Kandaurova_N_Vychislitelnye_sistemy_seti_i_telekommunikatsii
.pdfРАЗДЕЛ 1. КУРС ЛЕКЦИЙ
Лекция № 1. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И АРХИТЕКТУРА КОМПЬЮТЕРОВ
1.1. Основные характеристики компьютеров
Компьютер – это комплекс технических и программных средств, предназначенный для автоматизации подготовки и решения задач пользователей [6, 10, 21, 23]. 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 компьютер для решения своих задач, пользователь интересуется общими вопросами организации вычислений. Это включается в понятие архитектуры компьютера.
Архитектура компьютера – это многоуровневая иерархия аппаратнопрограммных средств, из которых строится компьютер. Каждый из уровней допускает многовариантное построение и применение. Конкретная реализация уровней определяет особенности структурного построения компьютеров.
Важнейшими характеристиками компьютеров являются
быстродействие, производительность и тактовая частота.
Быстродействие – число команд, выполняемых компьютером за одну секунду. Производительность – число программ, выполняемых компьютером в единицу времени. Тактовая частота более объективно определяет быстродействие компьютера, т.к. каждая операция требует для своего выполнения вполне определенного количества тактов. Зная тактовую частоту, можно достаточно точно определить время выполнения любой компьютерной операции.
Единицей измерения быстродействия является MIPS (Million Instructions Per Second – миллион операций в секунду). Она определяется на коротких операциях типа сложения.
Для операций с плавающей точкой единицей измерения быстродействия является MFPOPS (Million Floating Point Operations Per Second – миллион операций с плавающей точкой в секунду).
Емкость запоминающих устройств измеряется количеством структурных единиц информации, которые одновременно можно разместить в памяти.
Наименьшей структурной единицей информации является бит – одна двоичная цифра (0 или 1). Как правило, емкость памяти оценивается в более крупных единицах измерения – байтах (1 байт = 8 бит). Следующими
10
единицами измерения служат: 1 Кбайт=210 байта=1024 байта; 1 Мбайт =210 Кбайта=220 байта; 1 Гбайт=210 Мбайта=220 Кбайта=230 байта.
Современные персональные компьютеры могут иметь емкость оперативной памяти 256-1024 Мб и больше. Емкость одной дискеты составляет 1,44 Мб. Емкость жесткого диска – сотни Гб. Емкость компактдиска (CD-ROM) – сотни Мб (700 Мб и выше). Емкость флэш-дисков (перезаписываемых ПЗУ) и DVD-дисков – единицы Гб.
Надежность – это способность компьютера при определенных условиях выполнять требуемые функции в течение заданного времени. Надежность компьютера оценивается временем наработки на отказ или вероятностью безотказной работы.
Точность – возможность различать почти равные значения. Точность результатов обработки определяется разрядностью компьютера – 8, 16, 32 и 64 двоичных разрядов. При обработке текстов и документов, при управлении технологическими процессами достаточно 8, 16 двоичных разрядов. ПК в основном 32-х разрядные. При выполнении сложных математических расчетов необходимо 32, 64 двоичных разряда.
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 аппаратнопрограммными средствами контроля самого компьютера. Возможны методы контроля достоверности путем повторных расчетов и сравнения результатов.
Габариты и масса компьютера также имеют большое значение. Стоимость является интегральной характеристикой компьютера, т.к.
учитывает в себе все основные характеристики.
1.2. Классификация компьютеров
Традиционно электронную вычислительную технику (ЭВТ)
подразделяют на аналоговую и цифровую.
В аналоговых вычислительных машинах (АВМ) обрабатываемая информация представляется соответствующими значениями аналоговых величин (в основном напряжения). Эти машины обеспечивают высокое быстродействие, но низкую точность вычислений. Поэтому используются сейчас редко, только для решения специализированных задач.
Под словом ЭВМ (постепенно заменѐнным словом компьютер) обычно понимают массовые универсальные цифровые вычислительные машины, в которых информация представляется двоичными кодами.
Существуют три глобальные сферы деятельности человека, которые требуют использования качественно различных типов компьютеров:
автоматизация вычислений;
использование в системах управления;
11
решение задач искусственного интеллекта.
Даже краткое перечисление областей применения компьютеров показывает, что для решения различных задач нужна соответственно и разная вычислительная техника.
Существует классификация средств ЭВТ, в основу которой положено их разделение по быстродействию [6, 10, 21, 23]:
суперЭВМ для решения крупномасштабных вычислительных задач и обслуживания крупнейших информационных банков данных;
большие ЭВМ для комплектования ведомственных, территориальных и региональных вычислительных центров;
средние ЭВМ широкого назначения для управления сложными технологическими производственными процессами. Компьютеры этого типа могут использоваться и для управления распределенной обработкой информации в качестве сетевых серверов;
персональные компьютеры, позволяющие удовлетворять индивидуальные потребности пользователей. На базе этого класса компьютеров строятся автоматизированные рабочие места (АРМ) для специалистов различного уровня;
встраиваемые микропроцессоры, осуществляющие автоматизацию управления отдельными устройствами и механизмами.
С развитием сетевых технологий начал использоваться другой классификационный признак, отражающий место и роль компьютеров в сети:
мощные машины и вычислительные системы;
кластерные структуры;
серверы;
рабочие станции;
сетевые компьютеры.
Мощные машины и вычислительные системы предназначаются для обслуживания крупных сетевых банков данных и банков знаний. По своим характеристикам их можно отнести к классу суперЭВМ, но в отличие от них они являются более специализированными и ориентированными на обслуживание мощных потоков информации.
Кластерные структуры представляют собой многомашинные распределенные вычислительные системы, объединяющие несколько серверов. Это позволяет гибко управлять ресурсами сети, обеспечивая необходимую производительность, надежность и другие характеристики.
Серверы – это вычислительные машины и системы, управляющие определенным видом ресурсов сети. Различают файл-серверы, серверы приложений, факс-серверы, почтовые, коммуникационные, Web-серверы и др.
Рабочие станции – абонентские пункты, ориентированные на работу профессиональных пользователей с сетевыми ресурсами. Этот термин отделяет их от ПК, обеспечивающих работу основной массы
12
непрофессиональных пользователей, работающих обычно в автономном режиме.
Сетевые компьютеры представляют собой упрощенные персональные компьютеры, вплоть до карманных ПК. Их основным назначением является обеспечение доступа к сетевым информационным ресурсам.
Требуемое количество суперЭВМ для отдельной развитой страны должно составлять 100-200, больших ЭВМ – тысячи, средних – десятки и сотни тысяч, ПК – миллионы, встраиваемых микро-ЭВМ – миллиарды. Все используемые компьютеры различных классов образуют машинный парк страны, жизнедеятельность которого и его информационное насыщение определяют успехи информатизации общества и научно-технического прогресса страны.
1.3. Развитие принципов построения компьютеров
Основным принципом построения всех компьютеров является программное управление. В основе его лежит представление алгоритма решения любой задачи в виде программы вычислений.
Алгоритм – совокупность правил, определяющая конечную последовательность действий, которые необходимо выполнить над исходной информацией, чтобы получить решение задачи. Программа – упорядоченная последовательность команд (инструкций) компьютера для решения задачи в соответствии с ранее разработанным алгоритмом.
Структурная схема компьютеров первых поколений [6, 23], отвечающая программному принципу управления, вытекает из последовательного характера преобразований, выполняемых по некотор ому алгоритму (программе), представлена на рисунке 1.1. На нѐм информационные цепи показаны сплошными линиями, а цепи сигналов управления – штриховыми линиями.
Рисунок 1.1 – Структурная схема компьютеров 1-го и 2-го поколений
В любом компьютере имеются устройства ввода (УВв) информации, с помощью которых пользователи вводят в него программы решаемых задач и данные. Введенная информация запоминается в оперативном запоминающем
13
устройстве (ОЗУ), а затем для длительного хранения переносится во внешнее запоминающее устройство (ВЗУ) в виде файла (программа, данные и т.п.).
При использовании файла в вычислительном процессе его содержимое переносится в ОЗУ. Затем программная информация команда за командой считывается в устройство управления.
Устройство управления (УУ) предназначается для автоматического выполнения программ путем принудительной координации работы всех остальных устройств компьютера. Вызываемые из ОЗУ команды последовательно дешифрируются устройством управления для получения кодов операций и адресов операндов.
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет арифметические и логические операции над данными. Основной частью АЛУ является операционный автомат, в состав которого входят сумматоры, счетчики, регистры, логические преобразователи и др. Результаты выполнения операций записываются в память. Результаты, полученные после выполнения всей программы вычислений, передаются на устройства вывода (УВыв) информации.
В компьютерах 3-го поколения [6, 23] произошло усложнение структуры за счет разделения процессов ввода-вывода информации и процесса ее обработки (рисунок 1.2).
Рисунок 1.2 – Структурная схема компьютера 3-го поколения
Сильно связанные устройства АЛУ и УУ получили название процессор. В структуре компьютера появились дополнительные устройства, которые стали называться: устройства ввода-вывода (УВВ), каналы вводавывода (КВВ). Наметилась тенденция к децентрализации управления и параллельной работе отдельных устройств, что позволило резко повысить быстродействие компьютеров.
КВВ делились на мультиплексные (МКВВ), способные обслуживать большое количество медленно работающих УВВ, и селекторные (СКВВ), обслуживающие в монопольных режимах скоростные ВЗУ.
В персональных компьютерах [6, 9, 10, 23] произошло дальнейшее изменение структуры (рисунок 1.3). Они унаследовали ее от мини-ЭВМ.
14
Соединение всех устройств в единую машину обеспечивается с помощью системной шины, представляющей собой линии передачи данных, адресов, сигналов управления и питания. Все передачи данных по шине осуществляются под управлением сервисных программ.
Ядро ПК образуют процессор и основная память (ОП), состоящая из оперативной памяти и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ). ПЗУ предназначается для записи и постоянного хранения наиболее часто используемых программ управления. Подключение всех внешних устройств (ВнУ): дисплея, клавиатуры, внешних ЗУ и др., обеспечивается через соответствующие адаптеры или контроллеры. Контроллеры в ПК играют роль каналов ввода-вывода. В качестве особых устройств следует выделить таймер – устройство измерения времени и контроллер прямого доступа к памяти (КПД) – устройство, обеспечивающее доступ к ОП, минуя процессор.
Рисунок 1.3 – Структурная схема ПК
Децентрализация построения и управления вызвала к жизни элементы структур современных компьютеров:
модульность построения;
магистральность;
иерархия управления.
Модульность построения предполагает выделение в структуре компьютера автономных, функционально и конструктивно законченных устройств (процессор, модуль памяти, накопитель на жестком или гибком магнитном диске и т.п.).
Подчиненные модули (контроллеры, адаптеры, КВВ) могут в свою очередь использовать магистрали или специальные шины для обмена информацией. Стандартизация и унификация привели к появлению иерархии шин и к их специализации. Из-за различий в скоростях работы отдельных устройств в структурах ПК появились:
системная шина – для взаимодействия основных устройств;
локальная шина – для ускорения обмена видеоданными;
периферийная шина – для подключения медленных периферийных устройств.
15
Иерархический принцип построения и управления характерен не только для структуры компьютера в целом, но и для отдельных его подсистем. Например, поэтому же принципу строится система памяти компьютера.
Децентрализация управления и структуры компьютера позволила перейти к более сложным многопрограммным (мультипрограммным)
режимам. При этом в компьютере одновременно может обрабатываться несколько программ пользователей.
1.4. Функции программного обеспечения компьютеров
Программное обеспечение (ПО) отдельных компьютеров и вычислительных систем (ВС) может сильно различаться составом используемых программ, режимами применения вычислительной техники, содержанием вычислительных работ пользователей и т.п. Развитие ПО современных компьютеров и ВС в значительной степени носит эволюционный характер, но можно выделить закономерности в его построении.
В общем случае процесс подготовки и решения задач на компьютере предусматривает выполнение следующей последовательности этапов [6, 23]:
1)формулировка проблемы и математическая постановка задачи;
2)выбор метода и разработка алгоритма решения;
3)программирование (запись алгоритма) с использованием операторов алгоритмического языка;
4)планирование и организация вычислительного процесса – порядка и последовательности использования ресурсов компьютера и ВС;
5)формирование машинной программы, которую непосредственно будет выполнять компьютер;
6)собственно решение задачи – выполнение вычислений по готовой программе.
По мере развития вычислительной техники автоматизация этих этапов идет снизу вверх. В компьютерах 1-го поколения автоматизации подлежал только шестой этап. Все пять предыдущих этапов пользователь должен был готовить вручную самостоятельно. Поэтому в компьютерах следующих поколений появились, сначала элементы, а затем целые системы, облегчающие процесс подготовки задач к решению.
Для компьютеров 2-го поколения характерно широкое применение алгоритмических языков (Автокоды, Алгол, Фортран и др.) и соответствующих трансляторов, позволяющих автоматически формировать машинные программы по их описанию на алгоритмическом языке. Здесь же широко стали внедряться библиотеки стандартных программ, что позволило строить машинные программы блоками.
Компьютеры 3-го поколенияхарактеризуются расцветом операционных систем [19], отвечающих за организацию и управление вычислительным процессом. Слово компьютер все чаще стало заменяться понятием
16
вычислительная система, что отражало усложнение, как аппаратной, так и программной частей компьютера
Операционная система (ОС) планирует последовательность распределения и использования ресурсов вычислительной системы, обеспечивает их согласованную работу. Под ресурсами обычно понимают средства, которые применяют для вычислений: машинное время отдельных процессоров или компьютеров, входящих в систему; объемы оперативной и внешней памяти; отдельные устройства, информационные массивы; библиотеки программ; отдельные программы как общего, так и специального применения и т.п. Функции ОС по обработке внештатных ситуаций (защита программ от взаимных помех, системы прерываний и приоритетов, служба времени, сопряжение с каналами связи и т.д.) были полностью или частично реализованы аппаратно. Одновременно были реализованы более сложные режимы работы: коллективный доступ к ресурсам, мультипрограммные режимы. Часть этих решений стала своеобразным стандартом и начала использоваться повсеместно в компьютерах различных классов. Это позволило в значительной степени повысить эффективность применения компьютеров и ВС в целом.
В компьютерах 4-го поколения [6, 19, 23] продолжается усложнение технических и программных структур (иерархия управления средствами, увеличение их количества). Следует отметить заметное повышение «интеллектуальности» машин. Особенно это стало видно при появлении персональных компьютеров, ориентированных на определенные категории пользователей. Программное обеспечение этих машин создает дружественную среду общения человека и компьютера. Оно управляет процессом обработки информации и создает необходимый сервис для работы пользователя.
Подобные тенденции будут сохраняться и в компьютерах последующих поколений. По мнению исследователей [6, 19, 23], компьютеры нынешнего столетия будут иметь встроенный в них «искусственный интеллект», что позволит пользователям обращаться к компьютерам (системам) на естественном языке, вводить и обрабатывать тексты, документы, иллюстрации, создавать системы обработки знаний и т.д. Все это приводит к необходимости разработки сложного иерархического ПО систем обработки данных.
1.5. Персональные компьютеры
Сегодня доля персональных компьютеров (ПК) в мировом парке составляет около 80%. Доли больших и средних ЭВМ (мини-ЭВМ) оцениваются примерно по 10%. Развитие ПК определяется экономическими факторами, т.к. стоимость единицы вычислительной мощности в них обходится значительно дешевле. Появление ПК закономерно и объясняется изменением характера вычислительных работ, в которых немаловажную роль играет нечисловая обработка [6, 9, 10, 23].
17
Большие ЭВМ в основном используются для централизованной обработки информации и крупномасштабных вычислений по программам, разработанным коллективами специалистов. Поэтому дорогие большие машины устанавливались в крупных академических вычислительных центрах.
Мини-ЭВМ стали использоваться для распределенной обработки данных и управления объектами, технологическими процессами, предприятиями.
Персональные компьютеры призваны решать в первую очередь те задачи, которые возникают у специалистов различного профиля в определенные моменты времени, непосредственно на рабочих местах.
При этом самым распространенным режимом работы является режим непосредственного доступа пользователя к ресурсам ПК. За персональным компьютером сейчас находится специалист конкретной предметной области (бухгалтер, экономист, дизайнер, инженер-исследователь и т.п.).
Фирмы-разработчики программного обеспечения не могут предоставить каждому пользователю ПК требуемый набор программ. Их усилия сосредоточены на производстве пакетов прикладных программ и систем программирования, рассчитанных на массового пользователя. Они составляют фундамент для последующей разработки собственных программ пользователя, учитывающих всю специфику требуемых вычислений.
Применение ПК позволяет сделать труд специалистов творческим, интересным, эффективным. Персональные компьютеры используются повсеместно, во всех сферах деятельности людей. Новые сферы применения изменили и характер вычислительных работ. Так, инженерно-технические расчеты составляют не более 9%, автоматизация управления сбытом, закупками, управление запасом – 16%, финансово-экономические расчеты – 15%, делопроизводство – более 10%, игровые задачи – 8% и т.д.
Причинами стремительного роста индустрии персональных компьютеров следует считать:
высокую эффективность применения по сравнению с другими классами компьютеров при малой стоимости;
возможность индивидуального взаимодействия с ПК без каких-либо посредников и ограничений;
большие возможности по обработке информации;
высокую надежность и простоту в эксплуатации;
возможность расширения и адаптации к особенностям применения;
наличие ПО для всех сфер человеческой деятельности;
наличие мощных систем для разработки нового ПО;
простоту использования ПК с помощью пакетов прикладных
программ.
Подключение ПК к вычислительным сетям еще больше усиливает эффективность их применения.
18
ПК выпускаются целыми семействами, что позволяет перекрыть достаточно широкий диапазон производительности, обеспечить преемственность в разработках и возможность совершенствования систем обработки данных, построенных на их основе. Современные ПК строятся на СБИС. Почти 80% парка ПК комплектуются микропроцессорами Pentium (фирмы Intel) различных модификаций.
Различают младшие, средние и старшие модели ПК. В основу такого деления положены особенности комплектации компьютера и обеспечиваемые этим его возможности.
Одной из основных характеристик ПК является тип используемого в нем микропроцессора. Рынок микропроцессоров очень динамичен. Каждые год-два происходит обновление их основных типов. Разработчики микропроцессоров фирмы: Intel, AMD, Apple, Motorola, IBM, Oracle, Sun, Philips и др.
Сетевой компьютер (СК) также относится к персональной технике. Применение СК позволяет аккумулировать вычислительные мощности и все виды вычислительных услуг на серверах в сетях компьютеров. В связи с этим отпадает необходимость каждому пользователю иметь собственные автономные средства обработки. Очень многие из них могут обращаться к вычислительным ресурсам сетей при помощи простейших средств доступа – сетевых компьютеров. Необходимая информация и нужные виды ее обработки будут выполнены серверами сети, а пользователи получают уже готовые, требуемые им результаты. Сетевые компьютеры обеспечивают:
резкое снижение стоимости владения вычислительными средствами предприятия, фирмы, корпорации;
повышение производительности работы пользователей при одновременном снижении расходов на обслуживание;
упрощение процессов администрирования, настройки, защиты,
модернизации и т.п.
Собственные средства обработки в СК представлены достаточно слабо или вообще отсутствуют. Основу СК составляет весьма скромный по своим возможностям встроенный микропроцессор или блок управления. По сути СК это периферийное устройство вычислительной сети типа терминал.
Чаще всего под СК понимают достаточно дешевый компьютер с малой оперативной памятью, с отсутствием жесткого и гибкого дисков и со слабым программным обеспечением. Стоимость СК значительно ниже стоимости ПК. В соответствии с возможностями СК по представлению данных, выполнению отдельных простейших программ и приложений их можно классифицировать следующим образом:
Windows-терминалы – настольные и мобильные ПК с запуском приложений на сервере и получением от него данных;
простейшие универсальные СК – настольные ПК с доступом к различным сетевым ресурсам. Практически все требуемые пользователям программы должны выполняться на сервере;
19