Pretul de cost

Pretul de cost (S) este proportional cu complexitatea hardware. Cresterea complexitatii hardware este ceruta de crestea productivitatii si sigurantei in functionare.

Metodele de crestere a productivitatii sunt:

a.        extinderea resurselor operationale prin:

cresterea capacitatii memoriei principale,

folosirea unor noi tehnici de adresare a memoriei,

introducerea de noi instructiuni,

introducerea de noi procesoare de intrare-iesire;

b.       cresterea vitezei de lucru prin folosirea de noi componente mai rapide si introducerea unor noi scheme de comanda care sa asigure implementarea paralela a operatiilor;

c.        cresterea prelucrarilor paralele, in cadrul careia avem doua cai:

functionarea in paralel a CPU cu unitatile de intrare-iesire - principiul multiprogramarii,

functionarea in paralel a mai multor procesoare - principiul multiprocesarii;

Observatie: toate cele trei metode conduc la cresterea pretului de cost.

Exista o legatura intre viteza medie a calculatorului si pretul de cost, legatura materializata in legea lui Grosch.

unde:

k este o constanta de proportionalitate ce depinde de familia de calculatoare;

V este un indicator al productivitatii.

Din aceasta lege rezulta ca pe seama cresterii complexitatii hardware putem creste la infinit productivitatea. Aceasta conditie nu este indeplinita astfel incat pentru valori mari ale lui V dependenta nu mai este patratica ci liniara sau chiar .

In stabilirea volumului corect de unitati hardware trebuie sa se tina cont de timpul folosit de calculator pentru rezolvarea unei lucrari: . T₁ este timpul pentru prelucrarea propriu-zisa, iar T₂ este timpul de nefunctionare datorat "caderilor" sistemului. T₂ creste cu S pentru ca marind numarul de componente creste si intensitatea caderilor, deci T₂.

Asupra lui T₂ se poate interveni prin modificarea bazei tehnologice (folosirea componentelor VLSI). In acest caz numarul total de componente scade, chiar daca pretul de cost creste, dar scade si intensitatea caderilor.

Atunci pentru T₂ va corespunde o alta curba T₂', plasata sub T₂.

Observatie: calitatea bazei tehnologice determina cantitatea limita de hardware recomandata a fi folosita in constructia calculatoarelor pentru a obtine un randament optim.

Criterii de eficienta

Definitie: eficienta unui calculator este un indicator ce precizeaza o relatie intre totalul cheltuielilor si rezultatele obtinute de la un calculator.

Criteriile de eficienta sunt o masura a calitatii sistemului de calcul.

I. Criteriul costului unei operatii calculator (Gluskov)

Conform acestui criteriu, desemnam indicatorul:

unde:

C(T) - suma cheltuielilor de amortizare, intretinere si exploatare in perioada T;

N(T) - numarul de operatii efectuate de calculator in perioada T;

T - perioada de timp.

Intre doua calculatoare C₁ si C₂, este mai eficient, conform acestui criteriu, calculatorul ce are indicatorul mai mic, deoarece N este legat de viteza.

Regula: Doua calculatoare care au viteza de operare V/2 au o eficienta mai mica decat un calculator cu viteza V.

Observatie: La evaluarea lui I₁ s-a presupus ca sistemul de calcul functioneaza continuu si operatiile sunt inlantuite in perioada de timp T. in realitate, de multe ori valoarea lui N se micsoreaza din cauza unor intreruperi.

II. Criteriul costului vitezei efective

Pornind de la formula lui Gluskov, se obtine prin inlocuire:

unde:

S - pretul de cost;

V - viteza medie;

T perioada de timp;

k - constanta de proportionalitate ce depinde de familia de calculatoare.

Comparand I₂ cu I₁ rezulta ca un calculator ce este eficient din punct de vedere al indicatorului I₁, va fi eficient si din punct de vedere al indicatorului I₂.

Din formula lui I₂ rezulta ca acesta este o masura a cheltuielilor materiale pe unitatea de viteza. Dar, ca si la I₁, indicatorul I₂ nu tine seama de o serie de limitari:

capacitatea memoriei principale;

performanta unitatilor de intrare-iesire etc.

De exemplu, pentru incarcarea programelor si datelor se apeleaza memoria externa. Datorita timpului necesar pentru efectuarea trasferului, I₂ va fi puternic afectat. Un numar mare de operatii de intrare‑iesire duce la scaderea vitezei medii, deci cresterea lui I₂ (scaderea eficientei).

De aceea s-a introdus un coeficient special numit coeficient de incarcare a procesorului central. Acest coeficient se noteaza cu r

r tine seama de toti timpii morti ai procesorului central, iar calculul acestuia se face cu metode complexe. Evident, acest coeficient depinde atat de organizarea calculatorului precum si de natura problemelor ce se rezolva cu ajutorul calculatorului. De aceea eficienta calculatorului trebuie apreciata atat din punct de vedere al caracteristicilor tehnice cat si in functie de clasa de probleme rezolvabile.

III Criteriul costului productivitatii

In aceasta formula generala a lui I₃ sunt inglobate toate aspectele organizatorice si functionale ale calculatorului: viteza nominala, viteza de transfer cu memoria externa, viteza de transfer cu unitatile de intrare-iesire, capacitatea memoriei principale, regimul de tratare a lucrarilor. Deoarece, L depinde de clasa de probleme, rezulta ca I₃ depinde de clasa de probleme.

Structura calculatorului elementar didactic

Schema de principiu

Prezentarea principalelor blocuri

Unitatea de memorie

Unitatea de memorie din calculatorul elementar didactic reprezinta nivelul memoriei principale si este formata din masivul propriu-zis, organizat pe locatii, fiecare locatie fiind identificata printr-o adresa unica si doua registre prin care comunica cu restul calculatorului:

a.       registrul de adresa al memoriei, notat MAR;

b.      registrul de date al memoriei (registru tampon), notat MBR.

Cu unitatea de memorie se efectueaza 2 operatii:

citire, in cazul ciclului de citire;

scriere, in cazul ciclului de scriere.

Pentru citire, mai intai se depune adresa locatiei ce trebuie citita in registrul MAR, apoi se da comanda Read, prin care informatia aflata in locatia respectiva este transferata in registrul MBR. Pentru scriere, mai intai se depune adresa locatiei unde se doreste sa fie scrisa informatia in registrul MAR, se depune data ce urmeaza a fi scrisa in registrul MBR si apoi se da comanda Write.

Unitatea logico-aritmetica

Calculatorul elementar didactic este dotat cu o ALU simpla formata din: sumator, scazator, cateva registre generale (memoria locala) dintre care unul are un rol particular si se numeste acumulator, registre cu destinatie speciala cu facilitati de deplasare stanga-dreapta.

ALU comunica cu unitatea de comanda, primind comenzi de la aceasta pentru desfasurarea operatiilor, dar si transmite catre UC semnale de stare (Status), pentru furnizarea de informatii referitoare la rezultatul obtinut (rezultat zero, diferit de zero etc). Aceste semnale se mai numesc si indicatori de stare (fanioane).

Fiind o unitate logico-aritmetica simpla, aceasta efectueaza un set limitat de operatii: adunare, scadere, operatii logice.

Unitatea de comanda

Nucleul UC este reprezentat de blocul de control, numit si secventiator de control. Acesta, in functie de operatia ce trebuie executata, lanseaza semnale catre celelalte unitati, pentru desfasurarea automata a procesului de calcul. UC‑ul este blocul destinat asigurarii procesului automat de calcul.

In UC se afla si un numarator de control numit si numarator de control, notat PC. PC contine o adresa de memorie ce reprezinta un pointer catre instructiunea ce urmeaza a fi executata. Acest numarator este prevazut cu facilitati de incrementare, operatie ce este controlata de blocul de control. UC-ul mai contine un registru de instructiuni notat IR, a carui lungime este determinata de lungimea instructiunii. Acest registru este divizat in subregistre, in functie de formatul instructiunii. Subregistrul OPCODE comunica cu blocul de control, unde are loc interpretarea continutului lui. Instructiunea este citita din memorie in cadrul unui ciclu special numit Fetch.

Functionarea calculatorului elementar didactic

Conform principiului von Neumann, atat instructiunile cat si datele se afla in memorie. Executia oricarei instructiuni se face in doua faze:

a.       faza FETCH;

b.      faza EXECUTE.

La randul lor cele doua faze sunt compuse din sub faze astfel:

a.        FETCH:

fetch instructiune,

decodificare instructiune,

b.       EXECUTE;

FETCH DATA,

executie propriu-zisa,

memorare rezultat.

In faza FETCH are loc citirea instructiunii curente din memorie. In faza EXECUTE are loc executia instructiunii.

Faza FETCH

Continutul PC-ului se transfera in registrul MAR, dupa care UC da comanda Read si se declanseaza un ciclu de citire a memoriei prin care continutul locatiei adresate se transfera in registrul MBR. Instructiunea curenta aflata in MBR este transferata in registrul de instructiuni.

Blocul de control da comanda de incrementare a registrului PC astfel incat acesta va indica adresa urmatoarei instructiuni de executat. Zona de OPCODE a instructiunii transferate in registrul de instructiuni se transmite blocului de control in vederea interpretarii (decodificarii).

MAR (PC)

Read

IR (MBR)

PC PC+1

Trece la faza EXECUTE

Faza EXECUTE

Dupa decodificare instructiunii, blocul de control genereaza ansamblul semnalelor necesare pentru executarea instructiunii curente. Pentru executie sunt necesare datele de prelucrat. Acestea nu se dau explicit in instructiune, ci prin adresele acestora. Pot fi instructiuni cu 1, 2, 3 adrese etc. Daca ambii operanzi se afla in memorie, atunci se vor declansa doua cicluri de citire a memoriei in urma carora operanzii sunt adusi in ALU in vederea prelucrarii.

Definitie: Operatia de extragere a datelor din memorie, in vederea prelucrarii se numeste FETCH DATA.

Observatie: In calculatoarele moderne, procesoarele contin memorie locala, formata dintr-un numar de registre in care se afla unul sau ambii operanzi. In acest caz se reduce numarul de cicluri de citire a memoriei.

Dupa faza EXECUTE se trece automat la urmatoare faza FETCH instructiune.

In continuare se prezinta cateva instructiuni ale calculatorului didactic elementar.

a. ADD

Formatul instructiunii:

Instructiunea realizeaza suma dintre continuturile locatiilor de memorie de la adresele ADR1, ADR2 si depune rezultatul in locatia de la adresa ADR3.

MAR (IR)_ADR1

Read

RT1 (MBR)

MAR (IR)_ADR2

Read

RT2 (MBR)

ADD

MAR (IR)_ADR3

MBR (RT₃)

Trece la faza FETCH instructiune urmatoare

Observatie: In ALU exista un registru foarte important numit ACUMULATOR. El contine de obicei unul dintre operanzi si in el se inscrie rezultatul.

In acest caz formatul instructiunii devine cu o singura adresa.

Formatul instructiunii:

MAR (IR)_ADR

Read

RT (MBR)

Trece la faza FETCH instructiune urmatoare

b. Instructiunea de transfer MOVE

Formatul instructiunii

MAR (IR)_ADR1

Read

RT (MBR)

MAR (IR)_ADR2

MBR (RT)

Trece la faza FETCH instructiune urmatoare

c. Instructiunea de transfer in memorie

Formatul instructiunii:

MAR (IR)_ADR

MBR (ACC)

Trece la faza FETCH instructiune urmatoare

d. Instructiunea de citire in memorie

Formatul instructiunii:

MAR (IR)_ADR

Read

Trece la faza FETCH instructiune urmatoare

e. Instructiunea de salt neconditionat

Formatul instructiunii:

Trece la faza FETCH instructiune urmatoare

f. Instructiunea de salt conditionat

Salturile conditionate sunt foarte des utilizate in scrierea programelor. Pentru aceste instructiuni se fac comparatii cu indicatorii de stare. Exista in ALU un registru al indicatorilor de stare. In functie de procesor exista diferite seturi de indicatori de stare.

De exemplu, indicatorul Z, indicator de zero. Daca rezultatul ultimei operatii este zero atunci fanionul Z este setat. Daca rezultatul ultimei operatii nu este zero atunci fanionul Z este resetat. Indicatorul N, indicator de negativ. Daca rezultatul ultimei operatii este negativ atunci fanionul N este setat. Daca rezultatul ultimei operatii este pozitiv atunci fanionul N este resetat.

La efectuarea unei instructiuni de salt conditionat se analizeaza continutul registrul indicatorilor de stare si in functie de conditia impusa de instructiune se decide daca saltul are sau nu are loc.

Formatul instructiunii:

Trece la faza FETCH instructiune urmatoare

g. Instructiunea de intrare

Intr-o astfel de instructiune intervine un echipament periferic (un dispozitiv de intrare, o unitate de intrare). Fiecare unitate de intrare trebuie identificata printr‑o adresa unica.

Formatul instructiunii:

UNITATE DE INTARE (IR)_ADR

Read

Trece la faza FETCH instructiune urmatoare

Observatie: Aceasta este valabila in structurile clasice Neumann

h. Instructiunea de iesire

Formatul instructiunii:

UNITATE DE INTARE (IR)_ADR

Trece la faza FETCH instructiune urmatoare

Observatie: Aceasta este valabila in structurile clasice Neumann

Observatie: In mod asemanator se pot defini si alte instructiuni pentru a completa repertoriul de instructiuni al calculatorului didactic elementar.