаратной части вычислительной системы и прикладными программами. Она обеспечивает эффективное управление всеми аппаратными устройствами и вычислительными процессами через наиболее рациональное распределение вычислительных ресурсов компьютера.

Для управления различными устройствами, которые подключаются к компьютеру (например, принтером, сканером и т.п.), операционная система взаимодействует со специальным программным обеспечением, которое обычно входит в комплект поставки данного устройства и называется программой-драйвером.^[8]

Наиболее распространенными в настоящее время ОС являются системы семейства Microsoft Windows, OSX и UNIX-подобные системы.

Разнообразие компьютерных программ, которые могут составлять прикладное программное обеспечение компьютера, чрезвычайно велико, поскольку именно с помощью прикладных программ пользователь решает стоящие перед ним задачи. Поэтому самое общее определение понятия прикладного программного обеспечения может выглядеть так.

Прикладное программное обеспечение – это специализированные компьютерные программы, обеспечивающие выполнение действий, требуемых для решения конкретных задач, которые стоят перед пользователем.

Прикладное программное обеспечение компьютера состоит из отдельных прикладных программ и интегрированных пакетов прикладных программ, предназначенных для решения различных пользовательских задач. Например, интегрированный пакет для обеспечения всех видов офисной работы – MS Office, который включает текстовый процессор Word, электронные таблицы Excel, средства создания базы данных Access, редактор для создания компьютерных презентаций PowerPoint, редактор компьютерной графики Microsoft Photo Editor.

Прикладные программы можно объединять в группы в зависимости от их функционального назначения, однако такая классификация будет достаточно условной и открытой, так как число ее классов и подклассов может увеличиваться неограниченно при появлении новых сфер использования компьютерной техники и, соответственно, новых видов задач.

Тем не менее, основные группы прикладного программного обеспечения, которые можно выделить на сегодняшний день, это:

1) офисные программы и приложения – обеспечивают автоматизацию всех производственных процессов в работе типового офиса (например, интегрированные пакеты MS Office и Open Office);

2) программы, обеспечивающие воспроизведение мультимедийной информации, – позволяют пользователю взаимодействовать с файлами, содержащими видео- и аудиоинформацию (например, Windows Media Player, Real Player и др.);

3) программы, обеспечивающие работу (просмотр и редактирование) с файлами с графической информацией (например, ACDSee, Paint, Adobe Photoshop, CorelDRAW и др.);

4) программы, обеспечивающие просмотр и редактирование файлов с аудио- и видеоинформацией (например, Audacity, Sony Vegas, Camtasia Studio, Miscrosoft Move Maker и др.);

5) программы для просмотра информации в Интернете – программы- браузеры (например, Internet Explorer, Google Chrome, Opera, Mozilla Firefox и др.).^[9]

3. Технические и эксплуатационные характеристики вычислительных машин

Производительность вычислительной машины. Этот показатель определяется архитектурой процессора, иерархией внутренней и внешней памяти, пропускной способностью системного интерфейса, системой прерывания, набором периферийных устройств в конкретной конфигурации, совершенством ОС и т.д. Основные единицы оценки производительности:

• абсолютная, определяемая количеством элементарных работ, выполняемых в единицу времени;

• относительная, определяемая для оцениваемой ЭВМ относительно базовой в виде индекса производительности.

Для каждого вида производительности применяются следующие традиционные методы их определения.

Пиковая производительность (быстродействие) определяется средним числом команд типа «регистр – регистр», выполняемых в одну секунду без учета их статистического веса в выбранном классе задач.

Номинальная производительность (быстродействие) определяется средним числом команд, выполняемых подсистемой «процессор – память» с учетом их статистического веса в выбранном классе задач. Она рассчитывается, как правило, по формулам и специальным методикам, предложенным для процессоров определенных архитектур, и измеряется с помощью разработанных для них измерительных программ, реализующих соответствующую эталонную нагрузку.^[10]

Для данных типов производительностей используются следующие единицы измерения:

• MIPS (Mega Instruction Per Second) — миллион команд в секунду;

• МFLOPS (Mega Floating Operations Per Second) — миллион операций над числами с плавающей запятой в секунду;

• GFLOPS (Giga Floating Operations Per Second) — миллиард операций над числами с плавающей запятой в секунду и т.д.^[11]

Системная производительность измеряется с помощью синтезированных типовых (тестовых) оценочных программ, реализованных на унифицированных языках высокого уровня. Унифицированные тестовые программы используют типичные алгоритмические действия, характерные для реальных применений, и штатные компиляторы ЭВМ. Они рассчитаны на использование базовых технических средств и позволяют измерять производительность для расширенных конфигураций технических средств. Результаты оценки системной производительности ЭВМ конкретной архитектуры приводятся относительно базового образца, в качестве которого используются ЭВМ, являющиеся промышленными стандартами систем ЭВМ различной архитектуры. Результаты оформляются в виде сравнительных таблиц, двумерных графиков и трехмерных изображений.

Эксплуатационная производительность оценивается на основании использования данных о реальной рабочей нагрузке и функционировании ЭВМ при выполнении типовых производственных нагрузок в основных областях применения. Расчеты делаются главным образом на уровне типовых пакетов прикладных программ текстообработки, систем управления базами данных, пакетов автоматизации проектирования, графических пакетов и т.д.

4. Классическая архитектура вычислительных машин и систем

В основу построения современных вычислительных машин были положены следующие принципы фон Неймана.^[12]

1. Принцип однородности памяти. Команды и данные хранятся в одной и той же памяти и внешне в памяти неразличимы. Распознать их можно только по способу использования, т.е. одно и то же значение в ячейке памяти может использоваться и как данные, и как команда, и как адрес в зависимости лишь от способа обращения к нему. Это позволяет производить над командами те же операции, что и над числами, и, соответственно, открывает ряд возможностей. Так, циклически изменяя адресную часть команды, можно обеспечить обращение к последовательным элементам массива данных. Такой прием носит название модификации команд и с позиций современного программирования не приветствуется. Более полезным является другое следствие принципа однородности, когда команды одной программы могут быть получены как результат исполнения другой программы. Эта возможность лежит в основе трансляции — перевода текста программы с языка высокого уровня на язык конкретной вычислительной машины.

2. Принцип адресности. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек, причем процессору в произвольный момент доступна любая ячейка. Двоичные коды команд и данных разделяются на единицы информации, называемые словами, и хранятся в ячейках памяти, а для доступа к ним используются номера соответствующих ячеек – адреса.

3. Принцип программного управления. Все вычисления, предусмотренные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности управляющих слов — команд. Каждая команда предписывает некоторую операцию из набора операций, реализуемых вычислительной машиной. Команды программы хранятся в последовательных ячейках памяти вычислительной машины и выполняются в естественной последовательности, т.е. в порядке их положения в программе. При необходимости с помощью специальных команд эта последовательность может быть изменена. Решение об изменении порядка выполнения команд программы принимается либо на основании анализа результатов предшествующих вычислений, либо безусловно.

4. Принцип двоичного кодирования. Согласно этому принципу вся информация (как данные, так и команды) кодируется двоичными цифрами 0 и 1. Каждый тип информации представляется двоичной последовательностью и имеет свой формат. Последовательность битов в формате, имеющая определенный смысл, называется полем. В числовой информации обычно выделяют поле знака и поле значащих разрядов. В формате команды можно выделить два поля: поле кода операции и поле адресов.

Огромным преимуществом фон-неймановской архитектуры является ее простота, поэтому данная концепция легла в основу большинства компьютеров общего назначения. Фон-неймановская архитектура – не единственный вариант построения вычислительных машин, есть и другие, которые не соответствуют указанным принципам (например, потоковые машины). Однако подавляющее большинство современных компьютеров основаны именно на указанных принципах, включая и сложные многопроцессорные комплексы, которые можно рассматривать как объединение фон-неймановских машин.

Таким образом, на основании этих принципов можно утверждать, что современная вычислительная машина – техническое устройство, которое после ввода в память начальных данных в виде цифровых кодов и программы их обработки, выраженной тоже цифровыми кодами, способно автоматически осуществлять вычислительный процесс, заданный программой, и выдавать готовые результаты решения задачи в форме, пригодной для восприятия человеком.^[13]

В наиболее распространенных настольных компьютерах класса Desktop в качестве конструктивной основы используется системная или материнская плата (motherboard), на которой располагаются все основные системные узлы компьютера, а также несколько разъемов (слотов) системной шины для подключения дочерних плат – плат расширения (интерфейсных модулей, контроллеров, адаптеров). Как правило, современные системные платы допускают замену процессора, выбор его тактовой частоты, замену и наращивание оперативной памяти, выбор режимов работы других узлов.

Центральное процессорное устройство (ЦПУ; англ, central processing unit, CPU, дословно – «центральное обрабатывающее устройство») – это электронный блок либо интегральная схема (микропроцессор), исполняющие машинные инструкции (код программ), главная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера. Иногда его называют микропроцессором или просто процессором.

Процессор заменяет практически всю «жесткую логику», которая понадобилась бы в случае традиционной цифровой системы. Он выполняет арифметические функции (сложение, умножение и т.д.), логические функции (сдвиг, сравнение, маскирование кодов и т.д.), временное хранение кодов (во внутренних регистрах), пересылку кодов между узлами микропроцессорной системы и многое другое. Количество таких элементарных операций, выполняемых процессором, может достигать нескольких сотен.

Развитие вычислительной техники сопровождается совершенствованием центральных процессоров. При проектировании новых моделей процессоров разработчики основывались на принципах совместимости, т.е. разные модели процессоров, различающиеся по производительности, должны были «уметь» выполнять одни и те же команды. Новое семейство процессоров должно было иметь единую архитектуру, т.е. новая модель процессора разрабатывается на основе какой-либо существующей архитектуры.^[14]

Под термином архитектура процессора понимают совокупность и способ объединения компонентов процессора, а также его совместимость с определенным набором команд.

Знание этих двух моментов дает возможность грамотно организовать интерфейс аппаратных и программных средств вычислительной системы. Например, с точки зрения программиста, архитектура процессора – это способность процессора выполнять набор машинных кодов, а с точки зрения проектирования компьютерных составляющих архитектура процессора – это отражение основных принципов внутренней организации определенных типов процессоров.

Но даже процессоры с одинаковой архитектурой могут существенно отличаться друг от друга. Эти различия обусловлены разнообразием процессорных ядер, которые обладают определенным набором характеристик. Наиболее частым отличием являются различные частоты системной шины, а также размеры кэша второго уровня и технологические характеристики, по которым изготовлены процессоры. Очень часто смена ядра в процессорах из одного и того же семейства требует также замены процессорного разъема, а это влечет за собой проблемы с совместимостью материнских плат. Но производители постоянно совершенствуют ядра и вносят постоянные, но незначительные изменения в ядро. Такие нововведения называют ревизией ядер и, как правило, обозначаются цифро-буквенными комбинациями.

Выделяют понятия микроархитектуры и макроархитектуры.

Микроархитектура микропроцессора – это аппаратная организация и логическая структура микропроцессора, регистры, управляющие схемы, арифметико-логические устройства, запоминающие устройства и связывающие их информационные магистрали. Макроархитектура – это система команд, типы обрабатываемых данных, режимы адресации и принципы работы микропроцессора.^[15]

В настоящее время доминирующее положение на рынке центральных процессоров занимает семейство процессоров фирмы «Intel» с архитектурой х86, в котором декларируется программная совместимость моделей процессоров сверху вниз. Современные процессоры представляют собой сложные высокотехнологичные устройства и описываются целым рядом показателей. Важнейшими характеристиками процессора являются следующие.

1. Тактовая частота (clock rate) – это число элементарных операций (тактов), производимых за 1 секунду. Измеряется в герцах (Hz, Гц) и их производных по системе СИ – килогерцах (kHz, кГц) мегагерцах (MHz, МГц), гигагерцах (GHz, ГГц).

Тактовая частота центрального микропроцессора определяет производительность как самого процессора, так и в целом всей компьютерной системы. Тем не менее, с развитием современных технологий, таких как, например, суперскалярность, и созданием многоядерных процессоров нельзя установить прямо пропорциональную зависимость между тактовой частотой процессора и его производительностью.

2. Разрядность – максимальное число одновременно обрабатываемых двоичных разрядов. Разрядность МП обозначается т/п/к и включает:

• т — разрядность внутренних регистров, определяет принадлежность к тому или иному классу процессоров;

• п — разрядность шины данных, определяет скорость передачи информации;

• к — разрядность шины адреса, определяет размер адресного пространства. Например, МП i8088 характеризуется значениями т/п/к = 16/8/20.

3. Количество вычислительных ядер на одном процессорном кристалле. Многоядерность как способ повышения производительности процессоров используется с относительно недавнего времени, но признана самым перспективным направлением их развития. Разработаны прототипы процессоров, содержащие около 100 ядер. Эффективность вычислительных ядер разных моделей процессоров отличается. Но в любом случае, чем ядер больше, тем процессор производительнее.^[16]

4. Количество потоков. Чем больше потоков, тем лучше. Количество потоков не всегда совпадает с количеством ядер процессора. Так, благодаря технологии Hyper-Threading 4-ядерный процессор Intel Core i7—3820 работает в восемь потоков и во многом опережает 6-ядерных конкурентов.

5. Размер кэш-памяти — 2 и 3 уровня, иногда и 4 уровня. Кэш — это очень быстрая внутренняя память процессора, которая используется им как буфер для временного хранения информации, обрабатываемой в конкретный момент времени.

6. Скорость шины процессора (FSB, HyperTransport или QPI). Через эту шину центральный процессор взаимодействует с материнской платой. Ее скорость (частота) измеряется в мегагерцах, и чем она выше, тем лучше.

7. Технологический процесс. Чем выше степень интеграции (количество транзисторов на кристалле), тем меньше потребляемая электроэнергия процессора. От техпроцесса во многом зависит еще одна важная характеристика процессора — TDP.

8. Termal Design Point (TDP) — показатель, отображающий энергопотребление процессора, а также количество тепла, выделяемого им в процессе работы. Единицы измерения — ватты (Вт). TDP зависит от многих факторов, среди которых главными являются количество ядер, техпроцесс изготовления и частота работы процессора.

Кроме прочих преимуществ, «холодные» процессоры (с ТИР до 100 Вт) лучше поддаются разгону, когда пользователь изменяет некоторые настройки системы, вследствие чего увеличивается частота процессора. Разгон позволяет без дополнительных финансовых вложений увеличить производительность процессора на 15-25%, но это уже отдельная тема. В то же время проблему с высоким ТЭР всегда можно решить приобретением эффективной системы охлаждения.

9. Наличие и производительность видеоядра. Последние технические достижения позволили производителям помимо вычислительных ядер включать в состав процессоров еще и ядра графические. Такие процессоры, кроме решения своих основных задач, могут выполнять роль видеокарты.

10. Тип и максимальная скорость поддерживаемой оперативной памяти. Эти характеристики процессора необходимо учитывать при выборе оперативной памяти, с которой он будет использоваться. Нет смысла переплачивать за быстрые модули ОЗУ, если процессор не сможет реализовать все их преимущества.^[17]

Память (устройство хранения информации, запоминающее устройство) — часть вычислительной машины, физическое устройство или среда для хранения данных, используемая в вычислениях в течение определенного времени.

Память вычислительной машины обеспечивает поддержку одной из функций современного компьютера – способность длительного хранения информации (принципа фон Неймана, заложенного в основу современных вычислительных машин).

Память, как и центральный процессор, является неизменной частью вычислительной машины. В основе работы запоминающего устройства может лежать любой физический эффект, обеспечивающий приведение системы к двум или более устойчивым состояниям.

Память вычислительной машины дискретна, состоит из набора последовательных ячеек памяти, каждая из которых имеет свой номер, называемый адресом. Ячейка памяти хранит состояние внешнего воздействия, запись информации. Эти ячейки могут фиксировать самые разнообразные физические воздействия. Они функционально аналогичны обычному электромеханическому переключателю, и информация в них записывается в виде двух четко различимых состояний – «1» и «0» («включено» и «выключено»).

В современной компьютерной технике часто используются физические свойства полупроводников, когда прохождение тока через полупроводник или его отсутствие трактуется как наличие логических сигналов 0 или 1. Для записи объема запоминающих устройств в цифровой вычислительной технике и количества памяти, используемой компьютерной программой, применяют термин «количество информации».

Специальные механизмы обеспечивают доступ (операцию записи и операцию чтения) к состоянию этих ячеек. Процесс доступа происходит под управлением контроллера памяти – отдельного специализированного устройства, которое управляет потоком данных от оперативной памяти к процессору.

Контроллер памяти может представлять собой отдельную микросхему или быть интегрирован в микросхему северный мост или микропроцессор.

Также различают операцию стирания памяти — занесение (запись) в ячейки памяти одинаковых значений.

Память в вычислительных устройствах имеет иерархическую структуру и обычно предполагает использование нескольких запоминающих устройств, имеющих различные характеристики.

Иерархия памяти – концепция построения взаимосвязи классов разных уровней памяти вычислительных систем на основе иерархической структуры.

Сущность необходимости построения иерархической памяти – необходимость обеспечения вычислительной системы (отдельного компьютера или кластера) достаточным объемом памяти, как оперативной, так и постоянной.

Различные виды памяти образуют иерархию, на различных уровнях которой расположены памяти с отличающимися временем доступа, сложностью, стоимостью и объемом. Возможность построения иерархии памяти вызвана тем, что большинство алгоритмов обращаются в каждый промежуток времени к небольшому набору данных, который может быть помещен в более быструю, но дорогую и поэтому небольшую память. Использование более быстрой памяти увеличивает производительность вычислительного комплекса.^[18]

В большинстве современных вычислительных систем используется следующая иерархия памяти.

1. Процессорная, или регистровая, память – это набор быстродействующих регистров процессора, организованный в регистровый файл – наиболее быстрый доступ (порядка 1 такта), но размером лишь в несколько сотен или, редко, тысяч байт.

2. Кэш микропроцессора – кэш (сверхоперативная память), используемый микропроцессором компьютера для уменьшения среднего времени доступа к компьютерной памяти.

Кэш использует небольшую, очень быструю память, которая хранит копии часто используемых данных из основной памяти. Если большая часть запросов в память будет обрабатываться кэшем, средняя задержка обращения к памяти будет приближаться к задержкам работы кэша.

Когда процессору нужно обратиться в память для чтения или записи данных, он сначала проверяет, доступна ли их копия в кэше. В случае успеха проверки процессор производит операцию, используя кэш, что значительно быстрее использования более медленной основной памяти.

Большинство современных микропроцессоров для компьютеров и серверов имеют как минимум три независимых кэша: кэш инструкций для ускорения загрузки машинного кода; кэш данных для ускорения чтения и записи данных и буфер ассоциативной трансляции (TLB) для ускорения трансляции виртуальных (логических) адресов в физические как для инструкций, так и для данных.

Кэш центрального процессора разделен на несколько уровней. Максимальное количество кэшей – четыре. В универсальном процессоре в настоящее время число уровней может достигать трех. Кэшпамять уровня N+1, как правило, больше по размеру и медленнее по скорости доступа и передаче данных, чем кэш-память уровня N.

3. Оперативная память (англ. Random Access Memory, RAM, память с произвольным доступом; ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) — энергозависимая часть системы компьютерной памяти, в которой во время работы компьютера хранится выполняемый машинный код (программы), а также входные, выходные и промежуточные данные, обрабатываемые процессором.

Обмен данными между процессором и оперативной памятью производится:

– непосредственно (рисунок 2);

– через сверхбыструю память нулевого уровня – регистры в АЛУ либо при наличии аппаратного кэша процессора – через кэш.

Рисунок 2. Простейшая схема взаимодействия оперативной памяти с микропроцессором.^[19]

Содержащиеся в современной полупроводниковой оперативной памяти данные доступны и сохраняются только тогда, когда на модули памяти подается напряжение. Выключение питания оперативной памяти, даже кратковременное, приводит к искажению либо полному разрушению хранимой информации.

В общем случае ОЗУ содержит программы и данные операционной системы, запущенные прикладные программы пользователя и данные этих программ, поэтому от объема оперативной памяти зависит количество задач, которые одновременно может выполнять компьютер под управлением операционной системы.

ОЗУ может изготавливаться как отдельный внешний модуль или располагаться на одном кристалле с процессором, например в однокристальных ЭВМ или однокристальных микроконтроллерах.

4. Память долговременного хранения (внешняя память) — это запоминающие устройства, предназначенные для продолжительного (что не зависит от электропитания) хранения больших объемов информации.

Долговременное хранение в дорогой сверхоперативной и даже оперативной памяти, как правило, невыгодно, поэтому данные такого рода хранятся на накопителях: дисковых, флэш и т.д. Наиболее известные запоминающие устройства долговременного хранения: жесткие диски (винчестеры), СD-диски, устройства флэш-памяти.

Для резервного хранения данных создаются библиотеки на съемных носителях, например виртуальная ленточная библиотека или дисковый массив. Емкость съемных носителей большая, но доступ к этим данным занимает значительное время.

Получение преимуществ от иерархии памяти требует совместных действий от программиста, аппаратуры и компиляторов (а также базовой поддержки в операционной системе):

• программисты отвечают за организацию передачи данных между дисками и памятью (ОЗУ), используя для этого файловый ввод/ вывод; современные ОС также реализуют это как подкачку страниц;

• аппаратное обеспечение отвечает за организацию передачи данных между памятью и кэшами;

• оптимизирующие компиляторы отвечают за генерацию кода, при исполнении которого аппаратура эффективно использует регистры и кэш процессора.^[20]

Заключение

В заключение сформулируем краткие выводы по курсовой работе.

Итак, вычислительная система (ВС) – это некоторое объединение аппаратных средств, средств управления аппаратурой (физическими ресурсами), средств управления логическими ресурсами, системы программирования и прикладное программное обеспечение.

Основой цифровых вычислительных систем являются логические цифровые схемы, основанные на элементах, принимающих два возможных фиксированных значения – «0» и «1». Информация в таких схемах представлена в виде импульсных электрических сигналов, имеющих амплитуду выше некоторого уровня (логический ноль) или ниже определенного уровня (логическая единица). При построении цифровой ВС реализован принцип программного управления. Суть этого принципа в следующем: цифровая схема построена таким образом, что может решать некоторый определенный набор простых задач или выполнять определенные действия (команды); комбинируя эти действия в соответствии с заданным алгоритмом решения сложной задачи (программа), можно получить решение для очень широкого круга задач.

Таким образом, цифровая ВС состоит из аппаратных и программных средств, которые выступают как неразрывное единство.

К аппаратным средствам относятся электронные схемы, из которых построена система, и схемы, обеспечивающие их работоспособность.

К программным средствам относятся последовательности команд, реализующие решение задач и функции по обработке информации.

Наряду с аппаратным и программным обеспечением средств вычислительной техники в некоторых случаях целесообразно рассматривать информационное обеспечение, под которым понимают совокупность программ и предварительно подготовленных данных, необходимых для работы данных программ.

Цель, поставленная в начале написания курсовой работы, достигнута, задачи решены.

Список использованных источников

1. Амблер С. Гибкие технологии: экстремальное программирование и унифицированный процесс разработки / С. Амблер. - М.: СПб: Питер, 2016.
2. Бадд Т. Объектно-ориентированное программирование в действии / пер. с англ. СПб.: Питер, 2017.
3. Брауде Э.Дж. Технология разработки программного обеспечения. СПб. : Питер, 2018.
4. Вендров А.М. Проектирование программного обеспечения экономических информационных систем: учебник. М.: Финансы и статистика, 2016.
5. Гагарина Д.Г., Кокорева Е.В., Виснадул БД. Технология разработки программного обеспечения. – М.: ИНФРА-М, 2018.
6. Гамма Э., Хелм Р., Джонсон Р., Влиссидес Дж. Приемы объектно-ориентированного проектирования. Паттерны проектирования. СПб.: Питер, 2017.
7. Иванова Г.С., Ничушкина Т.Н., Пугачев Е.К. Объектно-ориентированное программирование. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018.
8. Камаев В. А. Технологии программирования / В.А. Камаев, В.В. Костерин. - М.: Высшая школа, 2015.
9. Карпов Ю. Г. Теория и технология программирования. Основы построения трансляторов / Ю.Г. Карпов. - М.: БХВ-Петербург, 2015.
10. Лупин С. А. Технологии параллельного программирования / С.А. Лупин, М.А. Посыпкин. - М.: Форум, Инфра-М, 2015.
11. Макконнелл С. Профессиональная разработка программного обеспечения / пер. с англ. – СПб.: Символ-Плюс, 2016.
12. Хорев П. Б. Технологии объектно-ориентированного программирования. Учебное пособие / П.Б. Хорев. - М.: Academia, 2017.

1. Брауде Э.Дж. Технология разработки программного обеспечения. СПб. : Питер, 2018. ↑

2. Камаев В. А. Технологии программирования / В.А. Камаев, В.В. Костерин. - М.: Высшая школа, 2015. ↑

3. Гагарина Д.Г., Кокорева Е.В., Виснадул БД. Технология разработки программного обеспечения. – М.: ИНФРА-М, 2018. ↑

4. Камаев В. А. Технологии программирования / В.А. Камаев, В.В. Костерин. - М.: Высшая школа, 2015. ↑

5. Гагарина Д.Г., Кокорева Е.В., Виснадул Б.Д. Технология разработки программного обеспечения. – М.: ИНФРА-М, 2018. ↑

6. Брауде Э.Дж. Технология разработки программного обеспечения. СПб. : Питер, 2018. ↑

7. Камаев В. А. Технологии программирования / В.А. Камаев, В.В. Костерин. - М.: Высшая школа, 2015. ↑

8. Драйвер (англ. driver) – компьютерная программа, с помощью которой другие программы (операционная система) получают доступ к аппаратному обеспечению некоторого устройства. ↑

9. Макконнелл С. Профессиональная разработка программного обеспечения / пер. с англ. – СПб.: Символ-Плюс, 2016. ↑

10. Гагарина Д.Г., Кокорева Е.В., Виснадул БД. Технология разработки программного обеспечения. – М.: ИНФРА-М, 2018. ↑

11. Брауде Э.Дж. Технология разработки программного обеспечения. СПб. : Питер, 2018. ↑

12. Макконнелл С. Профессиональная разработка программного обеспечения / пер. с англ. – СПб.: Символ-Плюс, 2016. ↑

13. Камаев В. А. Технологии программирования / В.А. Камаев, В.В. Костерин. - М.: Высшая школа, 2015. ↑

14. Гагарина Д.Г., Кокорева Е.В., Виснадул БД. Технология разработки программного обеспечения. – М.: ИНФРА-М, 2018. ↑

15. Макконнелл С. Профессиональная разработка программного обеспечения / пер. с англ. – СПб.: Символ-Плюс, 2016. ↑

16. Камаев В. А. Технологии программирования / В.А. Камаев, В.В. Костерин. - М.: Высшая школа, 2015. ↑

17. Брауде Э.Дж. Технология разработки программного обеспечения. СПб. : Питер, 2018. ↑

18. Амблер С. Гибкие технологии: экстремальное программирование и унифицированный процесс разработки / С. Амблер. - М.: СПб: Питер, 2016. ↑

19. Макконнелл С. Профессиональная разработка программного обеспечения / пер. с англ. – СПб.: Символ-Плюс, 2016. ↑

20. Камаев В. А. Технологии программирования / В.А. Камаев, В.В. Костерин. - М.: Высшая школа, 2015. ↑