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.

Вначале 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 тестов, которые все равно не дадут исчерпывающей объективной картины. Абсолютной же оценки производительности ПЭВМ, равно как и других типов ЭВМ, не существует. Можно получить только ряд косвенных оценок, в той или иной степени ее характеризующих.

Производительность ПЭВМ определяется:

1) производительностью МП;

2) наличием состояний ожидания МП при обращении к ОП и ПУ;

3) Быстродействием и типом озу;

4) быстродействием 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.

Команды — это элементарные «кирпичики», из которых складывается программа. От того, какие именно команды имеются в системе команд МП, зависит время выполнения программы, а следовательно, и его производительность. Например, если в набор команд МП входит команда умножения, которая позволяет найти произведение двух 16-разрядных чисел, скажем, за 20 тактов, то это дает программисту возможность не писать выполняющую умножение подпрограмму, которая выполнялась бы за сотни тактов. Однако усложнение системы команд имеет и отрицательные последствия, в связи с чем существует альтер­нативный подход (см. п. 2.1.5).

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 доступа к памяти или ПУ. Состояния ожидания позволяют продлить цикл обращения настолько, насколько это необходимо. В ПЭВМ IBM PC, 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 высокоскоростными 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 IBM PC и PC XT 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 IBM PC AT, хотя регенерация там осуществляется иначе. Дополнительно к 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 системой зависят накладные 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 характеризуют 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 баз 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).

32. Понятие совместимости ПЭВМ

Большое количество моделей ПЭВМ различных классов и различных производителей опре­деляет интерес пользователей к проблеме их совместимости.

Термин «совместимость» в области вычислительной техники имеет, как минимум, три раз­личных толкования — аппаратная совместимость, программная совместимость ЭВМ и совме­стимость программ.

Под аппаратной совместимостью понимают способность одного устройства логически заменять другое устройство того же типа или способность одного устройства как физически, так и логически сопрягаться с другими. В последнем случае в качестве синонимов аппаратной совместимости используются также термины «полная (аппаратная) «совместимость» и совместимость по разъемам».

Под программной совместимостью одной ЭВМ с другой понимают способность первой вы­полнять программы, которые были разработаны для второй ЭВМ. Различные модели одного и того же семейства ЭВМ имеют, как правило, «одностороннюю» совместимость, поскольку ком­пьютеры более поздних (старших) моделей обычно являются более мощными (т.е. способны исполнять дополнительные команды, имеют больший объем памяти и т.д.). В этом случае говорят, что ЭВМ старшей модели совместима снизу вверх с ЭВМ младшей модели, подчеркивая тот факт, что первая может выполнять программы, подготовленные для второй, но не наоборот.

Под совместимостью программ (аналогично аппаратной совместимости) понимают либо спо­собность одной программы воспроизводить поведение другой программы (т.е. полностью ее заменять), либо способность одной программы взаимодействовать с другими программами, в частности, путем передачи данных в определенном формате.

Несколько обособленно, но ближе к аппаратной, стоит совместимость ЭВМ в сети.

Более подробно мы остановимся только на программной совместимости ПЭВМ, так как, с одной стороны, она может обеспечиваться различными способами и быть полной или неполной, а с другой стороны, эти вопросы важны при выборе ПЭВМ, чтобы приобрести компьютер, способный выполнять требуемые системные и прикладные программы.

Строго говоря, для программной совместимости требуется совместимость как по информации, так и по исполнению.

Под совместимостью по информации будем понимать способность переноса информации, т.е. программ и данных, с одной машины на другую. Для этого обе ПЭВМ должны включать однотипные ВЗУ со съемными носителями информации. Например, если ПЭВМ различаются лишь тем, что одна из них укомплектована 133-мм, а другая — 89-мм НГМД, причем иные ВЗУ со сменными носителями отсутствуют, то эти машины уже несовместимы по информации. Проблему совместимости данного вида несложно решить, дополнительно укомплектовав компь­ютер соответствующим ПУ.

Более фундаментальна совместимость по исполнению, т.е. способность ЭВМ выполнять уже перенесенные на нее программы, разработанные для другой ЭВМ.

Зачастую программную совместимость отождествляют с совместимостью по исполнению, так как совместимость по информации, как уже отмечено, обеспечивается достаточно просто. Кроме того, производители ПО поставляют свою продукцию на различных носителях информации по выбору покупателя.

Для совместимости по исполнению требуется либо неразличимость устройств ЭВМ (как центральных, так и периферийных) с точки зрения выполняемых программ, либо программная эмуляция (имитация) одних устройств другими, если это возможно.

В первом случае говорят о полной программной совместимости ПЭВМ, хотя они могут быть и не идентичны на аппаратном уровне.

Во втором случае — о различных уровнях совместимости ПЭВМ. Среди них выделим два основных уровня: совместимость на уровне ОС и совместимость на уровне базовой системы ввода-вывода (BIOS — Basic Input-Output System).

Совместимость на уровне ОС определяет способность программ, разработанных в среде данной ОС, выполняться на любой ПЭВМ, на которой эта ОС установлена. При этом роль эмулятора выполняет сама ОС, написанная отдельно для каждого типа ПЭВМ. Данный уровень совмести­мости наиболее слабый, так как, во-первых, нельзя выполнить на другой машине саму ОС без ее «переделки», а во-вторых, обход в программах услуг ОС делает эти программы невыполнимыми на других типах ПЭВМ, даже работающих под управлением той же ОС. Различия же в ПУ зачастую создают дополнительные проблемы, если в программе не предусмотрена адаптация к различной периферии.

Две ПЭВМ проблематично совместить на уровне ОС, если они не поддерживают одно и то же ядро системы команд.

ПЭВМ обычно поставляются с прошитой в ПЗУ BIOS, т.е. с программой, обеспечивающей непосредственное управление ПУ и скрывающей их аппаратные особенности. Совместимость на уровне BIOS обеспечивает выполнение программ, не использующих непосредственное управление ПУ. Этот тип совместимости занимает промежуточное положение между совместимостью на уровне ОС и полной программной совместимостью ПЭВМ, не поддерживая выполнение на другой ПЭВМ тех программ, которые действуют в обход BIOS. Остаются также проблемы, связанные с различными возможностями периферии. Когда говорят о совместимости без конкретизации уровня, имеется в виду именно совместимость на уровне BIOS, которая распространена наиболее широко.

Между двумя рассмотренными уровнями совместимости по исполнению могут быть всевоз­можные промежуточные варианты.

При оценке совместимости ПЭВМ, в первую очередь, обращают внимание на тип МП, в нее установленного. Бели в двух ПЭВМ МП одинаковы или совместимы снизу вверх, то в большинстве случаев эти машины окажутся совместимыми. Конечно, ПЭВМ с совершенно различными МП можно сделать совместимыми путем программной эмуляции одного МП другим (иногда говорят «на другом»), однако реально так не поступают из-за больших накладных расходов.

Затем следует выяснить, какая СШ использована в ПЭВМ. Однако различия в СШ не столь серьезны, как различия МП, и могут быть устранены на уровне BIOS.

Таким образом, МП, СШ и BIOS являются тем водоразделом, который определяет совме­стимость ПЭВМ по исполнению.

Немаловажным является также тип дисплейного адаптера. Так, если программа жестко при­вязана к EGA, то она не будет выполняться на ПЭВМ с CGA. Обратный же переход возможен, так как EGA имитирует все режимы работы CGA.

При выборе ПЭВМ следует обратить внимание и на другую периферию, в частности, на тип НГМД.