3.ОСНОВНЫЕ
МОДЕЛИ ПЕРСОНАЛЬНЫХ ЭВМ
В
предыдущем разделе мы рассмотрели
различные устройства ПЭВМ (классифицировали
их, определили и сравнили основные
технические характеристики).
Здесь
же ПЭВМ будет представлена как единое целое.
Этот раздел может служить в качестве
справочника по существующим моделям
персональных машин.
В
начале будут определены основные понятия,
такие, как производительность и
совместимость ПЭВМ, а также перечислены
наиболее важные технические
характеристики персональных компьютеров с
точки зрения пользователя. Затем читатель
ознакомится с различными классами ПЭВМ,
выпускаемыми ведущими фирмами, и с
персональными машинами, производимыми в
восточноевропейских странах. Раздел
завершается описанием основных тенденций
развития ПЭВМ.
3.1.
Слагаемые производительности ПЭВМ
Производительность
– важнейший
показатель качества ЭВМ, но, к сожалению,
его затруднительно определить строго. При
сравнении различных ПЭВМ по
производительности зачастую можно
установить, какая из них и примерно
насколько лучше по данному показателю.
Иногда же (если машины совершенно различны)
провести сравнительную оценку их
производительности можно лишь по набору
текстов, которые все равно не дадут
исчерпывающей объективной картины.
Абсолютной же оценки производительности
ПЭВМ, равно как и других типов ЭВМ, не
существуют. Можно получить только ряд
косвенных оценок, в той или иной степени ее
характеризующих.
Производительность
ПЭВМ определяется:
1)
Производительность
МП;
2)
Наличие
состояний ожидания МП при обращении к ОП и
ПУ;
3)
Быстродействие
и типом ОЗУ;
4)
Быстродействие
ПУ;
5)
Эффективностью
ОС.
Поскольку
основную роль в обработке информации
компьютером играет МП, он оказывает
наибольшее влияние на производительность
ПЭВМ. Производительность МП определяют
пять факторов:
1)
Тактовая
частота;
2)
Пропускная
способность (разрядность) шины данных;
3)
Набор
команд;
4)
Эффективность
микрокода;
5)
Параллелизм
при выполнении последовательности команд.
Рассмотрим
подробнее перечисленные факторы, несмотря
на то, что они в той или иной мере уже
упоминались в п. 2. 1. 2.
МП
- приборы последовательного действия. Для
соблюдения очередности действий
используются синхронизирующие импульсы,
называемые тактовыми.
За время каждого такта по очередному
тактовому импульсу МП реализует одну
элементарную операцию (микрооперацию). Для
выполнения команды или какой-либо другой
функции требуется несколько тактов. Чем
выше тактовая частота, тем быстрее при
прочих равных условиях МП выполняет
микрооперации, а следовательно, и команды в
целом.
Каждый
МП имеет максимальную расчетную тактовую
частоту. Когда тактовая частота повышается
сверх нее, то гарантия правильной работы МП
отсутствует. На слегка завышенной тактовой
частоте МП обычно сохраняют
работоспособность. Это обстоятельство
используется некоторыми производителями
ПЭВМ, выжимающими из МП «все соки».
Влияние
пропускной способности шины данных на
производительность ПЭВМ очевидна. Фирма
Intel,
например, утверждает, что использование
прибора 8086 вместо 8088 ведет к увеличению
производительности в среднем на 40% при
работе на той же частоте.
МП имеют микропрограммное управление, т.е. каждая команда реализуется микропрограммой, хранящейся в ПЗУ. Эффективность микрокода определяется числом микрокоманд в микропрограмме той или иной команды, или числом тактов, за которое команда выполняется. При разработке новой модели МП изготовитель обычно оптимизирует микрокод, по крайней мере, для некоторых, наиболее употребимых команд. Так, например, упоминавшиеся ранее изделия серии V фирмы NEC Information Systems имеют более эффективный микрокод, чем соответствующие им МП фирмы Intel, что обеспечивает большую производительность первых на одной и той же тактовой частоте.
Развитые МП имеют конвейерную архитектуру, а следовательно, последовательность команд может выполняться параллельно. Это дополнительно повышает их производительность.
Роль состояний ожидания рассмотрим на примере МП 8088.
Обычно прибору 8088 требуется четыре такта для выполнения операций чтения из памяти или записи в нее. Следовательно, цикл доступа к памяти составляет 4 такта. Доступ к ПУ осуществляется аналогично.
Если цикл доступа к памяти или ПУ превышает время, соответствующее четырем тактам, по причине недостаточного их быстродействия, то МП один или несколько тактов будет простаивать. Таким образом, состояние ожидания – это дополнительный «холостой» такт, необходимый для организации к памяти или ПУ. Состояния ожидания позволяют продлить цикл обращения настолько, насколько это необходимо. В ПЭВМ IВМ РС, например, автоматически добавляется одно состояние ожидания для доступа к любому ПУ.
Состояния ожидания могут
значительно снизить производительность
ПЭВМ. Для исключения состояний ожидания в
машинах с высокоскоростным МП в настоящее
время используется быстродействующая кэш–память.
Быстродействие ОП как раз и влияет на производительность ПЭВМ через состояния ожидания. Тип ОЗУ также оказывает воздействие на этот показатель. Действительно, DRAM, как уже отмечалось в подразделе 2.2, требует регенерации своего содержимого. Для этого в ПЭВМ IВМ РС и РС ХТ периодически осуществляется цикл прямого доступа к памяти. Эта операция отвлекает МП от полезной работы и тем самым снижает производительность компьютера примерно на 8%. Аналогичная ситуация наблюдается и в IВМ РС АТ, хотя регенерация там осуществляется иначе. Дополнительно в проблеме инициирования регенерации неизбежны конфликты при попытке МП осуществить доступ к ОЗУ во время цикла восстановления его содержимого. В этом случае ПЭВМ вынуждена добавлять состояния ожидания для завершения регенерации памяти, прежде чем открыть доступ к ней со стороны МП. Это дает уровень дополнительных потерь порядка 5 – 10% ОЗУ, выполненное на SRAM, полностью снимает описанные проблемы, а кэш-память – только частично.
Быстродействие ПУ влияет на производительность ПЭВМ естественным образом. Так, например, для дисководов (НМД) важны среднее время доступа и скорость чтения/записи. Аналогична ситуация и для принтера. С видеосистемой имеется дополнительная проблема, определяемая конфликтами, возникающими при одновременном обращении видеоблока и МП к видеопамяти. Первый должен иметь приоритет перед вторым. Следовательно, во время кадровой развертки (во время вывода изображения на экран) МП не сможет ничего записать в видеопамять и поэтому вынужден будет ждать. Запись в видеопамять возможна только во время обратного хода луча – промежутка времени, в течение которого луч электронной пушки дисплея переводится в левый верхний угол экрана. Это обстоятельство, естественно, снижает производительность ПЭВМ. В этом отношении наихудшим является адаптер CGA, а лучшим по сравнению с ним и EGA – VGA.
Для согласования быстродействия МП и ПУ в наиболее совершенных моделях ПЭВМ используют кэши (буферы), встроенные в соответствующие адаптеры или в сами устройства. Так, например, некоторые адаптеры НЖМД снабжены кэш – памятью; практически все принтеры имеют встроенный буфер; клавиатура также оборудована небольшим буфером.
ОС, являясь связующим звеном между пользователем, программами и оборудованием ПЭВМ, требует для своей деятельности ресурсов компьютера, в том числе времени МП. Следовательно, от эффективности использования ресурсов ПЭВМ операционной системы зависят расходы, связанные с ее функционированием. Они уменьшают долю полезной работы ПЭВМ в общем объеме вычислений и поэтому отрицательно влияют на ее производительность. Кроме ухудшения производительности ПЭВМ, ОС обеспечивает и противоположный эффект в результате создания в ОЗУ кэшей для обмена информацией с ПУ, в частности, НМД. Важное значение при этом приобретает рациональная установка параметров ОС.
Многозадачные ОС способны существенно повысить производительность ПЭВМ на основе распараллеливания работ.
Как уже отмечалось, существующие методики оценки производительности ПЭВМ базируются на использовании программных тестов. Один из ведущих в области ПЭВМ американский журнал BYTE, например, использует следующие две группы тестовых индексов (показателей) производительности:
1) Низкоуровневые тестовые индексы;
2) Прикладные тестовые индексы.
Индексы первой группы в относительных единицах характеризует быстродействие основных устройств ПЭВМ, среди которых МП, сопроцессор плавающей точки (если он имеется), НЖМД и дисплейный адаптер.
Индексы второй группы, также в относительных единицах, характеризуют производительность ПЭВМ в целом при решении задач, различающихся соотношением использования ресурсов (основных устройств) ПЭВМ. При этом выделяют следующие типы задач:
- обработка текстов;
- обработка табличной информации;
- обслуживание без данных;
- научные и инженерные расчеты;
- разработка программного обеспечения (компиляция и компоновка).
Путем
суммирования значений прикладных тестовых
индексов определяют обобщенный индекс
производительности. Таким образом, чем
больше значение этого индекса, тем выше
производительность данной ПЭВМ. Именно он и
является конечным показателем
производительности (в соответствии с
методикой журнала BYTE).