Основы информатики

Кирьянов Б.Ф. Основы информатики. 51

Рис. 3.1. Разновидности структур вычислительтных систем

Рис. 3.2. Структура ЭВМ первого и второго проколений

(УВв – устройство ввода, ОЗУ – опертивное ЗУ, УВыв – устройство вывода, ВЗУ – внешнее ЗУ, АЛУ – арифметико-логическое устройство, УУ – устройство управления, ГТИ – генератор тактовых импульсов)

В основу архитектуры современных персональных компьютеров (ПК) положен магистрально-модульный принцип соединения различных модулей вычислительной системы, иллюстрируемый на рис. 3.3. Благодаря этому принципу упростилась замена модулей ЭВМ, а потребитель получил возможность сам комплектовать компьютер нужной ему конфигурации и производить при необходимости ее модернизацию.

При магистрально-модульном принципе построения ЭВМ все модули подключаются к магистралям (к системным шинам), которые представляют собой набор электронных линий, связывающих центральный процессор, основную память и периферийные устройства воедино для передачи данных, служебных сигналов и адресации памяти. В настоящее время практически все ЭВМ разрабатываются в соответствии с указанным принципом их структуры.

Кирьянов Б.Ф. Основы информатики. 52

Рис. 3.3. Магистрально-модульная структура ЭВМ

На рис. 3.4 приведѐн вариант структуры центрального процессора, основными устройствами которого являются центральное устройство управления (ЦУУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ). В ЦУУ входят регистр команды (РК), состоящий из 2-4 частей, число которых зависит от количества адресов в машинной команде (на рисунке приведѐн РК для 3-адресных машинных команд). Левая часть РК (Рег. Коп) служит для записи кода операции.

Рис. 3.4. Вариант структуры центрального процессора

Код операции поступившей из ОЗУ команды расшифровывается дешифратором кода операции (Деш. Коп), который запускает устройство формирования управляющих сигналов (УС) для выдачи последовательности сигналов,

Кирьянов Б.Ф. Основы информатики. 53

обеспечивающих выполнение данной операции. С помощью этих сигналов, выдаваемых на шину управления, открываются и закрываются входные и выходные ключи различных устройств, например, − шин передачи адресов и данных.

Всчетчике команд (Сч. ком.) во время выполнения текущей машинной команды находится еѐ номер (адрес в ОЗУ). Обычно команды машинной программы записываются в последовательные ячейки ОЗУ. В этом случае перед считыванием из ОЗУ очередной команды к содержимому счѐтчика добавляется единица. При необходимости перехода на выполнение команд, расположенных

вдругой части ОЗУ (например, начиная с номера N), в счѐтчик команд записывается номер первой из указанных команд. Поэтому команды из ОЗУ начинают вызываться начиная с команды, записанной в ячейке с номером N.

Разновидности архитектуры процессоров (компьютеров): CISC – Complex Instruction Set Computing (процессор с расширенной системой команд), RISC – Reduced … (процессор с сокращенной системой команд), MIMD – (multiple-inst- ruction stream, multiple-data stream) с конвейерной обработкой, при которой од-

новременно могут выполняться 2 ’ 3 команды (п. 3.3). Основные характеристики процессоров являются объем встроенной кэш памяти, тактовая частота и разрядность.

В21-м веке появились и ВС, состоящие из нескольких ЭВМ. При этом связь между отдельными ЭВМ чаще всего осуществляется по сети Internet. Цель объединения ЭВМ в вычислительные системы состоит в стремлении повысить производительность вычислительных средств при решении соответствующих задач, а также − расширить круг решаемых задач.

3.2. Классификация ЭВМ

Существует несколько классификаций ЭВМ, отличающихся признаком, по которому они классифицируются. Например, по уровню специализации –

универсальные и специализированные. Специализированные компьютеры, объ-

единяющие компьютеры предприятия в одну сеть, называют файловыми серверами, компьютеры, обеспечивающие передачу информации между различными участниками всемирной компьютерной сети, называют сетевыми серверами. Файл – это последовательность произвольного числа байтов, которой присвоено какое-либо имя. Путь доступа к файлу включает в себя все имена каталогов (папок), через которые он проходит. Сервер – это источник данных, в большинстве случаев поступающих на него извне, и являющийся

Кирьянов Б.Ф. Основы информатики. 54

также перевалочно-распределительным компьютером с функциями контроля. Обычно серверы выполняют функции защиты компьютеров, отсеивая поступающие на них ―заражѐнные файлы‖.

Остановимся подробнее только на классификации по назначению – наиболее ранней классификации, используемой и в настоящее время. Согласно этой классификации компьютерная техника подразделяется на следующие раз-

новидности: большие ЭВМ, мини-ЭВМ, микро-ЭВМ и персональные компьютеры (ПК).

Рис. 3.5. Структура вычислительного центра конца 19-го – начала 20-го века

Большие ЭВМ являются самыми мощными компьютерами, которые за рубежом называют мэйнфреймами (mainframe). На базе таких суперкомпьютеров создают вычислительные центры крупных предприятий и объединений, включающие в себя несколько отделов или групп (рис. 3.5).

Мини-ЭВМ. Область их применения – управление производственными процессами, одновременно обычно можно решать и другие задачи, например, обслуживание бухгалтерии отдела сбыта и др. Обычно на базе этих ЭВМ тоже создаются вычислительные центры.

Кирьянов Б.Ф. Основы информатики. 55

Микро-ЭВМ. Этот класс компьютеров предназначен для более мелких предприятий. Обслуживающие их программисты обычно выполняют функции как системных, так и прикладных программистов. Возможно их применение как персональных ЭВМ.

Персональные компьютеры (ПК). За последние годы они получили бурное развитие. До последнего времени их разделяли на бытовые и профессиональные. Бытовые имели меньшую производительность, но в них были приняты особые меры для работы с цветной графикой и звуком, чего не требовалось для профессиональных моделей. Но в последние годы в связи с постоянным усложнением ПК это различие в значительной степени исчезло. В настоящее время ―профессиональность‖ стараются обеспечить соответствующим программным обеспечением.

В настоящее время практически все ПК являются компьютерами 4-го поколения. Большинство их базируется на основе микропроцессора Pentium-4. Непрерывно увеличивается количество многоядерных персональных компьютеров.

3.3. Конфигурация вычислительных систем

Под конфигурацией ВС понимают еѐ состав. В неѐ входят аппаратные и программные средства, то есть она подразделяется на аппаратную и программную конфигурацию. Нередко решение одних и тех же задач можно обеспечить как аппаратными, так и программными средствами. Критериями выбора этих средств являются производительность и эффективность. Производительность

– это общее количество работы, которое машина может выполнить за определѐнное время (это – не время решения какой-либо типовой задачи). Эффективность оценивается временем выполнения типовой задачи. Обычно для сравнения эффективности разных ЭВМ выбирается одна и та же ―подходящая для указанной цели‖ задача.

Исторически ЭВМ прошли стадии однопроцессорных, с конвейерной обработкой и переходят к стадии многопроцессорных (многоядерных), позволяющих параллельно выполнять несколько задач.

Усовершенствованием архитектуры однопроцессорной ЭВМ является архитектура, позволяющая выполнять так называемую конвейерную обработку информации. Такая архитектура позволяет повысить производительность ЭВМ при той же частоте генератора тактовых импульсов.

Кирьянов Б.Ф. Основы информатики. 56

В типовом случае выполнение одной команды в однопроцессорной ЭВМ состоит из следующих шагов (микроопераций):

1.IF (Instruction Fetch) − считывание команды в процессор;

2.ID (Instruction Decoding) − декодирование команды;

3.OR (Operand Reading) − считывание операндов;

4.EX (Executing) − выполнение команды;

5.WB (Write Back) − запись результата.

При конвейерной обработке допускается перекрытие времени выполнения команд. В частности, пока выполняется одна команда можно выбрать из памяти другую команду, выполнять соответствующие операции ввода-вывода и т.д. Это означает, что несколько команд могут находиться на «конвейере», то есть в стадии выполнения, одновременно, причем каждая на различной стадии обработки. Поэтому общая производительность машины возрастает, даже если время, необходимое для выполнения каждой отдельной команды, остаѐтся прежним. Конечно, если встречается команда перехода, то предварительно выбранная из памяти команда не будет выполняться.

Конвейерную обработку можно считать первым шагом к параллельной обработке, при которой несколько действий выполняются одновременно с помощью нескольких процессоров на многопроцессорных машинах.

Однопроцессорные ЭВМ, не обладающие возможностью конвейерной обработки, называют SISD-машинами (single-instruction stream, single data stream – машины с одним потоком команд и одним потоком данных).

Многопроцессорные машины, в которых разные последовательности команд выполняются одновременно над разными наборами данных, называются

MIMD-машинами (multiple-instruction stream, multiple-data stream). В этом пред-

ставлении машины с конвейерной обработкой наиболее всего соответствуют архитектуре MISD (машины с множественным потоком команд и с одиночным потоком данных).

Примером ЭВМ с конвейерной обработкой являются машины класса Pentium (с увеличением их номера степень конвейеризации увеличивается).

3.4. Основные устройства ЭВМ

Аппаратная часть современных компьютеров имеет блочно-модульную конструкцию. По способу расположения аппаратные средства делят на внутренние и внешние. Внутренние – входят в состав так называемого системного

Кирьянов Б.Ф. Основы информатики. 57

блока – центрального процессорного устройства (ЦПУ – Central Processing Unit, CPU) {Unit – модуль}. По внешнему виду системные блоки выпускают в вертикальном и в горизонтальном исполнении. Вертикальные бывают полноразмерные, среднеразмерные и малоразмерные. Горизонтальные – плоские и особо плоские. Внешние устройства обычно называют периферийными.

Большинство устройств (иногда все) системного блока располагаются на материнской плате (motherboard). Однако значительная часть компьютеров имеет системные платы, которые содержат лишь основные узлы, а элементы связи, например, с приводами накопителей, дисплеем и другими периферийными устройствами на ней отсутствуют. В таком случае эти отсутствующие элементы располагаются на отдельных печатных платах, которые вставляются в специальные разъемы расширения (в слоты), предусмотренные для этого на системной плате. Эти дополнительные платы называют дочерними (отсюда пошло и название материнская).

Большая часть периферийных устройств подсоединяется очень просто - снаружи, через разъемы на корпусе системного блока к выходам соответствующих контроллеров - портам (периферийные устройства еще называются внешними, так как осуществляют связь ЭВМ с "внешним миром").

Рассматриваемые ниже аппаратные средства, подразделяются их по назначению (независимо – внутренние или внешние, с учѐтом их истории).

3.4.1. Устройства хранения информации

Перфокарты и перфоленты, магнитные ленты. Перфокарты и перфо-

ленты использовались в первых ЭВМ. Информация записывалась в них пробивкой отверстий для обозначения двоичных символов 1. При считывании через эти отверстия проходил свет, который попадал на фотоэлементы, вызывая появление импульсов, задающих двоичные символы 1. Магнитные ленты можно ещѐ встретить в больших ЭВМ для хранения больших, редко используемых массивов информации. В прошлые годы они использовались как внешняя память (ДЗУ – долговременное запоминающее устройство), так и как внутренняя память (ОЗУ – оперативное запоминающее устройство). Сейчас как ОЗУ магнитные ленты не используются ввиду малой скорости выборки из них нужной информации. В 60-х – 80-х годах прошлого века использовались ОЗУ на ферритовых сердечниках. Они также уже не используются ввиду проблем с уменьшение габаритов ОЗУ и недостаточной надежности при большой ѐмкости памяти.

Кирьянов Б.Ф. Основы информатики. 58

Полупроводниковые ЗУ. В настоящее время практически во всех ЭВМ используется быстродействующая оперативная память на БИС. Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ или ROM-память - read-only memory – память только для чтения) – уже давно изготавливается на полупроводниковых диодах в виде БИС или на магнитных дисках. Сейчас конструктивно ПЗУ является частью основной (внутренней) памяти. Это отдельная большая микросхема. Она существенно проще БИС оперативной памяти, так как из неѐ можно только считывать. В ПЗУ хранится программа первоначальной загрузки компьютера, могут храниться различные таблицы. В ряде компьютеров ПЗУ расположено на части жѐсткого диска.

Жесткий магнитный диск внутренней памяти (винчестер). Винчестер находится в металлическом корпусе, выполняющим функции механической защиты дисков и их экранирования (рис. 3.6). В нѐм имеется несколько магнитных дисков (пакет дисков). Диски представляют собой пластины из алюминия, стекла или керамики с нанесенным на них слоем высококачественного ферромагнетика. Состав магнитного покрытия достаточно сложен – оно наносится путем напыления или вакуумного осаждения. На каждом диске имеется только одна спиральная дорожка, находящаяся не на поверхности, а внутри диска. Сверху диска находится защитный слой, через который лазерный луч свободно проходит. Спираль обеспечивает одинаковую плотность записи на всей дорожке.

Каждый диск разделяется на несколько секторов и дорожек, причѐм на каждой дорожке имеется одинаковое число секторов. Следовательно, ближе к центру диска запись оказывается более плотной. Расположение дорожек и

Рис. 3.6. Жѐсткие диски внутренней памяти: Samsung HD753LJ на 750 GB

(слева) и Toshiba MK1617GSG

Кирьянов Б.Ф. Основы информатики. 59

секторов не является постоянным. Оно определяется в процессе форматирования. Общепринятыми_являются секторы размером 512 или 1024 байта.

Головки чтения-записи дисков располагаются на управляемом рычаге, положение которого зависит от адреса обращения, то есть от номера дорожки. Так как головки не касаются диска, то скорость его вращения может быть от 3000 до 10000 оборотов в минуту. Увеличение скорости ограничивается механической прочностью дисков: cо временем диски выкрашиваются. Скорость работы такой оперативной памяти уступает электронной памяти.

Внешние винчестеры. Эти ЗУ являются переносными (Portable Hard Drives – переносной жесткий диск, переносной винчестер). Например, винчестер Transcend (рис. 3.7) имеет память свыше 300 Гб. Он может расширять ОЗУ компьютера или использоваться для хранения программ и данных в качестве запасной памяти на случай отказа основного диска.

Диск подключается к компьютеру с помощью трех разъемов с кабелем типа USB (Universal Serial Bus —

универсальная последо-

Флэш-память. Flash memory – это внешнее перезаписывающее ЗУ (слово Flash переводится как ―вспышка‖, в вычислительной технике это слово понимается как ―перепрограммируемый‖ – импульсом напряжения). Ёмкость флэшпамяти уже может превышать 10 ГБ. Эта память не требует установки драйвера. Она выполнена на полупроводниках – БИС в специальном корпусе. Память такого типа считается перспективной как быстродействующая память.

Внешний винчестер и флэш-память допускают ―горячее‖ подключение, то есть подключение во время работы ПК.

Магнитные диски (дискеты). Эти устройства бывают двух типов – CD (compact disk) и DVD (digital versatile disk). Диски типа CD в первые годы вы-

пускались только для однократной записи и чтения, то есть они не допускали перезаписи. Все диски DVD (многоцелевые) являются перезаписывающими.

Кирьянов Б.Ф. Основы информатики. 60

К перезаписывающим дискам CD относятся, например, диски CD-ROM. Для использования в компьютере дискета вставляется в дисковод (рис. 3.8).

Дорожки на дисках делятся на сектора. Импульсы, отражѐнные от спиральной дорожки, по световоду подаются на светочувствительные элементы и преобразуются в электрические сигналы 0 и 1 (рис. 3.9). Облучателей и световодов у дисков может быть несколько.

Стандартный диск CD состоит из трех слоев:

1)подложка из поликарбоната, на которой отштампован рельеф диска (дорожки и др.);

2)напыленное на нее отражающее покрытие из алюминия, золота, сеpебpа или другого отражающего материала;

3)два более тонких защитных слоев лака, на один из которых наносятся надписи и рисунки, и прочее декоративное оформление.

Запись на диск осуществляется коррекцией структуры отражающего слоя записывающим лазерным лучом. В зависимости от структуры этого слоя на дорожке считывающий лазерный луч отражается либо сильно (считывается 1), либо нет (считывается 0). При этом запись на дорожке не нарушается.

При промышленном производстве дисков с музыкой, фильмами или играми запись данных на носитель осуществляется путем штамповки – этот процесс напоминает изготовление грампластинок. Запись на дисках сохраняется