Аверянов Основы современной информатики 2007

Под вычислительными системами, как правило, понимают СОД, решающие задачи конкретной области применения (на базе вычислительных комплексов). Это узкоспециализированные системы.

Под распределенными* (или децентрализованными) системами в данном случае понимаются системы, отдельные компоненты которых располагаются на значительном удалении друг от друга. Связь между ними осуществляется с помощью традиционных линий связи (телеграф, телефон, оптоволокно, радиорелейные, спутниковые

ит.п.). Нижний уровень распределенных систем занимают системы телеобработки. Это наиболее старые и давно развивающиеся системы, применяемые, как правило, для приема информации с удаленных объектов, ее обработки и управления этими объектами.

Вычислительные сети, объединяющие самые разнообразные компоненты СОД, перечисленные выше, получили в последнее время очень широкое распространение. Эти сети на сегодняшний день разделяют на две категории: глобальные, охватывающие большие регионы и использующие стандартные средства телекоммуникаций, и локальные, работающие на ограниченной территории

ииспользующие выделенные, узкоспециализированные линии связи. Эти две категории сетей имеют средства взаимного доступа и по своим техническим характеристикам постепенно сближаются.

Базовым элементом, на основе которого строятся все остальные компоненты СОД, является отдельный компьютер, поэтому изучение технических средств информатики (Hard Ware) начнем с изучения принципов его работы.

2.2.Общие сведения о структуре компьютера

икраткая характеристика его составных частей

Более чем за 50 лет развития современной вычислительной техники прогресс в аппаратной реализации компьютеров и их технических характеристиках превзошел все мыслимые прогнозы, и пока не замечено снижение темпов развития этой области техники. Но несмотря на большое разнообразие современных компьютеров, которые внешне резко отличаются от первых моделей 50-х годов, ос-

* Следует отметить, что иногда под распределенными системами понимают распределенную обработку данных в многомашинных и многопроцессорных комплексах.

32

новополагающие идеи, связанные с понятием алгоритма, разработанным Аланом Тьюрингом, и с конструкцией (или архитектурной реализацией), предложенной фон Нейманом, пока не претерпели коренных изменений.

С самых общих позиций любой компьютер может быть рассмотрен в виде блоков (рис. 2.2).

УУ

Рис. 2.2. Блок-схема оборудования компьютера: УВВ – устройство ввода-вывода; ОП – оперативная память;

АЛУ – арифметико-логическое устройство; УУ – устройство управления

Оперативная (основная Main Memory) память (ОП), или оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) – пассивное уст-

ройство, являющееся непосредственным местом хранения программ и обрабатываемых по этим программам данных. Говоря о запоминающих устройствах, необходимо отметить, что они не ограничиваются оперативной памятью, представляя собой систему, которая наряду с центральным процессором относится к тем критическим узлам, которые оказывают решающее влияние на его производительность. Эта подсистема построена по иерархическому принципу. Каждый уровень отличается от соседнего как быстродействием, так и объемом, причем быстродействие от уровня к уровню уменьшается, а объем увеличивается. На верхних уровнях иерархии (выше ОП) находятся сверхоперативные запоминающие устройства (СОЗУ), работающие в составе центрального процессора, а на нижнем уровне – внешние запоминающие устройства (или внешняя память).

33

Между ОП и центральным процессором, а также между внешней памятью и ОП может находиться так называемая кэш-память (Cache) небольшой емкости и со значительно меньшим временем обращения, чем память нижнего уровня. Явная необходимость в кэш-памяти при проектировании массовых центральных процессоров (ЦП) появилась в 1990 г., когда тактовая частота ЦП значительно превысила частоту системных шин и, в частности, шины памяти. Так, при частотах ЦП, достигших к 2006 г. 4 ГГц, частота выборки данных из ОП не превышала 200 МГц. В этой ситуации при прямом обращении к памяти функциональные устройства ЦП значительную часть времени простаивают, ожидая доставки данных. В какой-то степени проблемы быстродействия ОП могут быть решены увеличением разрядности шины памяти, однако этот путь имеет ограничения, связанные со значительным усложнением системной платы. В связи с этим эффективной альтернативы кэшпамяти в современных вычислительных системах не существует. Функционально кэш-память, так же как и основная, идентичны, являясь оперативным запоминающим устройством, с которым, непосредственно, взаимодействует ЦП. Когда необходимые данные ЦП не находит в кэш-памяти (кэш-промах) он обращается к ОП.

Следует отметить, что использование промежуточной памяти, которую также называют кэш, появилось значительно раньше (описанной выше) еще в первых суперкомпьютерах. Она размещалась между внешней памятью (дисковой) и ОП (иногда она называлась электронными дисками). Появление такой кэш-памяти было связано с тем, что скорость считывания данных с дисков отставала от потребности в «подкачке» данных в ОП из-за роста быстродействия ЦП.

Таким образом, в сбалансированной системе эффективность кэширования может быть достаточной для того, чтобы подсистема памяти в целом оказалась весьма близка к идеалу, когда быстродействия определялись самым быстрым участком (процессорными регистрами СОЗУ), а объем – самым емким (жесткими дисками).

Кэш-память имеет многоуровневую архитектуру (здесь речь идет о кэш-памяти, располагаемой между ЦП и ОП). Кэш первого уровня (L1) имеет небольшой объем, располагается в ядре ЦП и работает на той же частоте, что и узлы ЦП. В мощных процессорных архитектурах она разделена на кэш-инструкций (I-Cache-

34

Instruction Cache) и кэш-данных (D-Cache-Data Cache). Это так на-

зываемая гарвардская архитектура кэша. Обеспечение очень высокой скорости считывания связано с ограничением объема этой памяти (от 16 до 32 Кбайт).

Кэш-память второго уровня (L2), как правило, унифицирована, т.е. может содержать как команды, так и данные. Если она встроена в ядро ЦП, то говорят об S-Cache (Secondary Cache – вторичный кэш), его объем составляет от одного до нескольких мегабайт; в противном случае вторичный кэш называется В-Cache (Backup Cache – резервный кэш), а его объем может достигать 64 Мбайт. В процессорах, имеющих интегрированные кэши первого и второго уровней (т.е. внутри корпуса процессора), часто устанавливается единый кэш третьего уровня (L3) вне процессора. Встроенный кэш третьего уровня именуется Т-Cache (Ternary Cache – третичный кэш).

Как правило, каждый последующий уровень кэш-памяти медленнее, но больше по объему. Если в момент выполнения некоторой команды у ЦП не окажется данных для нее, то они могут быть затребованы из ближайшего уровня кэш-памяти, т.е. из D-Cache, в случае их отсутствия в D-Cache, запрашиваются в S-Cache и т.д.

Основным видом ОП по совокупности признаков в настоящее время является полупроводниковая память на интегральных схемах на базе биполярных или полевых транзисторов.

Микросхемы памяти выпускаются в виде ЗУПВ (RAM → → DRAM, SRAM) – запоминающего устройства с произвольным доступом. RAM – random access memory, этот вид памяти реализуется в виде двух типов микросхем: DRAM – динамическая память, обладающая высокой степенью интеграции, низкой стоимостью и потребляемой мощностью, но сравнительно малым быстродействием. Эта разновидность микросхем используется в качестве основной (Main Memory) или оперативной памяти компьютера. Их название связано с тем, что конденсаторы, входящие в состав микросхем нуждаются в постоянной подзарядке (примерно 15 раз в секунду), чем и объясняется их низкое быстродействие. Большое количество разновидностей динамической памяти (SDRAM, RDRAM, ESDRAM, VCSDRAM, RDRAM, DDRSDRAM и т.п.) связано со стремлением различных фирм к повышению производительности этого вида памяти. Выбор типа микросхем зависит от многих факторов, включая производительность шин, к которым они подклю-

35

чаются. SRAM – статическая память, наиболее быстрая, но более дорогая и с большим потреблением энергии, применяется в качестве внутренней памяти ЦП, а также в кэш-памяти. Они позволяют осуществлять операции считывания и записи информации, кроме этого используются микросхемы ОП и в виде постоянных запоминающих устройств – ПЗУ (ROM)*, из которых можно только считывать информацию (запись осуществляется на специальных уст- ройствах-программаторах). Разновидность ПЗУ – перепрограммируемые запоминающие устройства ППЗУ (EPROM)**, допускающие многократную перезапись на программаторах после соответствующей процедуры стирания на специальных стендах. Основным достоинством этого вида памяти является ее энергонезависимость.

Один из наиболее распространенных типов этой памяти – электрически стираемая флэш-память (Flash RAM).

Основные характеристики памяти:

производительность – характеристика, сильно влияющая на общую производительность компьютера, зависит как от задержки памяти (или времени обращения), т.е. интервал времени от обращения к памяти до начала передачи, так и от пропускной способности памяти, которая должна быть по времени согласована с пропускной способностью шины, к которой она подключена пропускная способность в очень сильной степени зависит от типа динамической памяти;

емкость памяти, минимальной единицей памяти является бит (bit → binary digit) – один двоичный разряд; в качестве единицы емкости памяти в настоящее время принят байт (byte – слог), который равен восьми двоичным разрядам (1 byte = 8 bit), 1024 байт = 1 Кбайт (килобайт), 1024 Кбайт = 1 Мбайт (мегабайт), 1024 Мбайт = 1 Гбайт (гигабайт), 1024 Гбайт = 1 Тбайт (терабайт), 1024 Тбайт = 1 Пбайт (петабайт).

Вся оперативная память машины разделена на слова. Слово – наименьшая адресуемая единица оперативной памяти, которая обрабатывается как единое целое. Длина слова определяет точность, с которой могут проводиться вычисления на данном компьютере. В

*ROM — read only memory.

**EPROM — Erasable Programming ROM.

36

различных типах современных компьютеров длина машинного слова изменяется от 8 до 64 бит.

Для поиска информации применяются два основных метода:

1)адресный поиск, когда каждому слову памяти соответствует некоторый код (адрес), определяющий его местоположение в памяти (в различных компьютерах существует большое разнообразие способов адресации);

2)безадресный поиск, осуществляемый не по адресу, а по другим признакам.

Наиболее распространены запоминающие устройства двух типов:

стековая память (или магазинная) – одномерная память, представляющая набор ячеек, где могут быть записаны фрагменты программ, считывание которых осуществляется по указателю в порядке, обратном записи;

ассоциативная память, поиск информации в которой осуществляется одновременно во всех ячейках памяти по ее содержанию (содержимому), ассоциативному признаку, что позволяет в некоторых случаях существенно ускорить поиск и обработку данных.

Способ организации памяти, когда каждая программа может оперировать с адресным пространством, превышающим объем оперативной памяти, называется виртуальной (кажущейся) памятью. Эта организация памяти связана с использованием быстрой внешней (как правило, дисковой) памяти и страничной (или сегментной) структурой размещения на диске.

Центральный процессор (CPU – central processing unit) – ос-

новная часть («мозг») компьютера, непосредственно осуществляющая процесс обработки данных и управляющая ее работой. Центральный процессор (ЦП) предназначен для преобразования информации в соответствии с выполняемой программой, управления вычислительным процессом и устройствами, работающими совместно с ним. По мере того как функции вычислительной системы становятся все более распределенными, ряд функций ЦП возлагается на специализированные периферийные процессоры (в связи с этим основной процессор называется центральным).

К основным функциям ЦП могут быть отнесены следующие: обращение к ОП, декодирование и выполнение команд про-

граммы в указанном порядке;

37

передача данных из оперативной памяти во внешние устройства и из внешних устройств в оперативную память;

ответы на запросы внешних устройств; синхронизация работы всех элементов вычислительной маши-

ны.

Можно выделить два уровня ЦП, которые непосредственно отвечают за преобразование информации в соответствии с выполняемой программой.

1.Традиционный машинный уровень. Он доступен пользователю

иопределяется набором из нескольких десятков или сотен сравнительно простых команд. По функциональному назначению можно выделить следующие категории команд: арифметические, логические, запись в память и загрузка регистров процессора из памяти, команды ввода-вывода и др. Любая пользовательская программа, подлежащая выполнению, находится в памяти и содержит вышеперечисленные команды. Структура машинного слова памяти, в которой размещается команда, состоит из двух частей (рис. 2.3): код операции (команда) и адресная часть, указывающая адреса ячеек (слов), необходимых для выполнения данной команды. В зависимости от количества адресов, располагающихся в адресной части, компьютеры могут быть трех-, двух-, одно- и безадресными.

При выполнении вычислений компьютер использует два типа чисел: целые и действительные. Последние в свою очередь имеют два способа представления: с фиксированной и плавающей запятой (точкой).

В первом случае место запятой, отделяющей целую часть от дробной, фиксируется, сразу же указывается количество разрядов, отводимых для изображения целой и дробной части, что упрощает выполнение машиной арифметических операций. Во втором случае положение запятой может меняться, что, как правило, позволяет повысить точность вычислений. При этом значащие числа (не нули) могут быть представлены сразу же после запятой с необходимым изменением знака порядка числа (нормализованное представление). Эта операция может выполняться как аппаратно, так и программно.

2.Микропрограммный уровень. Принцип микропрограммиро-

вания был предложен Моррисом Уилкесом в 1951 г. На этом уровне происходит разделение между программным и аппаратным

38

обеспечением компьютера, и он, как правило, недоступен пользо- вателю-программисту. В ранних моделях компьютеров команды выполнялись непосредственно на аппаратном уровне, т.е. для каждой команды существовали свои специальные схемы. Однако в настоящее время практически все типы компьютеров используют принцип микропрограммирования для реализации основных машинных команд.

Формат команд

±Целое число

Формат данных (INTEGER)

Формат данных с плавающей точкой (REAL)

Формат символьных данных

Рис. 2.3. Структура машинного слова

Принцип микропрограммного управления основан на замене управляющих логических схем специальной программой, хранящейся в специальном запоминающем устройстве (ПЗУ), называемым памятью микрокоманд (микроприказов) или управляющем памятью. Эта память предназначена для хранения управляющих сигналов в форме микропрограмм, формирующих систему команд компьютера. Вычислительная машина, управление в которой осуществляется микропрограммой, называется машиной с микропрограммным управлением.

Практически происходит разложение сложной логической операции (необходимой для выполнения машинных команд) на эле-

39

ментарные, которые выполняются аппаратно с помощью простейших электронных схем. Эти схемы реализуют элементы математической логики (булевой алгебры).

Поскольку микропрограммный уровень реализуется конкретными схемными решениями, то программирование на этом уровне носит примитивный характер и затруднено. Часто необходимо принимать во внимание и временные соотношения.

Разложение сложной операции на простейшие элементы характерно для вычислительной техники. Так, например, из арифметических операций, по существу, ЦП выполняет только сложение, так как вычитание – сложение в дополнительном коде, умножение – сложение со сдвигом, деление – вычитание со сдвигом, возведение в степень – многократное умножение, извлечение корня – многократное деление.

В рамках выполнения функций управления вычислительным процессом, в том числе и для обеспечения режима мультипрограммирования, характерного для всех современных ЭВМ, важную роль играет ЦП. Под мультипрограммированием понимается такой режим работы, когда две или более задачи, одновременно находящиеся в оперативной памяти, используют ЦП попеременно.

Поскольку ЦП работает намного быстрее всех остальных устройств компьютера, участвующих в выполнении задачи, то при их совместной работе этот режим полезен. В однопрограммном режиме ЦП вынужден большую часть времени простаивать.

Задачи, выполняемые компьютером, разделяются по приоритетам на несколько уровней. Задачи с более высоким приоритетом могут прерывать реализуемые задачи более низкого приоритета, что обеспечивается системой прерываний. Режим мультипрограммирования оказывается полезным и для повышения эффективности работы ЦП при решении задач одного приоритетного уровня. Может случиться, что какая-то задача в ходе ее выполнения требует наличия каких-то ресурсов (внешних устройств, областей памяти и т.п.), и до тех пор, пока они не имеются в ее распоряжении, не может продолжаться выполнение этой задачи.

Это вынужденное время ожидания (а внешние устройства работают намного медленнее ЦП) может быть использовано для выполнения другой задачи (рис. 2.4). Задача А в момент t1 обращает-

ся за вводом данных, и в это время подключается задача В, которая

40