Лекция 2. Вычислительные системы
Основные понятия
Под вычислительной системой принято понимать совокупность взаимодействующих между собой технических устройств и программных средств, предназначенных для автоматической или автоматизированной обработки данных в рамках задач отдельной предметной области.
Конкретный состав средств вычислительной системы называют ее конфигурацией. Разделяют конфигурацию технических средств и конфигурацию программных средств, так как решение практической задачи можно обеспечить либо преимущественно программным путем, либо за счет подключения более мощных технических ресурсов в вычислительную систему. Как правило, аппаратное решение оказывается более быстрым, хотя и более дорогим. Чисто программное решение оказывается более универсальным, хотя и связано с временными затратами и привлечением высококвалифицированных исполнителей.
Центральным техническим звеном большинства вычислительных систем является компьютер – универсальное электронное устройство, предназначенное для различных видов работы с данными. Помимо компьютера в аппаратную конфигурацию входят дополнительные (внешние) устройства ввода, вывода, передачи данных, их хранения и воспроизведения в различных форматах, подсистемы защиты от несанкционированного доступа, устройства поддержки бесперебойного электропитания и т.п.
Компьютер
Под компьютером будем понимать только цифровую электронную вычислительную машину. Так называемые аналоговые вычислительные устройства и машины в сфере обработки деловой информации не применяются и поэтому из рассмотрения исключаются.
Компьютер выполняет следующие основные операции:
ввод информации,
обработку информации по заложенной в него программе,
вывод результатов обработки в форме, пригодной для восприятия человеком.
За все перечисленные действия соответственно отвечают специальные блоки компьютера: устройства ввода, устройство обработки информации, устройства хранения информации, устройства вывода. Все они достаточно сложны и, в свою очередь, состоят из отдельных более мелких устройств. В частности, в состав устройства обработки информации входят центральный процессор (ЦП) и ряд независимых микропроцессоров. В свою очередь центральный процессор содержит арифметико-логическое устройство и управляющее устройство. Устройства хранения информации подразделяются на быстродействующие устройства хранения информации: оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и устройства длительного хранения информации – накопители. Таким образом, укрупненная структурная схема компьютера приобретает вид, показанный на рис.2.1.
Накопители Постоянное запоминающее
устройство
Оперативное
запоминающее устройство
Управляющее
устройство Оперативное
запоминающее устройство
Устройства
вывода Арифметико-логическое
устройство Устройства
ввода Данные Управляющие
сигналы Команды
программы
Рис. 2.1. Укрупненная структурная схема компьютера
Отметим, что устройства ввода представлены, как правило, не одной конструктивной единицей. Виды вводимой информации разнообразны, источников тоже может быть несколько, так что слова «устройства ввода» следует понимать в собирательном смысле. То же относится и к устройствам вывода.
Арифметико-логическое устройство (АЛУ)- это именно то место, где выполняются преобразования данных, предписанные командами программы: арифметические действия над числами, преобразования кодов, сравнение слов и пр.
Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), или просто память, предназначено для размещения программ, а также для временного хранения каких-то частей входных данных и промежуточных результатов. Ему свойственны: способность записывать (или считывать) элементы программ и данных в произвольное место памяти (или из произвольного места памяти), высокое быстродействие. Слово «произвольное» означает не «какой попало», а подразумевает возможность обратиться к заданному адресу ячейки памяти без необходимости просмотра всех предшествующих адресов.
Каждая ячейка памяти хранит данные в виде двоичных кодов, с помощью которых любое число или символ однозначно представляется в виде соответствующей ему последовательности из знаков 0 и 1. Каждый из этих знаков называют двоичной цифрой или битом информации (bit – сокращение от английского binary digit – двоичная единица). Используя необходимое количество двоичнывх разрядов, можно обеспечить коды для всех типов данных, используемых в вычислительной системе: числовых, текстовых, графических и звуковых. Например, десятичные числа 3, 4 и 9 отображаются соответственно двоичными кодами 11, 100 и 1001, текстовому символу «#» соответствует двоичный код 1000011 и т.д. При двоичном кодировании графического изображения для каждой его точки отдельно кодируется ее яркость и цветовой оттенок. Двоичное кодирование звукозаписей пока еще не имеет единого устоявшегося стандарта, есть отдельные корпоративные стандарты.
Постоянное запоминающее устройство предназначено для хранения программ и данных так называемой базовой системы ввода-вывода (БИОС), в частности, стандартных драйверов – программ управления внешними устройствами компьютера. Информацию из таких устройств можно только считывать.
В настоящее время в качестве наименьшей единицы измерения информации в компьютере используется байт – группа из восьми расположенных друг за другом битов. Соответственно, килобайт – это 1024 (=210) байт, более крупные единицы измерения данных образуются с помощью приставок «мега-», «гига-» и «тера-», соответственно – мегабайт (10241024 байт), гигабайт (102410241024 байт) и терабайт (1024102410241024 байт). В еще более крупных единицах измерения данных пока не возникало практической потребности.
Запоминающие устройства компьютера бывают трех видов:
двунаправленные (допускающие и считывание, и запись данных);
полупостоянные, предназначенные для хранения редко обновляемой информации (например, сведения о конфигурации компьютера);
постоянные, допускающие только считывание информации.
Управляющее устройство осуществляет координацию работы всех устройств компьютера. В определенной последовательности оно извлекает из ячеек памяти ОЗУ (или ПЗУ) команду за командой. Каждая команда сначала декодируется. Далее, если требуется, из указанных в ней ячеек ОЗУ передаются в АЛУ (или наоборот) данные. Затем АЛУ настраивается на выполнение действия, предписанного командой;в этом действии могут участвовать и устройства ввода-вывода;.И, наконец, дается команда на выполнение этого действия.
Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока не сложится одна из следующих ситуаций:
исчерпаны все входные данные;
с одного из входных устройств поступила команда на прекращение работы;
выключено питание компьютера.
Качество компьютера характеризуется многими показателями. Это и набор инструкций (команд), которые он способен понимать и выполнять, и скорость работы (быстродействие) центрального процессора, и количество устройств ввода-вывода («периферийных устройств»), которые можно присоединить к ней одновременно, и потребление электроэнергии, и многое другое. Но главной характеристикой, как правило, является быстродействие, то есть количество операций, которое центральный процессор способен выполнить в единицу времени.
Понятно общее: создателей компьютеров и пользователей–стремление к повышению производительности компьютера. Одно из основных направлений удовлетворения этого стремления – принципиальное и конструктивное совершенствование элементной базы, создание новых, все более быстрых, надежных и удобных в работе процессоров, запоминающих устройств, принтеров и т. д. Но скорость работы элементов невозможно увеличивать беспредельно (существуют ограничения, обусловленные фундаментальными физическими законами, и ограничения, вызванные современными технологиями изготовления элементов и устройств компьютера). Поэтому разработчики компьютеров ищут решение этой проблемы и на путях совершенствования схемных решений, или, как говорят, совершенствования архитектуры компьютера.
Так появились многопроцессорные компьютеры, в которых несколько процессоров работают одновременно, и, значит, производительность машины равна сумме производительностей процессоров (в этом случае говорят о многопроцессорной архитектуре.) В особо мощных компьютерах –такие машины могут, например, воспроизводить процесс мышления шахматного гроссмейстера или моделировать ядерные реакции с их естественной скоростью – число процессоров достигает нескольких десятков и даже сотен.
Скорость работы центрального процессора существенно зависит от скорости работы ОЗУ, или, иными словами, от продолжительности обращения к ОЗУ. Поэтому постоянно ведутся поиски элементов для ОЗУ, которые требовали бы как можно меньше времени на операции чтения-записи. Однако обнаружилось, что вместе с быстродействием растет (и очень резко) стоимость элементов памяти, так что построение ОЗУ необходимой емкости на быстрых элементах не всегда оправдано экономически. Эта коллизия разрешается путем построения многоуровневой памяти. При этом ОЗУ складывается из двух-трех частей: основная часть большой емкости строится на относительно медленных, но зато более дешевых элементах, а дополнительная часть, называемая кэш-памятью, состоит из быстродействующих элементов. Те данные, к которым АЛУ обращается наиболее часто, содержатся в кэш-памяти; больший же объем оперативной информации хранится в основной памяти. Распределением информации между составными частями ОЗУ управляет специальный блок процессора. Объем ОЗУ и кэш-памяти принадлежат к числу важнейших характеристик компьютера.
Как уже отмечено, работой устройств ввода-вывода тоже необходимо управлять. Ранее эти обязанности возлагались на ЦП, и они отнимали у него немало времени. Архитектура современных компьютеров предусматривает передачу значительной части функций управления периферийными устройствами специализированным процессорам, обеспечивая тем самым разгрузку ЦП и повышение его производительности.
Очевидно, что реальная структура компьютера значительно сложнее, чем изображенная на рис. 2.1, за счет включения в нее дополнений, направленныхна повышение производительности и приближение функциональных возможностей компьютера к потребностям пользователей. Однако, принципиальная основа структуры компьютера при этом сохраняется.