2 Выбор архитектуры вычислительной системы

2.1.Общая схема архитектуры вычислительной системы

Система, состоящая из одной или нескольких ЭВМ и набора программ, обеспечивающих выполнение возложенных на систему функций, называется вычислительной системой (ВС). Состав ВС можно представить в виде совокупности аппаратной и программной частей (рис.1).

Рисунок 2.1 – Состав ВС

В состав оборудования может входить одна или несколько ЭВМ, которые выполняют функцию ввода, хранения, преобразования и вывода информации. Система нескольких ЭВМ, объединенных между собой каналами связи, разнесенных в пространстве и выполняющих функцию приема/передачи информации, называется вычислительной сетью.

Вычислительную сеть можно представить в виде двух взаимосвязанных подсетей: сети передачи данных и сети ЭВМ. СПД - совокупность технических средств для передачи данных между ЭВМ, которые состоят из линий связи и узлов связи. Узел связи - совокупность средств коммутации и передачи данных в одном пункте. Узел связи принимает данные, поступающие по каналам связи, и передает данные в каналы ведущие к абонентам. Узел связи реализуется на основе коммутационной ЭВМ и аппаратуры передачи данных. Коммутационная ЭВМ управляет приемом и передачей данных и, в частности, выбирает целесообразный путь передачи данных (в другой терминологии - маршрутизатор или коммутатор). СПД можно считать ядром вычислительной сети, обеспечивающим физическое объединение ЭВМ и других устройств.

Сеть ЭВМ - совокупность ЭВМ, объединенных сетью передачи данных. Сеть ЭВМ включает в себя главный и терминальные ЭВМ. Главная ЭВМ выполняет задания пользователя сети и содержит основные программные ресурсы. Терминальные ЭВМ - пользовательские персональные ЭВМ, а также интеллектуальные терминалы, включающие монитор со встроенным процессором, обеспечивающим локальную обработку. Под терминальными ЭВМ понимаются устройства ввода графической информации, речи, изображения и устройства вывода аналогичной информации.

Общая схема архитектуры ВС представлена на рисунке 2.2. Основным модулем является центральный процессор. С которым взаимодействуют устройства ввода-вывода, внешние запоминающие устройства, а также оперативная память.

				Прикладные программы
			Системы программирования
		Управление логическими устройствами
	Управление физическими устройствами
Аппаратные средства

Рисунок 2.2 – Общая схема архитектуры ВС

Схема архитектуры вычислительной системы отдельного компьютера представлена на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 – Схема архитектуры вычислительной системы

Процессор дешифрирует команды и управляет всеми действиями в системе, а также выполняет все арифметические и логические операции.

Память – устройство для хранения информации. Память делится на внутреннюю (расположенную на системной плате) и внешнюю (размещенную на разнообразных внешних носителях информации).

Внутренняя память в свою очередь подразделяется на:

• ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), которое содержит информацию, сохраняемую даже при отключенном питании, которая служит для тестирования памяти и оборудования компьютера, начальной загрузки ПК при включении;

• ОЗУ (оперативное запоминающее устройство), служит для оперативного хранения программ и данных, сохраняемых только на период работы ПК. Она энергозависима, при отключении питания информация теряется. МП имеет возможность прямого доступа в ОП, минуя систему ввода/вывода.

Контроллеры служат для обеспечения прямой связи с ОП, минуя МП, они используются для устройств быстрого обмена данными с ОП – дисплей, клавиатура и др., обеспечения работы в групповом или сетевом режиме.

В персональном компьютере все устройства взаимодействуют через системную шину. Шина – это общий канал связи, используемый в ПК. Применяется она для организации взаимодействия между двумя или более компонентами системы.

2.2. Архитектура процессора

2.2.1 Архитектура процессора

Гипотетический микропроцессор оперирует с 8-ми разрядными байтами. Следовательно, разрядность шины данных также равна 8 бит. Длина адреса составляет 12 бит, следовательно, шина адреса 12-ти разрядная. Регистр данных и адреса (DAR) имеет разрядность 12 бит. Разрядность программного счетчика (PC) равна разрядности адреса (12 бит).

Разрядность регистра команд (IR) равна максимальной длине команды минус максимальная длина операнда. Максимальная длина операнда равна 16 бит. Следовательно, разрядность регистра команд – 8 бит. Регистр условия состоит из трех флагов: флаг нуля (Z) – устанавливается, если результат последней операции равен нулю; флаг знака (S) – устанавливается, если результат последней операции отрицательный; флаг переполнения (О) – устанавливается, если в результате последней операции был зафиксирован факт переполнения (выхода за пределы диапазона допустимых значений).

Структурно-логическая схема гипотетического микропроцессора представлена на рисунке 2.4.

Рисунок 2. 4 – Структурно-логическая схема гипотетического микропроцессора

2.2.2 Режимы адресации

Гипотетический процессор использует следующие виды адресации для доступа к данным в памяти:

- прямая – в команде указывается адрес, по которому находится операнд. Используется при записи данных в память и из памяти и для операций перехода

- прямая регистровая – в команде указывается аккумулятор, в котором находится операнд. Используется для загрузки, при арифметических и логических операциях и операциях сравнения;

- косвенная регистровая – адрес исполнительный находится в РОНе адресуемой команде, является более быстрой, чем косвенная адресация и позволяет сократить длину команды;

- непосредственная - операнд занимает одно из полей команды и, следовательно, выбирается из оперативной памяти одновременно с ней. Используется в арифметических командах и при загрузке конкретного значения в регистр;

- с автоувеличением и автоуменьшением – разновидность косвенной регистровой адресации. После или перед выполнением содержимое регистра автоматически увеличивается или уменьшается на единицу. Применяется при создании циклов.

2.3 Система команд

В соответствии с требованием функциональной полноты система команд включает следующие операции:

• загрузку регистров и запись в память;

• сложение и вычитание целых чисел;

• поразрядные логические операции;

• условные и бузусловные переходы;

• изменение содержимого разрядов регистра кода условия (флажков);

• ввод и вывод;

• останов, вызов подпрограмм и возврат из них.

Система команд обеспечивает с помощью вышеприведенных команд организацию циклов, переход к подпрограмме и возврат. Модификация данных обеспечивается наличием команд загрузки, записи в память, арифметических и логических команд, изменяющих содержимое аккумуляторов и регистров общего назначения. Система команд микропроцессора представлена в таблице 2.1.

Таблица 2.1 – Система команд микропроцессора

Мнемоника	Формат	Адресация	Пояснение
Команды пересылки
послатьРвР	код Рi Рj 0000000100 0 7 ххх 10 12 ххх 13 15	Прямая регистровая	из регистра Рi в регистр Рj
послатьЧвР	код Ч 00000010 0 7 хххххххх 8 15	Непосредственная	Из команды в Р0
послатьРвП	код Адр 000000110000 0 7 хххххххххххх 12 23	Прямая	Из Р1 в память по адресу из команды
послатьПвР	код 000001000000 0 7 ххххххххххх 12 15	Прямая	в Р1 из памяти по адр. из команды
Арифметические команды
ПлюсРР	код Рi Рj 0000010100 0 7 ххх 10 12 ххх 13 15	Прямая регистровая	Рi+Рj→Рi
ПлюсЧ	код Ч 00000110 0 7 хххххххх 8 15	Непосредственная	Рi+Ч→Рi
МинусРР	код Рi Рj 0000011100 0 7 ххх 10 12 ххх 13 15	Прямая регистровая	Рi-Рj→Рi
МинусЧ	код Ч 00001000 0 7 хххххххх 8 15	Непосредственная	Рi-Ч→Рi
ИнкрР	код Рi 0000100100000 0 7 ххх 13 15	Прямая регистровая	Рi= Рi+1
ДикрР	код Рi 0000101000000 0 7 ххх 13 15	Прямая регистровая	Рi= Рi-1
Умножить	код 00001011 0 7	Прямая регистровая	A0*A1→A0
УмножитьЧ	код Ч 00001100 0 7 хххххххх 8 15	Прямая регистровая	A0*Ч→A0
Делить	код 00001101 0 7	Прямая регистровая	A0/A1→A0
П родолжение табл. 2.1
ДелитьЧ	код Ч 00001110 0 7 хххххххх 8 15	Непосредственная	A0/Ч→A0
Логические команды
и	код 00001111 0 7	Прямая регистровая	A0 и A1→A0
или	код 00010000 0 7	Прямая регистровая	A0 или A1→A0
не	код 00010001 0 7	Прямая регистровая	Не А0
Операции перехода
переход	код Адр 000100100000 0 7 хххххххххххх 12 23	Прямая	бузусловный. переход по адр. из команды
прх _больше	код Адр 000100110000 0 7 хххххххххххх 12 23	Прямая	Переход по адресу из команды если больше
прх _меньше	код Адр 000101000000 0 7 хххххххххххх 12 23	Прямая	Переход по адресу из команды если меньше
прх _равно	код Адр 000101010000 0 7 хххххххххххх 12 23	Прямая	Переход по адресу из команды если равно
прх_неравно	код Адр 000101100000 0 7 хххххххххххх 12 23	Прямая	Переход по адресу из команды если неравно
цикл	код Адр 000101110000 0 7 хххххххххххх 12 23	Адресация с автоувеличением и автоуменьшением	Переход по адресу из команды, Р2=Р2-1
Команды работы с флагами
флаг_н_0	код Ч 00011000 0 7 хххххххх 8 15	Нет адресации	установить флаг нуля в ноль
флаг_н_1	код Ч 00011001 0 7 хххххххх 8 15	Нет адресации	установить флаг нуля в еденицу
флаг_п_0	код Ч 00011010 0 7 хххххххх 8 15	Нет адресации	Установить флаг переполнения в ноль
флаг_п_1	код Ч 00011011 0 7 хххххххх 8 15	Нет адресации	Установить флаг переполнения в еденицу
флаг_з_0	код Ч 00011100 0 7 хххххххх 8 15	Нет адресации	Установить флаг знака в ноль
флаг_з_1	код Ч 00011101 0 7 хххххххх 8 15	Нет адресации	Установить флаг знака в еденицу
П родолжение табл. 2.1
Операции сравнения
больше	код 00011110 0 7	Прямая регистровая	А0>А1→Р2
меньше	код 00011111 0 7	Прямая регистровая	А0<А1→Р2
равно	код 00100000 0 7	Прямая регистровая	А0=А1→Р2
неравно	код 00100001 0 7	Прямая регистровая	А0≠А1→Р2
Другие команды
ввод	код Рi 0010001000000 0 7 ххх 13 15	Нет адресации	Ввести зн. и поместить в Ri
вывод	код Рi 0010001100000 0 7 ххх 13 15	Нет адресации	Вывод из Ri
вход	код 00100100 0 7	Нет адресации	Точка начала
останов	код 00100101 0 7	Нет адресации	Команда останова

2.4 Спецификации интерфейсов с ВУ

Интерфейс — это средство сопряжения двух устройств, в котором все физические и логические параметры согласуются между собой. Каждый из функциональных элементов (память, монитор или другое устройство) связан с шиной определённого типа — адресной, управляющей или шиной данных.

Для согласования интерфейсов периферийные устройства подключаются к шине не напрямую, а через свои контроллеры (адаптеры) и порты.

Контроллеры и адаптеры представляют собой наборы электронных цепей, которыми снабжаются устройства компьютера с целью совместимости их интерфейсов. Контроллеры, кроме этого, осуществляют непосредственное управление периферийными устройствами по запросам микропроцессора.

Порты устройств представляют собой некие электронные схемы, содержащие один или несколько регистров ввода-вывода и позволяющие подключать периферийные устройства компьютера к внешним шинам микропроцессора. Портами также называют устройства стандартного интерфейса: последовательный, параллельный и игровой порты (или интерфейсы).

Последовательный порт обменивается данными с процессором побайтно, а с внешними устройствами — побитно. Параллельный порт получает и посылает данные побайтно.

К последовательному порту обычно подсоединяют медленно действующие или достаточно удалённые устройства, такие, как мышь и модем. К параллельному порту подсоединяют более "быстрые" устройства — принтер и сканер. Через игровой порт подсоединяется джойстик. Клавиатура и монитор подключаются к своим специализированным портам, которые представляют собой просто разъёмы.

Основные электронные компоненты, определяющие архитектуру процессора, размещаются на основной плате ПК, которая называется системной или материнской (MotherBoard). А контроллеры и адаптеры дополнительных устройств, либо сами эти устройства, выполняются в виде плат расширения (DаughterBoard — дочерняя плата) и подключаются к шине с помощью разъёмов расширения, называемых также слотами расширения (англ. slot — щель, паз).

Любое внешнее устройство имеет контроллер, через который организуется аппаратное взаимодействие внешнего устройства с процессором. Каждому контроллеру внешнего устройства назначается свой адрес, по которому можно обращаться к нему.

Рисунок 2.5 – Общая схема архитектуры вычислительной системы, спецификации интерфейсов с ВУ

При обращении к устройству его адрес выставляется центральным процессором на шину адреса. По шине данных осуществляется обмен данными между устройствами и процессором. В выбранной архитектуре используются следующие внешние устройства: монитор, клавиатура, CD-ROM и принтер.

2.5 Система прерываний

Наступление того или иного события сопровождается возникновением прерывания. Прерывание – сигнал, заставляющий ЭВМ менять обычный порядок выполнения исполнения потока. По определению прерывание означает временное прекращение основного процесса вычислений для выполнения некоторых запланированных или незапланированных действий, вызываемых работой аппаратуры или программы. В зависимости от источника прерывания классифицируются на:

• аппаратные, возникающие как реакция микропроцессора на физический сигнал от некоторого устройства компьютера. По времени возникновения эти прерывания асинхронны, то есть происходят в случайные моменты времени;

• программные, которые вызываются искусственно с помощью соответствующей команды из программы. Они предназначены для выполнения некоторых действий операционной системы. Эти прерывания являются синхронными;

• исключения – разновидность программных прерываний, являющихся реакцией микропроцессора на нестандартную ситуацию, возникающую внутри микропроцессора во время выполнения некоторой команды программы.

Список прерываний представлен в таблице 2.2.

Таблица 2.2 – Список прерываний

№ прерывания	Тип прерывания	Наименование	Условие возникновения
IRQ 1	программное	Деление на 0	Деление на 0
IRQ 2	программное	Переполнение	Переполнение стека
IRQ 3	программное	Память	Неправильное обращение к памяти – выход за пределы сегмента
IRQ 4	программное	Память	Неправильное обращение к памяти – нарушение уровня доступа
IRQ 5	аппаратное	Клавиатура	Нажатие клавиши
IRQ 6	аппаратное	ЖД	Прерывания жесткого диска
IRQ 7	аппаратное	Принтер	Прерывания принтера
IRQ 8	аппаратное	Мышь	Прерывания мыши
IRQ 9	аппаратное	Сетевая карта	Прерывания сетевой карты
IRQ 10	аппаратное	Ожидание	Приостановка выполнения задачи

2.6 Аппаратные средства обеспечения защиты

Под аппаратными средствами защиты понимаются специальные средства, непосредственно входящие в состав технического обеспечения и выполняющие функции защиты как самостоятельно, так и в комплексе с другими средствами, например с программными. Можно выделить некоторые наиболее важные элементы аппаратной защиты:

• защита от сбоев в электропитании;

• защита от сбоев серверов, рабочих станций и локальных компьютеров;

• защита от сбоев устройств для хранения информации;

• защита от утечек информации электромагнитных излучений.

Наиболее надежным средством предотвращения потерь информации при кратковременном отключении электроэнергии в настоящее время является установка источников бесперебойного питания (UPS). Различные по своим техническим и потребительским характеристикам, подобные устройства могут обеспечить питание всей локальной сети или отдельной компьютера в течение какого-то промежутка времени, достаточного для восстановления подачи напряжения или для сохранения информации на магнитные носители. В противном случае используется следующая функция подобных устройств – компьютер получает сигнал, что UPS перешел на работу от собственных аккумуляторов и время такой автономной работы ограничено. Тогда компьютер выполняет действия по корректному завершению всех выполняющихся программ и отключается (команда SHUTDOWN). Большинство источников бесперебойного питания одновременно выполняет функции и стабилизатора напряжения, является дополнительной защитой от скачков напряжения в сети. Многие современные сетевые устройства - серверы, концентраторы, мосты и т.д. – оснащены собственными дублированными системами электропитания.Крупные организации имеют собственные аварийные электрогенераторы или резервные линии электропитания. Эти линии подключены к разным подстанциям, и при выходе из строя одной них электроснабжение осуществляется с резервной подстанции.

Один из методов такой защиты - это резервирование особо важных компьютерных подсистем. Пример – симметричное мультипроцессирование. В системе используется более двух процессоров, и в случае сбоя одного из них, второй продолжает работу так, что пользователи вычислительной системы даже ничего не замечают. Естественно на такую защиту требуется гораздо больше средств.

Организация надежной и эффективной системы резервного копирования и дублирования данных является одной из важнейших задач по обеспечению сохранности информации. В небольших сетях, где установлены один-два сервера, чаще всего применяется установка системы резервного копирования непосредственно в свободные слоты серверов. Это могут быть устройства записи на магнитные ленты (стример), на компакт-диски многоразового использования, на оптические диски и т.д. В крупных корпоративных сетях наиболее предпочтительно организовать выделенный специализированный архивационный сервер. Специалисты рекомендуют хранить дубликаты архивов наиболее ценных данных в другом здании, на случай пожара или стихийного бедствия. В некоторых случаях, когда подобные сбои и потеря информации могут привести к неприемлемой остановке работы - применяются система зеркальных винчестеров. Резервная копия информации формируется в реальном времени, то есть в любой момент времени при выходе из строя одного винчестера система сразу же начинает работать с другим.

В месте с тем, кроме аппаратных средств резервного копирования данных существуют и чисто программные средства архивации.

Прохождение электрических сигналов по цепям ПК и соединительным кабелям сопровождается возникновением побочных электромагнитных излучений (ПЭМИ) в окружающей среде. Распространение побочных электромагнитных излучений за пределы контролируемой территории на десятки, сотни, а иногда и тысячи метров, создает предпосылки для утечки информации, так как возможен ее перехват с помощью специальных технических средств контроля. В персональном компьютере кроме проводных линий связи также основными источниками электромагнитных излучений являются мониторы, принтеры, накопители на магнитных дисках, а также центральный процессор. Исследования показывают, что излучение видеосигнала монитора является достаточно мощным, широкополосным и охватывает диапазон метровых и дециметровых волн. Для уменьшения уровня побочных электромагнитных излучений применяют специальные средства защиты информации: экранирование, фильтрацию, заземление, электромагнитное зашумление, а также средства ослабления уровней нежелательных электромагнитных излучений и наводок при помощи различных резистивных и поглощающих согласованных нагрузок.

При контроле защиты информации ПК используются специально разработанные тестовые программы, а также специальная аппаратура контроля уровня излучения, которые определяют режим работы ПК, обеспечивающий совместно с другими техническими средствами скрытый режим работы для различных средств разведки.

Используется программно-аппаратное запрещение доступа на запуск ЭВМ на уровне BIOS (паролирование); использование привилегированных команд; разделение сегментов по типам (например, кодовый сегмент или сегмент данных); введение прав доступа к сегментам и страницам (например, право только чтения или только исполнения).