Характеристики ЭВМ

Важнейшими характеристиками ЭВМ являются быстродействие и производительность. Эти характеристики тесно связаны. Быстродействие характеризуется числом команд, выполняемых ЭВМ за одну секунду. Быстродействие можно вычислить как

B = 1/ t_K,

где t_K – время выполнения одной машинной команды. Однако процессор ЭВМ выполняет множество различных команд, время выполнения которых значительно отличается друг от друга. Поэтому быстродействие оценивается обычно по времени выполнения самой короткой команды.

Команды в процессоре выполняются по тактам, причём длительность такта t_T зависит от частоты тактового генератора f_T и определяется по формуле

t_T = 1/ f_T.

Если считать, что на выполнение машинной команды затрачивается w машинных тактов, то быстродействие можно определить как

B = f_T / w (1)

Формула (1) является основной для вычисления быстродействия.

Одной из 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.

При решении научно-технических задач в программах превалируют операции с плавающей точкой, поэтому в этом случае используется характеристика быстродействия, выраженная в MFLOPS (Million Floating Point Operations Per Second — миллион операций с плавающей запятой в секунду).

Производительность — это число эталонных программ, выполняемых ЭВМ в единицу времени.

P=1/T,

где T- время выполнения эталонной программы, которое можно вычислить по формуле

,

где m_i- число команд i-го типа с временем выполнения t_i, h- число типов команд в эталонной программе. Тогда

(2)

Таким образом, производительность зависит от характера эталонной программы, т.е. сколько в ней команд различного типа: сложения, умножения, логических операций и др., имеющих разное время выполнения.

В настоящее время применяется характеристика эффективности Е, удобная при сравнении разных ЭВМ. Наиболее употребительное называние этой характеристики - “стоимость-производительность”

E = S / P, (3)

где S- стоимость ЭВМ.

Несмотря на простоту формул (1), (2) и (3), определение характеристик быстродействия, производительности и эффективности представляет собой очень сложную задачу, поскольку в формулах в явном виде не учтены архитектурные параметры ЭВМ.

Для более точных комплексных оценок существуют тестовые наборы, которые можно разделить на три группы:

- наборы тестов фирм-изготовителей для оценивания качества собственных изделий (например, компания Intel для своих микропроцессоров ввела показатель iCOMP - Intel Comparative Microprocessor Performance);

- стандартные универсальные тесты для ЭВМ, предназначенных для крупномасштабных вычислений (например, пакет математических задач Linpack, по которому ведется список ТОР 500, включающий 500 самых производительных компьютерных установок в мире);

-специализированные тесты для конкретных областей применения компьютеров (например, для тестирования ПК по критериям офисной группы приложений используется тест Winstone 97-Business, для группы «домашних компьютеров» — WinBench 97-CPUMark 32, а для группы ПК для профессиональной работы — 3D WinBench 97-UserScene).

Результаты оценивания ЭВМ по различным тестам несопоставимы. Наборы тестов и области применения компьютеров должны быть адекватны. Наиболее применительной практикой для оценки производительности стало использование некоторого набора специально подобранных, реально используемых прикладных программ. Подбором таких приложений занимается некоммерческая организация под названием System Performance Evaluation Corporation (SPEC). Она публикует списки программ для различных прикладных областей и результаты тестирования многих имеющихся на рынке моделей компьютеров. Тесты постоянно обновляются. Так для компьютеров общего назначения тест трижды модифицировался, а самая новая версия была опубликована в 2000 году.

Коэффициент производительности SPEC вычисляется по формуле:

SPEC = T_E / T_T ,

где T_E - время выполнения программы на эталонном компьютере, T_T – время выполнения программы на тестируемом компьютере. В качестве эталонного компьютера выбирается один из серийно выпускаемых компьютеров. Так для теста SPEC 2000 в качестве эталонного применяется рабочая станция UltraSPARC10 с тактовой частотой процессора 300 МГц.

Для проведения полного тестирования по очереди компилируются и выполняются все программы из списка SPEC, а затем вычисляется среднее геометрическое полученных результатов

SPEC = ,

где n - количество программ в тестовом наборе.

Таким образом, SPEC– коэффициент характеризует результат суммарного влияния всех факторов, от которых зависит производительность компьютера: компилятора, операционной системы, процессора и памяти.

Другой важнейшей характеристикой ЭВМ является емкость запоминающих устройств. Она измеряется количеством структурных единиц информации, которые одновременно можно разместить в памяти. Этот показатель позволяет определить, какой набор программ и данных может быть одновременно размещен в памяти.

Обычно отдельно характеризуют емкость оперативной памяти и емкость внешней памяти. Современные персональные ЭВМ могут иметь емкость оперативной памяти, равную 64- 256 Мбайтам и даже больше. Этот показатель очень важен для определения, какие программные приложения могут обрабатываться в машине.

Емкость внешней памяти зависит от ее типа. Емкость жесткого диска достигает нескольких десятков Гбайтов, емкость компакт-диска (CD-ROM) — сотни Мбайтов (640 Мбайт и выше). Емкость внешней памяти характеризует объем программного обеспечения и отдельных программных продуктов, которые могут устанавливаться в ЭВМ. Например, для установки операционной среды Windows XP (2002 г.) требуется объем памяти жесткого диска более 1,5 Гбайт и не менее 128 Мбайт оперативной памяти ЭВМ.

Надежность — это способность ЭВМ при определенных условиях выполнять требуемые функции в течение заданного времени (стандарт ISO – международной организации стандартов -2382/14-78).

Точность — возможность различать почти равные значения (стандарт ISO — 2382/2-76). Точность получения результатов обработки в основном определяется разрядностью ЭВМ, которая в зависимости от класса ЭВМ может составлять 32, 64 и 128 двоичных разрядов.

Во многих применениях ЭВМ не требуется большой точности, например при обработке текстов и документов, при управлении технологическими процессами. В этом случае достаточно воспользоваться 8- и 16-разрядными двоичными кодами. При выполнении же сложных математических расчетов следует использовать высокую разрядность (32, 64 и даже более). Программными способами диапазон представления и обработки данных может быть увеличен в несколько раз, что позволяет достигать очень высокой точности.

Достоверность — свойство информации быть правильно воспринятой. Достоверность характеризуется вероятностью получения безошибочных результатов. Заданный уровень достоверности обеспечивается аппаратно-программными средствами контроля самой ЭВМ. Возможны методы контроля достоверности путем решения эталонных задач и повторных расчетов. В особо ответственных случаях проводятся контрольные решения на других ЭВМ и сравнение результатов.