Лекція 3 – Системне забезпечення інформаційних процесів. Апаратне забезпечення
На самостійне вивчення: Пристрої вводу (сканер, клавіатура, мишка)/виводу (принтер, монітор, плотер). Детально розглянути типи та характеристики принтерів, моніторів.
3.1. Архітектура пк
Комп'ютер - це електронний пристрій, що виконує операції введення інформації, зберігання та оброблення її за певною програмою, виведення одержаних результатів у формі, придатній для сприйняття людиною. За кожну з названих операцій відповідають спеціальні блоки комп'ютера.
Основні блоки ПК:
пристрій введення,
центральний процесор,
запам'ятовуючий пристрій,
пристрій виведення.
Реальна структура комп'ютера значно складніша, ніж розглянута вище (її можна назвати логічної структурою).
Рис. 3.1 - Логічна структура комп'ютера
Всі ці блоки складаються з окремих дрібніших пристроїв. Зокрема в центральний процесор входять арифметико-логічний пристрій (АЛП), внутрішній запам'ятовуючий пристрій у вигляді регістрів процесора та внутрішньої кеш-пам'яті, блок управління (БУ). Пристрій введення представлений комплексом окремих пристроїв. Це стосується і пристрою виведення.
Це принцип побудови найпростішого ПК, що відповідає архітектурі фон Неймана - американського вченого угорського походження Джона фон Неймана, який її запропонував. Архітектура комп'ютера - це опис структурних елементів ПК та принципів їх взаємодії між собою.
Фон Нейман сформував важливі принципи побудови обчислювальних машин, а саме:
Принцип двійкового кодування: вся інформація, яка надходить в ЕОМ, кодується за допомогою двійкових цифр (бітів), що сприяло більш швидкому та легкому виконанню арифметико-логічних операцій. Відмітимо, що раніше всі обчислювальні машини зберігали оброблювані числа в десятковому вигляді;
Принцип однорідності пам’яті. Особливістю ЕОМ І покоління було те, що програми задавалися шляхом установки перемичок на спеціальній панелі. Це було дуже трудомістким заняттям, електронні лампи виходили з ладу. Нейман першим здогадався, що програма може також зберігатися у вигляді набору нулів та одиниць, причому в тій же самій пам'яті, що й оброблювані нею дані. Тобто принцип передбачає збереження програм та оброблюваних ними даних разом в оперативній пам’яті.
Принцип програмного управління: програма складається з набору команд, які виконуються автоматично одна за одною процесором у певній послідовності. Це забезпечує автоматизацію процесу обчислень на ЕОМ.
Принцип довільного доступу до пам'яті: Згідно з цим принципом, елементи програм та даних можуть записуватися у довільне місце оперативної пам'яті, що складається з пронумерованих комірок. Довільне місце означає можливість звернутися до будь-якої заданої адреси (до конкретної ділянки пам'яті) без перегляду попередніх.
У сучасних комп'ютерах, зокрема персональних, все частіше здійснюється відхід від традиційної архітектури фон Неймана, зумовлений прагненням розробників та користувачів до підвищення продуктивності комп'ютерів.
Як результат, у галузі техніки та технологій відбувається принципове і конструктивне вдосконалення елементної бази комп'ютерів, тобто створення нових, більш швидких, надійних процесорів, запам'ятовуючих пристроїв, пристроїв введення-виведення і т.д. Проте, слід усвідомлювати, що швидкість роботи елементів неможливо збільшувати безмежно (існують обмеження, зумовлені фізичними законами). Тому розробники комп'ютерної техніки шукають вирішення цієї проблеми вдосконаленням архітекутри ЕОМ.
Так, з'явилися комп'ютери з багатопроцесорною архітектурою, в яких кілька процесорів працюють одночасно, а це означає, що продуктивність такого комп'ютера дорівнює сумі продуктивностей процесорів. У потужних комп'ютерах, призначених для складних інженерних розрахунків і систем автоматизованого проектування (САПР), часто встановлюють два або чотири процесори. У надпотужних ЕОМ (такі машини можуть, наприклад, моделювати ядерні реакції в режимі реального часу, передбачати погоду в глобальному масштабі) кількість процесорів досягає кількох десятків.
Існуючі архітектурні рішення ПК представлені на рис. 3.2.
Рис. 3.2 - Типи архітектур ЕОМ
Позначення: ПУ – пристрій управління; АЛУ – арифметико-логічний пристрій; ОЗП – оперативний запа’ятовуючий пристрій
Класична архітектура (архітектура фон Неймана) – найбільш поширена архітектура ПК. Фон Нейман, як один із розробників революційної ЕОМ ІІ покоління (ENIAC), запропонував певну структуру ЕОМ, що отримала назву «фон-нейманівської»: є один арифметико-логічний пристрій (АЛП), через який проходить потік даних, і один пристрій управління (ПУ), через який проходить потік команд — програма. Це однопроцесорний комп'ютер.
Багатопроцесорна архітектура. Наявність в комп'ютері декількох процесорів (які разом використовують спільну пам'ять і периферійні пристрої) означає, що паралельно може бути організоване багато потоків даних і багато потоків команд. Це сприяє надійності роботи ПК (адже вихід з ладу ЦП в фон-нейманівській архітектурі приводить до краху системи), підвищенню швидкодії. Таким чином, паралельно можуть виконуватися декілька фрагментів одного завдання. Отже, основна перевага мультипроцесора – його висока продуктивність, що досягається за рахунок паралельної роботи кількох процесорів. Завдяки існуванню спільної пам'яті, взаємодія процесорів відбувається дуже швидко.
Архітектура з паралельними процесорами складається з декількох арифметико-логічних пристроїв (АЛП), які працюють під управлінням одного пристрою управління (ПУ) або навпаки, з декількох ПУ, що направляють команди і дані до спільного АЛУ.
Найбільш поширеним є перший випадок. SIMD - один потік команд, багато потоків даних. SIMD (англ. single instruction, multiple data - одиночний потік команд, множинний потік даних) - принцип комп'ютерних обчислень, що дозволяє забезпечити паралелізм на рівні даних. SIMD-комп'ютери складаються з одного ПУ і декількох модулів обробки даних, званих АЛП.
Високу швидкодію такої архітектури можна отримати тільки на завданнях, в яких однакові обчислювальні операції виконуються одночасно на різних наборах даних.
Багатомашинна (розподілена) обчислювальна система. Тут декілька процесорів, що входять в обчислювальну систему, не мають загальної оперативної пам'яті, а мають кожен свою (локальну). Кожен комп'ютер в багатомашинній системі має класичну архітектуру, комп’ютери поєднані між собою мережею, що прихована від користувача.
Багатомашинна система - це обчислювальний комплекс, що включає в себе декілька комп'ютерів, а також програмні й апаратні засоби зв'язку комп'ютерів, що забезпечують роботу всіх комп'ютерів комплексу як єдиного цілого.
Робота будь-якої багатомашинної системи визначається двома головними компонентами:
системним програмним забезпеченням, що надає користувачам і додаткам прозорий доступ до ресурсів усіх комп'ютерів, які входять у комплекс;
високошвидкісним механізмом зв'язку процесорів;
До складу засобів зв'язку входять програмні модулі, функціональне призначення яких – розподіл обчислювального навантаження, синхронізація обчислень. Якщо відбувається відмова одного з комп'ютерів комплексу, його завдання можуть бути автоматично перепризначені і виконані на іншому комп'ютері.
Ідея об'єднати декілька розрізнених комп'ютерів у єдиний обчислювальний організм не нова. Але потрібно не тільки об'єднати, але і збалансовано завантажити всі робочі станції. Так і з’явився кластер – система з декількох комп'ютерів, що спільно працюють над однією загальною прикладною задачею.
Можна виділити типи кластерів:
Серверні кластери, які використовуються для запровадження мережевих сервісів. Головним завданням таких систем є розподілення та забезпечення балансу завантаження вузлів.
Обчислювальні кластери – використовуються для значних обчислень (наукові цілі, задачі візуалізації і ін.) і використовують специфічне програмне забезпечення.
Сьогодні кластери, в основному, використовують середовище ОС LINUX – найбільш популярного представника систем такого роду.