Классическая схема цвм.

Типовая схема ЦВМ: ЗУ для программ и исходных данных, промежуточных и окончательных результатов; арифметическое устройство, служащее для преобразования информации; устройство ввода, обеспечивающее ввод и запись информации в память; устройство вывода, предназначенное для вывода результатов вычислений и обработки; УУ, синхронизирующее работу всех вышеупомянутых устройств.

ЦВМ содержат мультиплексные и селекторные каналы, которые связывают память машины, УУ, память и внешние устройства. Информация в ЦВМ представлена в двоичном кодированном виде, а числа в двоичной системе. При кодировании используются электрические элементы, надёжные, экономичные и быстродействующие, с двумя устойчивыми состояниями, например, есть сигнал или нет сигнала, включен или выключен. В двоичной системе технически просто реализовать выполнение одной из двух операций. Единицей информации служит машинное слово. Оно может быть командой, числом, группой символов. Под машинное слово отводят несколько десятков двоичных разрядов. В ЦВМ используют формы двоичных чисел с фиксированной или плавающей запятой. Метод записи с фиксированной запятой позволяет в простом арифметическом устройстве получить высокое быстродействие. Однако, для машин с такой формой записи усложнён процесс программирования всвязи с введением масштабных коэффициентов для исключения переполнения разрядной сетки.

Метод записи с плавающей запятой повышает время арифметических операций и усложняет арифметическое устройство, но программирование становится проще.

Каждая ЦВМ выполняет свой список операций. Операции условно разделяются на арифметические, логические, операции управления и ввода/вывода. В современных машинах обычно используют командно-адресный метод управления. Машинная команда содержит информацию о командах и операндах. Операнды – объекты, над которыми совершают операции. Операнды и команды чаще всего задаются своими адресами в памяти. В современных машинах широко используются одно-, двух- и трёхадресные команды. Для обеспечения высокой производительности расширения класса решаемых задач, память машины должна иметь большую ёмкость и малое время обращения к памяти. Однако, построить одно ЗУ, которое имело бы такие показатели невозможно. Поэтому в машинах создаётся иерархическая (многоуровневая) система памяти. Каждый уровень имеет свои показатели по скорости и ёмкости. С увеличением быстродействия увеличивается стоимость машины и уменьшается ёмкость ЗУ. Вычислительная мощность (производительность) ЦВМ, в основном, определяется её быстродействием и объёмом памяти. Существует несколько методов определения быстродействия. Например, за быстродействие принимают величину, обратную средневзвешенному времени выполнения одной операции. Для этого операциям присваивают веса в соответствии с их частотой появления в типичных задачах. Такое быстродействие имеет размерность [оп/сек] или [flop].

Проблемы повышения производительности.

Недостаточная производительность вычислительных систем (ВС) является сдерживающим фактором широкого применения ВТ во многих областях вычислительной деятельности. Несмотря на то, что созданы массовые ЭВМ с быстродействием в десятки миллионов оп/сек, ряд задач не может быть решён ВС с такой производительностью (проектирование АЭС, задачи из области управления ЭС, проектирование самолётов, автомобилей).

Выделяются 3 основных фактора, определяющих производительность машин:

1. ЭБ.

2. Параллельное выполнение операций на микро- и макроуровнях.

3. Специализация процессоров.

До конца 60-х годов ХХ-го века повышение быстродействия ЭВМ происходило за счёт модернизации ЭБ. Кроме того, уже в то время реализованы схемотехнические решения, обеспечивающие внутренний параллелизм, невидимый пользователю. Такие технические решения – расслоение памяти, конвейерное выполнение микроопераций, упреждающий просмотр команд. В то же время выяснилось, что без новых принципов организации работы ВТ получить необходимый скачок в развитии ВТ невозможно. Теоретически рост производительности, обеспечивается принципом распараллеливания вычислений. Но этот принцип порождает ряд проблем:

1. Создание новых нетрадиционных способов организации и взаимодействия компонентов системы.

2. Пути разработки всех уровней ПО.

3. Пересмотр алгоритмических средств с целью создания математического обеспечения, адекватного концепции параллельной обработки.

Параллелизм на макроуровне требует новых подходов к созданию алгоритмов решения задач и языковых средств для описания этих алгоритмов. Параллельные алгоритмы должны соответствовать структурным возможностям ВС, при этом необходимо:

1. Решать вопросы отображения данной задачи на архитектуру системы.

2. Количественно оценивать принимаемые решения.

3. Сравнивать полученные результаты с другими возможными решениями.

Эти задачи должны поддерживаться технологией программирования для систем с параллельными принципами обработки информации. Коллективу программистов приходится иметь дело с более сложными и трудоёмкими задачами. Высокое быстродействие достигается за счёт одновременного выполнения операций над многими данными. Реализация этого принципа достигается системами с различной архитектурой. Эти архитектуры представлены различными моделями вычислений (потоковыми, асинхронными, векторными, матричными, конвейерными). Ведущую роль при реализации параллелизации вычислений играют языковые средства, ориентированные на те или иные модели вычислений. Это могут быть следующие языковые средства:

1. Традиционные языки программирования, снабжённые соответствующими средствами для организации параллельных взаимодействующих процессов.

2. Новые языки, ориентированные на достижение максимальной параллелизации в описании алгоритмов.

3. Языки программирования высокого уровня (ЯВУ) со встроенными на уровне интерпретации средствами организации параллельных вычислений.

4. Пакеты прикладных программ, где параллелизм скрыт от пользователя.