Объем работ например число стандартных программ выполняемый эвм в единицу времени

1. Основные характеристики современных вычислительных систем.

Основу современных
вычислительных систем составляют
электронные вычислительные машины,
которые часто в последние годы в
соответствии с англоязычными традициями,
привившимися в вычислительной технике,
называют компьютеры.

Первые электронные
вычислительные машины (ЭВМ) появились
немногим более полувека назад. За это
время микроэлектроника, вычислительная
техника и вся индустрия информатики
стали одним из основных составляющих
мирового научно-технического прогресса.
Влияние вычислительной техники на все
сферы деятельности человека продолжает
распространяться вширь и вглубь. В
настоящее время ЭВМ используются не
только для выполнения сложных расчетов,
но и в управлении производственными
процессами в образовании, здравоохранении,
экологии и т.д. Это объясняется тем, что
современные ЭВМ являются универсальным
инструментом, способным обрабатывать
информацию представленную практически
в любом виде: числовую, текстовую,
табличную, графическую, видео, звуковую.
Необходимо обеспечить сигнальную
совместимость и разработать
последовательность действий – алгоритм.

Электронная
вычислительная машина —
это комплекс технических и программных
средств, предназначенный для автоматизации
подготовки и решения задач пользователей.
Под пользователем понимают человека,
в интересах которого проводится обработка
данных на ЭВМ. В качестве пользователя,
могут выступать заказчики вычис­лительных
работ, программисты, операторы. Как
правило, время подготовки задач во много
раз превышает время их решения.

Требования
пользователей к выполнению вычислительных
работ удовлетворяются специальным
подбором и настройкой технических и
программных средств. Обычно эти средства
взаимосвязаны и объединяются в одну
структуру.

Структура
— совокупность
элементов и их связей. Различают структуры
технических, программных и
аппаратно-программных средств. Выбирая
ЭВМ для решения своих задач, пользователь
интересуется функциональными возможностями
технических и программных модулей (как
быстро может быть решена задача, насколько
ЭВМ подходит для решения данного круга
задач, какой сервис программ имеется в
ЭВМ, возможности диалогового режима,
стоимость подготовки и решения задач
и т.д.). При этом пользователь интересуется
не конкретной техникой и программной
реализацией отдельных модулей, а общими
вопросами организации вычислений.
Последнее
включается в понятие архитектуры ЭВМ,
содержание которого достаточно обширно.

Архитектура
ЭВМ — это
многоуровневая иерархия аппаратно-программных
средств, из которых строиться ЭВМ. Каждый
из уров­ней допускает многовариантное
построение и применение. Конкретная
реализация уровней определяет особенности
структурного построения ЭВМ. В последующих
разделах учебника эти вопросы подробно
рассматриваются.

Детализацией
архитектурного и структурного построения
ЭВМ занимаются различные категории
специалистов вычислительной техники.

Инженеры-
схемотехники
проектируют отдельные технические
устройства и разрабатывают методы их
сопряжения друг с другом.

Системные
программисты
создают программы управления техническими
средствами, информационного взаимодействия
между уровнями­, организации
вычислительного процесса.

Программисты-прикладники
разрабатывают пакеты программ более
высокого уровня, которые обеспечивают
взаимодействие пользователя с
вычислительной машиной и необходимые
условия для успешного решения своих
задач. Эти специалисты рассматривают
понятия архитектуры в более узком
смысле. Для них наиболее важны структурные
особенности сосредоточенные в наборе
команд ЭВМ, разграничивающем аппаратные
и программные средства.

Пользователи
ЭВМ обычно
не являются профессионалами в области
вычислительной техники и рассматривают
архитектуру через более высокоуровневые
аспекты, касающиеся их взаимодействия
с ЭВМ (человеко-машинного интерфейса),
начиная со следующих групп характеристик
ЭВМ, определяющих ее структуру:

• технические и
  эксплутационные характеристики ЭВМ
  (быстродействие и производительность,
  показатели надежности, достоверности,
  точности, емкость оперативной и внешней
  памяти, габаритные размеры, стоимость
  технических и программных средств,
  особенности эксплуатации и др.);

• характеристики
  и состав функциональных модулей базовой
  конфигурации ЭВМ; возможность расширения
  состава технических и программных
  средств; возможность изменения структуры;

• состав программного
  обеспечения ЭВМ и сервисных услуг
  (операционная система или среда, пакеты
  прикладных программ, средства
  автоматизации программирования).

Важнейшими
характеристиками ЭВМ являются
быстродействие
и производительность.
И хотя эти
характеристики тесно связаны, тем не
менее, их не следует смешивать.

Быстродействие
характеризуется числом определённого
типа команд, выполняемых ЭВМ за одну
секунду.

Производительность
— это объём
работ (например, число стандартных
программ), выполняемый ЭВМ в единицу
времени.

Определение
характеристик быстродействия и
производительность представляет собой
очень сложную инженерную и научную
задачу, до настоящего времени не имеющую
единых подходов и методов решения.

Казалось бы, что
более быстродействующая вычислительная
техника должна обеспечивать и более
высокие показатели производительности.
Однако практика измерений значений
этих характеристик для разнотипных ЭВМ
может давать противоречивые результаты.
Основные трудности в решении данной
задачи заключены в проблеме выбора: что
и как измерять. Укажем лишь наиболее
распространенные подходы.

Одной из альтернативных
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.
MIPS
широко использовалась для оценки больших
машин второго и третьего поколений, но
для оценки современных ЭВМ применяется
достаточно редко по следующим причинам:

• набор команд
  современных микропроцессоров может
  включать сотни команд, сильно отличающихся
  друг от друга длительностью выполнения;

• значение, выраженное
  в MIPS,
  меняется в зависимости от особенностей
  программ;

• значение MIPS
  и значение производительности могут
  противоречить друг другу, когда
  оцениваются разнотипные вычислители
  (например, ЭВМ, содержащие сопроцессор
  для чисел с плавающей точкой и без
  такового).

При решении научно
— технических задач в программах резко
увеличивается удельный вес операций с
плавающей точкой. В этом случае для
больших однопроцессорных машин
использовалась и продолжает использоваться
характеристика быстродействия, выраженная
в MFPOPS
(Million
Floating
Point
Operation
Per
Second-миллион
операций с плавающей точкой в секунду).
Для персональных ЭВМ этот показатель
практически не применяется из-за
особенностей решаемых задач и структурных
характеристик 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, тестирования
  ПК по критериям офисной группы приложений
  используется тест Winstone97-Business,
  для группы «домашних компьютеров»- Win
  Bench97-
  CPUMark32,
  а для группы ПК для профессиональной
  работы — 3DWinBench97
  — User
  Scene).

Отметим, что
результаты оценивания ЭВМ проведенные
по различным тестам несопоставимы.
Наборы тестов и области применения
компьютеров должны быть адекватны.

Ёмкость
запоминающих устройств
является важнейшей характеристикой
ЭВМ. Она
измеряется количеством структурных
единиц информации, которые одновременно
можно разместить в памяти. Этот показатель
позволяет определить, какой набор
программ данных может быть Наименьшей
структурной единицей информации является
бит –
одна двоичная цифра. Как правило, емкость
памяти оценивается в более крупных
единицах измерения — байтах (байт равен
восьми битам). Следующими единицами
измерения служат: 1 Гбайт=2¹⁰
=1024 байта,
1 Мбайт =2¹⁰
Кбайта=2²⁰,
1 Гбайт=2¹⁰
Мбайт=2²⁰
Кбайта=2³⁰
байта.

Емкость внешней
памяти зависит от типа носителя. Так,
емкость одной дискеты составляет 1,2;
1,4; 2,88 Мбайт в зависимости от
типа
дисковода и характеристик дискет.
Емкость жесткого диска и дисков DVD
может достигать нескольких десятков
Гбайтов, емкость компакт-диска (CD-ROM)
–сотни Мбайтов (640 Мбайт и выше) и
постоянно растет.

Надёжность ЭВМ
– это способность выполнять возложенные
на неё функции в течении заданного
времени при определённых условиях(стандарт
ISO
(Международная организация стандартов)
-2382/14-78). Высокая надёжность закладывается
в процессе производства и использования
технологий, позволяющих сократить число
соединений (применение БИС), уменьшить
нагрев электронных компонент и защитить
от пыли.

Точность ЭВМ
– это возможность различать почти
равные значения переменных (стандарт
ISO
2382/2-76). Точность получения результата
обработки в основном определяется
разрядностью ЭВМ, которая может составлять
32, 64 и 128 двоичных разрядов.

Необходимо отметить,
что есть много применений, при которых
не требуется большой точности, например
при обработке текстов, управлении
технологическими процессами, достаточно
иметь 8- и 16- разрядные коды. При выполнении
сложных математических расчетов
необходима высокая разрядность (32, 64 и
более) для её достижения могут
использоваться программные способы,
что позволяет достигать практически
любой необходимой для решения задач
точности.

Достоверность
– свойство информации быть воспринятой
адекватно тому источнику информации,
который она представляет. Достоверность
характеризует вероятность получения
безошибочных результатов. Возможны
методы контроля достоверности решения
эталонных задач и повторных расчётов.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

  19.03.201580.9 Кб9Б.doc

• #
• #

    ЭВМ (электронно-вычислительная машина) — это комплекс технических и программных средств, предназначенные для автоматизации подготовки и решения задач пользователей.

    Под пользователем понимают человека, в интересах которого проводится обработка данных на ЭВМ.

К основным характеристикам ЭВМ относятся:

Быстродействие — это число команд, выполняемых ЭВМ за одну секунду.

    Сравнение по быстродействию различных типов ЭВМ, не обеспечивает достоверных оценок. Очень часто вместо характеристики быстродействия используют связанную с ней характеристику производительность.

Производительность — это объем работ, осуществляемых ЭВМ в единицу времени.

    Применяются также относительные характеристики производительности. Фирма Intel для оценки процессоров предложила тест, получивший название индекс iCOMP (Intel ComparativeMicroprocessor Performance). При его определении учитываются четыре главных аспекта производительности: работа с целыми числами, с плавающей запятой, графикой и видео. Данные имеют 16- и 32-разрядной представление. Каждый из восьми параметров при вычислении участвует со своим весовым коэффициентом, определяемым по усредненному соотношению между этими операциями в реальных задачах. 

Емкость запоминающих устройств. Емкость памяти измеряется количеством структурных единиц информации, которое может одновременно находится в памяти. Этот показатель позволяет определить, какой набор программ и данных может быть одновременно размещен в памяти.

Наименьшей структурной единицей информации является бит — одна двоичная цифра. Как правило, емкость памяти оценивается в более крупных единицах измерения следующими единицами измерения служат 1 Гбайт = 1024 Мбайта, 1 Мбайт = 1024 Кбайта, 1 Кбайт = 1024 Байта, 1 Байт = 8 бит.

Емкость оперативной памяти (ОЗУ) и емкость внешней памяти (ВЗУ) характеризуются отдельно. Этот показатель очень важен для определения, какие программные пакеты и их приложения могут одновременно обрабатываться в машине.

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

Высокая надежность ЭВМ закладывается в процессе ее производства. Применеие сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) резко сокращают число используемых интегральных схем, а значит, и число их соединений друг с другом. Модульный принцип построения позволяет легко проверять и контролировать работу всех устройств, проводить диагностику и устранение неисправностей.

Точность — это возможность различать почти равные значения (стандарт ISO — 2382/2-76).

Точность получения результатов обработки в основном определяется разрядностью ЭВМ, а также используемыми структурными единицами представления информации (байтом, словом, двойным словом).

Достоверность — это свойство информации быть правильно воспринятой.

Достоверность характеризуется вероятностью получения безошибочных результатов. Заданный уровень достоверности обеспечивается аппаратурно-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.

Структура— это совокупность элементов и их связей. Различают структуры технических, программных и аппаратурно-программных средств.

Архитектура ЭВМ — это многоуровневая иерархия аппаратно-программных средств, из которых строится ЭВМ. Каждый из уровней допускает многовариантное построение и применение.

Обобщенная структура ЭВМ

Детализацией архитектурного и структурного построения ЭВМ занимаются различные категории специалистов вычислительной техники. Инженеры — схемотехники проектируют отдельные технические устройства и разрабатывают методы их сопряжения друг с другом. Системные программисты создают программы управления техническими средствами, информационного взаимодействия между уровнями, организации вычислительного процесса. Программисты-прикладники разрабатывают пакеты программ более высокого уровня, которые обеспечивают взаимодействие пользователей с ЭВМ и необходимый сервис при решении ими своих задач.

Структуру ЭВМ определяет следующая группа характеристик:

· технические и эксплуатационные характеристики ЭВМ (быстродействие и производительность, показатели надежности, достоверности, точности, емкость оперативной и внешней памяти, габаритные размеры, стоимость технических и программных средств, особенности эксплуатации т.д.);

· характеристики и состав функциональных модулей базовой конфигурации ЭВМ; возможность расширения состава технических и программных средств; возможность изменения структуры;

· состав программного обеспечения ЭВМ и сервисных услуг (операционная система или среда, пакеты прикладных программ, средства автоматизации программирования).

Поколения эвм

В течение всего периода эволюции компьютерных систем прослеживается тенденция к повышению скорости обработки информации процессором, уменьшение физических размеров компонентов, росту объема памяти и повышению пропускной способности каналов ввода-вывода.

Не отрицая того факта, что одной из причин повышения производительности процессоров явился прогресс в области микроэлектроники, в частности миниатюризация электронных компонентов, все же отметим, что не меньшее, если не большее, влияние на этот процесс, особенно в последние годы, оказали новые идеи в отношении структурной организации процессора, в частности широкое использование принципов конвейерной и параллельной обработки и внедрение технологии предпочтительного выбора направления ветвления программы, т.е. выполнение условных переходов на основании прогнозных оценок еще до формирования условий перехода. Все эти идеи преследуют одну цель – максимально сократить время простоя процессора.

Важнейшей проблемой, с которой сталкивается любой конструктор компьютерных систем, является достижение баланса характеристик производительности отдельных компонентов системы, т.е. такой подбор компонентов, при котором ни один компонент не простаивает, дожидаясь, пока за ним «поспеют» другие. В частности, производительность процессора растет быстрее, чем быстродействие оперативной памяти. Конструктор имеет в своем арсенале множество методов, позволяющих свести на нет отрицательный эффект такого несоответствия, включая использование промежуточной кэш-памяти, расширение пропускной способности магистрали между процессором и памятью, применение элементов памяти с более сложной логической организацией.

Изложение материала начнем с краткого экскурса в историю развития вычислительной техники. Помимо познавательного интереса имеется еще и практический интерес к истории. Мы попытаемся, рассматривая процесс эволюции компьютерных систем, проследить за тем, как по мере совершенствования элементной базы менялись взгляды на структурную организацию и архитектуру ЭВМ.

Первые ЭВМ появились немногим более 50 лет назад. В соответствии с элементной базой и уровнем развития программных средств выделяют четыре поколения ЭВМ, краткая характеристика которых приведена в таблице:

ЭВМ 1-го поколения

ЭВМ первого поколения обладали небольшим быстродействием в несколько десятков тыс. оп./сек. Они были значительных размеров, потребляли большую мощность, имели невысокую надежность работы и слабое программное обеспечение.

Языков программирования как таковых еще не было, и для кодирования своих алгоритмов программисты использовали машинные команды или ассемблеры. Это усложняло и затягивало процесс программирования. К концу 50-х годов средства программирования претерпевают принципиальные изменения: осуществляется переход к автоматизации программирования с помощью универсальных языков и библиотек стандартных программ.

ЭВМ 2-го поколения

Второе поколение ЭВМ – это переход к транзисторной элементной базе, появление первых мини-ЭВМ. Один транзистор уже способен трудиться за 40 электронных ламп и при этом работать с большей скоростью, выделять очень мало тепла и почти не потреблять электроэнергию. Одновременно с процессом замены электронных ламп транзисторами совершенствовались методы хранения информации. Увеличился объем памяти, а магнитную ленту начали использовать как для ввода, так и для вывода информации. В середине 60-х годов получило распространение хранение информации на дисках.

Получает дальнейшее развитие принцип автономии – он реализуется уже на уровне отдельных устройств, что выражается в их модульной структуре. Устройства ввода-вывода снабжаются собственными устройствами управления (УУ) (называемыми контроллерами), что позволило освободить центральное УУ от управления операциями ввода-вывода. В ЭВМ 2-го поколения добавился алфавитно-цифровой дисплей, появилась клавиатура.

Принципиальным изменением в структуре ЭВМ стало добавление аппаратного блока обработки чисел в формате с плавающей запятой.

Начинается разработка программного обеспечения на базе библиотек стандартных программ, обладающих свойством переносимости, т.е. функционирования на ЭВМ разных марок. Наиболее часто используемые программные средства выделяются в пакеты прикладных программ для решения задач определенного класса. Создаются специальные программные средства — системное программное обеспечение, изначально предназначенное для ускорения и упрощения перехода процессором от одной задачи к другой.

ЭВМ 3-го поколения

В 70-х годах возникают и развиваются ЭВМ третьего поколения. Данный этап — переход к интегральной элементной базе. Одна интегральная схема способна заменить тысячи транзисторов. В результате быстродействие ЭВМ третьего поколения возросло в 100 раз, а габариты значительно уменьшились.

ЭВМ этого поколения создавались на основе принципа унификации, что позволило использовать вычислительные комплексы в различных сферах деятельности.

Расширение функциональных возможностей ЭВМ увеличило сферу их применения, что вызвало рост объема обрабатываемой информации и поставило задачу хранения данных в специальных базах данных и их ведения. Так появились первые системы управления базами данных – СУБД.

Изменились формы использования ЭВМ: введение удаленных терминалов (дисплеев) позволило широко и эффективно внедрить режим разделения времени и за счет этого приблизить ЭВМ к пользователю и расширить круг решаемых задач.

Обеспечить режим разделения времени позволил новый вид операционных систем, поддерживающих многозадачность — способ организации вычислительного процесса, при котором на одном процессоре попеременно выполняются несколько программ. Пока одна программа выполняет операцию ввода-вывода, процессор не простаивает, как это происходило при последовательном выполнении программ (однопрограммный режим), а выполняет другую программу (многопрограммный режим).

В развитии отечественной вычислительной техники особое место занимает машина БЭСМ-6. Машина вступила в строй в 1967 г. Ее быстродействие — около 1 млн. операций/сек. Здесь впервые в отечественной практике и независимо от зарубежных разработок был применен принцип конвейерного выполнения команд. На БЭСМ-6

ЭВМ 4-го поколения

В конце 70-х годов развитие микроэлектроники привело к созданию возможности размещать на одном кристалле тысячи интегральных схем. Так появились большие интегральные схемы и 4-е поколение ЭВМ, для которого характерны создание серий недорогих микро-ЭВМ, разработка супер-ЭВМ для высокопроизводительных вычислений.

Наиболее значительным стало появление персональных ЭВМ, что позволило приблизить ЭВМ к своему конечному пользователю. Компьютеры стали широко использоваться неспециалистами, что потребовало разработки «дружественного» программного обеспечения. Возникают операционные системы, поддерживающие графический интерфейс, интеллектуальные пакеты прикладных программ. В связи с возросшим спросом на ПО совершенствуются технологии его разработки – появляются развитые системы программирования, инструментальные среды пользователя.

В середине 80-х стали бурно развиваться сети персональных компьютеров, работающие под управлением сетевых или распределенных ОС.

ЭВМ пятого поколения

Они будут основаны на принципиально новой элементной базе. Основным их качеством должен быть высокий интеллектуальный уровень, в частности, распознавание речи, образов. Это требует перехода от традиционной фон-неймановской архитектуры компьютера к архитектурам, учитывающим требования задач создания искусственного интеллекта.

Таким образом, для компьютерной грамотности необходимо понимать, что на данный момент создано четыре поколения ЭВМ:

• 1-ое поколение: 1946 г. создание машины ЭНИАК на электронных лампах.
• 2-ое поколение: 60-е годы. ЭВМ построены на транзисторах.
• 3-ье поколение: 70-е годы. ЭВМ построены на интегральных микросхемах (ИС).
• 4-ое поколение: Начало создаваться с 1971 г. с изобретением микропроцессора (МП). Построены на основе больших интегральных схем (БИС) и сверх БИС (СБИС).

Пятое поколение ЭВМ строится по принципу человеческого мозга, управляется голосом. Соответственно, предполагается применение принципиально новых технологий. Огромные усилия были предприняты Японией в разработке компьютера 5-го поколения с искусственным интеллектом, но успеха они пока не добились.

Фирма IBM тоже не намерена сдавать свои позиции мирового лидера, например, Японии. Мировая гонка за создание компьютера пятого поколения началась еще в 1981 году. С тех пор еще никто не достиг финиша. Поживем – увидим.

Основные области применения эвм различных классов

В соответствии с Законом Мура основные характеристики компьютеров улучшаются приблизительно в 2 раза каждые 2 года. В этих условиях любая предложенная классификация ЭВМ очень быстро устаревает и нуждается в корректировке. Например, в классификациях десятилетней давности широко использовались названия мини-, миди- и микроЭВМ, которые почти исчезли из обихода.

Существуют три глобальные сферы деятельности человека, которые требуют использования качественно различных типов ЭВМ:

1. Применение ЭВМ для автоматизации вычислений. Научно-техническая революция во всех областях науки и техники постоянно выдвигает новые научные, инженерные, экономические задачи, которые требуют проведения крупномасштабных вычислений (задачи проектирования новых образцов техники, моделирования сложных процессов, атомная и космическая техника и др.). Отличительной особенностью этого направления является наличие хорошей математической основы, заложенной развитием математических наук и их приложений. Первые, а затем и последующие вычислительные машины классической структуры в первую очередь и создавались для автоматизации вычислений.

Одновременно со структурными изменениями ЭВМ происходило и качественное изменение характера вычислений. Доля чисто математических расчетов постоянно сокращалась, и в настоящее время она составляет около 10% от всех вычислительных работ. Машины все больше стали использоваться для новых видов обработки: текстов, графики, звука и др.

2. Применение ЭВМ в системах управления. Это направление родилось примерно в 60-е годы, когда ЭВМ стали интенсивно внедряться в контуры управления автоматических и автоматизированных систем. Новое применение вычислительных машин потребовало видоизменения их структуры. ЭВМ, используемые в управлении, должны были не только обеспечивать вычисления, но и автоматизировать сбор данных и распределение результатов обработки. Сопряжение с каналами связи потребовало усложнения режимов работы ЭВМ, сделало их многопрограммными и многопользовательскими.

3. Применение ЭВМ для решения задач искусственного интеллекта. Напомним, что задачи искусственного интеллекта предполагают получение не точного результата, а чаще всего осредненного в статистическом, вероятностном смысле. Примеров подобных задач много: задачи робототехники, доказательства теорем, машинного перевода текстов, планирования с учетом неполной информации, составления прогнозов, моделирования сложных процессов и явлений и т.д. Это направление все больше набирает силу. Во многих областях науки и техники создаются и совершенствуются базы данных и базы знаний, экспертные системы. Для технического обеспечения этого направления нужны качественно новые структуры ЭВМ с большим количеством вычислителей (ЭВМ или процессорных элементов), обеспечивающих параллелизм в вычислениях. По существу, ЭВМ уступают место сложнейшим вычислительным системам.

Уже это небольшое перечисление областей применения ЭВМ показывает, что для решения различных задач нужна соответственно и различная вычислительная техника. Поэтому рынок компьютеров постоянно имеет широкую градацию классов и моделей ЭВМ.

Классификация вычислительных систем

Супер ЭВМ

С развитием науки и техники постоянно выдвигаются новые крупномасштабные задачи, требующие выполнения больших объемов вычислений. Особенно эффективно применение суперЭВМ при решении задач проектирования, в которых натурные эксперименты оказываются дорогостоящими, недоступными или практически неосуществимыми. В этом случае ЭВМ позволяет методами численного моделирования получить результаты вычислительных экспериментов, обеспечивая приемлемое время и точность решения, т.е. решающим условием необходимости разработки и применения подобных ЭВМ является экономический показатель “производительность/стоимость”. Дальнейшее развитие суперЭВМ связывается с использованием направления массового параллелизма, при котором одновременно могут работать сотни и даже тысячи процессоров.

Большие эвм (mainframe)

Данные ЭВМ представляют собой многопользовательские машины с центральной обработкой, с большими возможностями для работы с базами данных, с различными формами удаленного доступа. Казалось, что с появлением быстропрогрессирующих персональных ЭВМ большие ЭВМ обречены на вымирание. Однако, они продолжают развиваться и выпуск их снова стал увеличиваться, хотя их доля в общем парке постоянно снижается. По оценкам IBМ, около половины всего объема данных в информационных системах мира должно храниться именно на больших машинах. Новое их поколение предназначено для использования в сетях в качестве крупных серверов. Большими ЭВМ комплектуются ведомственные, территориальные и региональные вычислительные центры. В России основными потребителями являются государственные организации и крупные компании федерального уровня, такие, как РЖД (система резервирования мест и продажи билетов) или АвтоВАЗ. В свое время мейнфреймы были единственной вычислительной платформой, способной обслуживать предприятия такого масштаба, и эта платформа активно развивалась. За рубежом мейнфрейм считается классическим решением для определенного круга задач, например, в финансовой сфере.

Средние ЭВМ

Средние ЭВМ используются для управления сложными технологическими производственными процессами, ЭВМ этого типа могут использоваться и для управления распределенной обработкой информации в качестве сетевых серверов, рабочих станций для работы с графикой. Существуют специальные ЭВМ, предназначенные в первую очередь для работы в финансовых структурах. В этих машинах особое внимание уделяется сохранности и безопасности данных.

Персональные ЭВМ

Персональные и профессиональные ЭВМ, позволяют удовлетворять индивидуальные потребности пользователей. На базе этого класса ЭВМ также строятся автоматизированные рабочие места (АРМ) для специалистов различного уровня.

Встраиваемые микропроцессоры

Эти устройства, универсальные по характеру применения, могут встраиваться в отдельные машины, объекты, системы. Они находят все большее применение в бытовой технике (сотовых телефонах, телевизорах, музыкальных центрах, микроволновых печах и т.д.), в городском хозяйстве (энерго-, тепло- , водоснабжении, регулировке движения транспорта и т.д.), на производстве (робототехнике, управлении технологическими процессами)

С этим файлом связано 7 файл(ов). Среди них: Итоговый тест.pdf, ГЛОССАРИЙ_1.docx, Для экзамена.pdf, волейбол реферат.doc, Лекция 2.docx, Лекция 1.docx, эссе Непрерывное образование «за» и «против»..docx.
Показать все связанные файлы

Подборка по базе: Реферат Понятие истины. Установление истины по уголовному делу.d, научная статья Понятие и сущность правосубъектности.docx, Лек 1 Понятие о ВОП рус2020.pptx, Реферат 1 Понятие о методе анализа и требования, предъявляемые к, КУРСОВАЯ РАБОТА Понятие, юридические свойства и сущность.docx, План основных мероприятий в области гражданской обороны 16 март, Подвижная игра как средство развития основных видов движений мла, 3 Настройка основных параметров коммутатора (тема 2).pdf, Тема 4.1 Понятие трудового правоотношения и наемного труда. Субъ, Тема Понятие и сущность юридического лица.docx

1. Понятие ЭВМ и ее основных характеристик: структура, архитектура.

Электронная вычислительная машина — это комплекс технических и программных средств, предназначенный для автоматизации подготовки и решения задач пользователей. Под пользователем понимают человека, в интересах которого проводится обработка данных на ЭВМ. В качестве пользователя могут выступать заказчики вычислительных работ, программисты, операторы.

Требования пользователей к выполнению вычислительных работ удовлетворяются специальным подбором и настройкой технических и программных средств. Обычно эти средства взаимосвязаны и объединяются в одну структуру.

Структура — совокупность элементов и их связей.

Различают структуры технических, программных и аппаратно-программных средств. Выбирая ЭВМ для решения своих задач, пользователь интересуется функциональными возможностями технических и программных модулей

При этом пользователь интересуется не конкретной технической и программной реализацией отдельных модулей, а общими вопросами организации вычислений. Последнее включается в понятие архитектуры ЭВМ, содержание которого достаточно обширно.

Архитектура ЭВМ — это многоуровневая иерархия аппаратно-программных средств, из которых строится ЭВМ. Каждый из уровней допускает многовариантное построение и применение.

1. Понятие ЭВМ и ее основных характеристик: быстродействие, производительность, надежность, точность, достоверность.

Быстродействие характеризуется числом определенного типа команд, выполняемых ЭВМ за одну секунду.

Производительность — это объем работ (например, число стандартных программ), выполняемый ЭВМ в единицу времени.

Надежность — это способность ЭВМ при определенных условиях выполнять требуемые функции в течение заданного времени

Надежность увеличивается при переходе на новую элементную базу – сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) — резко сокращает число используемых интегральных схем, а значит, и число их соединений друг с другом.

На надежность влияет компоновка компьютера и обеспечение требуемых режимов работы (охлаждение, защита от пыли).

Точность — возможность различать почти равные значения. Точность получения результатов обработки в основном определяется разрядностью ЭВМ, которая в зависимости от класса ЭВМ может составлять 32, 64 и 128 двоичных разрядов.

Достоверность — свойство информации быть правильно воспринятой. Достоверность характеризуется вероятностью получения безошибочных результатов.

1. Классификация средств ЭВТ.

Традиционно ЭВТ подразделяют на аналоговую и цифровую.

В аналоговых вычислительных машинах (АВМ) обрабатываемая информация представляется соответствующими значениями аналоговых величин: тока, напряжения, угла поворота какого-то механизма и т.п. Эти машины обеспечивают быстродействие, используются в основном в проектных и научно-исследовательских учреждениях в составе различных стендов по отработке сложных образцов техники (о назначение специализированные вычислительные машины).

Под словом ЭВМ обычно понимают цифровые вычислительные машины, в которых информация кодируется двоичными кодами чисел.

Существуют три сферы д-ти человека, которые требуют использования различных типов ЭВМ.

Первое направление является традиционным — применение ЭВМ для автоматизации вычислений, т.е. для решения задач: проектирования новых образцов техники; моделирования сложных процессов; атомной и космической техники (отличие: наличие хорошей мат основы).

Вторая сфера применения ЭВМ связана с использованием их в системах управления (60 годы). Машины все больше стали использоваться для новых видов обработки: текстов, графики, звука и др. Для выполнения этих работ в настоящее время применяются в основном ПЭВМ.

Третье направление связано с применением ЭВМ для решения задач искусственного интеллекта. Задачи искусственного интеллекта предполагают получение не точного результата, а чаще всего осредненного в статистическом, вероятностном смысле (задачи робототехники, доказательства теорем, машинного перевода текстов с одного языка на другой, планирования с учетом неполной информации).

1. Классификация средств вычислительной техники по быстродействию, по месту и роли в сети.

Классификация средств вычислительной техники по быстродействию

1. суперЭВМ для решения крупномасштабных вычислительных задач, для обслуживания крупнейших информационных банков данных;

2. большие ЭВМ для комплектования ведомственных, территориальных и региональных вычислительных центров;

3. средние ЭВМ широкого назначения для управления сложными технологическими про-изводственными процессами (также в качестве сетевых серверов);

4. персональные и профессиональные ЭВМ, позволяющие удовлетворять индивидуальные потребности пользователей (АРМ);

5. встраиваемые микропроцессоры (контроллеры), осуществляющие автоматизацию управления отдельными устройствами и механизмами.

Мощные машины и вычислительные системы предназначаются для обслуживания крупных сетевых банков данных и банков знаний( суперЭВМ)

Кластерные структуры представляют собой многомашинные распределенные вычислительные системы, объединяющие несколько серверов(гибкое управление ресурсами, обеспечение надежности, производительности и.т.).

Серверы — это выч. машины и системы, управляющие определенным видом ресурсов сети. Различают файл-серверы, серверы приложений, почтовые, коммуникационные, Web-серверы.

Термин «рабочая станция» отражает факт наличия в сетях абонентских пунктов, ориентированных на работу профессиональных пользователей с сетевыми ресурсами.

Сетевые компьютеры представляют собой упрощенные персональные компьютеры, вплоть до карманных ПК. Их основным назначением является обеспечение доступа к сетевым инф. ресурсам. Вычислительные возможности у них достаточно низкие.

1. Общие принципы построения современных ЭВМ

Принципом построения ЭВМ является программное управление, т.е. представление алгоритма решения любой задачи в виде программы вычислений.

Алгоритм — это конечный набор предписаний, определяющий решение задачи посредством конечного количества операций.

Программа для ЭВМ — это упорядоченная последовательность команд, подлежащая обработке. Принцип программного управления может быть осуществлен различными способами. Все вычисления, предписанные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности управляющих слов — команд.

Каждая команда содержит указания на конкретную выполняемую операцию, местонахождение (адреса) операндов и ряд служебных признаков.

Операнды— переменные, значения которых участвуют в операциях преобразования данных.

Список (массив) всех переменных (входных данных, промежуточных значений и результатов вычислений) является неотъемлемым элементом любой программы.

Для доступа к программам, командам и операндам используются их адреса. В качестве адресов выступают номера ячеек памяти ЭВМ, предназначенных для хранения объектов.

Информация кодируется двоичными цифрами «0» и «1».

Каждый тип информации имеет свои форматы — структурные единицы информации, закодированные двоичными цифрами «0» и «1». Обычно все форматы данных, используемые в ЭВМ, кратны байту.

Последовательность битов в формате, имеющая определенный смысл, представлена полем. Например, в каждой команде программы различают поле кода операций, поле адресов операндов. Применительно к числовой информации выделяют знаковые разряды, значащие разряды чисел, старшие и младшие разряды.

Последовательность, состоящая из определенного, принятого для данной ЭВМ числа байтов, называется словом.

Схема ЭВМ, отвечающая программному принципу управления, логично вытекает из последовательного характера преобразований, выполняемых человеком по некоторому алгоритму (программе).

1. Принципы построения ЭВМ третьего поколения.

Современные ЭВМ имеют достаточно развитые системы машинных операций. Любая операция в ЭВМ выполняется по определенной микропрограмме, реализуемой в схемах АЛУ соответствующей последовательностью сигналов управления (микрокоманд).

Микрокоманда — это простейшее преобразование данных типа алгебраического сложения, сдвига, перезаписи информации и т.п.

Уже в первых ЭВМ для увеличения их производительности широко применялось совмещение операций.

При этом последовательные фазы выполнения отдельных команд программы (формирование адресов операндов, выборка операндов, выполнение операции отсылка результата) выполнялись отдельными функциональными блоками. В своей работе они образовывали своеобразный конвейер, а их параллельная работа позволяла обрабатывать различные фазы целого блока команд.

Этот принцип получил дальнейшее развитие в ЭВМ следующих поколений.

Центральное УУ обслуживало не только вычислительные операции, но и операции ввода-вывода, пересылок данных между ЗУ и др. Все это позволяло степени упростить аппаратуру ЭВМ, но значительно сдерживало рост их производительности.

В ЭВМ третьего поколения произошло усложнение структуры за счет разделения процессов ввода-вывода информации и процесса ее обработки. Сильно связанные устройства АЛУ и УУ получили название процессор.

1. Принципы построения персональных ЭВМ.

В настоящее время персональным ЭВМ (ПЭВМ) отводится решающая роль при переходе общества к информатизации. Развитие ПЭВМ определяется прежде всего экономическими факторами, так как стоимость единицы вычислительной мощности в них обходится значительно дешевле. Основная цель использования ПЭВМ—формализация профессиональных знаний. Здесь в первую очередь автоматизируется рутинная часть работ специалистов, которая занимает более 75% их рабочего времени.

Причинами стремительного роста индустрии персональных ЭВМ следует считать:

1. высокую эффективность применения по сравнению с другими классами ЭВМ при малой стоимости;
2. возможность индивидуального взаимодействия с ПК без каких-либо посредников и ограничений;
3. большие возможности по обработке информации;
4. высокую надежность и простоту в эксплуатации;
5. возможность расширения и адаптации к особенностям применения;
6. наличие программного обеспечения, охватывающего практически все сферы человеческой деятельности, а также мощных систем для разработки нового программного обеспечения;
7. простоту использования, основанную на «дружественном» взаимодействии с ПК, с помощью пакетов прикладных программ.

Эффективная работа на ПЭВМ предполагает своевременное обеспечение ее необходимой входной информацией и распространение полученных результатов обработки. Поэтому все ПЭВМ имеют возможность сопряжения через сетевые адаптеры и модемы с каналами связи. Подключение ПЭВМ к выч. сетям в еще большей степени усиливает эффективность их применения.

1. Способы формирования структуры ПЭВМ. Функции программного обеспечения.

Децентрализация построения и управления вызвала к жизни такие элементы, которые являются общим стандартом структур современных ЭВМ:

1. модульность построения;
2. иерархия управления;
3. магистральность.

Модульность построения предполагает выделение в структуре ЭВМ достаточно автономных, функционально конструктивно законченных устройств (процессор, модуль памяти, накопитель на жестком или гибком магнитном диске).

Модульная конструкция ЭВМ делает ее открытой системой, способной к адаптации и совершенствованию. К ЭВМ можно подключать доп. устройства, улучшая ее технические и экономические показатели.

В современных ЭВМ принцип децентрализации и параллельной работы распространен как на периферийные устройства, так и на сами ЭВМ (процессоры). Появились вычислительные системы (ВС), содержащие несколько вычислителей (ЭВМ или процессоры), работающие согласованно и параллельно.

Внутри самой ЭВМ произошло еще более резкое разделение функций между средствами обработки. Появились отдельные специализированные процессоры, например сопроцессоры, выполняющие обработку чисел с плавающей точкой, матричные процессоры и др.

Децентрализация управления предполагает иерархическую организацию структуры ЭВМ. Устройство управления главного, или центрального, процессора определяет лишь последовательность работ подчиненных модулей и их инициализацию, после чего они продолжают работу по собственным программам управления. Результаты выполнения требуемых операций представляются ими «вверх по иерархии».

Иерархический принцип построения и управленияхарактерен не только для структуры ЭВМ в целом, но и для отдельных ее подсистем.

Магистральность заключается в том, что подчиненные модули (контроллеры, адаптеры, КВВ) могут в свою очередь использовать специальные шины:

• системная шина — для взаимодействия основных устройств;
• локальная шина — для ускорения обмена видеоданными;
• периферийная шина — для подключения «медленных» периферийных устройств.

1. Логические основы построения вычислительной машины.(+37 вопрос)

В вычислительных машинах коды нуля и единицы представляются электрическими сигналами, имеющими два различных состояния:

• импульс или его отсутствие;
• высокий или низкий потенциал;
• высокий потенциал или его отсутствие.

Наиболее распространенными способами физического представления информации являются импульсный и потенциальный.

При импульсном способе отображения код единицы идентифицируется наличием электрического импульса, код нуля — отсутствием его (впрочем, может быть и наоборот). Импульс характеризуется амплитудой и длительностью, причем длительность должна быть меньше временного такта машины.

При потенциальном способе отображения код единицы — это высокий уровень напряжения, а код нуля — отсутствие сигнала или низкий его уровень. Уровень напряжения не меняется в течение всего такта работы машины. Форма и амплитуда сигнала при этом во внимание не принимаются, а фиксируется лишь сам факт наличия или отсутствия сигнала. Для анализа и синтеза схем в компьютере широко используется математический аппарат алгебры логики, оперирующий с двумя понятиями: истина и ложь.

1. Классификация элементов и Узлов ЭВМ.

В структуре ЭВМ выделяют следующие структурные единицы: устройства, узлы, блоки и элементы.

Нижний уровень обработки реализуют элементы. Каждый элемент предназначается для обработки единичных электрических сигналов, соответствующих битам информации.

Узлы обеспечивают одновременную обработку группы сигналов инф. слов.

Блоки реализуют некоторую последовательность в обработке информационных слов — функционально обособленную часть машинных операций (блок выборки команд, блок записи-чтения и др.).

Устройства нужны для выполнения отдельных машинных операций и их последовательностей.

Все современные вычислительные машины строятся на комплексах (системах) интегральных микросхем (ИС). Электронная микросхема называется интегральной, если ее компоненты и соединения между ними выполнены в едином технологическом цикле.

Элементы ЭВМ можно классифицировать по различным признакам. Наиболее часто такими признаками являются: тип сигналов, назначение элементов, технология их изготовления и т.д.

Независимо от вида сигналов различают последовательный и параллельный коды передачи и представления информации в ЭВМ.

Простейшие логические элементы преобразуют входные сигналы в соответствии с элементарными логическими функциями. В свою очередь, полученные сигналы могут формировать следующий уровень сигналов и т. д. Сложные преобразования в соответствии с требуемыми логическими зависимостями могут приводить к построению многоуровневых схем. Каждая такая схема представляет собой композицию простейших логических схем.

Запоминающим элементом называется элемент, который способен принимать и хранить код двоичной цифры (единицы или нуля).. Элементы памяти могут запоминать и сохранять исходные значения некоторых величин, промежуточные значения обработки и окончательные результаты вычислений.

1. Комбинационные схемы. Шифраторы.

Комбинационные схемы (КС) — это схемы, у которых выходные сигналы Y= (у₁, у₂,…. yj) в любой момент дискретного времени однозначно определяются совокупностью входных сигналов X=(x₁ х₂,…, х_п), поступающих в тот же момент времени . Реализуемый в КС способ обработки информации называется комбинационным потому, что результат обработки зависит только от комбинации входных сигналов и формируется сразу же при поступлении входных сигналов. Поэтому одним из достоинств комбинационных схем является их высокое быстродействие.

Логические функции и соответствующие им комбинационные схемы подразделяют на регулярные и нерегулярные структуры.

Регулярные структуры предполагают построение схемы таким образом, что каждый из ее выходов строится по аналогии с предыдущими. В нерегулярных структурах такая аналогия отсутствует.
Шифратор (ШР) решает задачу, обратную схемам ДШ, т. е. по номеру входного сигнала формирует однозначную комбинацию выходных сигналов.

Таблица истинности шифратора

Логические зависимости шифратора:

Y2=x1vx3vx5vx7,

Y1=x2vx3vx6vx7,

Y0=x4vx5vx6vx7.

1. Комбинационные схемы. Дешифратор.

Дешифраторы (ДШ) — это комбинационные схемы с п входами и т = 2ⁿ выходами. Единичный сигнал, формирующийся на одном из т выходов, однозначно соответствует комбинации входных сигналов. Например, разработка структуры ДШ для n=3, позволяет получить таблицу истинности (табл. 3.1) и логические зависимости.

Таблица истинности дешифратора

Логические зависимости дешифратора:

1. Комбинационные схемы. Компаратор.

Схемы сравнения, или компаратор, обычно строятся как поразрядные. Они широко используются и автономно, и в составе более сложных схем, например при построении сумматоров.

Таблица истинности (табл. 3.3) отражает логику работы I-го разряда схемы сравнения при сравнении двух векторов — А и В.

На рис. 3.4 показана структурная схема компаратора.

Таблица 3.3 Таблица истинности компаратора

Логическая зависимость компаратора:

1. Схемы с памятью.

Более сложным преобразователем информации являются схемы с памятью. Наличие памяти в схеме позволяет запоминать промежуточные состояния обработки и учитывать их значения в дальнейших преобразованиях. Выходные сигналы Y=(yi,y₂,…,y_m) в схемах данного типа формируются не только по совокупности входных сигналов X = (x_l,x₂,…,x_n), но и по совокупности состояний схем памяти Q = (q_},q₂,…,qk)- ^ПР^{И этом} различают текущий дискретный момент времени tи последующий (t+1) момент времени (рис, 3.8).

Рис. 3.8. Обобщенная структура схемы с памятью

Передача значения Qмежду моментами времени tи (t+1) осуществляется обычно с применением двухступенчатой памяти и синхронизирующих импульсов (СИ).

В качестве простейшего запоминающего элемента в современных дрМ используют триггеры. В связи с успехами микроэлектроники в _схемах основных устройств ЭВМ (процессоров и оперативной памя-_ти) перестали применяться в качестве запоминающихся элементов _схемы, использующие остаточную намагниченность — ферритовые _сердечники.

1. Проблемы развития элементной базы.

Одним из главных факторов достижения высокого быстродействия, а значит, и высокой производительности ЭВМ является построение их на новейшей элементной базе.

Смена поколений ЭВМ в значительной степени связана с переходами на новые поколения элементной базы, знаменующие достижения новых частотных диапазонов работы схем в рамках доступных технологий.

Все современные ЭВМ строятся на микропроцессорных наборах, основу которых составляют большие (БИС) и сверхбольшие интегральные схемы (СБИС).

Технологический принцип разработки и производства интегральных схем действует уже более четверти века.

Он заключается в послойном изготовлении частей электронных схем по циклу «программа — рисунок — схема».

По программам на напыленный фоторезисторный слой наносится рисунок будущего слоя микросхемы. Затем рисунок протравливается, фиксируется, закрепляется и изолируется от новых слоев. На основе этого создается пространственная твердотельная структура.

Степень микро-миниатюризации, размер кристалла ИС, производительность и стоимость технологии напрямую определяются типом литографии. До настоящего времени доминирующей оставалась оптическая литография, т.е. послойные рисунки на фоторезисторе микросхем наносились световым лучом. В настоящее время ведущие компании, производящие микросхемы, реализуют кристаллы с размерами примерно 400—600 мм²

Минимальный топологический размер (толщина линий) при этом составляет 0,25—0,135 мкм. Для сравнения можно привести такой пример. Толщина человеческого волоса составляет примерно 100 мкм. Значит, при таком разрешении на толщине 100 мкм требуется вычерчивать более двухсот линий.

Дальнейшие успехи микроэлектроники связываются с электронной (лазерной), ионной и рентгеновской литографией. Это позволяет выйти на размеры 0,13; 0,10 и даже 0,08 мкм. Вместо ранее используемых алюминиевых проводников в микросхемах повсеместно начинают применять медные соединения, что позволяет повысить частоту работы.

Такие высокие технологии порождают целый ряд проблем. Микроскопическая толщина линий, сравнимая с диаметром молекул, требует высокой чистоты используемых и напыляемых материалов, применения вакуумных установок и снижения рабочих температур.

Новые заводы по производству микросхем представляют собой уникальное оборудование, размещаемое в «чистых помещениях класса 1», микросхемы в которых транспортируются от оборудования к оборудованию в замкнутых сверхчистых мини-атмосферах класса 1000. Мини-атмосфера создается, например, сверхчистым азотом или другим инертным газом при высоком давлении.

Уменьшение линейных размеров микросхем и повышение уровня интеграции заставляют проектировщиков искать средства борьбы с потребляемой Wnи рассеиваемой Wpмощностью.

При сокращении линейных размеров микросхем в 2 раза, их объемы изменяются в 8 раз. Пропорционально этим цифрам должны меняться и значения Wnи Wp, в противном случае схемы будут перегреваться и выходить из строя.

Напряжение питания современных микросхем составляет 3 — 2V. Появились схемы с напряжением питания, близким к 1V, что выходит за рамки принятых стандартов. Дальнейшее понижение напряжения нежелательно, так как всегда в электронных схемах должно быть обеспечено необходимое соотношение «сигнал-шум», гарантирующее устойчивую работу ЭВМ.

Протекание тока по микроскопическим проводникам сопряжено с выделением большого количества тепла. Поэтому, создавая сверхбольшие интегральные схемы, проектировщики вынуждены снижать тактовую частоту работы микросхем.

Таким образом, переход к конструированию ЭВМ на СБИС и ультра СБИС должен сопровождаться снижением тактовой частоты работы схемы. Дальнейший прогресс в повышении производительности может быть обеспечен либо за счет архитектурных решений, либо за счет новых принципов построения и работы микросхем.

Так как микросхемы СБИС не могут работать с высокой тактовой частотой, то в ЭВМ будущих поколений их целесообразно комплексировать в системы. При этом несколько СБИС должны работать параллельно, а слияние работ в системе должно обеспечивать сверхскоростные ИС (ССИС), которые не могут иметь высокую степень интеграции.

Внедрение новых технологий производства микропроцессоров испытывает и экономические проблемы. Например, строительство нового завода по производству микросхем с 0,13-микронной технологией обходится от 2 до 4 млрд долл. Это заставляет искать новые альтернативные пути построения будущих ЭВМ. Интенсивные поиски идут по многим направлениям. Наиболее перспективными из них следует считать:

• создание молекулярных и биокомпьютеров (нейрокомпьютеров);

• разработку квантовых компьютеров;

• разработку оптических компьютеров.

1. Общие принципы функциональной и структурной организации ЭВМ.

Электронные вычислительные машины включают, кроме аппаратной части и программного обеспечения, большое количество функциональных средств.

К ним относятся коды, с помощью которых обрабатываемая информация представляется в цифровом виде:

1. арифметические коды — для выполнения арифметических преобразований числовой информации;

2. помехозащищенные коды, используемые для защиты информации от искажений;

3. коды формы, определяющие, как должна выглядеть обрабатываемая в ЭВМ информация при отображении;

4. цифровые коды аналоговых величин (звука, «живого видео»).
Принципы функционирования ЭВМ могут быть реализованы по-разному:

* аппаратными,

* программно-аппаратными

* программными средствами.

При аппаратной и программно-аппаратной реализации могут быть применены:

** регистры,

** дешифраторы,

** сумматоры;

** блоки жесткого аппаратного управления или микропрограммного с управлением подпрограммами (комплексами микроопераций);

** устройства или комплексы устройств, реализованные в виде автономных систем (программируемых или с жестким управлением).
При программной реализации могут быть применены различные виды программ. Будем считать, что способы реализации функций ЭВМ составляют структурную организацию ЭВМ. Тогда элементная база, функциональные узлы и устройства ЭВМ, программные модули различных видов являются структурными компонентами ЭВМ

1. Организация функционирования ЭВМ с магистральной архитектурой.

ЭВМ представляет собой совокупность устройств, выполненных на больших интегральных схемах, каждая из которых имеет свое функциональное назначение. Комплект интегральных схем, из которых состоит ЭВМ, называется микропроцессорным комплектом. В состав микропроцессорных комплектов входят: системный таймер, микропроцессор (МП), сопроцессоры, контроллер прерываний, контроллер прямого доступа к памяти, контроллеры устройств ввода-вывода. Все устройства ЭВМ делятся на центральные и периферийные. Центральные устройства — полностью электронные, периферийные устройства могут быть либо электронными, либо электромеханическими с электронным управлением. В центральных устройствах основным узлом, связывающим микропроцессорный комплект в единое целое, является системная магистраль. Она состоит из трех узлов, называемых шинами: шина данных (ШД), шина адреса (ША), шина управления (ШУ). Логика работы системной магистрали, количество разрядов (линий) в шинах данных, адре-са и управления, порядок разрешения конфликтных ситуаций, возникающих при одновременном обращении различных устройств ЭВМ к системной магистрали, образуют интерфейс системной шины. В состав центральных устройств ЭВМ входят: центральный процессор, основная память и ряд дополнительных узлов, выполняющих служебные функции: контроллер прерываний, таймер и контроллер прямого доступа к памяти (ПДП). Периферийные устройства делятся на два вида: внешние ЗУ (НМД, НГМД, НМЛ) и устройства ввода-вывода (УВВ): клавиатура, дисплей, принтер, мышь, адаптер каналов связи (КС) и др. Управляющая работой ЭВМ программа перед началом выполнения загружается в основную память (ОП). Адрес первой выполняемой команды передается микропроцессору и запоминается в счетчике команд. Начало работы процессора заключается в том, что адрес из счетчика команд выставляется на шину адреса системной магистрали. Одновременно на шину управления выдается команда «Выборка из ОП», которая воспри-нимается основной памятью. Получив с шины управления системной магистрали команду, основная память считывает адрес с шины адреса, находит ячейку с этим номером и ее содержимое выставляет на шину дан-ных, а на шину управления выставляет сигнал о выполнении команды. Процессор, получив по шине управления сигнал об окончании работы ОП, вводит число с шины данных на внутреннюю магистраль МП и через нее пересылает введенную информацию в Регистр команд. В регистре команд полученная команда разделяется на кодовую и адресную части. Код команды поступает в блок управления для выработки сигналов, настраивающих МП на выполнение заданной операции и для определения адреса следующей команды (который сразу за-носится в счетчик команд). Адресная часть команды выставляется на шину адреса системной магистрали (СМ) и со-провождается сигналом «Выборка из ОП» на шине управления. Результат выполнения операции выставляется микропроцессором на шину данных, на ши-ну адреса выставляется адрес ОП, по которому этот результат необходимо записать, а на шину управления выставляется команда «Запись в ОП». Процессор, получив этот сигнал о выполнении операции, начинает выборку очередной команды: выставляет адрес из счетчика команд на шину адреса, формирует команду «Выборка из ОП» на шине управления и т.д. В каждом цикле, получив команду в регистр команд и выделив код операции, процессор определяет, к какому устройству она относится. Если команда должна выполняться процессором, организуется ее выполнение по описанному циклу. Если же команда предназначена для выполнения в другом устройстве ЭВМ, ЦП передает ее соответствующему устройству. Взаимодействие МП с внешними устройствами предусматривает выполнение логической последовательности действий, связанных с поиском устройства, определением его технического состояния, обменом командами и информацией. Эта логическая последовательность действий вместе с устройствами, реализующими ее, получила название интерфейс ввода-вывода. В IBM PC есть два стандартных интерфейса для связи ЦП с внешними устройствами: параллельный (типа Centronics) и последовательный (типа RS-232). Если при обращении ЦП к внешнему устройству продолжение выполнения основной программы центральным процессором возможно только после завершения операции ввода-вывода, то ЦП, запустив внешнее устройство, переходит в состояние ожидания. Такой режим работы получил название однопрограммного — в каждый момент времени все устройства находятся в состоянии ожидания, и только одно устройство выполняет основную (и единственную) программу. Для ликвидации таких простоев внешние устройства сделаны автономными: получив от ЦП необходимую информацию, они самостоятельно организуют свою работу по обмену данными. Такой режим работы ЭВМ называется многопрограммным.

1. Организация работы ЭВМ при выполнении задания пользователя.

Организация процессов ввода, преобразования и отображения результатов относится к сфере системного программного обеспечения. Это сложные процессы, которые чаще всего делаются «прозрачными», т.е. незаметными для пользователя. Один из них — реализация задания пользователя: профессиональный пользователь (программист) пишет задание для ЭВМ в виде программы на алгоритмическом языке. Написанное задание (программа) представляет собой исходный модуль, сопровождаемый управляющими предложениями, указывающими операционной системе ЭВМ, на каком языке написана программа и что с ней надо делать. Исходный модуль перед исполнением должен быть переведен на внутренний язык машины. Эта операция выполняется специальной программой — транслятором.

Трансляторы выполняются в виде двух разновидностей: интерпретаторы и компиляторы.

Интерпретатор после перевода на язык машины каждого оператора алгоритмического языка немедленно исполняет полученную машинную программу.

Компилятор же сначала полностью переводит всю программу, представленную ему в виде исходного модуля (ИМ), на язык машины. Получаемая при этом машинная программа представляет собой объектный модуль (ОМ). Результат работы компилятора может быть записан в библиотеку объектных модулей (БОМ) или передан другим программам для дальнейшей обработки.

Недостающие программы должны быть взяты из библиотек компилятора (которые могут быть написаны в виде исходных либо в виде объектных модулей) и добавлены к основной про-грамме. Эту операцию выполняет редактор связей. В результате работы редактора связей образу-ется загрузочный модуль (ЗМ), который помещается в соответствующую библиотеку программ (БЗМ). В загрузочном модуле все ссылки разрешены, т.е. он содержит все необходимые стандарт-ные программы, но привязки к памяти у загрузочного модуля нет.

Привязка к памяти загрузочного модуля производится программой выборки, которая пере-носит загрузочный модуль из библиотеки загрузочных модулей (обычно хранящейся на магнит-ном носителе) в основную память, и инициирует его выполнение.

Если программа только отлаживается, то получение загрузочного модуля и обращение к программе выборки будут лишними операциями. В этом случае применяется загрузчик — программа, сочетающая в себе функции редактирования связей и загрузки полученной машинной программы в основную память для исполнения.

1. Особенности управления основной памятью ЭВМ.

Алгоритмы распределения, использования, освобождения ресурсов и представления к ним доступа предназначены для наиболее эффективной организации работы всего комплекса устройств ЭВМ. Рассмотрим их на примере управления основной памятью. Для выполнения программы при ее загрузке в основную память ей выделяется часть машинных ресурсов — они необходимы для размещения команд, данных, управляющих таблиц и областей ввода-вывода, т.е. производится трансляция адресного пространства откомпилированной про-граммы в местоположение в реальной памяти.

Выделение ресурсов может быть осуществлено самим программистом (особенно, если он работает на языке, близким к машинному)» но может производиться и операционной системой.

Если выделение ресурсов производится перед выполнением программы, такой процесс называется статическим перемещением, в результате которого программа «привязывается» к определенному месту в памяти ЭВМ.

Если же ресурсы выделяются в процессе выполнения программы, это называется динами-ческим перемещением, и в этом случае программа не привязана к определенному месту в реальной памяти. Динамический режим можно реализовать только с помощью операционной системы.

При статическом перемещении могут встретиться два случая:

* Реальная память больше требуемого адресного пространства программы. В этом случае загрузка программы в реальную память производится, начиная с 0-го адреса (рис. 4.2). Загружаемая программа является абсолютной программой, так как ника-кого изменения адресов в адресном пространстве, подготовленном компилятором, при загрузке в основную память не происходит.

* Реальная память меньше требуемого адресного пространства программы (рис. 4.3). В этом случае программист (или операционная система) вынужден решать пробле-му, как организовать выполнение программы. Методов решения проблемы суще-ствует несколько: можно создать оверлейную структуру (т.е. разбить программу на части, вызываемые в ОП по мере необходимости), сделать модули программы реентерабельными (т.е. допускающими одновременную работу модуля по нескольким обращениям из разных частей программы или из различных программ).

При работе в мультипрограммном режиме может сложиться ситуация, когда между про-граммами образуются незанятые участки памяти. Общий объем незанятой памяти, составляющий 50 Кбайт, достаточен, чтобы загрузить программу, находящуюся в ожидании.

Но ее не удается загрузить, так как свободные участки памяти не являются смежными. Та-кое состояние называется фрагментацией реальной памяти. Оно характерно для систем со стати-ческим перемещением.

В системах с динамическим перемещением программ перемещающий загрузчик размещает программу в свободной части памяти и допускает использование ее несмежных участков.

1. Виртуальная память.

Имея иерархическую структуру запоминающих устройств, на реальном объеме памяти, значительно меньшем максимального, можно имитировать работу с максимальной памятью.

В этом случае программист работает так, как будто ему предоставлена реальная память максимально допустимого для данной ЭВМ объема, хотя имеющаяся реальная память значительно меньше по объему. Такой режим работы называется режимом виртуальной памяти.

Теоретически доступная пользователю основная память, объем которой определяется толь-ко разрядностью адресной части команды и которая не существует в действительности, называет-ся виртуальной памятью.

Виртуальная память имеет сегментно-страничную или страничную организацию и реализо-вана в иерархической системе памяти ЭВМ.

Часть ее размещается в страничных блоках основной памяти (page fames), а часть — в ячейках внешней страничной памяти (slot).

Внешняя страничная память является частью внешней памяти.

Ячейка (слот) — это записываемая область во внешней страничной памяти Например, на жестком магнитном диске). Она того же размера, что и страница.

Все программные страницы физически располагаются в ячейках внешней страничной па-мяти.

Виртуальная же память существует только как продукт деятельности операционной систе-мы.

Загрузить программу в виртуальную память — значит переписать несколько программ-ных страниц из внешней страничной памяти в основную память. Если в процессе выполнения программы система обнаружит, что требуемой страницы нет в реальной памяти, она должна пере-слать копию этой страницы из внешней страничной памяти в реальную память. Этот механизм называется принудительным страничным обменом.

1. Система прерываний ЭВМ.

Современная ЭВМ представляет собой комплекс автономных устройств, каждое из которых выполняет свои функции под управлением местного устройства управления независимо от других устройств машины. Устройство включается в работу центральным процессором (ЦП). Он передает устройству команду и все необходимые для ее исполнения параметры. После начала работы устройства центральный процессор отключается от него и переходит к обслуживанию других устройств или к выполнению других функций. Во время работы в ЦП поступает (и вырабатывается в нем самом) большое количество различных сигналов. Сигналы, которые выполняемая в ЦП программа способна воспринять, обработать и учесть, составляют поле зрения ЦП или. другими словами, входят в зону его внимания. Для того чтобы ЦП, выполняя свою работу, имел возможность реагировать на события, происходящие вне его зоны внимания, и наступления которых он «не ожидает», существует система прерываний ЭВМ. В зависимости от места нахождения источника прерываний они могут быть разделены на: внутренние (программные и аппаратные) и внешние прерывания (поступающие в ЭВМ от внешних источников, например от клавиатуры или модема). Принцип действия системы прерываний заключается в следующем: при выполнении программы после каждого рабочего такта микропроцессора изменяется содержимое регистров, счетчиков, состояние отдельных управляющих триггеров, т.е. изменяется состояние процессора. Информация о состоянии процессора лежит в основе многих процедур управления вычислительным процессом. Не вся информация одинаково актуальна, есть существенные элементы, без которых невозможно продолжение работы. Эта информация должна сохраняться при каждом «переключении внимания процессора». Совокупность значений наиболее существенных информационных элементов называется вектором состояния или словом состояний процессора. Вектор состояния в каждый момент времени должен содержать информацию, достаточную для продолжения выполнения программы или повторного пуска ее с точки, соответствующей моменту формирования данного вектора. При возникновении события, требующего немедленной реакции со стороны машины, ЦП прекращает обработку текущей программы и переходит к выполнению другой программы, специально предназначенной для данного события, по завершении которой возвращается к выполнению отложенной программы. Такой режим работы называется прерыванием. Каждое событие, требующее прерывания, сопровождается специальным сигналом, который называется запросом прерывания. Программа, затребованная запросом прерывания, называется обработчиком прерывания.

1. Центральные устройства ЭВМ. Основная память.

Основная память
При рассмотрении структуры основной памяти можно говорить как о физической структуре, то есть об основных ее конструктивных компонентах, так и о логической структуре, то есть о ее различных областях, условно выделенных для организации более удобных режимов их использования и обслуживания. При матричной организации адрес ячейки, поступающий в регистр адреса Рег. адр., например, по 20-разрядным кодовым шинам адреса, делится на две 10-разрядные части, поступающие соответственно в Рег. адр. Xи Рег. адр. Y. Из этих регистров коды полу-адресов поступают в дешифраторы Дешифратор Xи Дешифратор Y, каждый из которых в соответствии с полученным адресом выбирает одну из 1024 шин. По выбранным шинам подаются сигналы записи/считывания в ячейку памяти, находящуюся на пересечении этих шин. Считываемая или записываемая информация поступает в регистр данных (Рег.-данных), непосредственно связанный с кодовыми шинами данных. Управляющие сигналы, определяющие, какую операцию следует выполнить, поступают по кодовым шинам инструкций. Куб памяти содержит набор запоминающих элементов — собственно ячеек памяти. ‘

Основная память (ОП) содержит оперативное (RAM — Random Access Memory) и постоянное (ROM — Read Only Memory) запоминающие устройства.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) предназначено для хранения информации (программ и данных), непосредственно участвующей в вычислительном процессе в текущий интервал времени. ОЗУ — энергозависимая память: при отключении напряжения питания информация, хранящаяся в ней, теряется. Основу ОЗУ составляют микросхемы динамической памяти DRAM. Это большие интегральные схемы, содержащие матрицы полупроводниковых запоминающих элементов — полупроводниковых конденсаторов, наличие заряда в конденсаторе обычно означает «1», отсутствие заряда «0». Конструктивно элементы от оперативной памяти выполняются в виде отдельных модулей памяти — небольших плат с напаянными на них одной или, чаще, несколькими микросхемами. Эти модули вставляются в разъемы — слоты на системной плате. На материнской плате может быть несколько групп разъемов (банков) для установки модулей памяти; в один банкможно ставить только блоки одинаковой емкости; блоки разной емкости можно устанавливать в разных банках. Модули памяти характеризуются конструктивом, емкостью, временем обращения и надежностью работы. Важным параметром модуля памяти является его надежность и устойчивость к возможным сбоям. Надежность работы современны модулей памяти весьма высокая — среднее время наработки на отказ составляет сотни тысяч часов, но тем не менее предпринимаются и дополнительные меры повышения надежности. Модули памяти бывают с контролем четности (parity) и без контроля четности (поп parity) хранимых бит данных. Контроль по четности позволяет лишь обнаружить ошибку и прервать исполнение выполняемой программы. Существуют и более дорогие модули памяти с автоматической коррекцией ошибок — ЕСС-память, использующие специальные корректирующие коды с исправлением ошибок.

1. Центральные устройства ЭВМ. Динамическое ОЗУ.

DIP (Dual In line Package — корпус с двумя рядами выводов) — одиночная микросхема памяти, сейчас используется только в составе более укрупненных модулей.
DIP- корпус — это исторически самая древняя реализация DRAM. Обычно это маленький черный корпус из пластмассы, по обеим сторонам которого располагаются металлические контакты. Микросхемы (по-другому, чипы) динамического ОЗУ устанавливаются так называемыми банками. Каждый банк состоит из девяти отдельных одинаковых чипов. Из них восемь чипов предназначены для хранения информации, а девятый чип служит для проверки четности остальных восьми микросхем этого банка.

Обновлено: 21.03.2023

Существует достаточно много систем классификации компьютеров, каждая из которых применяется в зависимости от требований конкретного пользователя.

Требования пользователей к выполнению вычислительных работ удовлетворяются специальным подбором и настройкой технических и программных средств. Обычно эти средства взаимосвязаны и объединяются в одну структуру.

Структура — совокупность элементов и их связей.

Различают структуры технических, программных и аппаратно-программных средств. Выбирая ЭВМ для решения своих задач, пользователь интересуется функциональными возможностями технических и программных модулей

При этом пользователь интересуется не конкретной технической и программной реализацией отдельных модулей, а общими вопросами организации вычислений. Последнее включается в понятие архитектуры ЭВМ, содержание которого достаточно обширно.

Архитектура ЭВМ — это многоуровневая иерархия аппаратно-программных средств, из которых строится ЭВМ. Каждый из уровней допускает многовариантное построение и применение.

Конкретная реализация уровней определяет особенности структурного построения ЭВМ.

Детализацией архитектурного и структурного построения ЭВМ занимаются различные категории специалистов вычислительной техники. Инженеры — схемотехники проектируют отдельные технические устройства и разрабатывают методы их сопряжения друг с другом. Системные программисты создают программы управления техническими средствами, информационного взаимодействия между уровнями, организации вычислительного процесса. Программисты-прикладники разрабатывают пакеты программ более высокого уровня, которые обеспечивают взаимодействие пользователей с ЭВМ и необходимый сервис при решении ими своих задач.

Перечисленные специалисты рассматривают понятие архитектуры в более узком смысле. Для них наиболее важные структурные особенности сосредоточены в наборе команд ЭВМ, разграничивающем аппаратные и программные средства.

Пользователи ЭВМ рассматривают архитектуру через более высокоуровневые аспекты, касающиеся их взаимодействия с ЭВМ (человеко-машинного интерфейса), начиная со следующих групп характеристик ЭВМ, определяющих ее структуру:

— технические и эксплуатационные характеристики ЭВМ (быстродействие и производительность, показатели надежности, достовер-ности, точности, емкость оперативной и внешней памяти, габаритные размеры, стоимость технических и программных средств, особенности эксплуатации и др.);

— характеристики и состав функциональных модулей базовой конфигурации ЭВМ; возможность расширения состава технических и программных средств; возможность изменения структуры;

— состав программного обеспечения ЭВМ и сервисных услуг (операционная система или среда, пакеты прикладных программ, средства автоматизации программирования).

Важнейшими характеристиками ЭВМ являются быстродействие и производительность.

Эти характеристики тесно связаны.

Быстродействие характеризуется числом определенного типа команд, выполняемых ЭВМ за одну секунду.

Производительность — это объем работ (например, число стандартных программ), выполняемый ЭВМ в единицу времени.

Определение характеристик быстродействия и производительности представляет собой очень сложную инженерную и научную задачу, до настоящего времени не имеющую единых подходов и методов решения.

Одной из альтернативных 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 резко увеличивается удельный вес операций с плавающей точкой. Для больших однопроцессорных машин в этом случае используеться характеристика быстродействия, выраженная в MFPOPS (Million Floating Point Operations Per Second — миллион операций с плавающей точкой в секунду).

Для персональных ЭВМ этот показатель практически не применяется из-за особенностей решаемых задач и структурных характеристик ЭВМ.

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.

Надежность — это способность ЭВМ при определенных условиях выполнять требуемые функции в течение заданного времени (стандарт ISO (Международная организация стандартов) -2382/14-78). На надежность влияет компоновка компьютера и обеспечение требуемых режимов работы (охлаждение, защита от пыли).

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.

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.

Существуют три глобальные сферы деятельности человека, которые требуют использования качественно различных типов ЭВМ.

Первое направление является традиционным — применение ЭВМ для автоматизации вычислений. Отличительной особенностью этого направления является наличие хорошей математической основы. Вторая сфера применения ЭВМ связана с использованием их в системах управления. Она зародилась примерно в шестидесятые годы, когда ЭВМ стали интенсивно внедряться в контуры управления автоматических и автоматизированных систем. Такое применение вычислительных машин потребовало видоизменения их структуры. ЭВМ, используемые в управлении, должны были не только обеспечивать вычисления, но и автоматизировать сбор данных и распределение результатов обработки.

Одновременно со структурными изменениями ЭВМ происходило и качественное изменение характера вычислений. Доля чисто математических расчетов постоянно сокращалась, и на сегодняшний день она составляет около 10% от всех вычислительных работ. Машины все больше стали использоваться для новых видов обработки: текстов, графики, звука и др. Для выполнения этих работ в настоящее время применяются в основном ПЭВМ.

Третье направление связано с применением ЭВМ для решения задач искусственного интеллекта. Задачи искусственного интеллекта предполагают получение не точного результата, а чаще всего осредненного в статистическом, вероятностном смысле. Примеров подобных задач много: задачи робототехники, доказательства теорем, машинного перевода текстов с одного языка на другой, планирования с учетом неполной информации, составления прогнозов, моделирования сложных процессов и явлений и т.д.

В рамках этого направления во многих областях науки и техники создаются и совершенствуются базы данных и базы знаний, экспертные системы.

Статьи к прочтению:

Урок 7Классификация компьютерных сетей

Похожие статьи:

Программы — это упорядоченные последовательности команд. Конечная цель любой компьютерной программы — управление аппаратными средствами. Даже если на…

Операционная система составляет основу программного обеспечения ПК. Операционная система представляет комплекс системных и служебных программных средств,…

После краткого вводного обзора перейдем к основным понятиям и их определениям. Прежде всего, дадим определение операционной системы.

Операционная система ( ОС, в англоязычном варианте — operating system ) – базовое системное программное обеспечение , управляющее работой компьютера и являющееся посредником ( интерфейсом ) между аппаратурой ( hardware ), прикладным программным обеспечением ( application software ) и пользователем компьютера ( user ). Фактически операционная система с точки зрения пользователя– это как бы продолжение аппаратуры, надстройка над ней, обеспечивающая более удобное, надежное и безопасное использование компьютеров и компьютерных сетей.

Основные цели работы операционной системы следующие.

1. Обеспечение удобства, эффективности, надежности, безопасности выполнения пользовательских программ. Для пользователя самое главное – чтобы его программа работала, вела себя предсказуемо , выдавала необходимые ему правильные результаты, не давала сбоев, не подвергалась внешним атакам. Вычислительную среду для такого выполнения программ и обеспечивает операционная система.
2. Обеспечение удобства, эффективности, надежности, безопасности использования компьютера. Операционная система обеспечивает максимальную полезность и эффективность использования компьютера и его ресурсов, обрабатывает прерывания, защищает компьютер от сбоев, отказов и хакерских атак . Эта деятельность ОС может быть не столь заметной для пользователя, но она осуществляется постоянно.
3. Обеспечение удобства, эффективности, надежности, безопасности использования сетевых, дисковых и других внешних устройств, подключенных к компьютеру. Особая функция операционной системы, без которой невозможно использовать компьютер, — это работа с внешними устройствами. Например, ОС обрабатывает любое обращение к жесткому диску, обеспечивая работу соответствующего драйвера (низкоуровневой программы для обмена информацией с диском) и контроллера (специализированного процессора, выполняющего команды ввода-вывода с диском). Любая «флэшка», вставленная в USB- слот компьютера, распознается операционной системой, получает свое логическое имя (в системе Windows – в виде буквы, например, G) и становится частью файловой системы компьютера на все время, пока она не будет извлечена (демонтирована).
4. Подчеркнем особую важность среди функций современных ОС обеспечения безопасности, надежности и защиты данных. Следует учитывать, что компьютер и операционная система работают в сетевом окружении, в котором постоянно возможны и фактически происходят атаки хакеров и их программ, ставящие своей целью нарушение работы компьютера, «взлом» конфиденциальных данных пользователя, хранящихся на нем, похищение логинов, паролей, использование компьютера как «робота» для рассылки реклам или вирусов и др. В связи с этим в 2002 г. фирма Microsoft объявила инициативу по надежным и безопасным вычислениям (trustworthy computing initiative ), целью которой является повышение надежности и безопасности всего программного обеспечения, прежде всего – операционных систем. В данном курсе мы будем подробно останавливаться на том, какие действия по обеспечению надежности, безопасности и защите данных предпринимают современные ОС.

Компоненты компьютерной системы

Чтобы лучше понять место и роль операционной системы в процессе вычислений, рассмотрим компьютерную систему в целом. Она состоит из следующих компонентов:

1. Аппаратура (hardware) компьютера, основные части которой – центральный процессор (Central Processor Unit — CPU ), выполняющий команды (инструкции) компьютера; память (memory),хранящая данные и программы, и устройства ввода- вывода, или внешние устройства (input-output devices, I/O devices ), обеспечивающие ввод информации в компьютер и вывод результатов работы программ в форме, воспринимаемой пользователем-человеком или другими программами. Часто на программистском слэнге аппаратуру называют «железом».
2. Операционная система (operating system) – основной предмет нашего курса; системное программное обеспечение, управляющее использованием аппаратуры компьютера различными программами и пользователями.
3. Прикладное программное обеспечение (applications software) – программы, предназначенные для решения различных классов задач. К ним относятся, в частности, компиляторы, обеспечивающие трансляцию программ с языков программирования, например, C++, в машинный код (команды); системы управления базами данных (СУБД ); графические библиотеки, игровые программы, офисные программы. Прикладное программное обеспечение образует следующий, более высокий уровень, по сравнению с операционной системой, и позволяет решать на компьютере различные прикладные и повседневные задачи.
4. Пользователи (users) – люди и другие компьютеры. Отнесение пользователя-человека к компонентам компьютерной системы — вовсе не шутка, а реальность: любой пользователь фактически становится частью вычислительной системы в процессе своей работы на компьютере, так как должен подчиняться определенным строгим правилам, нарушение которых приведет к ошибкам или невозможности использования компьютера, и выполнять большой объем типовых рутинных действий – почти как сам компьютер. Одна из важных функций ОС как раз и состоит в том, чтобы избавить пользователя от большей части такой рутинной работы (например, резервного копирования файлов ) и позволить ему сосредоточиться на работе творческой. Другие компьютеры в сети также могут играть роль пользователей ( клиентов ) по отношению к данному компьютеру, выступающему в роли сервера, используемого, например, для хранения файлов или выполнения больших программ.

Девизом фирмы Sun Microsystems еще в 1982 г., при ее создании, стал афоризм » The network is the computer » ( Сеть – это компьютер ). Эту истину следует помнить всем пользователям компьютеров и их операционных систем и шире использовать возможности компьютерных сетей, распределяя различные функции между ее различными компьютерами (или хостами – hosts, как на компьютерном слэнге принято называть компьютеры в сети). Изолированный от сети компьютер ныне – это «каменный век». Отсюда – неразрывная связь операционных систем и сетей.

Общая картина функционирования компьютерной системы

Пользователям компьютера доступны верхние уровни программного обеспечения – системные и прикладные программы (например, компиляторы, текстовые редакторы, системы управления базами данных ). Эти программы взаимодействуют с операционной системой, которая, в свою очередь , управляет работой компьютера.

Классификация компьютерных систем

Для того, чтобы представить себе разнообразие и масштабируемость операционных систем, рассмотрим прежде всего классификацию современных компьютерных систем, для которых разрабатываются и используются ОС – от суперкомпьютеров до мобильных устройств, — и суммируем требования к ОС для этих классов компьютеров.

Суперкомпьютеры (super-computers) – мощные многопроцессорные компьютеры, наиболее современные из которых имеют производительность до нескольких petaflops (10 15 вещественных операций в секунду; аббревиатура flops расшифровывается как floating-point operations per second ). Пример – суперкомпьютер «Ломоносов», установленный в МГУ. Суперкомпьютеры используются для вычислений, требующих больших вычислительных мощностей, сверхвысокой производительности и большого объема памяти. В реальной практике это прежде всего задачи моделирования – например, моделирования климата в регионе и прогнозирования на основе построенной модели погоды в данном регионе на ближайшие дни. Особенностью суперкомпьютеров является их параллельная архитектура – как правило, все они являются многопроцессорными. Соответственно, ОС для суперкомпьютеров должны поддерживать распараллеливание решения задач и синхронизацию параллельных процессов , одновременно решающих подзадачи некоторой программы.

Многоцелевые компьютеры, или компьютеры общего назначения (mainframes) – традиционное историческое название для компьютеров, распространенных в 1950-х – 1970-х гг., еще до эпохи всеобщего распространения персональных компьютеров. Именно для mainframe -компьютеров создавались первые ОС. Типичные примеры таких компьютеров: IBM 360/370; из отечественных – М-220, БЭСМ-6. На таких компьютерах решались все необходимые задачи – от расчета зарплаты сотрудников в организации до расчета траекторий космических ракет. Подобный компьютер выглядел достаточно неуклюже и громоздко и мог занимать целый большой зал. Вспомните, например. огромный компьютер HAL на космическом корабле в фантастическом фильме 1960-х гг. Стэнли Кубрика «Космическая одиссея 2001 г.» Но никакие фантасты не смогли предвидеть прогресса компьютерной техники XXI века – прежде всего, того, что мощный компьютер будет не занимать целую комнату, а помещаться в небольшом ящике. Параметры ранних mainframe -компьютеров были весьма скромными: быстродействие — несколько тысяч операций в секунду, оперативная память – несколько тысяч ячеек (слов). Недостаточно удобным был пользовательский интерфейс (интерактивное взаимодействие с компьютерами было реализовано гораздо позже, в 1960-х гг.). Тем не менее, на таких компьютерах решались весьма серьезные задачи оборонного и космического назначения. С появлением персональных и портативных компьютеров классические mainframe -компьютеры ушли в прошлое. Однако следует подчеркнуть, что в именно в операционных системах для mainframe -компьютеров были реализованы все основные методы и алгоритмы, рассмотренные в данном курсе, которые впоследствии были использованы в ОС для персональных, карманных компьютеров и мобильных устройств.

Кластеры компьютеров (computer clusters) – группы компьютеров, физически расположенные рядом и соединенные друг с другом высокоскоростными шинами и линиями связи. Кластеры компьютеров используются для высокопроизводительных параллельных вычислений . Наиболее известны в мире компьютерные кластеры, расположенные в исследовательском центре CERN (Швейцария) – том самом, где находится большой адронный коллайдер. Как правило, компьютерные кластеры располагаются в исследовательских институтах и в университетах, в том числе, например, в Петродворцовом учебно-научном комплексе СПбГУ они используются в Петродворцовом телекоммуникационном центре (ПТЦ), на нашем математико-механическом и на физическом факультетах. Операционная система для кластеров должна, помимо общих возможностей, предоставлять средства для конфигурирования кластера, управления компьютерами (процессорами), входящими в него, распараллеливания решения задач между компьютерами кластера и мониторинга кластерной компьютерной системы. Примерами таких ОС являются ОС фирмы Microsoft – Windows 2003 for clusters ; Windows 2008 High-Performance Computing ( HPC ).

Настольные компьютеры (desktops) – это наиболее распространенные в настоящее время компьютеры, которыми пользуются дома или на работе все люди, от школьников и студентов до домашних хозяек. Такой компьютер размещается на рабочем столе и состоит из монитора, системного блока, клавиатуры и мыши. Параметры современного (2010 г.) настольного компьютера, наиболее приемлемые для использования современных ОС: быстродействие процессора 1 – 3 ГГц, оперативная память – 1 – 8 гигабайт и более, объем жесткого диска ( hard disk drive – HDD ) – 200 Гб – 1 Тб и более (1 терабайт, Тб = 1024 Гб). Все разнообразие современных операционных систем ( Windows , Linux и др.) – к услугам пользователей настольных компьютеров. При необходимости на настольном компьютере можно установить две или более операционных системы, разделив его дисковую память на несколько разделов ( partitions ) и установив на каждый из них свою операционную систему, так что при включении компьютера пользователю предоставляется стартовое меню , из которого он выбирает нужную операционную систему для загрузки.

Портативные компьютеры (laptops, notebooks – дословно «компьютеры, помещающиеся на коленях»; «компьютеры-тетрадки») – это миниатюрные компьютеры, по своим параметрам не уступающие настольным, но по своим размерам свободно помещающиеся в небольшую сумку или рюкзак или, например, на коленях пользователя, летящего в самолете в командировку и не желающего терять времени даром. Ноутбуки стоят обычно в несколько раз дороже, чем настольные компьютеры с аналогичными характеристиками. На ноутбуках используются те же операционные системы, что и для настольных компьютеров (например, Windows или MacOS). Характерными чертами портативных компьютеров являются всевозможные встроенные порты и адаптеры для беспроводной связи: Wi-Fi (официально IEEE 802.11 ) – вид радиосвязи, позволяющая работать в беспроводной сети с производительностью 10-100 мегабит в секунду (используется обычно на конференциях, в гостиницах, на вокзалах, аэропортах – т.е. в зоне радиусом в несколько сотен метров от источника приема-передачи); Bluetooth – также радиосвязь на более коротких расстояниях (10 – 100 м для Bluetooth 3.0), используемая для взаимодействия компьютера с мобильным телефоном, наушниками, плейером и др. Внешние устройства (дополнительные жесткие диски, принтеры, иногда даже DVD-ROM ) подключаются к ноутбуку через порты USB . Еще лет 10 назад на ноутбуках активно использовались инфракрасные порты ( IrDA ), которые, однако, неудобны, так как требуют присутствия «ответного» IrDA – порта другого устройства на расстоянии 20-30 см от порта ноутбука, при отсутствии между ними препятствий. Другая характерная черта ноутбуков – это наличие кард-ридеров – портов для чтения всевозможных карт памяти, используемых в мобильных телефонах или цифровых фотокамерах; обеспечивается также интерфейс FireWire (официально – IEEE 1394 ) для подключения цифровой видеокамеры; таким образом, ноутбуки хорошо приспособлены для ввода, обработки и воспроизведения обработки мультимедийной информации. Ныне портативный компьютер имеется почти у каждого студента, что они и используют для подготовки к ответу на экзамене, либо для решения задач практикума, иногда прямо в университетском буфете. Один из критических параметров ноутбука – время работы его батарей без подзарядки; очень хорошо, если это время составляет порядка 10 часов, что пока сравнительно редко; на компьютерах, используемых автором, это время составляет не более 5 часов. Популярная разновидность ноутбука ныне – это нетбук — ноутбук, предназначенный для работы в сети, обычно менее мощный и поэтому более дешевый, а также более миниатюрный.

Карманные портативные компьютеры и органайзеры (КПК, handhelds, personal digital assistants – PDA) – это «игрушки для взрослых» в виде миниатюрного компьютера, помещающегося на ладони или в кармане, но по своему быстродействию иногда не уступающего ноутбуку. При всей привлекательности, серьезные недостатки КПК, с точки зрения автора, — это неудобство ввода информации (приходится пользоваться палочкой- стилусом, — ведь не носить же с собой еще и громоздкую клавиатуру, — либо микроскопической выдвижной клавиатурой, на которой фактически тем же стилусом только и можно работать), а также неудобство чтения информации на маленьком экране. Автор уже «наигрался» в подобные КПК, — например, типа PalmPilot, — предпочитает пользоваться ноутбуками, а самым надежным органайзером считает . небольшой бумажный блокнот. Однако молодежь приглашается к этой увлекательной интересной игре – через все в жизни нужно пройти. Современные КПК имеют фактически те же порты и адаптеры, что и ноутбуки – Wi-Fi , Bluetooth , IrDA , USB . Операционные системы для КПК аналогичны ОС для ноутбуков, но все же учитывают более жесткие ограничения КПК по объему оперативной памяти. В настоящее время для КПК широко используется ОС Windows Mobile – аналог Windows для мобильных устройств . До недавнего времени была также широко распространена PalmOS для органайзеров типа PalmPilot фирмы 3COM . Разумеется, для КПК имеется аппаратура и программное обеспечение для подключения к ноутбуку или настольному компьютеру с целью синхронизации данных, что обеспечивает дополнительную надежность .

Носимые компьютеры (wearable computers) – для повседневной жизни достаточно экзотические устройства, однако для специальных применений (например, встроенные в скафандр космонавта или в кардиостимулятор) они жизненно важны. Разумеется, их память и быстродействие значительно меньше, чем у настольных компьютеров, но критическим фактором является их сверхвысокая надежность , а для их операционных систем и прочего программного обеспечения – минимальное возможное время ответа (response time) – интервал , в течение которого система обрабатывает информацию от датчиков, от пользователя или из сети, превышение которого грозит катастрофическими последствиями. С этой точки зрения, ОС для носимых компьютеров можно отнести к системам реального времени.

Распределенные системы (distributed systems) – это системы, состоящие из нескольких компьютеров, объединенных в проводную или беспроводную сеть . Фактически, таковы ныне все компьютерные системы (вспомните девиз «Сеть – это компьютер «). Все операционные системы должны, таким образом, поддерживать распределенный режим работы, средства сетевого взаимодействие, высокоскоростную надежную передачу информации через сеть . Все эти вопросы подробно рассмотрены в данном курсе.

Системы реального времени (real-time systems) – вычислительные системы, предназначенные для управления различными техническими, военными и другими объектами в режиме реального времени. Характеризуются основным требованием к аппаратуре и программному обеспечению, в том числе к операционной системе: недопустимость превышения времени ответа системы, т.е. ожидаемого времени выполнения типичной операции системы. Для ОС требования реального времени накладывают весьма жесткие ограничения – например, в основном цикле работы системы недопустимы прерывания (так как они приводят к недопустимым временным затратам на их обработку). Системы реального времени – особая весьма серьезная и специфическая область, изучение которой выходит за рамки данного курса.

Приведенный обзор дает некоторое представление о разнообразии компьютерных систем в наше время. Для каждой из них должна быть разработана адекватная операционная система .

Когда мы используем компьютер, он работает, потому что он состоит из серии компьютерных элементов , начиная с операционной системы. Чтобы понять, как работает эта ОС, сначала необходимо узнать, что такое компьютерная система и как она состоит.

Важно помнить, что компьютерная система теперь стала очень важной частью для человека, учитывая, что в настоящее время все или почти все, что удается через компьютер . Поэтому невозможно представить себе общество отдельно от компьютера .

В соответствии с этим, здесь мы собираемся научить вас, что это такое, для чего оно? и как это работает? Компьютерная система компьютера и каковы все ее элементы.

Что такое компьютерная система и для чего она нужна?

компьютерная система или также известная под аббревиатурой SI, -это система, которая отвечает за хранение и обработку информации , которая генерируется на компьютере Для этого у него есть набор взаимосвязанных частей , таких как оборудование, программное обеспечение и пользователь. Все они необходимы для того, чтобы команда работала на человека.

Принимая во внимание, что именно пользователь требует обработанной информации и, кроме того, тот, кто имеет абсолютный контроль над всем, что происходит или выполняется в система Таким образом, ДА выполняет функцию сбора всех данных, их обработки и последующей передачи всей информации после ее Обработано на 100% .

Какие части составляют компьютерную систему?

Как мы уже упоминали, SI состоит из ряда элементов или частей, которые его составляют и которые абсолютно необходимы для его выполнения. Таким образом, он отвечает за возможность управлять аппаратными ресурсами и, в свою очередь, за возможность контролировать все приложения , чтобы пользователь мог получить наилучшие результаты.

Именно поэтому здесь мы расскажем о каждой из ее частей, таких как аппаратное и программное обеспечение .

Программное обеспечение

Этот компонент ДА состоит из набора программ, которые были созданы для выполнения определенного действия в системе. Эти действия могут быть выполнены одни и те же компьютерные компании или просто будут выполняться пользователями .

Другими словами, именно программы отвечают за предоставление инструкций компьютеру , чтобы он мог общаться и выполнять серию соответствующих действий. . В этом случае к программному обеспечению нельзя прикоснуться .

Также важно упомянуть, что этот компонент является логической частью компьютерной системы , поскольку именно он позволяет оборудованию функционировать . Следовательно, программное обеспечение состоит не только из программ , но также из информации пользователя и всех обрабатываемых данных , все это > нематериальный, то есть, что ничего из этого мы не можем увидеть или потрогать.

Аппаратное обеспечение

В отличие от программного обеспечения , когда мы ссылаемся на аппаратное обеспечение , мы просто говорим обо всем, что мы можем увидеть и коснуться на компьютере. Следовательно, это относится к физическим частям ПК , таким как микросхемы, принтеры, кабели, мониторы, планшеты, интегральные схемы, жесткий диск . >, среди многих других элементов.

Следовательно, компьютер-это компьютер, который отвечает за постоянную обработку информации в в очень короткие сроки . Если требуется программные инструкции , которые выполняются одним из устройств, подключенных к оборудованию, в этом случае аппаратное обеспечение . Как правило, эти компоненты выполняют следующие функции: ввод, обработка, хранение и вывод данных .

Прошивка

Он присутствует на любом компьютере, который состоит из аппаратного и программного обеспечения. Это относится к инструкциям компьютерной программы , которые хранятся во флэш-памяти или ПЗУ . Эти инструкции отвечают за настройку логики во время управления цепями какого-либо устройства.

Вот как прошивка является элементом аппаратного обеспечения , потому что она интегрирована в электронику. Однако он также считается частью программного обеспечения , поскольку он разработан на языке программирования . В случае прошивок они должны выполнять три конкретные функции для их хорошей производительности.

Какие существуют разные типы компьютерных систем?

В настоящее время существуют различные типы компьютерных систем , где каждая из них оказывает фундаментальное действие на работу электронной машины. Учитывая, что без них, почти никакая деятельность не может быть выполнена.

Из-за всех функций, которые они выполняют, важно, чтобы была классификация в соответствии с типом и его функцией. Поэтому здесь мы научим вас , как классифицировать SI, в настоящее время существует:

• Система поддержки принятия решений: Эти системы также известны как Система поддержки принятия решений или Система поддержки принятия решений или их сокращение DSS.

Он предназначен для выполнения процессов принятия решений и может использоваться руководством для решения проблем и обеспечения возможности выберите наиболее жизнеспособный вариант и сможете прогнозировать будущие сценарии и, таким образом, будьте готовы к любой ситуации:

• Система делового сотрудничества : также известная как Планирование корпоративных ресурсов или сокращенно ERP , они являются деловое сотрудничество используется большинством компаний по всему миру, поскольку различным компаниям легче управлять всей информацией, которая распространяется внутри компании .
• Информационная система для руководителей : эта система способна предоставить пользователям немедленный доступ ко всей важной информации, которая обрабатывается внутри компании , из внешних или внутренних источников . Вся эта информация обычно представлена ​​по-разному.

В основном все эти системы разрабатываются для того, чтобы генерировать информацию любого типа , которая способна удовлетворить проблемы пользователей и реагировать на них. То есть они становятся упрощенной версией , где представлены все операции, выполняемые в компании:

• Система обработки транзакций: . Эти компьютерные системы предназначены для управления всем, что связано с операционным уровнем компании . >. Это система, которая отвечает за обработку транзакций системы , которая хранит и обрабатывает все транзакции, сделанные в течение дня, и которые необходимы для правильной обработки компании.
• Система управления информацией: эти СИ могут управлять и хранить все многоуровневые данные , чтобы иметь возможность создать более четкое видение во время принятия решений . Он специализируется на генерации отчетов , которые предоставляют информацию для оперативного управления и контролируют все действия в процессе транзакций компании .
• Система управления бизнес-процессами: Эти системы отвечают за мониторинг, управление и контроль любого процесса индустриализации, который выполнять. Именно в этом типе компьютерной системы обрабатываются электронные датчики, подключенные к компьютерам , чтобы мог установить прямой контроль и в то же время иметь возможность контролируйте все процессы в машинах .

Как работает компьютер? Понимание основы его работы

Но для всего этого , кто отвечает за обработку всех этих входных и выходных данных внутри компьютера? То же самое обрабатывается микропроцессором или также называется ЦП. Это главным образом то, что он собирает все отправляемые данные, там они организуются и затем сохраняются , чтобы их можно было преобразовать в выходной элемент , который превращаются в информацию, понятную пользователю.

Также важно помнить, что обработка начинается с набора инструкций, которые получает процессор, , где он говорит вам, что делать. Это делается с помощью клавиатуры или любого другого компонента ввода . Самое важное в этом ДА заключается в том, что он очень гибкий , что позволяет машинам выполнять различные действия , для этого они загружают только программы хранения.

Существует достаточно много систем классификации компьютеров, каждая из которых применяется в зависимости от требований конкретного пользователя.

Требования пользователей к выполнению вычислительных работ удовлетворяются специальным подбором и настройкой технических и программных средств. Обычно эти средства взаимосвязаны и объединяются в одну структуру.

Структура — совокупность элементов и их связей.

Различают структуры технических, программных и аппаратно-программных средств. Выбирая ЭВМ для решения своих задач, пользователь интересуется функциональными возможностями технических и программных модулей

При этом пользователь интересуется не конкретной технической и программной реализацией отдельных модулей, а общими вопросами организации вычислений. Последнее включается в понятие архитектуры ЭВМ, содержание которого достаточно обширно.

Архитектура ЭВМ — это многоуровневая иерархия аппаратно-программных средств, из которых строится ЭВМ. Каждый из уровней допускает многовариантное построение и применение.

Конкретная реализация уровней определяет особенности структурного построения ЭВМ.

Детализацией архитектурного и структурного построения ЭВМ занимаются различные категории специалистов вычислительной техники. Инженеры — схемотехники проектируют отдельные технические устройства и разрабатывают методы их сопряжения друг с другом. Системные программисты создают программы управления техническими средствами, информационного взаимодействия между уровнями, организации вычислительного процесса. Программисты-прикладники разрабатывают пакеты программ более высокого уровня, которые обеспечивают взаимодействие пользователей с ЭВМ и необходимый сервис при решении ими своих задач.

Перечисленные специалисты рассматривают понятие архитектуры в более узком смысле. Для них наиболее важные структурные особенности сосредоточены в наборе команд ЭВМ, разграничивающем аппаратные и программные средства.

Пользователи ЭВМ рассматривают архитектуру через более высокоуровневые аспекты, касающиеся их взаимодействия с ЭВМ (человеко-машинного интерфейса), начиная со следующих групп характеристик ЭВМ, определяющих ее структуру:

— технические и эксплуатационные характеристики ЭВМ (быстродействие и производительность, показатели надежности, достовер-ности, точности, емкость оперативной и внешней памяти, габаритные размеры, стоимость технических и программных средств, особенности эксплуатации и др.);

— характеристики и состав функциональных модулей базовой конфигурации ЭВМ; возможность расширения состава технических и программных средств; возможность изменения структуры;

— состав программного обеспечения ЭВМ и сервисных услуг (операционная система или среда, пакеты прикладных программ, средства автоматизации программирования).

Важнейшими характеристиками ЭВМ являются быстродействие и производительность.

Эти характеристики тесно связаны.

Быстродействие характеризуется числом определенного типа команд, выполняемых ЭВМ за одну секунду.

Производительность — это объем работ (например, число стандартных программ), выполняемый ЭВМ в единицу времени.

Определение характеристик быстродействия и производительности представляет собой очень сложную инженерную и научную задачу, до настоящего времени не имеющую единых подходов и методов решения.

Одной из альтернативных 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 резко увеличивается удельный вес операций с плавающей точкой. Для больших однопроцессорных машин в этом случае используеться характеристика быстродействия, выраженная в MFPOPS (Million Floating Point Operations Per Second — миллион операций с плавающей точкой в секунду).

Для персональных ЭВМ этот показатель практически не применяется из-за особенностей решаемых задач и структурных характеристик ЭВМ.

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.

Надежность — это способность ЭВМ при определенных условиях выполнять требуемые функции в течение заданного времени (стандарт ISO (Международная организация стандартов) -2382/14-78). На надежность влияет компоновка компьютера и обеспечение требуемых режимов работы (охлаждение, защита от пыли).

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.

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.

Существуют три глобальные сферы деятельности человека, которые требуют использования качественно различных типов ЭВМ.

Первое направление является традиционным — применение ЭВМ для автоматизации вычислений. Отличительной особенностью этого направления является наличие хорошей математической основы. Вторая сфера применения ЭВМ связана с использованием их в системах управления. Она зародилась примерно в шестидесятые годы, когда ЭВМ стали интенсивно внедряться в контуры управления автоматических и автоматизированных систем. Такое применение вычислительных машин потребовало видоизменения их структуры. ЭВМ, используемые в управлении, должны были не только обеспечивать вычисления, но и автоматизировать сбор данных и распределение результатов обработки.

Одновременно со структурными изменениями ЭВМ происходило и качественное изменение характера вычислений. Доля чисто математических расчетов постоянно сокращалась, и на сегодняшний день она составляет около 10% от всех вычислительных работ. Машины все больше стали использоваться для новых видов обработки: текстов, графики, звука и др. Для выполнения этих работ в настоящее время применяются в основном ПЭВМ.

Третье направление связано с применением ЭВМ для решения задач искусственного интеллекта. Задачи искусственного интеллекта предполагают получение не точного результата, а чаще всего осредненного в статистическом, вероятностном смысле. Примеров подобных задач много: задачи робототехники, доказательства теорем, машинного перевода текстов с одного языка на другой, планирования с учетом неполной информации, составления прогнозов, моделирования сложных процессов и явлений и т.д.

В рамках этого направления во многих областях науки и техники создаются и совершенствуются базы данных и базы знаний, экспертные системы.

Статьи к прочтению:

Урок 7Классификация компьютерных сетей

Похожие статьи:

Программы — это упорядоченные последовательности команд. Конечная цель любой компьютерной программы — управление аппаратными средствами. Даже если на…

Операционная система составляет основу программного обеспечения ПК. Операционная система представляет комплекс системных и служебных программных средств,…

Читайте также:

  

• Условия формирования регулятивных ууд в средней школе

  

• Закономерности управления в менеджменте кратко

  

• Расскажи об условиях жизни в реке озере пруде кратко

  

• Стратегия социально экономического развития краснодарского края до 2030 года кратко

  

• Темы профилактики в школе

Характеристики ЭВМ

Важнейшими характеристиками ЭВМ служат быстродействие и производительность. Эти характеристики сильно связаны, но их не следует смешивать. Быстродействие характеризуется числом определенного типа команд, выполняемых ЭВМ за одну секунду. Производительность — это объем работ (например, число стандартных программ), выполняемый ЭВМ в единицу времени. Применительно к ПЭВМ в качестве относительной характеристики быстродействия используют значение тактовой частоты работы микропроцессора.

Другой важнейшей характеристикой ЭВМ является емкость запоминающих устройств. Емкость памяти измеряется количеством структурных единиц информации, которое может одновременно находиться в памяти. Наименьшей структурной единицей информации является бит — одна двоичная цифра. Как правило, емкость памяти оценивается в более крупных единицах измерения — байтах (байт равен восьми битам). Следующими единицами измерения служат 1 Кбайт = 210 байта = 1024 байта, 1 Мбайт = 210 Кбайта = 220 байта, 1 Гбайт = 210 Мбайта = 220 Кбайта = 230 байта. Обычно отдельно характеризуют емкость оперативной памяти и емкость внешней памяти. Этот показатель очень важен для определения, какие программные пакеты и их приложения могут одновременно обрабатываться в машине.

Надежность — это способность ЭВМ при определенных условиях выполнять требуемые функции в течение заданного периода времени. Высокая надежность ЭВМ закладывается в процессе ее производства. Переход на новую элементную базу сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) резко сокращает число используемых интегральных схем, а значит и число их соединений друг с другом. Хорошо продуманы компоновка компьютера и обеспечение требуемых режимов работы (охлаждение, защита от пыли). Модульный принцип построения позволяет легко проверять и контролировать работу всех устройств, проводить диагностику и устранение неисправностей.

Точность — возможность различать почти равные значения. 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 случаях применениях ЭВМ не требуется большой точности, например, при обрабатывании текстов и документов, при управлении технологическими процессами. В этом случае достаточно использовать 8 -16 -разрядные двоичные коды. При выполнении же сложных математических расчетов требуется использовать более высокую разрядность 32, 64 и более. Для работы с такими данными используются соответствующие структурные единицы представления информации (байт, слово, двойное слово). 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.

Принципы построения ПЭВМ

Основные принципы построения ЭЦВМ были сформулированы в 1947 г. Дж. фон-Нейманом и сохранили свое значение до настоящего времени. Важнейшими из них являются следующие. 1 принцип Для хранения информации в ЭВМ служит память, для обработки информации — процессор.

2 принцип Иерархическое построение памяти ЭВМ: память состоит из нескольких запоминающих устройств (ЗУ), различающихся емкостью и быстродействием. 3 принцип Для внутреннего хранения и преобразования числовой информации должна использоваться двоичная система счисления. Для характеристики объема информации при этом используется двоичный символ — бит, который может принимать значения: 0 или 1.

При больших объемах и при выполнении специфических машинных операций используются производные от бита единицы информации: • триада — 3 бита; • тетрада — 4 бита; • байт — 8 бит. Восьмибитная единица информации позволяет закодировать 256 различных символов. При большом объеме запоминающего устройства применяются производные от байта единицы информации: 1 Кбайт = 1024 байта; 1 Мбайт = 1024 Кбайт; 1 Гбайт = 1024 Мбайт; 1 Тбайт = 1024 Гбайт.

4 принцип Принцип адресности памяти: вся память разделена на ячейки, каждая из которых хранит одну единицу информации. Каждая ячейка имеет свой уникальный номер, который называется ее адресом. При обращении к памяти указывается адрес — т. е. номер ячейки, в которую нужно поместить или из которой нужно прочитать число. 5 принцип Арифметическое устройство ЭЦВМ должно строиться на основе единых схем для выполнения всех операций. В этом случае не требуется отдельных устройств для выполнения операций сложения, вычитания, умножения, и др. , что сокращает объем оборудования и его стоимость.

6 принцип Принцип программного управления: • работой ЭВМ управляет программа, состоящая из отдельных команд; • программа размещается вместе с данными в основной памяти ЭВМ; • каждая команда хранится в отдельной ячейке памяти (или группе смежных ячеек) и имеет свой адрес; • все команды имеют одинаковую структуру. Они состоят из двух частей: кода операции и адресной части. Код операции определяет, какую команду нужно выполнить. Адресная часть определяет, где хранятся операнды — т. е. обрабатываемые данные, и куда необходимо поместить результат операции. • все команды программы выполняются последовательно, команда за командой, в том порядке, как они записаны в памяти ЭВМ.

Для организации разветвлений, циклического выполнения участков программы, есть команды, нарушающие естественный порядок. К ним относятся: безусловная передача управления (или «безусловный переход»), условная передача управления (т. е. переход, если выполняется заданное условие), обращение к подпрограмме (т. е. «переход с возвратом»), циклические операции. При явном указании адреса следующей команды реализуется «принудительный» порядок следования команд. Он возможен только если программа размещается в доступной процессору части основной памяти. Поскольку при этом команды (с точки зрения процессора) ничем не отличаются от данных, в процессе выполнения программы ее команды можно изменять (модифицировать), что повышает гибкость программирования и универсальность ЭВМ.

Базовая аппаратная конфигурация ПЭВМ

Персональный компьютер — универсальная техническая система. Его конфигурацию (состав оборудования) можно гибко изменять по мере необходимости. Тем не менее, существует понятие базовой конфигурации, которую считают типовой. В таком комплекте компьютер обычно поставляется. Понятие базовой конфигурации может меняться. В настоящее время в базовой конфигурации рассматривают четыре устройства: • системный блок; • монитор; • клавиатуру; • мышь.

Системный блок

Системный блок представляет собой основной узел, внутри которого установлены наиболее важные компоненты. Устройства, находящиеся внутри системного блока, называют внутренними, а устройства, подключаемые к нему снаружи, называют внешними. Внешние дополнительные устройства, предназначенные для ввода, вывода и длительного хранения данных, также называют периферийными. По внешнему виду системные блоки различаются формой корпуса. Корпуса персональных компьютеров выпускают в горизонтальном (desktop) и вертикальном (tower) исполнении. Корпуса, имеющие вертикальное исполнение, различают по габаритам: полноразмерный (big tower), среднеразмерный (midi tower) и малоразмерный (mini tower). Среди корпусов, имеющих горизонтальное исполнение, выделяют плоские и особо плоские (slim). Рассмотрим внутренние устройства системного блока.

Материнская плата — общие сведения

Материнская плата — основная плата персонального компьютера. На ней размещаются: • процессор — основная микросхема, выполняющая большинство математических и логических операций; • микропроцессорный комплект (чипсет) — набор микросхем, управляющих работой внутренних устройств компьютера и определяющих основные функциональные возможности материнской платы; • шины — наборы проводников, по которым происходит обмен сигналами между внутренними устройствами компьютера; • оперативная память (оперативное запоминающее устройство, ОЗУ) — набор микросхем, предназначенных для временного хранения данных, когда компьютер включен; • ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) — микросхема, предназначенная длительного хранения данных, в том числе и когда компьютер выключен; • разъемы для подключения дополнительны устройств (слоты).

Системы, расположенные на материнской плате

Оперативная память

Оперативная память (RAM — Random. Access Memory) — это массив кристаллических ячеек, способных хранить данные. Существует много различных типов оперативной памяти, но с точки зрения физического принципа действия различают динамическую память (DRAM) и статическую память (SRAM). Ячейки динамической памяти (DRAM) можно представить в виде микроконденсаторов, способных накапливать заряд на своих обкладках. Это наиболее распространенный и экономически доступный тип памяти. Недостатки этого типа связаны, во-первых, с тем, что как при заряде, так и при разряде конденсаторов неизбежны переходные процессы, то есть запись данных происходит сравнительно медленно. Второй важный недостаток связан с тем, что заряды ячеек имеют свойство рассеиваться в пространстве, причем весьма быстро.

Ячейки статической памяти (SRAM) можно представить как электронные микроэлементы — триггеры, состоящие из нескольких транзисторов. В триггере хранится не заряд, а состояние (включен/выключен), поэтому этот тип памяти обеспечивает более высокое быстродействие, хотя технологически он сложнее и, соответственно, дороже. Микросхемы динамической памяти используют в качестве основной оперативной памяти компьютера. Микросхемы статической памяти используют в качестве вспомогательной памяти (так называемой кэш-памяти), предназначенной для оптимизации работы процессора.

Каждая ячейка памяти имеет свой адрес, который выражается числом. В настоящее время в процессорах Intel Pentium и некоторых других принята 32 -разрядная адресация, а это означает, что всего независимых адресов может быть 232. Таким образом, в современных компьютерах возможна непосредственная адресация к полю памяти размером 232 = 4 294 967 296 байт (4, 3 Гбайт). Однако это отнюдь не означает, что именно столько оперативной памяти непременно должно быть в компьютере. Предельный размер поля оперативной памяти, установленной в компьютере, определяется микропроцессорным комплектом (чипсетом) материнской платы и обычно составляет несколько сот Мбайт.

Оперативная память в компьютере размещается на стандартных панельках, называемых модулями. Модули оперативной памяти вставляют в соответствующие разъемы на материнской плате. Конструктивно модули памяти имеют два исполнения — однорядные (SIMM-модули) и двухрядные (DIMM-модули). На компьютерах с процессорами Pentium однорядные модули можно применять только парами (количество разъемов для их установки на материнской плате всегда четное), а DIMM-модули можно устанавливать по одному.

Основными характеристиками модулей оперативной памяти являются объем памяти и время доступа. SIMM-модули поставляются объемами 4, 8, 16, 32 Мбайт, а DIMM-модули — 16, 32, 64, 128 Мбайт и более. Время доступа показывает, сколько времени необходимо для обращения к ячейкам памяти — чем оно меньше, тем лучше. Время доступа измеряется в миллиардных долях секунды (наносекундах, нс). Типичное время доступа к оперативной памяти для SIMM-модулей — 50 -70 нс. Для современных DIMM-модулеи оно составляет 7 -10 нс.

Процессор

Процессор — основная микросхема компьютера, в которой и производятся все вычисления. Конструктивно процессор состоит из ячеек, похожих на ячейки оперативной памяти, но в этих ячейках данные могут не только храниться, но и изменяться. Внутренние ячейки процессора называют регистрами. Среди регистров процессора есть и такие, которые в зависимости от своего содержания способны модифицировать исполнение команд. На этом и основано исполнение программ. С остальными устройствами компьютера, и в первую очередь с оперативной памятью, процессор связан несколькими группами проводников, называемых шинами. Основных шин три: шина данных, адресная шина и командная шина.

Шины

Адресная шина. У процессоров Intel Pentium адресная шина 32 разрядная, то есть состоит из 32 параллельных линий. В зависимости от того, есть напряжение на какой-то из линий или нет, говорят, что на этой линии выставлена единица или ноль. Комбинация из 32 нулей и единиц образует 32 -разрядный адрес, указывающий на одну из ячеек оперативной памяти. К ней и подключается процессор для копирования данных из ячейки в один из своих регистров. Шина данных. По этой шине происходит копирование данных из оперативной памяти в регистры процессора и обратно. В компьютерах, собранных на базе процессоров Intel Pentium, шина данных 64 -разрядная, то есть состоит из 64 линий, по которым за один раз на обработку поступают сразу 8 байтов.

Шина команд. Для того чтобы процессор мог обрабатывать данные, ему нужны команды. Он должен знать, что следует сделать с теми байтами, которые хранятся в его регистрах. Эти команды поступают в процессор тоже из оперативной памяти, но не из тех областей, где хранятся массивы данных, а оттуда, где хранятся программы. Команды тоже представлены в виде байтов. Самые простые команды укладываются в один байт, однако, есть и такие, для которых нужно два, три и более байтов. В большинстве современных процессоров шина команд 32 разрядная, хотя существуют 64 -разрядные процессоры и даже 128 -разрядные.

Система команд процессора

В процессе работы процессор обслуживает данные, находящиеся в его регистрах, в поле оперативной памяти, а также данные, находящиеся во внешних портах процессора. Часть данных он интерпретирует непосредственно как данные, часть данных — как адресные данные, а часть — как команды. Совокупность всех возможных команд, которые может выполнить процессор над данными, образует так называемую систему команд процессора. Процессоры, относящиеся к одному семейству, имеют одинаковые или близкие системы команд. Процессоры, относящиеся к разным семействам, различаются по системе команд и невзаимозаменяемы.

Процессоры с расширенной и сокращенной системой команд

Чем шире набор системных команд процессора, тем сложнее его архитектура, тем длиннее формальная запись команды (в байтах), тем выше средняя продолжительность исполнения одной команды, измеренная в тактах работы процессора. Так, например, система команд процессоров Intel Pentium в настоящее время насчитывает более тысячи различных команд. Такие процессоры называют процессорами с расширенной системой команд — CISC-процессорами (CISC — Complex Instruction Set Computing). В противоположность СISC-процессорам в середине 80 -х годов появились процессоры архитектуры RISC с сокращенной системой команд (RISC — Reduced Instruction Set Computing). При такой архитектуре количество команд в системе намного меньше, и каждая из них выполняется намного быстрее.

Оборотная сторона сокращенного набора команд состоит в том, что сложные операции приходится эмулировать далеко не эффективной последовательностью простейших команд сокращенного набора. В результате конкуренции между двумя подходами к архитектуре процессоров сложилось следующее распределение их сфер применения: • CISC-процессоры используют в универсальных вычислительных системах; • RISC-npoцеccopы используют в специализированных вычислительных системах или устройствах, ориентированных на выполнение единообразных операций.

Совместимость процессоров

Если два процессора имеют одинаковую систему команд, то они полностью совместимы на программном уровне. Это означает, что программа, написанная для одного процессора, может исполняться и другим процессором. Процессоры, имеющие разные системы команд, как правило, несовместимы или ограниченно совместимы на программном уровне. Группы процессоров, имеющих ограниченную совместимость, рассматривают как семейства процессоров. Так, например, все процессоры Intel Pentium относятся к так называемому семейству х86. Все эти модели, и не только они, а также многие модели процессоров компаний AMD и Cyrix относятся к семейству х86 и обладают совместимостью по принципу «сверху вниз» . Принцип совместимости «сверху вниз» — это пример неполной совместимости, когда каждый новый процессор «понимает» все команды своих предшественников, но не наоборот.

Основные параметры процессоров

Основными параметрами процессоров являются: рабочее напряжение, разрядность, рабочая тактовая частота, коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты и размер кэш-памяти. Рабочее напряжение процессора обеспечивает материнская плата, поэтому разным маркам процессоров соответствуют разные материнские платы (их надо выбирать совместно). По мере развития процессорной техники происходит постепенное понижение рабочего напряжения. Понижение рабочего напряжения позволяет уменьшить расстояния между структурными элементами в кристалле процессора до десятитысячных долей миллиметра, не опасаясь электрического пробоя. Пропорционально квадрату напряжения уменьшается и тепловыделение в процессоре, а это позволяет увеличивать его производительность без угрозы перегрева.

Разрядность процессора показывает, сколько бит данных он может принять и обработать в своих регистрах за один раз (за один такт). Современные процессоры семейства Intel Pentium остаются 32 -разрядными, хотя и работают с 64 -разрядной шиной данных (разрядность процессора определяется не разрядностью шины данных, а разрядностью командной шины). В основе работы процессора лежит тот же тактовый принцип, что и в обычных часах. Исполнение каждой команды занимает определенное количество тактов. В персональном компьютере тактовые импульсы задает одна из микросхем, входящая в микропроцессорный комплект (чипсет), расположенный на материнской плате. Чем выше частота тактов, поступающих на процессор, тем больше команд он может исполнить в единицу времени, тем выше его производительность.

Первые процессоры х86 могли работать с частотой не выше 4, 77 МГц, а сегодня рабочие частоты некоторых процессоров уже превосходят 500 миллионов тактов в секунду (500 МГц). Тактовые сигналы процессор получает от материнской платы, которая, в отличие от процессора, представляет собой не кристалл кремния, а большой набор проводников и микросхем. По чисто физическим причинам материнская плата не может работать со столь высокими частотами, как процессор. Сегодня ее предел составляет 100 -133 МГц. Для получения более высоких частот в процессоре происходит внутреннее умножение частоты на коэффициент 3; 3, 5; 4; 4, 5; 5 и более.

Сверхоперативная память

Обмен данными внутри процессора происходит в несколько раз быстрее, чем обмен с другими устройствами, например с оперативной памятью. Для того чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают буферную область — так называемую кэш-память. Это как бы «сверхоперативная память» . Когда процессору нужны данные, он сначала обращается в кэшпамять, и только если там нужных данных нет, происходит его обращение в оперативную память. Принимая блок данных из оперативной памяти, процессор заносит его одновременно и в кэш-память.

Нередко кэш-память распределяют по нескольким уровням. Кэш первого уровня выполняется в том же кристалле, что и сам процессор, и имеет объем порядка десятков Кбайт. Кэш второго уровня находится либо в кристалле процессора, либо в том же узле, что и процессор, хотя и исполняется на отдельном кристалле. Кэш-память первого и второго уровня работает на частоте, согласованной с частотой ядра процессора. Кэш-память третьего уровня выполняют на быстродействующих микросхемах типа SRAM и размещают на материнской плате вблизи процессора. Ее объемы могут достигать нескольких Мбайт, но работает она на частоте материнской платы.

Микросхема ПЗУ и система BIOS

В момент включения компьютера в его оперативной памяти нет ничего — ни данных, ни программ, поскольку оперативная память не может ничего хранить без подзарядки ячеек более сотых долей секунды, но процессору нужны команды, в том числе и в первый момент после включения. Поэтому сразу после включения на адресной шине процессора выставляется стартовый адрес. Это происходит аппаратно, без участия программ. Процессор обращается по выставленному адресу за своей первой командой и далее начинает работать по программам. Этот исходный адрес не может указывать на оперативную память, в которой пока ничего нет. Он указывает на другой тип памяти — постоянное запоминающее устройство (ПЗУ).

Микросхема ПЗУ способна длительное время хранить информацию, даже когда компьютер выключен. Программы, находящиеся в ПЗУ, называют «зашитыми» — их записывают туда на этапе изготовления микросхемы. Комплект программ, находящихся в ПЗУ, образует базовую систему ввода-вывода (BIOS — Basic Input Output System). Основное назначение программ этого пакета состоит в том, чтобы проверить состав и работоспособность компьютерной системы и обеспечить взаимодействие с клавиатурой, монитором, жестким диском и дисководом гибких дисков. Программы, входящие в BIOS, позволяют нам наблюдать на экране диагностические сообщения, сопровождающие запуск компьютера, а также вмешиваться в ход запуска с помощью клавиатуры.

Энергонезависимая память CMOS

Для того чтобы начать работу с другим оборудованием, программы, входящие в состав BIOS, должны знать, где можно найти нужные параметры. Специально для этого на материнской плате есть микросхема «энергонезависимой памяти» , по технологии изготовления называемая CMOS. От оперативной памяти она отличается тем, что ее содержимое не стирается во время выключения компьютера, а от ПЗУ она отличается тем, что данные в нее можно заносить и изменять самостоятельно, в соответствии с тем. какое оборудование входит в состав системы. Эта микросхема постоянно подпитывается от небольшой батарейки, расположенной на материнской плате. Заряда этой батарейки хватает на то, чтобы микросхема не теряла данные, даже если компьютер не будут включать несколько лет.

В микросхеме CMOS хранятся данные о гибких и жестких дисках, о процессоре, о некоторых других устройствах материнской платы. Тот факт, что компьютер четко отслеживает время и календарь (даже и в выключенном состоянии), тоже связан с тем, что показания системных часов постоянно хранятся (и изменяются) в CMOS. Таким образом, программы, записанные в BIOS, считывают данные о составе оборудования компьютера из микросхемы CMOS, после чего они могут выполнить обращение к жесткому диску, а в случае необходимости и к гибкому, и передать управление тем программам, которые там записаны.

Шинные интерфейсы материнской платы Связь между всеми собственными и подключаемыми устройствами материнской платы выполняют ее шины и логические устройства, размещенные в микросхемах микропроцессорного комплекта (чипсета). От архитектуры этих элементов во многом зависит производительность компьютера.

ISA

Историческим достижением компьютеров платформы IBM PC стало внедрение почти двадцать лет назад архитектуры, получившей статус промышленного стандарта ISA (Industry Standard Architecture). Она не только позволила связать все устройства системного блока между собой, но и обеспечила простое подключение новых устройств через стандартные разъемы (слоты). Пропускная способность шины, выполненной по такой архитектуре, составляет до 5, 5 Мбайт/с, но, несмотря на низкую пропускную способность, эта шина продолжает использоваться в некоторых компьютерах для подключения сравнительно «медленных» внешних устройств, например звуковых карт и модемов.

EISA

Расширением стандарта ISA стал стандарт EISA (Extended ISA), отличающийся увеличенным разъемом и увеличенной производительностью (до 32 Мбайт/с). Как и ISA, в настоящее время данный стандарт считается устаревшим. После 2000 года выпуск материнских плат с разъемами ISA/EISA и устройств, подключаемых к ним, прекращается.

VLB

Название интерфейса переводится как локальная шина стандарта VESA (VESA Local Bus). Понятие «локальной шины» впервые появилось в конце 80 -х годов. Локальная шина, имеющая повышенную частоту, связала между собой процессор и память в обход основной шины. Впоследствии в эту шину «врезали» интерфейс для подключения видеоадаптера, который тоже требует повышенной пропускной способности, — так появился стандарт VLB, который позволил поднять тактовую частоту локальной шины до 50 МГц и обеспечил пиковую пропускную способность до 130 Мбайт/с. Основным недостатком интерфейса VLB стало то, что предельная частота локальной шины и, соответственно, ее пропускная способность зависят от числа устройств, подключенных к шине.

PCI

Интерфейс PCI (Peripheral Component Interconnect — стандарт подключения внешних компонентов) был введен в персональных компьютерах, выполненных на базе процессоров Intel Pentium. По своей сути это тоже интерфейс локальной шины, связывающей процессор с оперативной памятью, в которую врезаны разъемы для подключения внешних устройств. Для связи с основной шиной компьютера (ISA/ EISA) используются специальные интерфейсные преобразователи — мосты PCI (PCI Bridge). В современных компьютерах функции моста PCI выполняют микросхемы микропроцессорного комплекта (чипсета). Важным нововведением, реализованным этим стандартом, стала поддержка так называемого режима plug-and-play, впоследствии оформившегося в промышленный стандарт на самоустанавливающиеся устройства.

Его суть состоит в том, что после физического подключения внешнего устройства к разъему шины PCI происходит обмен данными между устройством и материнской платой, в результате которого устройство автоматически получает номер используемого прерывания, адрес порта подключения и номер канала прямого доступа к памяти. С появлением интерфейса РСI и с оформлением стандарта plugand-play появилась возможность выполнять установку новых устройств с помощью автоматических программных средств — эти функции во многом были возложены на операционную систему.

FSB

Шина PCI, появившаяся в компьютерах на базе процессоров Intel Pentium как локальная шина, предназначенная для связи процессора с оперативной памятью, недолго оставалась в этом качестве. Сегодня она используется только как шина для подключения внешних устройств, а для связи процессора и памяти, начиная с процессора Intel Pentium Pro используется специальная шина, получившая название front Side Bus (FSB). Частота шины FSB является одним из основных потребительских параметров — именно он и указывается в спецификации материнской платы. Пропускная способность шины FSB при частоте 100 МГц составляет порядка 800 Мбайт/с.

AGP

Видеоадаптер — устройство, требующее особенно высокой скорости передачи данных. Как при внедрении локальной шины VLB, так и при внедрении локальной шины PCI видеоадаптер всегда был первым устройством, «врезаемым» в новую шину. Сегодня параметры шины PCI уже не соответствуют требованиям видеоадаптеров, поэтому для них разработана отдельная шина, получившая название AGP (Advanced Graphic Port — усовершенствованный графический порт). Частота этой шины соответствует частоте шины PCI (33 МГц или 66 МГц), но она имеет много более высокую пропускную способность — до 1066 Мбайт/с (в режиме четырехкратного умножения).

PCMCIA

PCMCIA (Personal Computer Метолу Card International Association — стандарт международной ассоциации производителей плат памяти для персональных компьютеров). Этот стандарт определяет интерфейс подключения плоских карт памяти небольших размеров и используется в портативных персональных компьютерах.

USB

USB (Universal Serial Bus — универсальная последовательная магистраль). Это одно из последних нововведений в архитектурах материнских плат. Этот стандарт определяет способ взаимодействия компьютера с периферийным оборудованием. Он позволяет подключать до 256 различных устройств, имеющих последовательный интерфейс. Удобство шины состоит в том, что она практически исключает конфликты между различным оборудованием, позволяет подключать и отключать устройства в «горячем режиме» (не выключая компьютер) и позволяет объединять несколько компьютеров в простейшую локальную сеть без применения специального оборудования и программного обеспечения.

Функции микропроцессорного комплекта (чипсета)

Параметры микропроцессорного комплекта (чипсета) в наибольшей степени определяют свойства и функции материнской платы. В настоящее время большинство чипсетов материнских плат выпускаются на базе двух микросхем, получивших название «северный мост» и «южный мост» . «Северный мост» управляет взаимосвязью четырех устройств: процессора, оперативной памяти, порта AGP и шины PCI. Поэтому его также называют четырехпортовым контроллером. «Южный мост» называют также функциональным контроллером. Он выполняет функции контроллера жестких и гибких дисков, функции моста ISA — PCI, контроллера клавиатуры, мыши, шины USB и т. п.