5.1. Инфраструктура аппаратного обеспечения и информационных технологий

Аппаратные компьютерные технологии образуют фундамент информационной технологии (ИТ) фирмы. Другие компоненты ИТ-инфраструктуры — програм­мное обеспечение, данные и локальные сети — требуют наличия аппаратного ком­пьютерного обеспечения, реализующего хранение данных и выполнение требу­емых операций. Хотя менеджеры и профессионалы в области бизнеса не обязаны быть экспертами в области компьютерных технологий, им вовсе не помешает вла­деть основами знаний относительно того, каким образом функционирует аппа­ратное компьютерное обеспечение, а также относительно его роли в ИТ-инфра-структуре. Благодаря этим навыками они смогут принимать технологические решения, позволяющие достичь высокой производительности труда в органи­зации.

Компьютерная система

Современная компьютерная система включает центральное вычислительное уст­ройство, первичную память, вторичную память, устройства ввода, устройства вывода, а также коммуникационные устройства (рис. 5.1).

Центральное процессорное устройство преобразует исходные данные в более приемлемую форму, а также контролирует работу других компонентов компью­терной системы. Временные данные и программы, используемые в процессе об­работки, хранятся в первичной памяти. Устройства вторичной памяти (магнит­ные и оптические диски, магнитная лента) предназначены для хранения данных и программ, которые не используются в процессе обработки. Устройства ввода, такие как клавиатура и мышь, преобразуют инструкции и данные в электронный формат, что необходимо для их ввода в компьютер. Устройства вывода, такие как принтер или видеотерминал, преобразуют'генерируемые компьютерной систе­мой данные таким образом, чтобы они могли восприниматься пользователями.

Коммуникационные устройства позволяют осуществлять подключение компью­тера к коммуникационным сетям. Шины — это дорожки на электронной плате, обеспечивающие передачу данных и сигналов между компонентами компьютер­ной системы.

Форма представления данных компьютерами

Информация, циркулирующая и обрабатываемая компьютерной системой, долж­на представляться в форме строк, состоящих из двоичных цифр. Все символы, изображения или тексты должны быть преобразованы в строчки двоичных цифр. Одна двоичная цифра называется битом и может принимать значения, равные О или 1. Смысл выбора именно таких значений заключается в том, что в компьюте­рах единица означает присутствие электронного или магнитного сигнала, а 0 — его отсутствие. Цифровые компьютеры могут работать непосредственно с двоич-

ными цифрами (или с массивом цифр, формирующих байты) Строка из восьми битов хранится компьютером в виде байта. Каждый байт может использоваться для хранения десятичного числа, символа, буквы или части картинки (рис. 5.2).

Н а рис. 5.3 проиллюстрирован принцип представления десятичных чисел с по­мощью двоичных цифр. Каждой позиции десятичного числа придается опреде­ленное значение. К двоичному числу можно свести любое число, представленное с помощью десятичной системы (с основанием 10). В двоичной числовой системе (с основанием 2) может представляться любое число в виде степени числа 2. В таб­лице, показанной в нижней части рисунка, демонстрируется, каким образом про­исходит преобразование двоичных чисел в десятичные. Двоичная числовая систе­ма позволяет представлять все числа в виде групп нулей и единиц. Помимо чисел компьютеры должны представлять алфавитно-цифровые символы, а также мно­гие другие символы, используемые в обычных «человеческих» языках, например $ и &. Исходя из этих соображений производители аппаратных средств разрабо­тали набор стандартных двоичных кодов.

Bit (бит)

Двоичная цифра, представляющая наименьшую порцию данных в компьютер­ной системе. Обычно принимает одно из двух состояний: 0 или 1.

Byte (байт)

Строка битов, количество которых равн© восьми, используемая для хранения одного числа или символа в компьютерной системе.

Чаще всего применяются коды EBCDIC и ASCII. Расширенный двоично-де­сятичный код обмена информацией (EBCDIC, Extended Binary Coded Decimal Interchange Code) разработан фирмой IBM в 50-х гг. XX в. В случае его примене­ния каждое число, алфавитно-цифровой или специальный символ представлены восемью битами. Американский стандартный код обмена информацией (ASCII, American Standard Code for Information Interchange) разработан Американским национальным институтом стандартов (ANSI, American National Standards Insti­tute). В данном случае идет речь о стандартном коде, который может использо-

EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal Interchange Code) (расширен­ный двоично-десятичный код обмена информацией)

Двоичный код, представляющий числа, алфавитные или специальные симво­лы с помощью восьми битов. Этот код обычно применяется в IBM или других компьютерах-мэйнфреймах.

ASCII (American Standard Code for Information Interchange) (американ­ский стандартный код обмена информацией)

Семи- или восьмибитовый двоичный код, используемый при передаче дан­ных в ПК, а также в некоторых больших компьютерах. Pixel (пиксель)

Наименьшая единица данных, используемая для формирования изображения в компьютере. Любое изображение представляет собой сетку, состоящую из набора пикселей. Сам термин пиксель произошел от слов picture element (элемент изображения).

Central processing unit (CPU) (центральное процессорное устройство/ЦПУ)

Компонент компьютерной системы, манипулирующий числами и символами, а также контролирующий другие компоненты компьютерной системы. Primary storage (первичная память)

Компонент компьютера, используемый для временного хранения програм­мных инструкций и данных, применяемых этими инструкциями.

ваться многими поставщиками оборудования, благодаря чему обеспечивается совместимость между различными компьютерами. Изначально ASCII являлся семибитовым кодом, но многие современные компьютеры используют восьмиби­товые версии этого кода. Код EBCDIC применяется в компьютерах IBM и в дру­гих мэйнфреймах, а код ASCII применяется для передачи данных в ПК, а также в некоторых больших компьютерах. В табл. 5.1 приведены некоторые буквы и чис­ла, которые могут представляться с помощью кодов EBCDIC и ASCII. Для пред­ставления всего богатства языков, на которых общаются народы мира, были раз­работаны другие кодовые системы.

Каким же образом в компьютерах могут представляться изображения? В этом случае формируется сетка на основе пикселей. Каждый узел этой сетки (матри­цы) называется пикселем (picture element, элемент изображения) и состоит из определенного количества битов. Также в компьютере хранится информация от­носительно каждого пикселя. Компьютерный монитор высокого разрешения (1024 х 768) формирует изображение с помощью стандартной сетки, содержащей более 700 тыс. пикселей. Именно этот тип разрешения именуется SVGA (super-video graphics array, логическая матрица супервидеографики). Обработка изобра­жений (или текста) современными компьютерами производится путем преобра­зования данных в биты и байты.

Таблица 5.1

Примеры кодов ASCII и EBCDIC

Символ или число	Двоичное число ASCII-8	Двоичное число EBCDIC
А	01000001	11000001
Е	01000101	11000101
Z	01011010	11101001
0	00110000	11110000
1	00110001	11110001
5	00110101	11110101

Первичная память и ЦПУ

Центральное вычислительное устройство (CPU, central processing unit) — это компонент компьютерной системы, который производит обработку букв, симво­лов и чисел, а также контролирует работу других компонентов компьютерной системы (рис. 5.4). Память, расположенная рядом с ЦПУ, называется первичным хранилищем (иногда она также называется первичной, или основной, памятью). Именно здесь организовано временное хранение данных и программных инст­рукций, используемых в процессе вычислений. Первичная память, ЦПУ, а также другие устройства связаны с помощью шин трех различных типов. Шина данных перемещает данные в первичное хранилище, а также извлекает их оттуда. Адрес­ная шина передает сигналы, определяющие адрес в первичном хранилище. Таким образом, определяются размещаемые дацные. Управляющая шина передает си­гналы, определяющие считывание/запись данных по определенному адресу в пер-

вичной памяти, а также в устройствах ввода/вывода. Характеристики ЦПУ и пер­вичной памяти играют определяющую роль для быстродействия и других воз­можностей компьютеров.

Арифметико-логическое и управляющее устройства

Как показано на рис. 5.4, ЦПУ состоит из арифметико-логического и управ­ляющего устройств. Арифметико-логическое устройство (АЛУ) реализует вы­полнение компьютером основных арифметических и логических операций. В част­ности, выполняются операции сложения, вычитания, умножения, деления, а также определения знака числа. Помимо реализации арифметических операций в за­дачи АЛУ входит определение того, является ли одна величина больше другой, а также установка факта равенства. АЛУ способно выполнять логические опера­ции с двоичными кодами символов, а также с числами.

Управляющее устройство координирует и контролирует функционирование других компонентов компьютерной системы. В его задачи входят загрузка ранее сохраненных программ (одна инструкция в единицу времени), а также управле­ние другими компонентами компьютерной системы в процессе выполнения тре­буемых программой задач. Набор операций, требуемых для выполнения одной

машинной инструкции, называется машинным циклом. Для устаревших компью­теров и ПК длина машинного цикла измеряется миллисекундами. В случае более мощных компьютеров машинный цикл оценивается наносекундами или пикосе-кундами. Длина машинного цикла также может измеряться в MIPS (миллион инструкций, выполняемых за одну секунду).

Первичная память

Первичная память выполняет три функции. Во-первых, здесь хранится програм­ма (или ее часть), которая была вызвана для выполнения. Во-вторых, здесь хра­нятся системные программы, которые управляют функционированием компью­тера. (Эти программы подробно рассматриваются в гл. 6.) В третьих, в первичной памяти хранятся используемые программой данные. Данные и программы поме­щаются в первичную память перед выполнением обработки, между этапами об­работки, а также по завершении обработки (до завершения передачи данных во вторичную память или до их вывода).

На рис. 5.5 показана структура первичной памяти электронного цифрового компьютера. Внутренняя первичная память часто называется ОЗУ (RAM, опе­ративное запоминающее устройство с произвольной выборкой информации). Этимология подобного названия обусловлена тем, что это устройство обеспечи­вает непосредственный единовременный доступ к любой произвольным образом выбранной ячейке памяти.

Н а рис. 5.5 видно, что первичная память состоит из ячеек, именуемых байта­ми. Каждая ячейка включает набор из восьми двоичных переключателей (или устройств), каждый из которых может хранить один информационный бит. На­бор из восьми битов, находящийся в каждой ячейке, позволяет хранить одну бук­ву, цифру или специальный символ (например, $), задаваемый с помощью кода EBCDIC или ASCII. Каждому байту присущ уникальный адрес (как и в случае

Arithmetic-logic unit (ALU) (арифметико-логическое устройство)

Компонент ЦПУ, выполняющий основные арифметические и логические опе­рации.

Control unit (управляющее устройство)

Компонент ЦПУ, контролирующий и координирующий работу других компо­нентов компьютерной системы.

Machine cycle (машинный цикл)

Набор операций, требуемых для выполнения одной машинной инструкции.

Microsecond (микросекунда)

Одна миллионная доля секунды.

Nanosecond (наносекунда)

Одна миллиардная доля секунды.

RAM (random access memory) (оперативное запоминающее устройство/ ОЗУ)

Первичное хранилище для данных и инструкций, обеспечивающее непосред­ственный одновременный доступ к произвольно выбранному местоположе­нию данных. $

с почтовым ящиком), благодаря чему указывается его местонахождение в опера­тивной памяти.

Определение местонахождения байтов данных осуществляется путем отсле­живания соответствующих адресов.

Емкость компьютерной памяти измеряется в байтах. В табл. 5.2 описываются единицы измерения емкости. Одна тысяча байтов (фактически 1024 ячейки па­мяти) образует килобайт. Один миллион байтов называется мегабайтом, один миллиард байтов — гигабайтом, а один триллион байт — терабайтом.

Первичная память организована на основе полупроводниковых микросхем. Это устройство представляет собой кремниевую пластину, на которой напылены тысячи (или даже миллионы) транзисторов. Причем типы микросхем памяти могут быть самыми различными. Оперативная память (RAM) применяется для организации краткосрочного хранения данных или программных инструкций. Ее содержимое может исчезать в случае прерывания энергоснабжения (крат­ковременный сбой электропитания или отключение компьютера от электросети).

Таблица 5.2
Величины емкости компьютерной памяти
Байт ,	Строка из восьми битов
Килобайт	1 000 байтов1
Мегабайт	1 000 000 байтов
Гигабайт	1 000 000 000 байтов
Терабайт	1000000000000 байтов

1) Фактически 1024 ячейки памяти

Kilobyte (килобайт)

Тысяча байтов (фактически 1024 ячейки памяти). Единица измерения емкости компьютерной памяти.

Megabyte (мегабайт)

Приблизительно один миллион байтов. Единица измерения емкости компью­терной памяти.

Gigabyte (гигабайт)

Примерно один миллиард байтов. Единица измерения емкости компьютер­ной памяти.

Terabyte (терабайт)

Приблизительно один триллион байтов. Единица измерения емкости компью­терной памяти.

Semiconductor (полупроводниковая микросхема)

Интегральная схема, включающая тысячи (или даже миллионы) мельчайших

транзисторов на кремниевой пластине.

Rom (read-only memory) (ПЗУ/постоянное запоминающее устройство)

Полупроводниковые микросхемы памяти, в которых хранятся программные инструкции. При работе с этими микросхемами возможны только операции считывания (запись данных не допускается).

Память ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) предназначена только для считывания данных (запись информации невозможна). В процессе изготовления микросхем ПЗУ в них «зашиваются» готовые программы. Эти микросхемы при­меняются в стандартных компьютерах для хранения важных (или часто исполь­зуемых) программ, например вычислительных процедур, реализующих подсчет квадратных корней.

Микропроцессоры и быстродействие компьютеров

С овременные ЦПУ реализованы в виде полупроводниковых микросхем, имену­емых микропроцессорами, на кристаллах которых интегрированы память, логика и цепи управления (как правило, все эти устройства находятся внутри одной мик­росхемы). Показатели быстродействия и производительности микропроцессо­ров компьютеров позволяют определить быстродействие компьютеров в целом. В табл. 5.3 приведены некоторые наиболее распространенные микропроцессоры. Микропроцессоры могут быть 8-, 16- или 32-разрядными. Эти характеристики указывают длину слова (количество битов, одновременно обрабатываемых ком-

Microprocessor (микропроцессор)

Продукт использования технологии сверхвысокой степени интеграции, обес­печивающей формирование блоков логики, управления и компьютерной па­мяти на одной кремниевой пластине.

Word length (длина слова)

Количество битов, одновременно обрабатываемых компьютером. С увеличе­нием длины слова возрастает быстродействие компьютеров.

Таблица 5.3
Примеры микропроцессоров
Название	Произво-дитель	Длина слова	Ширина шины данных	Тактоваячастота (МГц)	Область применения
Pentium	Intel	32	64	75-200	IBM и другие ПК
Pentium II	Intel	32	64	233-450	ПК
Pentium III	Intel	32	64	900+	Высокоуровне-вые ПК, серверы и рабочие станции
PowerPC	Motorola, IBM Apple,	32 или 64	64	100-700+	ПК и рабочие стан ции
Alpha 21364	Compaq	64	64	1000+	Рабочие станции и серверы Compaq
AMD Athlon	Advanced Micro Devices	32	64	1000+	Производительные ПК и рабочие стан ции
Pentium 4	Intel	32	64	1500	Производительные ПК, серверы и рабочие станции

пьютером). 32-разрядный процессор может обрабатывать 32 бита (или 4 байта) данных на протяжении одного машинного цикла. 64-разрядный микропроцессор за время одного цикла может обрабатывать 64 бита (8 байтов). С ростом длины слова возрастает быстродействие компьютеров.

На быстродействие микропроцессора большое влияние оказывает тактовая частота. Каждое событие, происходящее в компьютере, разбивается на последо­вательность шагов, выполняемых поочередно. Значение тактовой частоты уста­навливается управляющим устройством. Для этого используется внутренний тактовый генератор, а значение тактовой частоты измеряется в мегагерцах (со­кращенно МГц, соответствует миллионам тактов в секунду). Например, величи­на тактовой частоты микропроцессора 8088, разработанного фирмой Intel, состав­ляла 4,47 МГц, в то время как величина тактовой частоты для процессора Intel Pentium III варьирует от 450 до 900 МГц и более, а тактовая частота Pentium 4 превышает значение 1 ГГц.

На быстродействие компьютеров оказывает влияние разрядность шины дан­ных. Именно это устройство выступает в качестве «магистрали», связывающей в единое целое ЦПУ, первичную память и другие устройства, определяя объем данных, передаваемых в единицу времени. Например, процессор 8088, применяв­шийся в оригинальном персональном компьютере от фирмы IBM, работал с 16-раз­рядными словами, но разрядность шины данных ограничивалась величиной 8 битов. Это означает, что ЦПУ обрабатывал данные в виде 16-разрядных порций, но меж­ду ЦПУ, первичной памятью и внешними устройствами передача данных проис­ходила в виде 8-разрядных пакетов. С другой стороны, процессор A|pha имеет размер машинного слова, равный 64 битам, а также 64-разрядную шину данных.

M egahertz (мегагерц)

Единица измерения тактовой частоты; один мегагерц эквивалентен одному миллиону циклов в секунду.

Data bus width (ширина шины данных)

Количество битов, которые могут одновременно передаваться между ЦПУ, основной памятью и другими устройствами компьютера.

Reduced instruction set computing (RISC) (сокращенный набор вычисли­тельных команд)

Технология, позволяющая увеличить быстродействие микропроцессоров пу­тем встраивания в микропроцессор лишь набора наиболее часто использу­емых команд.

Из всего сказанного следует вывод, что увеличение количества инструкций, вы­полняемых процессором в единицу времени, а также ускорение функционирую­щих программ или пользовательских сеансов происходят по мере увеличения дли­ны машинного слова процессора, разрядности шины данных или тактовой частоты. А еще лучше, если происходит рост всех трех перечисленных показателей.

Быстродействие процессоров может повышаться в том случае, если в процессе их проектирования и изготовления используется сокращенный набор вычисли­тельных команд (RISC, Reduced Instruction set Computing). Традиционные про­цессоры, основанные на использовании полного набора команд, включают не­сколько сотен жестко закодированных инструкций, причем выполнение каждой инструкции может потребовать нескольких тактов. Если же редко применяемые команды будут исключены, оставшиеся инструкции будут выполняться намного быстрее. Эта идея используется в RISC-компьютерах, где оставлены лишь наибо­лее часто используемые инструкции. В ЦПУ, построенном на базе RISC-архитек­туры, большинство инструкций требует одного машинного такта, а иногда вы­полняются несколько инструкций одновременно.

Технология RISC является наиболее подходящей в случае выполнения науч­ных вычислений (а также для рабочих станций), когда в процессе трехмерной визуализации данных происходит многократное выполнение однотипных ариф­метических или логических операций.

Микропроцессоры оптимизированы для выполнения мультимедийных и гра­фических приложений, благодаря чему улучшается обработка насыщенных гра­фикой приложений. Ранние разработки микропроцессоров от Intel, AMD, а также некоторых других производителей включали набор дополнительных инструкций, называемый ММХ (MultiMedia extension, мультимедийное расширение). Благо­даря этому ускорялось выполнение приложений, интенсивно использующих гра­фику и звук. Причем такие мультимедийные приложения, как игры и видеофиль­мы, выполнялись более натуралистично и использовали большую цветовую гамму, если программам удавалось задействовать ММХ-инструкции. Например, в рамках одного и того же приложения могут открываться несколько каналов, воспроизводящих звук, высококачественное видео, анимацию или реализующих подключение к Интернету.

MMX (MultiMedia extension (мультимедийное расширение)

Набор встроенных в микропроцессор инструкций, ускоряющих выполнение мультимедийных приложений.

Corpocessor (сопроцессор)

Дополнительный процессор, выполняющий специфические задачи, благода­ря которому возрастает быстродействие ЦПУ (вследствие его «разгрузки»).

Parallel processing (параллельная обработка)

Тип обработки, в процессе осуществления которой в единицу времени выполня­ется более одной инструкции. Это достигается путем разбиения задачи на мень­шие подзадачи, одновременно выполняемые несколькими процессорами.

Massively хparallel computers (компьютеры с массовым параллелизмом)

Компьютеры, включающие сотни (или тысячи) процессоров, обеспечивающих успешное решение сложных задач в параллельном режиме.

Использование нескольких процессоров для выполнения параллельной обработки

Многие компьютеры используют несколько процессоров при выполнении вычис­лительных задач. Например, в ПК использование сопроцессора продиктовано соображениями увеличения производительности при выполнении таких специ­фических задач, как выполнение математических вычислений или работа с гра­фикой.

Ускорение обработки может достигаться в том случае, когда несколько про­цессоров занято выполнением одной и той же задачи. На рис. 5.6 сравниваются параллельная и последовательная обработки, реализуемые на обычном компью­тере. В процессе параллельной обработки несколькими центральными вычисли-

В процессе последовательной обработки выполнение каждой задачи производится ЦПУ, который обрабатывает одну инструкцию за единицу времени. При параллельной обработке несколько задач назначаются блокам, выполняющим обработку, благодаря чему конечный результат формируется значительно быстрее

тельными устройствами (ЦПУ) одна большая задача разбивается на несколько маленьких подзадач, работа над выполнением которых производится одновре­менно. Использование группы процессоров для решения одной и той же задачи требует переформулировки самой задачи, а также наличия специального ПО, по­зволяющего разделить одну задачу на несколько меньших по размеру подзадач наиболее эффектным способом. При этом поддерживаются требуемые данные, а также производится повторная сборка результатов многих подзадач, в резуль­тате чего получается необходимое решение.

Компьютеры с массовым параллелизмом включают огромные сети, состоя­щие из сотен (или даже тысяч) процессоров, с помощью которых реализуются сложные (и вместе с тем гибкие) методы решения больших вычислительных за­дач. В отличие от параллельной обработки, когда несколько дорогих специализи­рованных процессоров работают в «одной упряжке», в компьютерах с массовым параллелизмом сотни (или даже тысячи) недорогих универсальных процессоров решают небольшие по объему подзадачи, на которые разбивается исходная «гро­моздкая» задача. Например, в фирме Wal-Mart подобные компьютеры применя­ются для работы с базой данных, содержащей сведения о запасах на складе и тен­денциях продаж. Причем объем информации, содержащейся в этой базе данных, составляет 24 млрд Кбайтов.

. .