Эффективное использование вычислительной техники предполагает, что каждый вид вычислений требует применения ЭВМ с определенными характеристиками. Выбирая компьютер для решения своих задач, пользователь интересуется функциональными возможностями технических и программных модулей, а не их конкретной реализацией. В частности, возникают следующие вопросы:
- как быстро будет решена задача определенного класса?
- насколько это соответствует определенной группе задач?
- какой сервис предоставляется существующими программами?
Таким образом, рядовой пользователь ЭВМ интересуется общими вопросами организации вычислений, что включается в понятие архитектуры ЭВМ. В широком смысле архитектура компьютера - это многоуровневая иерархия аппаратно-программных средств, из которых строится ЭВМ. Именно архитектура отражает принципы, положенные в основу построения компьютера.
Для непрофессионалов в области вычислительной техники архитектуру ЭВМ можно определить как совокупность свойств, существенных для пользователя. Это понятие конкретизируется через группы характеристик ЭВМ, отражающих возможности взаимодействия пользователя с машиной:
- технические и эксплуатационные характеристики (быстродействие и производительность, надежность, точность, достоверность, емкость ЗУ, размеры, стоимость, потребляемая мощность и др.);
- характеристики и состав функциональных модулей;
- возможности расширения состава технических и программных средств;
- возможность изменения структуры системы;
- состав программного обеспечения ЭВМ (операционная система, пакеты прикладных программ, системы программирования, сервисные программы и др.).
Важнейшими характеристиками компьютеров являются быстродействие и производительность. Это близкие, но всё же отличающиеся характеристики. Быстродействие характеризуется числом определенного типа команд, выполняемых ЭВМ в единицу времени. Производительность - это объем вычислительных работ, выполняемых ЭВМ в единицу времени (например, число некоторых стандартных задач).
Определение быстродействия и производительности представляет собой сложную инженерную и научную задачу, до настоящего времени не имеющую единых подходов и методов решения. Самой грубой характеристикой быстродействия может служить тактовая частота процессора. Однако эта характеристика позволяет сравнивать модели ЭВМ одного семейства, так как разные процессоры имеют значительно отличающиеся структуры, сильно влияющие на их производительность.
Более объективной единицей измерения быстродействия является величина, измеряемая в MIPS (Million Instructions Per Second) – миллион операций в секунду, где в качестве операций рассматриваются наиболее короткие операции типа сложения данных в регистрах. Эта характеристика широко использовалась для оценки машин второго и третьего поколений, но для современных ЭВМ применяется достаточно редко по следующим причинам:
- набор команд современных микропроцессоров может включать сотни команд, сильно отличающихся длительностью выполнения (в сотни раз);
- значение, выраженное в MIPS, сильно меняется в зависимости от особенностей программ;
- значение MIPS и показатели производительности могут противоречить друг другу для разных типов ЭВМ (например, с арифметическим сопроцессором и без него).
При решении научно-технических задач в программах резко увеличивается удельный вес (процент) операций с плавающей точкой. Для таких задач использовалась и продолжает использоваться другая характеристика быстродействия, выраженная в MFLOPS (мегафлопс) - Million Floating Point Operations Per Second или TFLOPS (терафлопс) – триллион операций с плавающей точкой в секунду. Этот показатель практически не применяется для ПК, так как сильно связан с особенностями решаемых задач и структурными характеристиками ЭВМ.
Производительность ЭВМ оценивается с помощью специальных тестовых наборов программ, которые можно разделить на три группы:
- набор тестов фирм-изготовителей для оценки качества собственных изделий. Например, фирма Intel для своих микропроцессоров ввела показатель iCOMP - Intel Comparative Microprocessor Performance index;
- специализированные тесты для конкретных областей применения ЭВМ. Например, тесты для ПК по офисным приложениям, для домашних компьютеров, для профессиональной работы с графикой и мультимедийными приложениями и др.;
- стандартные универсальные тесты, предназначенные для мощных ЭВМ.
Примерами тестов третьей группы могут служить:
- ранее использовавшаяся смесь Гибсона, т.е. смесь команд различных видов в определенных процентных соотношениях (сложение, вычитание с фиксированной точкой (ФТ); умножение с ФТ; деление с ФТ; сложение, вычитание с плавающей точкой (ПТ); умножение с ПТ; деление с ПТ; логические операции; условные передачи управления; безусловные передачи управления);
- современный пакет математических задач Linpack, по которому ведется список ТОР 500, включающий 500 самых мощных ЭВМ в мире.
Другой важнейшей характеристикой ЭВМ является емкость памяти. Она измеряется количеством единиц информации, которое может храниться в памяти одновременно. При этом емкость оперативной памяти и внешних ЗУ указывается отдельно. Емкость внешней памяти сильно зависит от типа носителя данных.
Надежность ЭВМ - это способность ЭВМ при определенных условиях выполнять требуемые функции в течение заданного периода времени. Высокая надежность обеспечивается в процессе производства ЭВМ. Наиболее ненадежными являются соединения отдельных элементов, ИС, БИС, модулей, блоков и т.п. Переход на новую элементную базу СБИС резко сокращает количество ИС и число их соединений друг с другом. Модульный принцип построения позволяет легко контролировать работу всех устройств, проводить их диагностику и устранение неисправностей.
Точность характеризует возможность различать почти равные (близкие) числовые значения. Точность результатов вычислений определяется главным образом разрядностью ЭВМ, а также используемыми единицами представления данных (байт, слово, двойное слово). Во многих применениях ЭВМ не требуется большой точности, например при обработке текстовых документов, при управлении технологическими процессами. В этих случаях достаточно использовать 8- и 16-разрядные коды. В математических расчетах требуется использовать более высокую разрядность данных (32, 64 и более). Поэтому современные ЭВМ допускают работу с 32- и 64-разрядными машинными словами. Языки программирования позволяют расширить этот диапазон в несколько раз, что обеспечивает очень высокую точность результатов.
Достоверность - это свойство информации быть правильно воспринимаемой и правильно воспроизводимой. Достоверность характеризуется вероятностью получения безошибочных результатов. Необходимый уровень достоверности обеспечивается аппаратно-программными средствами контроля ЭВМ. Возможны методы контроля достоверности путем решения эталонных задач и повторных расчетов. В особо ответственных случаях вычисления дублируются на других ЭВМ, а полученные результаты сравниваются.