Быстродействие и производительность ЭВМ

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО «Тверской государственный технический университет»

Аппаратные средства вычислительных комплексов.

Конспект лекций.

Тверь 2012г.

Основные характеристики, области применения ЭВМ различных классов.

История развития ЭВМ.

Первой действующей ЭВМ стал ENIAC (США, 1945-46 гг.). ENIAC содержал 18000 электронных ламп и потреблял 150 квт электроэнергии. Однако, эта машина еще не использовала принцип хранимой программы. Большой вклад в разработку ЭВМ внес американский математик Джон фон Нейман. Один из важнейших принципов конструирования ЭВМ предложенный Нейманом — принцип хранимой программы был впервые реализован в Англии в 1949 году в машине EDSAC и используется и в современных компьютерах. Этот принцип требует, чтобы программа вводилась в память компьютера также, как в нее вводятся данные.Первая отечественная ЭВМ (МЭСМ) была создана в 1951 г. под руководством С.А. Лебедева. В середине 60-х создана машина БЭСМ, бывшая базовой в СССР в научных, оборонных, космических исследованиях. Из других ЭВМ следует упомянуть "Минск", "Урал", "Мир" и др., созданные под руководством И.С. Брука, В.М. Глушкова и других.В истории развития вычислительной техники принято выделять поколения ЭВМ. Переход от одного поколения к другому связан со сменой элементной базы на которой построен компьютер. Выделяют следующие четыре поколения ЭВМ:

· первое поколение: 1946-1957 годы; элементная база – электронные вакуумные лампы; оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) – до 100 байт; быстродействие — до 10000 операций в секунду;

· второе поколение: 1958-1964 годы; элементная база – транзисторы; ОЗУ — до 1000 байт; быстродействие — до 1 млн. операций в секунду;

· третье поколение: 1965-1975 годы; элементная база – малые интегральные схемы; ОЗУ — до 10 Кбайт; быстродействие – до 10 млн. операций в секунду;

· четвертое поколение: 1976 год; элементная база — большие (БИС) и сверхбольшие (СБИС) интегральные схемы; ОЗУ — от 100 Кбайт и выше; быстродействие — свыше 10 млн. операций в секунду.

Следует заметить, что граница между третьим и четвертым поколениями ЭВМ по признаку элементной базы достаточно условна: произошло, скорее количественное изменение параметров элементной базы.

Основные характеристики ЭВМ.

Быстродействие и производительность ЭВМ.

Кроме того, единица измерения быстродействия компьютера "операции в секунду" устарела. Она не достаточно правильно отражает быстродействие. Для компьютеров первых поколений под "операцией" часто понимали сложение двух целых чисел определенной длины. Операция умножения выполнялась в десятки раз медленнее, чем сложение. Поэтому для современных компьютеров чаще используется характеристика — тактовая частота. Тактовая частота – это количество импульсов в секунду (герц), генерируемых тактовым генератором компьютера. Тактовая частота — более мелкая единица измерения, чем операции в секунду. Фирмы — производители компьютеров стремятся к тому, чтобы уменьшить количество тактов, необходимых для выполнения базовых операций, и, тем самым, повысить быстродействие компьютеров.Современные персональные компьютеры характеризуются быстродействием свыше 2 Ггц и ОЗУ — более 256 Мбайт.Классификация компьютеров, исходящая из производительности и функционального назначения показана на рисунке 1.1.

Рис. 1.1.Классификация компьютеров по производительности.

Определение характеристик быстродействия и производительнос­ти представляет собой очень сложную инженерную и научную зада­чу, до настоящего времени не имеющую единых подходов и методов решения.

Казалось бы, что более быстродействующая вычислительная тех­ника должна обеспечивать и более высокие показатели производитель­ности. Однако практика измерений значений этих характеристик для разнотипных ЭВМ может давать противоречивые результаты. Основ­ные трудности в решении данной задачи заключены в проблеме вы­бора: что и как измерять. Укажем лишь наиболее распространенные подходы.

Одной из альтернативных единиц измерения быстродействия была и остается величина, измеряемая в MIPS (Million Instructions Per Se­cond — миллион операций в секунду). В качестве операций здесь обыч­но рассматриваются наиболее короткие операции типа сложения. MIPS широко использовалась для оценки больших машин второго и третье­го поколений, но для оценки современных ЭВМ применяется доста­точно редко по следующим причинам:

• набор команд современных микропроцессоров может включать сотни команд, сильно отличающихся друг от друга длительнос­тью выполнения;

• значение, выраженное в MIPS, меняется в зависимости от особен­ностей программ;

• значение MIPS и значение производительности могут противоре­чить друг другу, когда оцениваются разнотипные вычислители (например, ЭВМ, содержащие сопроцессор для чисел с плавающей точкой и без такового).

При решении научно-технических задач в программах резко уве­личивается удельный вес операций с плавающей точкой. Опять же для больших однопроцессорных машин в этом случае использова­лась и продолжает использоваться характеристика быстродействия, выраженная в MFPOPS (Million Floating Point Operations Per Se­cond — миллион операций с плавающей точкой в секунду). Для персональных ЭВМ этот показатель практически не применяется из-за особенностей решаемых задач и структурных характеристик ЭВМ.