лекции полностью

работают под управлением одного устройства управления. Это означает,

что множество данных может обрабатываться по одной программе, т.е.

по одному потоку команд. Высокое быстродействие такой архитектуры можно получить только на задачах, в которых одинаковые вычислительные операции выполняются одновременно на различных однотипных наборах данных. Структура таких компьютеров представлена на рис. 6.

Рисунок 6. Архитектура с параллельными процессорами

2.3.Структурная схема ПК фирмы IBM

Наибольшей популярностью пользуются компьютеры клона (архитектуры определенного направления) IBM, первые модели которых появились в 1981 году. Эта популярность объясняется тем, что фирма пошла по пути создания компьютера открытой архитектуры, то есть пользователь может по своему усмотрению изменить базовую конфигурацию ПК, в отличие, например, от компьютеров Macintosh фирмы Applе. С тех пор многие фирмы стали делать персональные компьютеры, похожие на компьютер IBM PC. Такие компьютеры стали называть IBM-совместимыми, поскольку на них установлен процессор фирмы Intel или его аналог других производителей. На IBM-совместимых компьютерах могут выполняться практически все программы, предназначенные для IBM PC. Узлы всех IBMсовместимых компьютеров взаимозаменяемы.

Среди компьютеров, не совместимых с IBM РС, наиболее известны компьютеры Macintosh фирмы Apple. Следует отметить, что в последнее время четко обозначились тенденции к взаимозаменяемости узлов и программ различных несовместимых компьютеров. Но пока остается главное отличие – это разные процессоры.

В основу архитектуры современных компьютеров положен магистрально-модульный принцип. Он позволяет потребителю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию. Модульная организация компьютера опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между устройствами (рис. 7).

Шина данных (8,16, 32, 64

бита)

Шина управления

Рисунок 7. Магистрально-модульное устройство компьютера

Магистраль (системная шина) включает в себя три многоразрядные шины: шину данных, шину адреса и шину управления, которые представляют собой многопроводные линии. К магистрали подключаются процессор и оперативная память, а также периферийные устройства ввода, вывода и хранения информации, которые обмениваются информацией на машинном языке (последовательностями нулей и единиц в форме электрических импульсов).

Шина данных. По этой шине передаются данные между различными устройствами. Например, считанные из оперативной памяти данные могут быть переданы процессору для обработки, а затем полученные данные могут быть отправлены обратно в оперативную память для хранения. Таким образом, данные по шине могут передаваться от устройства к устройству в любом направлении.

Разрядность шины определяется разрядностью процессора, т.е. количеством двоичных разрядов, которые могут обрабатываться или передаваться процессором одновременно. Разрядность процессоров постоянно растет по мере развития компьютерной техники.

Шина адреса. Выбор устройства или ячейки памяти, куда пересылаются или откуда считываются данные по шине данных, производит процессор. Каждое устройство или ячейка оперативной памяти имеет свой адрес. Адрес передается по адресной шине, причем сигналы по ней

передаются в одном направлении – от процессора к оперативной памяти и устройствам (однонаправленная шина).

Разрядность шины адреса определяет объем адресуемой памяти (адресное пространство), т.е. количество однобайтовых ячеек оперативной памяти, которые могут иметь уникальные адреса. Количество адресуемых ячеек памяти можно рассчитать по формуле: N = 2i, где i – разрядность шины адреса.

Разрядность шины адреса постоянно увеличивалась и в современных персональных компьютерах составляет 36 бит. Таким образом, максимально возможное количество адресуемых ячеек памяти равно 236 = 68 719 476 736.

Шина управления. По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали. Сигналы управления показывают, какую операцию – считывание или запись информации из памяти – нужно производить, синхронизируют обмен информацией между устройствами и так далее.

Процессор аппаратно реализуется на большой интегральной схеме (БИС). На самом деле она не является большой по размеру и представляет собой маленькую плоскую полупроводниковую пластину размером примерно 20х20 мм, заключенную в плоский корпус с рядами металлических штырьков (контактов). БИС является большой по количеству элементов.

Использование современных высоких технологий позволяет разместить на БИС процессора огромное количество (десятки и даже сотни миллионов) функциональных элементов (переключателей), размеры которых составляют всего около 0,06 микрон (1 микрон = 10-6 метра).

Фирмы Intel и AMD выпускают серию своих процессоров, которые отличаются по тактовой частоте, разрядности (32- и 64битные), типу и количеству процессорных ядер, по размеру кэша второго уровня, энергопотреблению, производительности и цене.

По внешнему виду персональные компьютеры могут различаться. Современный ПК может быть реализован в настольном (desktop), портативном (notebook) или карманном (handheld) вариантах, но компоненты, из которых состоят ПК, всегда одни и те же. У компьютера всегда есть клавиатура, монитор и системный блок. Обычно присутствует манипулятор с названием «мышь», с помощью которого выбираются и реализуются команды, выполняются рисунки на экране компьютера, и принтер для распечатывания текста или рисунков. В последнее время все чаще стали приобретаться модемы – устройства для связи компьютера по телефонным линиям.

Основные компоненты настольного компьютера находятся внутри системного блока: блок питания, материнская плата, винчестер, видеокарта и еще несколько контроллеров – небольших плат с микросхемами, которые

Информатика Пчелинцева Е.Г.

помогают управлять принтером, мышью, дисководами и другими устройствами.

Основным аппаратным компонентом компьютера является системная плата. Ее обычно называют материнской потому, что она является основной для всего компьютера. На ней реализована магистраль обмена информацией, имеются разъемы для установки процессора и оперативной памяти, а также разъемы (слоты) для установки контроллеров внешних устройств (Рис. 8).

Звуковая плата Сетевая плата

PCI Внутренний модем SCSI-контроллер

Рисунок 8. Логическая схема системной платы

Частота процессора, системной шины и шин периферийных устройств. Быстродействие различных компонентов компьютера (процессора, оперативной памяти и контроллеров периферийных устройств) может существенно различаться. Для согласования быстродействия на системной плате устанавливаются специальные микросхемы (чипсеты), включающие в себя контроллер оперативной памяти (так называемый северный мост) и контроллер периферийных устройств (южный мост).

Северный мост обеспечивает обмен информацией между процессором и оперативной памятью по системной шине. В процессоре используется внутреннее умножение частоты, поэтому частота процессора в несколько раз больше, чем частота системной шины. В современных ПК частота процессора может превышать частоту системной шины в 10 раз.

К северному мосту подключается шина PCI (Peripherial Component Interconnect bus – шина взаимодействия периферийных устройств), которая обеспечивает обмен информацией с контроллерами периферийных устройств. Частота контроллеров меньше тактовой частоты системной шины. Например, если частота системной шины составляет 100 МГц, то частота шины PCI обычно в три раза меньше – 33 МГц. Контроллеры периферийных устройств (звуковая плата, сетевая плата, SCSI-контроллер, внутренний модем) устанавливаются в слоты расширения системной платы.

По мере увеличения разрешающей способности монитора и глубины цвета требования к быстродействию шины, связывающей видеоплату с процессором и оперативной памятью, возрастают. В настоящее время для подключения видеоплаты обычно используется специальная шина AGP (Accelerated Graphic Port – ускоренный графический порт), соединенная с северным мостом и имеющая частоту в несколько раз большую, чем шина

PCI.

Южный мост обеспечивает обмен информацией между северным мостом и портами для подключения периферийного оборудования.

Устройства хранения информации (жесткие диски, CD-ROM, DVDROM) подключаются к южному мосту по шине UDMA (Ultra Direct Memory Access – прямое подключение к памяти).

Мышь и внешний модем подключаются к южному мосту с помощью последовательных портов, которые передают электрические импульсы, несущие информацию в машинном коде, последовательно один за другим. Обозначаются последовательные порты как COM1 и COM2, а аппаратно реализуются с помощью 25-контактного и 9-контактного разъемов на задней панели системного блока.

Принтер подключается к параллельному порту, который обеспечивает более высокую скорость передачи информации, чем последовательный, так как передает одновременно 8 электрических импульсов, несущих информацию в машинном коде. Обозначается параллельный порт как LPT, а аппаратно реализуется в виде 25-контактного разъема на задней панели системного блока.

Для подключения сканеров и цифровых камер обычно используется шина USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная шина), которая обеспечивает высокоскоростное подключение к компьютеру сразу нескольких периферийных устройств.

Клавиатура подключается обычно с помощью порта PS/2.

К основным характеристикам вычислительной техники относятся ее эксплуатационно-технические характеристики, такие как быстродействие, емкость памяти, точность вычислений и др.

Быстродействие компьютера рассматривается в двух аспектах. С одной стороны, оно характеризуется количеством элементарных операций, выполняемых центральным процессором в секунду. Под элементарной операцией понимается любая простейшая операция типа сложения,

сравнения и т.д. С другой стороны, быстродействие существенно зависит от организации памяти компьютера. Время, затрачиваемое на поиск необходимой информации в памяти, заметно сказывается на быстродействии. В зависимости от области применения выпускаются компьютеры с быстродействием от несколько сотен тысяч до миллиардов операций в секунду.

Более точную характеристику быстродействия компьютера дает тактовая частота, т.е. количество тактов в секунду. Такт – это промежуток времени между началами подачи двух последовательных импульсов специальной микросхемой – генератором тактовой частоты, синхронизирующим работу узлов компьютера. На выполнение процессором каждой базовой операции отводится определенное количество тактов, т.е. разные арифметические операции компьютер производит с разной скоростью, поэтому характеристика «количество операций в секунду» порождает вопрос «Каких операций?». Например, сложение выполняется за 10-12 тактов, умножение – за 60-80 тактов, а деление – за 100-120 тактов.

Ясно, что чем больше тактовая частота, тем больше операций в секунду выполняет процессор. Тактовая частота измеряется в мегагерцах (МГц) и гигагерцах (ГГЦ). 1 МГц равен миллиону тактов в секунду. За двадцать с небольшим лет тактовая частота процессора увеличилась почти в 500 раз: от 5МГц (процессор 8086, 1978 год) до 2,4 ГГЦ (процессор Pentium 4, 2002 год).

Другой характеристикой процессора, влияющей на его производительность, является разрядность, которая определяется количеством двоичных разрядов, обрабатываемых процессором одновременно. Часто уточняя разрядность процессора, пишут 64/36, это означает, что процессор имеет 64-разрядную шину данных и 36-разрядную шину адреса.

В первом отечественном школьном компьютере «Агат» (1985год) был установлен процессор, имевший разрядность 8/16. Следовательно, одновременно он обрабатывал 8 битов, а его адресное пространство составляло 64 килобайта. Современный Pentium 4 имеет разрядность 64/36, т.е. одновременно обрабатывает 64 бита, а его адресное пространство составляет 64 гигабайта.

Производительность процессора является его интегральной характеристикой, которая зависит от частоты процессора, его разрядности, а также особенностей архитектуры (наличия кэш-памяти и др.). Производительность процессора нельзя вычислить, она определяется в процессе тестирования по скорости выполнения процессором определенных операций в какой-либо программной среде.

Емкость, или объем памяти, определяется максимальным количеством информации, которое можно разместить в памяти компьютера. Обычно емкость памяти измеряется в килобайтах, мегабайтах или гигабайтах. Внутренняя, или оперативная, память по своему объему у

различных машин разная. Емкость внешней памяти из-за блочной структуры и съемных конструкций накопителей практически неограниченна.

Точность вычислений зависит от количества разрядов, используемых для представления одного числа. Современные компьютеры комплектуются 32или 64-разрядными микропроцессорами, что вполне достаточно для обеспечения высокой точности расчетов в самых разнообразных программах.

Система команд – это перечень команд, которые способен выполнить процессор. Система команд устанавливает, какие конкретно операции может выполнять процессор, какой вид (формат) должна иметь команда для ее распознавания. Количество основных разновидностей команд невелико. С их помощью компьютер способен выполнять операции сложения, умножения, деления, сравнения, записи в память, передачи данных, преобразования из одной системы счисления в другую и т.д. При необходимости выполняется модификация команд, учитывающая специфику вычислений. Обычно в компьютере используется от десятков до сотен команд с учетом их модификации.

Стоимость компьютера зависит от множества факторов, в частности от быстродействия, емкости памяти, системы команд и т.д. Большое влияние на стоимость оказывает конкретная комплектация, в первую очередь внешние устройства, входящие в состав машины.

Надежность вычислительной машины – это способность компьютера сохранять свои свойства при заданных условиях эксплуатации в течение определенного промежутка времени. Количественной оценкой надежности могут служить следующие показатели:

1)вероятность безотказной работы за определенное время при данных условиях эксплуатации;

2)наработка компьютера на отказ;

3)среднее время восстановления машины и др.

Вопросы для самоконтроля

1.По каким признакам можно разделять компьютеры на классы и виды?

2.Как эволюционировала элементная база компьютеров от поколения к поколению?

3.В какой последовательности возникали известные вам языки программирования?

4.Когда микрокомпьютеры стали доступны для широкого домашнего применения?

5.Можете ли вы связать понятия «яблоко», «гараж» и «компьютер»?

6.На основе каких технических элементов создавались компьютеры первого поколения?

7.Какую основную проблему перед разработчиками и пользователями выдвинул опыт эксплуатации компьютеров первого поколения?

8.Какая элементная база характерна для второго поколения компьютеров?

9.Какую функцию выполняет операционная система в процессе работы компьютера?

10.На какой элементной базе конструируются машины третьего поколения?

11.Из каких основных этапов состоит процесс изготовления микросхем?

12.Для каких поколений компьютеров характерно широкое использование интегральных схем?

13.Какое быстродействие характерно для машин четвёртого поколения?

14.Что подразумевают под «интеллектуальностью» компьютеров?

15.Какую задачу должен решать «интеллектуальный интерфейс» в машинах пятого поколения?

16.Какими особенностями должны обладать промышленные компьютеры?

17.Что такое операторский компьютерный интерфейс?

18.По каким основным признакам можно отличить мэйнфреймы от других современных компьютеров?

19.На какое количество пользователей рассчитаны мэйнфреймы?

20.Какие идеи лежат в основе архитектуры суперкомпьютеров?

21.На каких типах задач максимально реализуются возможности суперкомпьютеров?

22.Какие свойства и конструктивные особенности отличают векторные процессоры?

23.Назовите основные характеристики какого-либо суперкомпьютера. Что означают в переводе на русский язык названия Laptop, Notebook,

Palmtop?

отдельными компьютерами или сетью тех функциональных задач, которые на них возложены.

Системное обеспечение - неотъемлемая часть компьютера - включает базовое ПО и сервисное ПО.

Операционная система (ОС) создает среду для функционирования других программ.

Операционные оболочки – специальные программы, предназначенные для облегчения общения пользователя с командами ОС. Операционные оболочки имеют текстовый или графический интерфейс.

Наиболее популярные текстовые оболочки ОС MS DOS:

Norton Commander (фирма Symantec),

FAR,

Volkov Commander и др.

Эти программы существенно упрощают задание управляющей информации для выполнения команд ОС, уменьшают напряженность и сложность работы пользователя.

Графические оболочки MS DOS, такие как Windows 3.1 и Windows 3.11 for Work Group, позволяют изменить среду взаимодействия пользователя с компьютером, расширяют набор основных (диспетчер файлов, графический редактор, картотека и др.) и сервисных функций, обеспечивающих пользователю интегрированную информационную технологию вплоть до создания одноранговых локальных сетей.

Сетевые ОС – комплекс программ, обеспечивающий обработку, передачу и хранение данных в сети. Сетевая ОС предоставляет пользователю различные виды сетевых служб (управление файлами, электронная почта, процессы управления сетью), поддерживает работу в абонентских системах. Сетевые ОС используют архитектуру клиент-сервер или одноранговую архитектуру. Сначала сетевые ОС поддерживали лишь локальные вычислительные сети (ЛВС), сейчас эти ОС распространяются на ассоциации ЛВС (WinNT, Win95, NetWere).

Сервисное ПО организует комфортную работу пользователя. Сервисное программное обеспечение – это комплекс программ, которые позволяют обслуживать магнитные диски, создавать и использовать архивы, защищать компьютер от вирусных атак, предоставлять информацию о ресурсах компьютера, проводить диагностику работоспособности компьютера.

Системное ПО иногда называют общим, так как характер применения его не зависит от специфики предметной области. Иными словами, независимо от того, какие задачи вы собираетесь решать, у вас должно быть системное программное обеспечение.

Прикладное ПО – это инструмент для решения функциональных задач.

Сюда входят программные продукты, выполняющие обработку информации различных предметных областей. Состав прикладного ПО определяется характером решаемых задач и может быть весьма специфичным для отдельных предметных областей.