zaochnoe_informatika_2013 / информатика заочное 2012 / ДОПОЛНЕНИЕ К ЛЕКЦИИ1

Группа

информационного

обеспечения

Рис 4.1 Структура современного выч. центра на базе большой ЭВМ

Группа системного программирования занимается разработкой, отладкой и внедрением программного обеспечения, необходимого для функционирования самой вычислительной системы: Работников этой группы называют системными программистами. Они должны хорошо знать техническое устройство всех компонентов ЭВМ, поскольку их программы предназначены в первую очередь для управления физическими устройствами. Системные программы обеспечивают взаимодействие программ более высокого уровня с оборудованием; то есть группа системного программирования обеспечивает

программно-аппаратный интерфейс вычислительной системы.

Группа прикладного программирования занимается созданием программ для выполнения конкретных операций с данными. Работников этой группы называют прикладными программистами. В отличие от системных программистов им не надо знать техническое устройство компонентов ЭВМ, поскольку их программы работают не с устройствами, а с программами, подготовленными системными программистами. С другой стороны, с их программами работают пользователи, то есть конкретные исполнители работ. Поэтому можно говорить о том, что группа прикладного программирования обеспечивает пользовательский интерфейс вычислительной системы.

Группа подготовки данных занимается подготовкой данных, с которыми будут работать программы, созданные прикладными программистами. Во многих случаях сотрудники этой группы сами вводят данные с помощью клавиатуры, но они могут выполнять и преобразование готовых данных из одного вида в другой. Например, они могут получать иллюстрации, нарисованные художниками, на бумаге и преобразовывать их в электронный вид.

Группа технического обеспечения занимается техническим обслуживанием всей вычислительной системы, ремонтом и наладкой устройств, а также подключением новых устройств, необходимых для работы прочих подразделений.

Группа информационного обеспечения обеспечивает технической информацией все прочие подразделения вычислительного центра по их заказу. Эта же группа создает и хранит архивы ранее разработанных программ и

21

накопленных данных. Такие архивы называют библиотеками программ или

банками данных.

Отдел выдачи данных получает данные от центрального процессора и преобразует их в форму, удобную для заказчика. Здесь информация распечатывается или отображается на экранах дисплеев.

Большие ЭВМ отличаются высокой стоимостью оборудования и обслуживания, поэтому работа таких суперкомпьютеров организована по непрерывному циклу. Наиболее трудоемкие и продолжительные вычисления планируют на ночные часы, когда количество обслуживающего персонала минимально. В дневное время ЭВМ исполняет менее трудоемкие, но более многочисленные задачи. При этом для повышения эффективности компьютер работает одновременно с несколькими задачами и; соответственно, с несколькими пользователями. Он поочередно переключается с одной задачи на другую. Такое распределение ресурсов вычислительной системы носит название принципа разделения времени.

Мини-ЭВМ. От больших ЭВМ компьютеры этой группы отличаются уменьшенными размерами и, меньшей производительностью и стоимостью. Такие компьютеры используются крупными предприятиями, научными учреждениями и некоторыми высшими учебными заведениями, сочетающими учебную деятельность с научной.

Мини-ЭВМ часто применяют для управления производственными процессами. Например, в механическом цехе компьютер может поддерживать ритмичность подачи заготовок, узлов и комплектующих на рабочие места; управлять гибкими автоматизированными линиями и промышленными роботами; собирать информацию с инструментальных постов технического контроля и сигнализировать о необходимости замены изношенных инструментов и приспособлений; готовить данные для станков с числовым программным управлением; а также своевременно информировать цеховые и заводские службы о необходимости выполнения мероприятий по переналадке оборудования.

Тот же компьютер может сочетать управление производством с другими задачами. Например, он может помогать экономистам в осуществлении контроля над себестоимостью продукции, нормировщикам в оптимизации времени технологических операций, конструкторам в автоматизации проектирования станочных приспособлений, бухгалтерии в осуществлении учета первичных документов и подготовки регулярных отчетов для налоговых органов:

Для организации работы с мини-ЭВМ тоже требуется специальный вычислительный центр, хотя и не такой многочисленный, как для больших ЭВМ.

Микро-ЭВМ. Компьютеры данного класса доступны многим предприятиям. Организации, использующие микро-ЭВМ, обычно не создают вычислительные центры. Для обслуживания такого компьютера им достаточно небольшой вычислительной лаборатории в составе нескольких человек. В

22

число сотрудников вычислительной лаборатории обязательно входят программисты, хотя напрямую разработкой программ они не занимаются.

Программисты вычислительной лаборатории занимаются внедрением приобретенного или заказанного программного обеспечения, выполняют его доводку и настройку, согласовывают его работу с другими программами и устройствами компьютера. Хотя программисты этой категории и не разрабатывают системные и прикладные программы, они могут вносить в них изменения, создавать или изменять отдельные фрагменты. Это требует высокой квалификации и универсальных знаний. Программисты, обслуживающие микро-ЭВМ, часто сочетают в себе качества системных и прикладных программистов одновременно. Несмотря на относительно невысокую производительность по сравнению с большими ЭВМ, микро-ЭВМ находят применение и в крупных вычислительных центрах. Там оно выполняют вспомогательные операции. К таким задачам, например, относится предварительная подготовка данных.

Персональные компьютеры (ПК, Personal Computer, PC). Эта категория компьютеров получила особо бурное развитие в течение последних двадцати лет.

Такой компьютер предназначен для обслуживания одного рабочего места. Как правило, с персональным компьютером работает один человек. Несмотря на свои небольшие размеры и относительно невысокую стоимость, современные персональные компьютеры обладают немалой производительностью.

Особенно широкую популярность персональные компьютеры получили после 1995 года в связи с бурным развитием Интернета.

Персональные компьютеры являются также удобным средством автоматизации учебного процесса по любым дисциплинам, средством организации дистанционного (заочного) обучения.

До последнего времени модели персональных компьютеров условно рассматривали в двух категориях: бытовые ПК и профессиональные ПК. Бытовые модели, как правило, имели меньшую производительность, но в них были, приняты особые меры для работы с цветной графикой и звуком, чего не требовалось для профессиональных моделей. Под термином МУЛЬТИМЕДИА подразумевается сочетание нескольких видов данных в одном документе (текстовые, графические, музыкальные и видеоданные) или совокупность устройств для воспроизведения этого комплекса данных.

С 1999 по 2002 год в области персональных компьютеров действовали международные сертификационные стандарты—спецификации РС99-РС2002. Они регламентировали принципы классификации персональных компьютеров и оговаривали минимальные и рекомендуемые требования к каждой из категорий. Стандарты устанавливали следующие категории персональных компьютеров:

•Consumer PC (массовый ПК);

•Office PC (деловой ПК); .

•Mobile PC (портативный ПК);

23

•Workstation PC (рабочая станция);

•Entertainmemt PC (развлекательный ПК).

Каждая категория имела свои особенности: для портативных ПК обязательным было наличие средств компьютерной связи, в категории рабочих станций предъявлялись повышенные требования к устройствам хранения данных, а в категории развлекательных ПК — к средствам воспроизведения графики и звука. Одна из целей такой стандартизации состояла и в том, чтобы наметить пути дальнейшего развития и совершенствования персональных компьютеров. Однако развитие аппаратных средств персонального компьютера привело к постепенному размытию границ между разными категориями, а планы развития часто не оправдывались. Поэтому обновление этих стандартов было прекращено, хотя при приобретении компьютера для конкретных задач классификацию, введенную этими стандартами, все еще полезно держать в голове.

Классификация по уровню специализации.

По уровню специализации компьютеры делят на универсальные и специализированные. На базе универсальных компьютеров можно собирать вычислительные системы произвольного состава (состав компьютерной системы называется конфигурацией). Так, например, один и тот же персональный компьютер можно использовать для работы с текстами, музыкой, графикой, фото- и видеоматериалами.

Специализированные компьютеры предназначены для решения конкретного круга задач. К таким компьютерам относятся, например, бортовые компьютеры автомобилей, судов, самолетов, космических аппаратов. Бортовые компьютеры управляют средствами ориентации и навигации, осуществляют контроль состояния бортовых систем, выполняют некоторые функции автоматического управления и связи, а также большинство функций по оптимизации параметров работы систем объекта (например, оптимизацию расхода топлива в зависимости от конкретных условий движения объекта). Специализированные мини-ЭВМ, ориентированные на работу с графикой, называют графическими станциями. Их используют при подготовке кино- и видеофильмов, а также рекламной продукции. Компьютеры, обеспечивающие передачу информации между различными участниками компьютерной сети, называют сетевыми серверами.

Во многих случаях с задачами специализированных компьютерных систем могут справляться и обычные универсальные компьютеры, но считается, что использование специализированных систем все-таки эффективнее. Критерием оценки эффективности выступает отношение производительности оборудования к величине его стоимости.

Классификация по типоразмерам. Различают:

настольные (desktop),

портативные (notebook)

карманные (palmtop) модели.

24

Настольные модели распространены наиболее широко. Они являются принадлежностью рабочего места. Эти модели отличаются простотой изменения конфигурации за счет несложного подключения дополнительных внешних устройств или установки дополнительных внутренних компонентов. Достаточные размеры корпуса в настольном исполнении позволяют выполнять большинство подобных работ без привлечения специалистов, а это позволяет настраивать компьютерную систему оптимально для решения именно тех задач, для которых она была приобретена.

Портативные модели удобны для транспортировки. Они содержат только минимум устройств, а большая их часть подключается к компьютеру по необходимости. Могут возникнуть проблемы с модернизацией.

Карманные модели выполняют функции «интеллектуальных записных книжек». Они позволяют хранить оперативные данные и получать к ним быстрый доступ. Некоторые карманные модели имеют жестко встроенное программное обеспечение, что облегчает непосредственную работу, но снижает гибкость в выборе прикладных программ.

Мобильные вычислительные устройства сочетают в себе функции карманных моделей компьютеров и средств мобильной связи (сотовых радиотелефонов). Их отличительная особенность — возможность мобильной работы с Интернетом, а в ближайшем будущем и возможность приема телевизионных передач. Дополнительно МВУ комплектуют средствами связи по инфракрасному лучу, благодаря которым эти карманные устройства могут обмениваться данными с настольными ПК и друг с другом.

Другие виды классификации.

Классификация по совместимости.

В мире существует множество различных видов и типов компьютеров. Они выпускаются разными производителями, собираются из разных деталей, работают с разными программами. При этом очень важным вопросом становится совместимость различных компьютеров между собой. От совместимости зависит взаимозаменяемость узлов и приборов, предназначенных для разных компьютеров, возможность переноса программ с одного компьютера на другой и возможность совместной работы разных типов компьютеров с одними и теми же данными.

Аппаратная совместимость. По аппаратной совместимости различают так называемые аппаратные платформы. В области персональных компьютеров сегодня наиболее широко распространены две аппаратные платформы — IBM PC и Apple Macintosh. Кроме них существуют и другие платформы, распространенность которых ограничивается отдельными регионами или отдельными отраслями. Принадлежность компьютеров к одной аппаратной, платформе повышает совместимость между ними, а принадлежность к разным платформам — понижает.

Кроме аппаратной совместимости существуют и другие виды совместимости: совместимость на уровне операционной системы, программная совместимость.

25

Классификация по типу используемого процессора.

Процессор — основной компонент любого компьютера. В электронновычислительных машинах это специальный блок, а в персональных компьютерах — специальная микросхема, которая выполняет все вычисления в компьютере.

Система команд процессора. Часть обрабатываемых данных процессор интерпретирует непосредственно как данные, часть данных — как адресные данные, а часть — как команды. Совокупность всех возможных команд, которые может выполнить процессор над данными, образует так называемую систему команд процессора. Процессоры, относящиеся к одному семейству, имеют одинаковые или близкие системы команд. Процессоры, относящиеся к разным семействам, различаются по системе команд и невзаимозаменяемы.

Процессоры с расширенной и сокращенной системой команд. Чем шире набор системных команд процессора, тем сложнее его архитектура, тем длиннее формальная запись команды (в байтах), тем выше средняя продолжительность исполнения одной команды, измеренная в тактах работы процессора. Так, например, система команд процессоров семейства Pentium в настоящее время насчитывает более тысячи различных команд. Такие процессоры называют процессорами с расширенной системой команд — CISC-

процессорами (CISC — Complex Instruction Set Computing).

Впротивоположность CISC -процессорам в середине 80-х годов появились процессоры архитектуры RISC с сокращенной системой команд (RISC — Reduced Instruction Set Computing). При такой архитектуре количество команд в системе намного меньше и каждая из них выполняется намного быстрее. Таким образом, программы, состоящие из простейших команд, выполняются этими процессорами много быстрее. Оборотная сторона сокращенного набора команд состоит в том, что сложные операции приходится эмулировать далеко не эффективной последовательностью простейших команд сокращенного набора.

Врезультате конкуренции между двумя подходами к архитектуре процессоров сложилось следующее распределение их сфер применения:

•CISC -процессоры используют в универсальных вычислительных системах;

•RISC -процессоры используют в специализированных

вычислительных системах или устройствах, ориентированных на выполнение единообразных операций.

Персональные компьютеры платформы IBM PC ориентированы на использование CISC-процессоров.

Совместимость процессоров. Если два процессора имеют одинаковую систему команд, то они полностью совместимы на программном уровне. Это означает, что программа, написанная для одного процессора, может исполняться и другим процессором. Процессоры, имеющие разные системы команд, как правило, несовместимы или ограниченно совместимы на программном уровне.

Группы процессоров, имеющих ограниченную совместимость,

рассматривают как семейства процессоров.

26

Так, например, все процессоры Intel Pentium относятся к так называемому семейству х86. Родоначальником этого семейства был 16-разрядный процессор Intel 8086, на базе которого собиралась первая модель компьютера IBM PC. Впоследствии выпускались процессоры Intel 80286, Intel 80386, Intel 80486, несколько моделей Intel Pentium; несколько моделей Intel Pentium MMX,

модели Intel Pentium Pro, Intel Pentium II, Intel Celeron, Intel Xeon, Intel Pentium III, Intel Pentium 4 и другие. Все эти модели, и не только они, а также многие модели процессоров компании AMD и некоторых других производителей относятся к семейству х86 и обладают совместимостью по принципу «сверху вниз».

Принцип совместимости «сверху вниз» — это пример неполной совместимости, когда каждый новый процессор «понимает» все команды своих предшественников, но не наоборот. Благодаря такой совместимости на современном компьютере можно выполнять любые программы, созданные в последние десятилетия для любого из предшествующих компьютеров, принадлежащего той же аппаратной платформе.

8. Состав персонального компьютера

Воснову построения большинства ЭВМ положены принципы, сформулированные в Джоном фон Нейманом. ЭВМ, построенные на этих принципах, имеют классическую архитектуру (архитектуру фон Неймана).

Архитектура ЭВМ – это еѐ логическая организация, структура и ресурсы. Архитектура определяет принцип действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов ЭВМ:

центрального процессора;

периферийных процессоров;

оперативного ЗУ (запоминающего устройства);

внешних ЗУ;

периферийных устройств.

Всостав персонального компьютера входят: системный блок; монитор; клавиатура; мышь.– стандартная конфигурация ПК.

Любой компьютер содержит:

1) Арифметико-логическое устройство (АЛУ);

2) Запоминающее устройство (память);

3) Управляющее устройство;

4) Устройство ввода-вывода информации (УВВ) и имеет программу, хранимую в его памяти. (архитектура Джона фон Неймана)

СИСТЕМНЫЙ БЛОК включает в себя устройства, обеспечивающие работу компьютера: процессор, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), накопители на гибких и жестких магнитных дисках, источник питания и др. Основные устройства компьютера (процессор, ОЗУ и др.) размещены на материнской плате. На системном блоке расположены три кнопки: кнопка (или клавиша) включения/выключения машины, кнопка Reset для принудительной

27

перезагрузки машины, кнопка Turbo для изменения быстродействия машины (Hi-высокая скорость, Lo-низкая скорость).

Устройства ввода информации: клавиатура, мышь, накопители на гибких магнитных дисках, модем, компьютерная сеть, сканер, световое перо, джойстик, трекбол, микрофон, дисковод, CD-ROM.

Устройства вывода информации: монитор, принтер, плоттер, накопители на гибких магнитных дисках, звуковые колонки, встроенный динамик, стриммер, модем, компьютерная сеть.

МАТЕРИНСКАЯ (системная, главная) ПЛАТА является центральной частью любого компьютера, на которой размещаются в общем случае центральный процессор, сопроцессор, контроллеры, обеспечивающие связь центрального процессора с периферийными устройствами, оперативная память (RAM), кэш-память, элемент ROM-BIOS (базовой системы ввода/вывода), аккумуляторная батарея, кварцевый генератор тактовой частоты и слоты (разъемы) для подключения других устройств.

Материнская плата

Общая производительность материнской платы определяется не только тактовой частотой, но и количеством (разрядностью) данных, обрабатываемых в единицу времени центральным процессором, а также разрядностью шины обмена данных между различными устройствами материнской платы.

По функциональному назначению шины делятся на:

•шину данных;

•адресную шину;

•шину управления.

28

По шине данных происходит обмен данными между центральным процессором, картами расширения и памятью. Разрядность шины данных варьируется от 8-ми битов (сейчас не используется) до 64-х битов в материнских платах современных PC. По адресной шине происходит адресация ячеек памяти, в которые производится запись данных.

По шине управления или системной шине происходит передача управляющих сигналов между центральным процессором и периферией. На материнской плате системная шина заканчивается слотами для установки других устройств. Адресные шины и шины данных иногда занимают одни и те же физические проводники.

В настоящее время существует несколько стандартов шин: ISA (Industry Sland art Architecture), MCA (MicroChannel Architecture), EISA (Extended ISA), VESA (Video Electronics SlandarlAssollallon), PCI (Peripheral Component Interconnect), USB (Universal Serial BUS).

ПРОЦЕССОР предназначен для вычислений, обработки информации и управления работой компьютера; ОЗУ, накопители на гибких и жестких магнитных дисках – для хранения информации. Процессоры характеризуются быстродействием и разрядностью.

Умашин с процессором 286 быстродействие 1–2 млн. операций в секунду при тактовой частоте 8-25 МГц.

Умашин с процессором 386DX быстродействие 6–12 млн. операций в секунду при тактовой частоте 16-40 МГц.

Умашин с процессором 486DX быстродействие 20–40 млн. операций в секунду при тактовой частоте 25-50 МГц.

Умашин с процессором Pentium быстродействие 100–200 млн. операций в секунду при тактовой частоте 60–133 МГц.

Умашин с процессором Pentium Pro (P6) быстродействие достигает 300 млн. операций в секунду при тактовой частоте 150–200 МГц.

Фирмой Intel разработан микропроцессор Pentium-2 с тактовой частотой 300, 350 и 400 МГц. Pentium-4 имеет тактовую частоту 1400 МГц и выше.

Разрядность процессоров составляет 8, 16, 32, 64 бит. Функции процессора:

• обработка данных по заданной программе (выполнение над ними арифметических и логических операций) – функция АЛУ (арифметикологического устройства);

• программное управление работой устройств ЭВМ – функция УУ (устройства управления).

ПАМЯТЬ компьютера бывает внутренней и внешней. К внутренней памяти относится постоянное ЗУ (ПЗУ-BIOS или CMOS Setup), ОЗУ, КЭШ, видеопамять. К устройствам внешней памяти относятся накопители на жѐстком

игибком магнитных дисках (HDD и FDD), CD-ROM, магнитооптический диск

истриммер.

29

Центральный процессор имеет доступ то к данным, находящимся в оперативной памяти (физическое устройство памяти называется ОЗУоперативное запоминающее устройство или RAM – Random Access Memory). Работа компьютера с пользовательскими программами начинается после того как данные будут считаны из внешней памяти в ОЗУ. ОЗУ работает синхронно с центральным процессором и имеет малое время доступа. Оперативная память сохраняет данные только при включенном питании. Отключение питания приводит к необратимой потере данных, поэтому пользователю, работающему с большими массивами данных в течение длительного времени, рекомендуют периодически сохранять промежуточные результаты на внешнем носителе. По способу реализации оперативная память делится на динамическую и статическую. Динамическая память напоминает дырявое ведро, в котором, если регулярно не доливать, скоро не останется воды.

Регулярный долив применительно к динамической памяти, называется регенерацией и производится раз в несколько миллисекунд что несколько снижает быстродействие системы. Однако эти недостатки искупаются простотой исполнения, а также большой емкостью микросхем динамической памяти. Статическая память при включенном питании надежно хранит записанные данные, имеет малое время доступа, потребляет мизерный ток, но емкость ее микросхем ограничена.

Стоимость подобных микросхем значительно выше, поэтому в компьютерной технике их используют только при создании так называемой кэш-памяти (сверх-ОЗУ). Основными характеристиками ОЗУ являются: количество ячеек памяти (адреса) и время доступа к информации, определяемое интервалом времени, в течение которого информация записывается в память или считывается из нее.

Основой ОЗУ являются микросхемы памяти (chips), которые объединяются в блоки (банки) различной конфигурации. При комплектации банков различными микросхемами необходимо следить, чтобы время доступа у них не различалось больше, чем на 10 нс.

Для нормального функционирования системы большое значение имеет согласование быстродействия центрального процессора и ОЗУ.

Оперативная память бывает: SIMM (Single In-Line Memory Module) и

DIMM (Dual In-Line Memory Module).

Функции памяти:

приѐм информации от других устройств;

запоминание информации;

передача информации по запросу в другие устройства машины.

ОЗУ обладает высоким быстродействием и используется процессором для кратковременного хранения информации во время работы компьютера. При выключении источника питания информация в ОЗУ не сохраняется (разрушается).

30