18) Этапы проектирования автоматизированных систем

Методики и средства проектирования автоматизированных систем (АС) и, в частности, САПР подразделяются на три крупных уровня, соответствующих созданию интегрированной корпоративной системы, отдельных автоматизированных систем проектирования и управления, программно-методических комплексов и компонентов автоматизированных систем.

Для каждого класса АС (САПР, ERP, геоинформационные системы и т.д.) можно указать фирмы, специализирующиеся на разработке программных (а иногда и программно-аппаратных) систем. Многие из них на основе одной из базовых технологий реализуют свой подход к созданию АС и придерживаются стратегии либо тотального поставщика, либо открытости и расширения системы приложениями и дополнениями третьих фирм.

В России действует государственный стандарт на стадии создания автоматизированных систем ГОСТ 34.601-90. Существует и международный стандарт на стадии жизненного цикла программной продукции (ISO 12207:1995). Как собственно АС, так и компоненты АС являются сложными системами и при их проектировании нужно использовать один из стилей проектирования:

• нисходящее проектирование (Top-of-Design); четкая реализация нисходящего проектирования приводит к спиральной модели разработки ПО, на каждом витке спирали блоки предыдущего уровня детализируются, используются обратные связи (альтернативой является так называемая каскадная модель, относящаяся к поочередной реализации частей системы);

• восходящее проектирование (Bottom-of-Design);

• эволюционное проектирование (Middle-of-Design).

Чаще всего применяют нисходящий стиль блочно-иерархического проектирования.

Рассмотрим этапы нисходящего проектирования АС.

Верхний уровень проектирования АС часто называют концептуальным проектированием. Концептуальное проектирование выполняют в процессепредпроектных исследований, формулировки ТЗ, разработки эскизного проекта и прототипирования (согласно ГОСТ 34.601-90, эти стадии называют формированием требований к АС, разработкой концепции АС и эскизным проектом).

Предпроектные исследования проводят путем анализа (обследования) деятельности предприятия (компании, учреждения, офиса), на котором создается или модернизируется АС. При этом нужно получить ответы на вопросы: что не устраивает в существующей технологии? Что можно улучшить? Кому это нужно и, следовательно, каков будет эффект? Перед обследованием формируются и в процессе его проведения уточняются цели обследования — определение возможностей и ресурсов для повышения эффективности функционирования предприятия на основе автоматизации процессов управления, проектирования, документооборота и т.п. Содержание обследования — выявление структуры предприятия, выполняемых функций, информационных потоков, имеющихся опыта и средств автоматизации. Обследование проводят системные аналитики (системные интеграторы) совместно с представителями организации-заказчика.

На основе анализа результатов обследования строят модель, отражающую деятельность предприятия на данный момент (до реорганизации). Ее называют моделью "As Is". Далее разрабатывают исходную концепцию АС. Эта концепция включает в себя предложения по изменению структуры предприятия, взаимодействию подразделений, информационным потокам, что выражается в модели "To Be" (как должно быть).

Результаты анализа конкретизируются в ТЗ на создание АС. В ТЗ указывают потоки входной информации, типы выходных документов и предоставляемых услуг, уровень защиты информации, требования к производительности (пропускной способности) и т.п. ТЗ направляют заказчику для обсуждения и окончательного согласования.

Эскизный проект (техническое предложение) представляют в виде проектной документации, описывающей архитектуру системы, структуру ее подсистем, состав модулей. Здесь же содержатся предложения по выбору базовых программно-аппаратных средств, которые должны учитывать прогноз развития предприятия.

В отношении аппаратных средств и особенно ПО такой выбор чаще всего есть выбор фирмы-поставщика необходимых средств (или, по крайней мере, базового ПО), так как правильная совместная работа программ разных фирм достигается с большим трудом. В проекте может быть предложено несколько вариантов выбора. При анализе выясняются возможности покрытия автоматизируемых функций имеющимися программными продуктами и, следовательно, объемы работ по разработке оригинального ПО. Подобный анализ необходим для предварительной оценки временных и материальных затрат на автоматизацию. Учет ресурсных ограничений позволяет уточнить достижимые масштабы автоматизации, подразделить проектирование АС на работы первой, второй и т.д. очереди.

После принятия эскизного проекта разрабатывают прототип АС, представляющий собой набор программ, эмулирующих работу готовой системы. Благодаря прототипированию можно не только разработчикам, но и будущим пользователям АС увидеть контуры и особенности системы и, следовательно, заблаговременно внести коррективы в проект.

Как на этапе обследования, так и на последующих этапах целесообразно придерживаться определенной дисциплины фиксации и представления получаемых результатов, основанной на той или иной методике формализации спецификаций. Формализация нужна для однозначного понимания исполнителями и заказчиком требований, ограничений и принимаемых решений.

При концептуальном проектировании применяют ряд спецификаций, среди которых центральное место занимают модели преобразования, хранения и передачи информации. Модели, полученные в процессе обследования предприятия, являются моделями его функционирования. В процессе разработки АС модели, как правило, претерпевают существенные изменения (переход от "As Is" к "To Be") и в окончательном виде модель "To Be" рассматривают в качестве модели проектируемой АС.

Различают функциональные, информационные, поведенческие и структурные модели. Функциональная модель системы описывает совокупность выполняемых системой функций. Информационная модель отражает структуры данных — их состав и взаимосвязи. Поведенческая модель описывает информационные процессы (динамику функционирования), в ней фигурируют такие категории, как состояние системы, событие, переход из одного состояния в другое, условия перехода, последовательность событий, осуществляется привязка ко времени. Структурная модель характеризует морфологию системы (ее построение) — состав подсистем, их взаимосвязи.

Содержанием последующих этапов нисходящего проектирования (согласно ГОСТ 34.601-90, это стадии разработки технического проекта, рабочей документации, ввода в действие) является уточнение перечней приобретаемого оборудования и готовых программных продуктов, построение системной среды, детальное инфологическое проектирование БД и их первоначального наполнения, разработка собственного оригинального ПО, которая, в свою очередь, делится на ряд этапов нисходящего проектирования. Эти работы составляют содержание рабочего проектирования. После этого следуют закупка и инсталляция программно-аппаратных средств, внедрение и опытная эксплуатация системы.

Особое место в ряду проектных задач занимает разработка проекта корпоративной вычислительной сети, поскольку техническое обеспечение АС имеет сетевую структуру.

Если территориально АС располагается в одном здании или в нескольких близко расположенных зданиях, то корпоративная сеть может быть выполнена в виде совокупности нескольких локальных подсетей, связанных опорной локальной сетью. Кроме выбора типов подсетей, связных протоколов и коммутационного оборудования приходится решать задачи распределения узлов по подсетям, выделения серверов, выбора сетевого ПО, определения способа управления данными в выбранной схеме распределенных вычислений и т.п.

Если АС располагается в удаленных друг от друга пунктах, в частности, расположенных в разных городах, то решается вопрос об аренде каналов связидля корпоративной сети, поскольку альтернативный вариант использования выделенного канала в большинстве случаев оказывается неприемлемым по причине высокой цены. Естественно, что при этом прежде всего рассматривается возможность использования услуг Internet. Возникающие при этом проблемы связаны с обеспечением информационной безопасности и надежности доставки сообщений.

19) Назначение процессора — управление вычислительным процессом и обработка данных в соответствии с заданной программой. Процессоры могут быть универсальными, способными решать широкий круг задач и специализированными, ориентированными на определенный узкий круг задач. Примером универсальных процессоров могут служить процессоры Pentium компании Intel, а к специализированным процессорам относятся процессоры графические, сигнальные, ввода/вывода и др.

Основная характеристика процессора — производительность или быстродействие. Используют несколько разных показателей производительности. Наиболее очевидным и исторически первым показателем производительности является быстродействие, измеряемое числом команд компьютера, выполняемых в единицу времени, т.е. измеряемое в Mips (1 Mips соответствует 10⁶ команд в секунду). При решении научно-технических задач характерно использование чисел с плавающей точкой, в этом случае более справедлива оценка производительности в Mflops, т.е. числом операций над числами с плавающей точкой в единицу времени.

Однако оценки в Mips или Mflops зависят не только от свойств компьютера, но и от особенностей решаемой задачи. Поэтому используют и другие показатели производительности. Так, быстродействие ПК обычно характеризуют тактовой частотой компьютера. В случае высокопроизводительных ВС быстродействие оценивают временем, затраченным на решение некоторых тестовых задач. Такими тестовыми задачами являются LINPACK, SPECint92, SPECfp92 и некоторые другие. Например, LINPACK — это пакет программ для решения систем линейных алгебраических уравнений. В набор базовых подпрограмм в LINPACK входят подпрограммы скалярного произведения векторов, умножения вектора на скаляр, сложения векторов.

20) Память компьютера предназначена для хранения информации и характеризуется следующими основными параметрами:

• объемом (емкостью), т.е. максимально возможным числом блоков данных, размещаемых в памяти;

• быстродействием, характеризуемым средним временем обращения к памяти (средним временем поиска, чтения и/или записи одного блока данных);

• ценой, отнесенной к одному блоку хранимых данных.

Память компьютера имеет иерархическую структуру в связи с тем, что в едином запоминающем устройстве не удается одновременно в должной мере удовлетворить требования большого объема памяти и высокого быстродействия. Поэтому обычно в состав процессора включают быстродействующуюкэш-память сравнительно малого объема (часто также разделяемую на два или три уровня), далее по мере роста объема и времени обращения к памяти выделяют оперативную память и внешнюю память.

Оперативная память представляет собой упорядоченный массив однобайтовых ячеек, каждая из которых имеет свой уникальный адрес (номер). Физически кэш и оперативная память в современных компьютерах, как правило, являются полупроводниковыми.

Для реализации внешней памяти используют магнитные и оптические принципы записи и чтения информации. Внешнюю память можно рассматривать как одномерное линейное адресное пространство, состоящее из последовательности байтов. В отличие от оперативной памяти, она является энергонезависимой, имеет существенно большую емкость и используется в качестве расширения основной памяти.

В зависимости от состава выполняемых операций различают несколько типов памяти. Память с произвольным доступом (операциями как чтения, так и записи) обычно обозначают RAM (Random Access Memory), время доступа и, следовательно, цикл обращения к любой ячейке RAM для записи или считывания информации не зависят от места расположения (адреса) ячейки в накопителе. В ЗУ с прямым доступом, к которым относятся ЗУ на дисках, обращение производится также в произвольном порядке, но не к ячейкам, а к блокам данных (файлам), обрамляемых специальными символами начала и конца. В ЗУ с последовательным доступом, характерным примером которого является ЗУ на магнитных лентах, информация хранится так же, как и в ЗУ на дисках, в виде блоков, которые в пределах одного носителя имеют последовательные адреса. Для доступа к какому-либо блоку по его заданному адресу последовательно ищется нужный том и далее просматриваются все номера блоков, пока не будет найден нужный блок.

В отличие от RAM, постоянная память ROM (Read Only Memory) предназначена только для чтения.

В качестве элементов оперативной памяти используют ячейки, представляющие собой конденсаторы. Заряженный конденсатор хранит "1", разряженный — "0". Во время считывания информации конденсаторы разряжаются. Кроме того, заряд в конденсаторе из-за утечки хранится ограниченное время (несколько миллисекунд). Поэтому необходима подзарядка, которая выполняется в процессе регенерации информации. Это обстоятельство обусловило название памяти подобного типа — динамическая память или DRAM (Dynamic RAM). Малые размеры и простота элементов DRAM позволяют получить довольно большую емкость памяти, но из-за затрат времени на регенерацию снижается быстродействие.

С целью повышения быстродействия DRAM разработано несколько модификаций этого типа памяти. Синхронная память типа SDRAM (Synchronous DRAM) отличается от асинхронной памяти типа DRAM тем, что такты работы памяти засинхронизированы с тактами работы процессора. Это позволяет исключить циклы ожидания, имеющие место в DRAM.

По сравнению с обычной SDRAM в памяти типа DDR SDRAM (Double Date Rate SDRAM) при одной и той же частоте шины памяти быстродействие удалось увеличить вдвое за счет того, что обращения к памяти происходят дважды за такт — как по переднему, так и по заднему фронту тактовых сигналов. В памяти типа DDR2 в отличие от DDR возможна работа на больших тактовых частотах. Например, в памяти DDR2-1066 при частоте шины 266 обеспечивается частота обращений к памяти 1066 МГц. Память типа DDR3 имеет меньшее потребление энергии по сравнению с DDR2.

В более быстрой статической памяти SRAM (Static RAM) элементами памяти являются бистабильные ячейки, при считывании информация не теряется и регенерация не требуется. Поэтому SRAM более быстродействующая память и используется в качестве кэш-памяти. Однако SRAM значительно дороже DRAM.

Память ROM может быть однократно программируемой, т.е. позволять лишь однократную первоначальную запись информации, или бытьперепрограммируемой памятью. В последнем случае различают виды памяти EPROM (Electrically Programmable ROM) и EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM), которая называется также флеш-памятью. Свойство репрограммируемости основано на использовании МОП-транзисторов с двумя затворами — основным и скрытым в слое диэлектрика (рис. 1). Подача импульса повышенного напряжения на МОП-транзисторы в ячейках, которые должны хранить нули, приводит к появлению на скрытом затворе электрического заряда, препятствующего образованию проводящего канала, что и отождествляется как хранение нуля. Состояние нуля сохраняется практически неограниченное время, но при перепрограммировании заряд ликвидируется с помощью внешнего ультрафиолетового облучения (в EPROM) или электрического импульса, подаваемого на затворы (в EEPROM). Ультрафиолетовое облучение приводит к постепенному изменению свойств полупроводника, поэтому память EPROM допускает лишь ограниченное число перепрограммирований, кроме того, перезапись происходит с сравнительно большими затратами времени. Поэтому в настоящее время основное внимание уделяется развитию памяти типа EEPROM.

21) В большинстве современных мониторов используются электронно-лучевые трубки, в которых свечение слоя люминофора, которым покрыт экран, происходит под действием его облучения потоком электронов, испускаемых нагретым катодом трубки. В растровых дисплеях электронный луч под действием отклоняющей системы трубки перемещается по горизонтали (строчная развертка) и вертикали (кадровая развертка), вызывая засветку всех точек (пикселей) экрана. В цветных мониторах имеется три луча, а каждый пиксель экрана состоит из трех близко расположенных точек, имеющих соответственно свечение красного, зеленого и синего (RGB) цвета. Интенсивность потока, а, следовательно, и яркость свечения регулируются напряжением, подаваемым на управляющие электроды. Цвет свечения каждого пиксела определяется яркостью свечения всех трех точек пиксела, поэтому, управляя интенсивностью потоков электронов во всех трех лучах, можно получить множество различных оттенков свечения.

Память видеосистемы имеет столько ячеек, сколько должно быть пикселей изображения, и в каждой ячейке записаны три  -разрядных двоичных числа, задающих интенсивность RGB лучей. Эти   значений преобразуются в электрический ток (напряжение), подаваемый на управляющие электроды. Развертка засинхронизирована с чтением данных из ячеек памяти, что и создает требуемое изображение на экране.

Основными параметрами мониторов являются разрешающая способность (число пикселей), полоса пропускания видеоусилителя, частоты кадровой и строчной разверток. Современные мониторы могут поддерживать частоту кадровой развертки 100 Гц (чем выше частота, тем меньше отрицательное влияние мерцания экрана) и разрешение до 1600×1200 пикселей.

Наряду с дисплеями на электронно-лучевых трубках все большее распространение получают жидкокристаллические дисплеи (LCD — Liquid Cristal Display). Экран LCD-дисплея представляет собой пространство между двумя стеклянными пластинами, заполненное жидкими кристаллами. Жидкие кристаллы способны под действием электрического поля изменять свою ориентацию и тем самым изменять свою способность отражать свет, создавая требуемое изображение.

Плазменные мониторы (газоразрядные экраны или панели) — устройства отображения информации, на основе явления электрического разряда в газе, возбуждающего свечение люминофора. Конструктивно представляет собой множество ячеек, наполненных неоном или ксеноном и помещенных между двумя стеклянными поверхностями, которые совмещены с системами прозрачных электродов. Подача напряжения на определенные электроды вызывает газовый разряд, в соответствующей ячейке появляется ультрафиолетовое излучение, которое, в свою очередь, инициирует видимое свечение люминофора. В цветных плазменных панелях для каждого пикселя имеется три ячейки с красным, зеленым и синим свечением.

Появились первые образцы стереоскопических мониторов, позволяющих без дополнительных стереоочков наблюдать трехмерные изображения.

Новый тип дисплеев создается на базе технологий FED (Field Emission Display), SED (Surface-conduction Electron-emitter Display) и NED (Nanotube Emissive Display), в которых как и в ЭЛТ используется свечение люминофора под действием потока электронов. Но в отличие от ЭЛТ, в SED-дисплеях для каждого пиксела имеется свой источник электронов - молибденовый конус диаметром около 200 нм. В NED-устройствах в качестве источников электронов используются углеродные нанотрубки.

Применение большого количества миниатюрных источников электронов позволяет сделать дисплеи гораздо более тонкими, легкими и экономичными по сравнению с устройствами на базе ЭЛТ. При этом SED-, FED- и NED-дисплеи обладают многими достоинствами систем на базе Созраняются преимущества дисплеев на ЭЛТ - высокий уровень яркости и контрастности изображения, большие углы обзора, точность цветопередачи, малая инерционность смены изображения. Недостаток: сложность и, следовательно, высокая стоимость производства.

22) Периферийные устройства компьютеров и вычислительных систем (ВС) делят на устройства ввода, устройства вывода и внешние запоминающие устройства. К устройствам ввода относятся клавиатура, мышь, сканер, дигитайзер. Устройства вывода представлены принтерами, плоттерами (графопостроителями), дисплеями.

Обычно в автоматизированных системах пользователи работают на автоматизированных рабочих местах (АРМ), представляющих собой ВС, в которой имеются компьютер с выходом в корпоративную сеть и необходимые периферийные устройства. Типичный состав устройств АРМ: персональный компьютер или рабочая станция с винчестером; устройства ввода-вывода, включающие, как минимум, клавиатуру, мышь, дисплей; дополнительно в состав АРМ могут входить принтер, сканер, плоттер и некоторые другие периферийные устройства.

АРМ различаются своей ориентацией на определенные группы проектных или бизнес процедур и соответственно типами и характеристиками вычислительного и периферийного оборудования. Так, в АРМ, предназначенных для САПР, ГИС и других приложений, требующих обработки графической информации, в дисплеях используются растровые мониторы с цветными трубками. Типичные значения характеристик мониторов находятся в следующих пределах: размер экрана по диагонали 17...24 дюйма (фактически изображение занимает площадь на 5...8 % меньше, чем указывается в паспортных данных). Разрешающая способность монитора, т.е. число различимых пикселей (отдельных точек, из которых состоит изображение), определяется шагом между отверстиями в маске, через которые проходит к экрану электронный луч в электронно-лучевой трубке. Этот шаг находится в пределах 0,21...0,28 мм, что соответствует количеству пикселей изображения от 800×600 до 1600×1200 и более. Чем выше разрешающая способность, тем шире должна быть полоса пропускания электронных блоков видеосистемы при одинаковой частоте кадровой развертки. Полоса пропускания видеоусилителя находится в пределах 110...150 МГц и потому частота кадровой развертки обычно снижается с 135 Гц для разрешения 640x480 до 60 Гц для разрешения 1600x1200. Отметим, что чем ниже частота кадровой развертки, а это есть частота регенерации изображения, тем заметнее мерцание экрана. Желательно, чтобы эта частота была не ниже 75 Гц.

Для ввода информации в ЭВМ используют дигитайзеры, интерактивные доски, сканеры, визуализаторы, цифровые видеокамеры (Web-камеры).

Дигитайзеры предназначены для ручного ввода графической информации, в настоящее время их применяют довольно редко. Дигитайзер имеет вид кульмана, по его электронной доске перемещается курсор, на котором расположен визир и кнопочная панель. Курсор имеет электромагнитную связь с сеткой проводников в электронной доске. При нажатии кнопки в некоторой позиции курсора происходит занесение в память информации о координатах этой позиции. Таким образом может осуществляться ручная "сколка" чертежей.

Интерактивная доска (smart board), называемая также интеллектуальной доской, позволяет пользователям выводить на поверхность доски содержимое файлов из памяти компьютера, Internet-источников, CD-ROM, редактировать выводимое изображение, наносить поверх него свои графические и текстовые фрагменты. Все, что пользователь нарисовал или написал на доске, будет сохранено в виде компьютерных файлов, может быть распечатано, послано по электронной почте, помещено в Web-страницу.

Интерактивные доски являются удобным средством представления, редактирования и сохранения учебных материалов, формируемых преподавателем непосредственно во время проведения учебных занятий. Кроме того, с помощью интерактивной доски преподаватель может управлять компьютером, выбирая нужные программы или файлы простым указанием на экранную кнопку на поверхности доски.

Для автоматического ввода информации с имеющихся текстовых или графических документов используют сканеры планшетного или протяжного типа и визуализаторы (документ-камеры). Способ считывания - оптический. В сканирующей головке сканера размещаются оптоволоконные самофокусирующиеся линзы и фотоэлементы. Разрешающая способность в разных моделях составляет от 300 до 2400 точек на дюйм (этот параметр часто обозначают dpi). Считанная информация имеет растровую форму, программное обеспечение сканера представляет ее в одном из стандартных форматов, например tiff, gif, pcx, jpeg, и для дальнейшей обработки может выполнить векторизацию - перевод графической информации в векторную форму, например, в формат dxf.

Визуализатор служит для считывания информации с документа и ее передачи на вход компьютера для сохранения в памяти (режим сканера) или на вход мультимедийного проектора для увеличенного изображения на экране во время презентаций или учебных занятий. В качестве документа могут использоваться не только плоские страницы с текстом, рисунками, чертежами, но и другие предметы, например, детали механических или электронных устройств сравнительно небольших размеров. Можно накладывать изображения с визуализатора на другие изображения, поступающие из компьютера.

Для съемки видеофрагментов с целью их последующего включения в мультимедийные учебные материалы используют цифровые видеокамеры.

Для вывода информации в виде твердых копий применяют принтеры и плоттеры (графопостроители). Первые из них ориентированы на получение документов малого формата (А3, А4), вторые - для вывода графической информации на широкоформатные носители.

В этих устройствах преимущественно используется растровый (т.е. построчный) способ вывода со струйной технологией печати. Печатающая система в струйных устройствах включает в себя картридж и головку. Картридж - баллон, заполненный чернилами (в цветных устройствах имеется несколько картриджей, каждый с чернилами своего цвета). Головка - матрица из сопел, из которых мельчайшие чернильные капли поступают на носитель. Физический принцип действия головки термический или пьезоэлектрический. При термопечати выбрасывание капель из сопла происходит под действием его нагревания, что вызывает образование пара и выбрасывание капелек под давлением. При пьезоэлектрическом способе пропускание тока через пьезоэлемент приводит к изменению размера сопла и выбрасыванию капли чернил. Второй способ дороже, но позволяет получить более высококачественное изображение.

Типичная разрешающая способность принтеров и плоттеров находится в пределах от 300 до 2400 dpi. Скорость печати в монохромном режиме от 10 до 18 страниц в минуту, в цветном режиме - несколько меньше.

Дигитайзеры, сканеры, принтеры, плоттеры могут входить в состав АРМ или разделяться пользователями нескольких рабочих станций в составелокальной вычислительной сети.

Вывод информации на экран увеличенных размеров, что требуется во время презентаций и учебных занятий, выполняется с помощью мультимедийных проекторов. Они отличаются от видеопроекторов тем, что воспринимают не видеосигналы, а цифровые сигналы от компьютера.

В жидкокристаллических проекторах изображение формируется при прохождении света через жидкокристаллические матрицы, управляемые информацией, считываемой из памяти компьютера. В современных мультимедийных проекторах, как правило, используют три матрицы, каждая для одного из цветов (красный, зеленый, синий).

В проекторах, построенных по технологии DLP (Digital Light Processing), изображение формируется в результате отражения света от множества миниатюрных зеркал, колеблющихся под воздействием информации, поступающей от компьютера. Зеркала соответствуют пикселам изображения. Чем ярче должен быть пиксел, тем большую часть периода колебаний соответствующее зеркало отражает свет на систему фокусировки и далее на экран. Оставшуюся часть периода луч направляется на светопоглощающее устройство. В одноматричных проекторах на пути отраженного луча света ставится светофильтр в виде вращающегося диска с секторами красного, зеленого и синего цветов. Частота переключения зеркал значительно выше частоты вращения светофильтра и каждому сектору диска соответствует свое распределение времен засветки экрана и светопоглощающего устройства. Для глаза человека засветка от всех секторов сливается и человек видит тот или иной цветовой оттенок практически без мерцания. В трехматричных проекторах для каждого из трех цветов используется своя матрица зеркал.

23) Связь различных устройств вычислительной системы между собой осуществляется с помощью шин. К шинам предъявляются требования высокого быстродействия (пропускной способности), высокой надежности и малой стоимости. Пропускная способность шины определяется объемом информации, передаваемой по шине в единицу времени, и равна произведению тактовой частоты шины на ее разрядность. Ширина шины определяется ее разрядностью, т.е. количеством линий, входящих в состав шины.

Шины могут быть нескольких профилей в зависимости от количества ведущих устройств, т.е. устройств, которые могут инициировать транзакции чтения или записи. При нескольких ведущих устройствах предоставление полномочий на захват шины осуществляет схема арбитража.

Различают синхронные и асинхронные шины. В синхронных шинах предполагается, что тактовые сигналы связываемых устройств засинхронизированы, поэтому возможно большее быстродействие, но при существенном ограничении длины шины. В асинхронных шинах используется старт-стопный режим передачи с предварительным запросом связи и согласием на нее.

В простейшем случае компьютер может иметь единственную шину, называемую системной. Однако применение единственной шины не позволяет распараллеливать операции обмена, кроме того, для ряда устройств оказываются не согласованными параметры быстродействия устройства и шины. Поэтому обычно используют иерархию шин. В современных персональных компьютерах имеются системная шина, связывающая процессор с оперативной памятью(и возможно с кэш-памятью второго уровня), шина связи с видеоадаптером, шина для подключения сетевого контроллера и быстрых внешних устройств и шина медленных устройств, таких как клавиатура, мышь, принтер и т.п.

В качестве шины для подключения графического контроллера используются последовательные шины AGP или PCI Express. Шина AGP (Accelerated Graphics Port) представляет собой канал передачи данных между видеокартой и оперативной памятью. . Поскольку эта шина соединяет только два устройства, то она является портом. Используется для ускорения обработки графических данных, подключается непосредственно с одной стороны к системному контроллеру, а с другой стороны к видеокарте. В современных материнских платах преимущественно испольуют PCI Express. В 2007 г. создан вариант PCI Express 2.0 с пропускной способностью одного соединения 5 Гбит/с, а модификация PCI Express 3.0 будет обладать пропускной способностью в 8 Гбит/с.

Шина PCI (Peripheral Component Interconnect) — шина ввода/вывода для подключения периферийных устройств к материнской плате компьютера. Иимеет 32- и 64-разрядный варианты. Одни и те же линии служат для передачи и адреса, и данных. Шина PCI используется для связи с быстродействующими устройствами, к числу которых относят сетевую карту, сканер и некоторые другие устройства. PCI — многомастерная шина, т.е. ведущими могут быть многие устройства. Ведущее устройство, захватывая шину, управляет ею, освобождая от этой работы центральный процессор.

Шина USB (Universal Serial Bus) — универсальная последовательная шина для связи компьютера как с среднескоростными, так и низкоскоростными периферийными устройствами. Для подключения устройств к шине USB используется четырёхпроводный кабель, при этом два провода (витая пара) в дифференциальном включении используются для приёма и передачи данных, а два провода — для питания периферийного устройства. К одному контроллеру шины USB можно подсоединить до 127 устройств по топологии "звезда". Пропускная способность USB 2.0 от 1,5 до 480 Мбит/с в зависимости от характеристик подклюячаемого устройства.

Шина ISA (Industry Standard Architecture) — 16-разрядная стандартная шина для подключения медленных устройств ввода/вывода таких, как мышь, клавиатура, модем и т.п. Ее тактовая частота 8,3 МГц. Использовалась в компьютерах прошлых поколений. Происходит передача функций ISA к шинам USB или 1394.

В настоящее время для связи различных устройств в вычислительных системах все более широкое применение находят последовательные шины.