2.2. Типы архитектур вычислительных систем (вс). Однопроцессорные, многопроцессорные и многомашинные вс.

Вычислительная система (ВС)– «это совокупность одного или нескольких компьютеров или процессоров, программного обеспечения и периферийного оборудования, организованная для совместного выполнения информационно-вычислительных процессов» [3, с.47].

ВС делятся на[3, с.49–54]:

1. одномашинные (однопроцессорные);

2. многомашинные;

3. многопроцессорные.

2.3. Структурная схема пк. Принцип «открытой архитектуры». Назначение и характеристики основных устройств. Типовой комплект пк, назначение и характеристика всех компонентов (самостоятельное изучение).

Вопросы для самостоятельного изучения:

1. Типовой комплект ПК, назначение и характеристика всех компонентов

Принцип «открытой архитектуры»[1, с.19]:

Компьютер является не единым неразъемным устройством, а предполагает возможность его сборки из независимо изготовленных частей, при этом методы сопряжения устройств с компьютером не скрываются, а являются общедоступными. Принцип «открытой архитектуры» был впервые разработан и внедрен компанией IBM, как обеспечивающий возможность усовершенствования отдельных частейIBMPCи использования новых устройств.

«Открытая архитектура» ПК предполагает, что «на основной электронной плате компьютера IBM PC (системной, или материнской, плате) размещены только те блоки, которые осуществляют обработку информации (вычисления). Схемы, управляющие всеми остальными устройствами компьютера – монитором, дисками, принтером и т.д., реализованы на отдельных платах, которые вставляются в стандартные разъемы на системной плате – слоты. К этим электронным схемам подводится электропитание из единого блока питания, а для удобства и надежности все это заключается в общий металлический или пластмассовый корпус – системный блок.

Основные устройства ПК можно изобразить в виде блок-схемы:

Назначение и характеристики основных устройств[1, с.23–27]:

1. Микропроцессор

2. Дополнительные интегральные микросхемы, улучшающие работу микропроцессора [3, с.117–118]:

- математический сопроцессор;

- контроллер прямого доступа к памяти;

- сопроцессор ввода/вывода;

- контроллер прерываний.

3. Память ПК [1, с.23-27; 3, с.114–115]

Память ПК можно разделить на основную, энергонезависимую и внешнюю память.

Более подробно рассмотрим это в отдельном вопросе лекции (вопрос 2.5).

4. Контроллеры и шина

Обмен информацией между оперативной памятью и внешним устройствами называется вводом/выводом и не является непосредственным, то есть существует два промежуточных звена:

- контроллер (или адаптер) – электронная схема, управляющая конкретным внешним устройством;

- системная магистраль передачи данных (или шина), через которую осуществляется взаимодействие контроллеров с микропроцессором и оперативной памятью.

К контроллерам относятся и контроллеры портов ввода/вывода: параллельные (обозначаемые LTP1–LTP4, к ним обычно подключаются принтеры), асинхронные параллельные (обозначаемыеCOM1–COM3, через них обычно подключаются мышь, модем и т.д.) и игровой порт (для подключения джойстика). Некоторые устройства могут подключаться и к параллельным, и к последовательным портам. Параллельные порты осуществляют ввод/вывод с большей скоростью, чем последовательные (за счет использования большего числа проводов в кабеле)» [1, с.23–27].

«Системная шина включает в себя:

- кодовую шину данных(КШД), содержащую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов числового кода (машинного слова) операнда;

- кодовую шину адреса(КША), содержащую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода/вывода внешнего устройства;

- кодовую шину инструкций(КШИ), содержащую провода и схемы сопряжения для передачи инструкций (управляющих сигналов, импульсов) во все блоки;

- шину питания, содержащую провода и схемы сопряжения для подключения блоков ПК к системе энергопотребления.

Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:

1. между микропроцессором и основной памятью;

2. между микропроцессором и портами ввода/вывода внешних устройств;

3. между основной памятью и портами ввода/вывода внешних устройств (в режиме прямого доступа к памяти).

Все блоки, а точнее их порты ввода/вывода, через соответствующие унифицированные разъемы (стыки) подключаются к шине единообразно: непосредственно или чрез контроллеры (адаптеры). Управление системной шиной осуществляется микропроцессором либо непосредственно, либо, что чаще, через дополнительную микросхему контроллера шины, формирующую основные сигналы управления. Обмен информацией между внешним устройствами и системной шиной выполняется и использованием ASCII-кодов» [3, с.114].

5. Электронные платы [1, с.23–27].

6. Внешние устройства [3, с.115–117]

Внешние устройства (ВУ) – важнейшая составная часть любого вычислительного комплекса, по стоимости составляющая до 80-85% стоимости всего ПК.

Внешние устройства ПК обеспечивают взаимодействие машины с окружающей средой: пользователями, объектами управления и другими компьютерами.

К внешним устройствам относятся:

- внешние запоминающие устройства и внешняя память ПК;

- диалоговые средства пользователя (видеомонитор, устройства речевого ввода/вывода);

- устройства ввода/вывода информации;

- средства связи и телекоммуникаций (например, адаптеры, аналого-цифровые преобразователи, сетевые интерфейсные платы и карты и т.д.).

Более подробно устройства ввода-вывода информации будут рассмотрены в соответствующих пунктах лекции.

7. Источник питания[3, с.115]

Источник питания– блок, содержащий системы автономного и сетевого энергопитания ПК.

8. Таймер[3,c.115]

Таймер – внутримашинные электронные часы реального времени, обеспечивающие, при необходимости, автоматический съем текущего момента времени (год, месяц, минуты, секунды и доли секунд). Таймер подключается к автономному источнику питания – аккумулятору, и при отключении машины от электросети продолжает работать.

2.4. Процессоры. Назначение, характеристика, компоненты процессоров. Типы архитектур процессоров: CISC, RISC, VLIW. Модели выполнения команд процессором: последовательная, конвейерная и суперскалярная. Семейства процессоров (самостоятельное изучение).

Вопросы для самостоятельного изучения:

1. Семейства процессоров.

Микропроцессор– 1) «центральное устройство ПК, предназначенное для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операций над информацией» [3, с.112]; 2) «функционально-законченное программно управляемое устройство обработки информации, выполненное в виде одной или нескольких больших (БИС) или сверхбольших (СБИС) интегральных схем» [3, с.123].

В состав микропроцессора входят несколько компонентов [3, с.112–114]:

1. Устройство управления (УУ):формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполняемой операции и результатами предыдущих операций; формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки компьютера; опорную последовательность импульсов устройство управления получает от генератора тактовых импульсов.

2. Арифметико-логическое устройство (АЛУ):предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией (в некоторых моделях ПК для ускорения выполнения операций к АЛУ подключается дополнительный математический сопроцессор).

3. Микропроцессорная память (МПП): предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в ближайшие такты работы машины; МПП строится на регистрах для обеспечения высокого быстродействия машины, ибо основная память (ОП) не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора. Регистры – быстродействующие ячейки памяти различной длины (в отличие от ячеек ОП, имеющих стандартную длину 1 байт и более низкое быстродействие).

4. Интерфейс (interface)– совокупность средств сопряжения и связи устройств компьютера, обеспечивающая их эффективное взаимодействие. Интерфейсная система микропроцессора предназначена для сопряжения и связи с другими устройствами ПК; включает в себя внутренний интерфейс микропроцессора, буферные запоминающие регистры и схемы управления портами ввода/вывода и системной шиной.

5. Порты ввода/вывода (I/O ports)– элементы системного интерфейса ПК, через которые микропроцессор обменивается информацией с другими устройствами.

6. Генератор тактовых импульсовгенерирует последовательность электрических импульсов, частота которых определяет тактовую частоту микропроцессора. Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта или, просто,такт работы машины. Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик персонального компьютера и во многом определяет скорость его работы, поскольку каждая операция в вычислительной машине выполняется за определенное количество тактов.

Модели выполнения команд процессором: последовательная, конвейерная и суперскалярная.

Прежде рассмотрим, из каких этапов состоит выполнение любой команды процессором.

Процедуру выполнения практически любой инструкции можно разбить на как минимум пять непересекающихся этапов:

• чтение из памяти(из программы извлекается инструкция, которую нужно выполнить);

• декодирование инструкции(процессор "соображает", что от него хотят, и переправляет запрос на нужное исполнительное устройство);

• подготовка исходных данных для выполнения инструкции;

• выполнение инструкции;

• сохранение полученных результатов.

На каждое из указанных действий дается 1 (один) такт.

Учитывая такую структуру инструкции, последовательную модельвыполнения команд процессором можно представить в следующем виде:

Последовательное выполнение команд
Этап	Ч1	Д1	П1	В1	С1	Ч2	Д2	П2	В2	С2	…
Такт	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11

Конвейерная (или скалярная) модельвыполнения команд процессором (для процессоров с одним естественным конвейером – процессорыIntelдо 486 включительно):

Конвейерное выполнение команд
Устройство чтения	Ч1	Ч2	Ч3	Ч4	Ч5	Ч6	Ч7
Устройство декодирования		Д1	Д2	Д3	Д4	Д5	Д6	Д7
Устройство подготовки			П1	П2	П3	П4	П5	П6	П7
Устройство выполнения				В1	В2	В3	В4	В5	В6	В7
Устройство сохранения					С1	С2	С3	С4	С5	С6	С7
Такт	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11

Суперскалярная модельвыполнения команд процессором (процессор имеет более одного конвейера, способных обрабатывать инструкции параллельно; Pentium является двухпотоковым процессором (имеет два конвейера), Pentium Pro – трехпотоковым):

Конвейерное выполнение команд
Устройство чтения	Ч1	Ч2	Ч3	Ч4	Ч5	Ч6	Ч7
Устройство декодирования		Д1	Д2	Д3	Д4	Д5	Д6	Д7
Устройство подготовки			П1	П2	П3	П4	П5	П6	П7
Устройство выполнения				В1	В2	В3	В4	В5	В6	В7
Устройство сохранения					С1	С2	С3	С4	С5	С6	С7
Устройство чтения	Ч1	Ч2	Ч3	Ч4	Ч5	Ч6	Ч7
Устройство декодирования		Д1	Д2	Д3	Д4	Д5	Д6	Д7
Устройство подготовки			П1	П2	П3	П4	П5	П6	П7
Устройство выполнения				В1	В2	В3	В4	В5	В6	В7
Устройство сохранения					С1	С2	С3	С4	С5	С6	С7
Такт	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11

Все микропроцессоры разделяются на группы по типам архитектур:

CISC(ComplexInstructionSetCommand) – архитектура вычислений с полной системой команд;

RISC(ReducedInstructionSetCommand) – архитектура вычислений с усеченной системой команд;

VLIW(VeryLengthInstructionWord) – со сверхдлинным командным словом.

Архитектура CISC

Архитектура CISCпоявилась в 1978 году. Тогда процессоры представляли собой скалярные устройства (то есть могли в каждый момент времени выполнять только одну команду), при этом конвейеров практически не было [3, с.141].

Микропроцессоры с архитектурой CISC (Complex Instruction Set Computers — архитектура вычислений с полной системой команд) реализуют на уровне машинного языка комплексные наборы команд различной сложности, от простых, характерных для микропроцессора первого поколения, до очень сложных. Большинство современных процессоров для персональных компьютеров построено по архитектуре CISC.

Микропроцессор CISC использует набор машинных инструкций, полностью соответствующий набору команд языка ассемблера. Вычисления разного типа в нем могут выполняться различными командами, даже если они приводят к одному результату (например, умножение на два и сдвиг на один разряд влево). Такая архитектура обеспечивает разнообразные и мощные способы выполнения вычислительных операций на уровне машинных команд, но для выполнения каждой команды обычно требуется большое число тактов процессора.

• Такая архитектура обеспечивает разнообразные и мощные способы выполнения вычислительных операций на уровне машинных команд, но для выполнения каждой команды обычно требуется большое число тактов процессора.

• Большинство современных процессоров для персональных компьютеров построено по архитектуре CISC.

Архитектура RISC [3, с.140–141]

Микропроцессоры типа RISCсодержат набор только элементарных команд, встречающихся в программах. При необходимости выполнения более сложных команд в микропроцессоре производится их автоматическая сборка из элементарных. В этих микропроцессорах все элементарные команды имеют одинаковый размер, и на выполнение каждой из них тратится один машинный такт (на выполнение даже самой короткой команды из системыCISCтратится 4 такта). Микропроцессоры типаRISCхарактеризуются очень высоким быстродействием, но они программно не совместимы сCISC-процессорами: при выполнении программ, разработанных для ПК типаIBMPC, они могут лишь эмулировать (моделировать, имитировать) микропроцессоры типаCISCна программном уровне, что приводит к резкому уменьшению их эффективной производительности.

• Микропроцессоры типа RISCсодержат набор только элементарных команд, встречающихся в программах.

• При необходимости выполнения более сложных команд в микропроцессоре производится их автоматическая сборка из элементарных.

• В этих микропроцессорах все элементарные команды имеют одинаковый размер, и на выполнение каждой из них тратится один машинный такт (на выполнение даже самой короткой команды из системы CISCтратится 4 такта).

Архитектура VLIW

Это новый и весьма перспективный тип микропроцессоров.

Программисты доступа к внутренним VLIW-командам не имеют: все программы (даже операционная система) работают поверх специального низкоуровневого программного обеспечения (CodeMorphing), которое ответственно за трансляцию командCISC-микропроцессоров в командыVLIW. Микропроцессоры типаVLIWвместо сложной схемной логики, обеспечивающей в современных суперскалярных микропроцессорах параллельное исполнение команд, опираются на программное обеспечение. Упрощение аппаратуры позволило уменьшить габариты микропроцессоров и потребление энергии (эти микропроцессоры иногда называют «холодными»).

• В архитектуре VLIW выделены компоненты командного слова, управляющие отдельными блоками микропроцессора.

• Распараллеливание работы отдельными блоками возлагается на компилятор, который должен сгенерировать машинные команды, содержащие явные указания на одновременное исполнение операций в разных блоках.

Семейства процессоров.

Информацию о семействах процессоров можно получить из источника [3, с.123–141].

2.5. Память ПК. Внутренняя память: оперативная, постоянная, полупостоянная, кэш-память. Внешняя память: виды носителей информации и их характеристики. Логическая структура диска. Физическая организация данных на машинных носителях.

[3, с.187]:

ПК имеют три основных уровня памяти:

- микропроцессорная память;

- основная память;

- внешняя память,

а также:

- промежуточная буферная (или кэш-память);

- локальная (собственная)память отдельных устройств ПК.

[1, с.23-27; 3, с.114–115]:

Основная памятьпредназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками машины.

Основная память содержит два вида запоминающих устройств: постоянное запоминающее устройство(ПЗУ) иоперативное запоминающее устройство(ОЗУ).

К ПЗУ относятсяэнергонезависимые постоянные и «полупостоянные» запоминающие устройства, из которых оперативно можно только считывать информацию. Программируются они либо только при изготовлении, либо в лабораторных условиях, либо при наличии специального программатора на компьютере (перепрограммируемые многократно, к ним относится и такое «полупостоянное» запоминающее устройство как флэш-память, которая устанавливается в разъемы материнской платы и имеет емкость до 512 Мбайт) [3, с.201].

Кэш-память(от англ.Cache– тайник) – недоступная для пользователя высокоскоростная статическая память сравнительно большой емкости, являющаяся буфером между основной памятью и микропроцессором, позволяющая увеличить скорость выполнения операций. Кэш-память хранит копии данных из оперативной памяти, к которым выполнялись последние обращения и весьма вероятны обращения в ближайшие такты работы – быстрый доступ к этим данным позволяет сократить время выполнения очередных команд программы. Чем больше размер кэш-памяти, тем выше быстродействие компьютера. Однако у современных ПК повышение производительности прекращается, как только объем кэш-памяти достигает 1 Мбайт.

Динамическая память имеет большее время срабатывания, больший объем и меньшее энергопотребление. Статическая память имеет более высокое быстродействие (малое время срабатывания), малый объем и высокое энергопотребление.

Энергонезависимая памятьCMOSRAM(ComplementaryMetal-OxideSemiconductorRAM) находится на системной плате ПК, постоянно питается от своего аккумулятора, хранит информацию об аппаратной конфигурации ПК (обо всей аппаратуре, имеющейся в компьютере), которая проверяется при каждом включении системы [3, с.115].

«Внешняя память– используется для долговременного хранения любой информации, которая может когда-либо потребоваться для решения задач. В частности, во внешней памяти хранится все программное обеспечение компьютера.

Внешняя память представлена разнообразными видами запоминающих устройств.

Но наиболее распространенными из них, имеющимися практически на любом компьютере, являются накопители на жестких (НЖМД) и гибких (НГМД) магнитных дисках.

Накопители на жестких магнитных дисках – винчестеры.

Накопители на гибких магнитных дисках – накопители на флоппи-дисках или дискетах.

Различаются НЖМД и НГМД конструктивно, объемами хранимой информации и временем ее поиска, записи, считывания.

В качестве устройств внешней памяти используются также:

- накопители на оптических дисках (CDROM–CompactDiskReadOnlyMemory;CDRW– компакт-диски с однократной записью,CDR– компакт-диски перезаписываемые;DVD,DVDRW,DVDR–DigitalVersatileDisk–ROM, неперезаписываемые, перезаписываемые, с однократной записью соответственно);

- устройства флэш-памяти (или флэш-диски, твердотельные диски);

- и реже – запоминающие устройства на кассетной магнитной ленте (НКМЛ, стримеры)» [3, с.115].

Более подробное описание накопителей на магнитных и оптических дисках приведены в источнике [3, с.219–249].

Характеристики внешних устройств:

- емкость(Мбайт);

- время доступа(средний временной интервал, в течение которого накопитель находит требуемые данные, измеряется вмс– миллисекундах);

- трансфер(скорость передачи данных при последовательном чтении, измеряется вКбайт/с);

- диаметр(иначе – форм-фактор, измеряется в дюймах).

Организация данных на внешних носителяхбывает:

1. Логическая– описывает взаимные связи между данными и способы доступа к ним.

Каталог.

Корневой каталог.

Пустой каталог.

Правила формирования файловой структуры:

• Файл или каталог может входить с одним и тем же именем в один и тот же каталог только один раз;

• Допускается вхождение в различные каталоги файлов и каталогов с одинаковыми именами;

• На порядок следования файлов и подкаталогов в каталоге никаких ограничений не накладывается;

• Глубина вложенности каталогов не ограничивается.

Для обращения к файлу операционной системе требуется следующая информация о нем:

• Диск, на котором размещен файл. Текущим дискомназывается диск, с которым работает ОС в настоящий момент;

• Каталог, в котором размещен файл;

• Полное имя файла.

То есть необходимо указать путьк файлу – каталог или последовательность каталогов, которые необходимо пройти по дереву каталогов к тому каталогу, в котором находится файл.

2. Физическая– определяет правила размещения данных на внешних носителях. Она напрямую связана с логической структурой магнитного диска.

Ознакомимся с логической структурой диска.

Логическая структура магнитного диска [3, с.210–211]:

Адресация информации на диске:

На каждом диске выделены две области: системная областьиобласть данных.

Системная областьсостоит из трех частей:

1. Самый первой сектор диска, главная загрузочная запись, в которой описана конфигурация диска: какой логический раздел диска является системным, сколько разделов на этом диске и каков их объем.

2. Таблица размещения файлов, в которой содержится код формата и полная карта принадлежности секторов файлам.

3. Корневой каталог диска – список файлов и/или подкаталогов с их параметрами.

(В системах FAT) для каждого файла в корневом каталоге указывается номер его начального кластера, а в этом начальном и следующих кластерах в таблицах размещения файлов указываются, соответственно, следующие кластеры файла, и так до последнего, где указан код содержания последней части файла. Когда файл на диске удаляется, все его кластеры маркируются как свободные, но сами данные файла не удаляются (затираются только после записи на их место других, новых данных) – то есть удаленные файлы можно восстановить (например, с помощью сервисной программыUnreaseв пакете утилитNortonUtilities).

Область данныхсодержит подкаталоги и сами данные.

«Файл», их виды и организация[3, с.211–221].

Файловая система– совокупность программ, обеспечивающая выполнение операций над файлами.

Файлы могут создаваться в двух форматах:

1. Двоичный файл, состоящий из последовательности байтов. Хранит исполняемые программы и данные в кодовом, двоичном представлении. При выводе такого файла на дисплей или принтер прочесть его невозможно, так как двоичные коды переводятся в произвольные графические символы, звуковые сигналы или вообще не воспринимаются, если данный код не имеет графического представления и никак на устройство не действует.

2. Текстовый файл, состоящий из последовательности строк переменной длины, каждая из которых является логической записью файла. Такой файл непосредственно воспринимается человеком на экране или при выводе на печать через принтер. Текстовый файл может содержать текст программы на алгоритмическом языке, таблицу, исходные данные и т.д.

Файл характеризуется:

- полным именем;

- атрибутами (характеристиками) файла;

- датой создания файла;

-временем создания файла;

- длиной файла.

Полное имя файласостоит, как правило, из двух частей:

- идентифицирующей– имени файла.

- классифицирующей– расширения, определяющего тип файла.

Атрибуты файла– признак классификации файла, который определяет способ его использования, права доступа к нему и т.д., например:

- R (Read only);

- H (Hidden);

- S (System;

- A (Archive).

Файловая система поддерживает следующие типы доступа к файлам:

- последовательный метод доступа (записи считываются подряд, строго в порядке их расположения в файле);

- прямой (непосредственный) метод доступа (непосредственное обращение к записи по ее номеру в файле).