Считывание информации

Данные с диска читаются при помощи лазерного луча с длиной волны 780 нм, излучаемого полупроводниковым лазером. Принцип считывания информации лазером для всех типов носителей заключается в регистрации изменения интенсивности отражённого света. Лазерный луч фокусируется на информационном слое в пятно диаметром ~1,2 мкм. Если свет сфокусировался между питами (на ленде), то приёмный фотодиод регистрирует максимальный сигнал. В случае, если свет попадает на пит, фотодиод регистрирует ме́ньшую интенсивность света.

Различие между дисками «только для чтения» (CD) и дисками однократной/многократной записи (CD-R/RW) заключается в способе формирования питов. В случае диска «только для чтения» питы представляют собой некую рельефную структуру (фазовую дифракционную решетку), причём оптическая глубина каждого пита чуть меньше четверти длины волны света лазера, что приводит к разнице фаз в половину длины волны между светом, отражённым от пита и светом, отражённым от ленда. В результате в плоскости фотоприёмника наблюдается эффект деструктивной интерференции и регистрируется снижение уровня сигнала. В случае CD-R/RW пит представляет собой область с бо́льшим поглощением света, нежели ленд (амплитудная дифракционная решетка). В результате фотодиод также регистрирует снижение интенсивности отражённого от диска света. Длина пита изменяет как амплитуду, так и длительность регистрируемого сигнала.

Скорость чтения/записи CD указывается кратной 150 Кб/с (то есть 153 600 бит/с). Например, 48-скоростной привод обеспечивает максимальную скорость чтения (или записи) CD, равную 48 × 150 = 7200 Кб/с (7,03 Мб/с)

10. Устройства ввода. Клавиатура. Является одним из первым и наиболее необходимым на настоящий момент устройством для ввода буквенно-символьной информации в ПК. По расположению клавиш настольные клавиатуры делятся на два основных типа, функционально ничуть не уступающие друг другу:

1. Функциональные клавиши располагаются в двух вертикальных рядах, отдельных групп клавиш управления курсором нет. Всего в такой клавиатуре 84 клавиши. Некоторые считают этот стандарт устаревшим.

2. Усовершенствованная (расширенная), имеет 101 или 102 клавиши. Клавиатурой такого типа снабжаются сегодня почти все настольные персональные компьютеры. Количество функциональных клавиш в усовершенствованной клавиатуре не 10, а 12. Логично выделены группы клавиш для работы с текстами и управления курсором, продублированы некоторые специальные клавиши, позволяющие более эргономично работать обеими руками.

Расположение буквенных клавиш на компьютерных клавиатурах стандартно. Сегодня повсеместно применяется стандарт QWERTY - по первым шести латинским буквенным клавишам верхнего ряда. Ему соответствует отечественный стандарт ЙЦУКЕН расположения клавиш кириллицы, практически аналогичный расположению клавиш на пишущей машинке. Стандартизация в размере и расположении клавиш нужна для того, чтобы пользователь на любой клавиатуре мог без переучивания работать «слепым методом». Слепой десятипальцевый метод работы является наиболее продуктивным, профессиональным и эффективным. Увы, клавиатура из-за низкой производительности пользователя оказывается сегодня самым «узким местом» быстродействующей вычислительной системы.

Устройство. Клавиатура представляет собой совокупность датчиков, воспринимающих давление на клавиши и замыкающих определенную электрическую цепь, со стандартным разъемом (PS/2, USB) и интерфейсом для подключения к системной плате компьютера. Длительное время выпускались клавиатуры с механическими датчиками. Современные клавиатуры - мембранного типа. Переключатель представляет собой набор мембран: активная - верхняя, пассивная - нижняя, разделяющая.

Внутри корпуса клавиатуры помимо датчиков расположены электронные платы дешифрации сигнала. Обмен данными между клавиатурой и системной платой осуществляется 11-битовыми блоками (8 разрядов плюс служебная информация) по 2-проводному кабелю (сигнал и земля). Клавиатура содержит внутренний контроллер, позволяющий производить самотестирование в момент подключения (одновременная индикация светодиодов «NumLock», «CapsLock», «ScrollLock»), управляющий индикаторами и обеспечивающий связь с системной платой ПК посредством последовательного интерфейса.

Принцип работы. Принцип работы клавиатуры заключается в сканировании переключателей клавиш. Замыканию и размыканию любого из переключателей соответствует уникальный цифровой код (scan code) размером 1 байт. На системной плате прием и обработку сигналов от клавиатуры выполняет специальная микросхема - контроллер клавиатуры.

Внутренний микропроцессор клавиатуры обрабатывает специальный сигнал, поступающий к нему после нажатия любой клавиши и, преобразуя его, последовательно передает центральному процессору сканируемый код. Каждое нажатие клавиши формирует два кода: один по нажатию, другой по освобождению клавиши.

Клавиатура в своей собственной специальной памяти запоминает, какая клавиша была нажата (обычно в памяти клавиатуры может храниться до 20 кодов нажатых клавиш, если процессор не успевает ответить на прерывание). После передачи кода нажатой клавиши процессору эта информация из памяти клавиатуры исчезает.

Ввод символов с клавиатуры осуществляется только в той точке экрана, где располагается курсор. Мышь. Манипулятор «мышь» - координатное устройство, предназначенное для управления курсором (указателем) мыши и ввода управляющей информации.С появлением графических оболочек мышь стала необходимой для эффективной работы на компьютере. Принцип работы

Внутри мыши находится шарик, катающийся по поверхности стола. К шарику прижаты два взаимно перпендикулярных ролика, которые он вращает. Датчики поворота ролика передают сигналы в компьютер. «Хвост» из проводов, по которым идут сигналы, дал устройству имя «мышь». Курсор мыши управляется перемещением мыши по столу. Управляющая информация вводится нажатием на кнопки мыши. Виды манипуляторов типа «мышь»

Мыши бывают одно-, двух-, трёхкнопочные. Они могут соединяться с компьютером проводом или при помощи радиопередатчиков (беспроводные). Существуют оптические мыши без шарика, оснащённые фотоэлементами, и оптомеханические мыши. Разновидностью мыши можно считать трэкбол (trackball), который можно сравнить с мышью, которая лежит на спине шарообразным брюшком вверх. Основные пользовательские характеристики:

• количество нажатий кнопки до её отказа;

• реакция на движение руки или баллистический эффект;

• разрешающий шаг (разрешение);

• дизайн и удобство в работе (эргономичность).

11)Принтер - периферийное устройство компьютера, предназначенное для перевода текста или графики на физический носитель из электронного вида. По принципу переноса изображения на носитель принтеры делятся на:матричные(Изображение формируется печатающей головкой, которая состоит из набора иголок (игольчатая матрица), приводимых в действие электромагнитами. Головка передвигается построчно вдоль листа, при этом иголки ударяют по бумаге черезкрасящую ленту, формируя точечное изображение);лазерные (Подобно фотокопировальным аппаратам лазерные принтеры используют в работе процессксерографической печати, однако отличие состоит в том, что формирование изображения происходит путём непосредственного сканирования лазерным лучом фоточувствительных элементов принтера);струйные(Принцип действия струйных принтеров похож на матричные принтеры тем, что изображение на носителе формируется из точек. Но вместо головок с иголками в струйных принтерах используется матрица дюз (т. н. головка), печатающая жидкими красителями);сублимационные(печатающий изображение на плотных твердых поверхностях путем внесения твердотельного (обычно кристаллического) красителя под поверхность бумаги);твердочернильные(использующий для печати брикеты твердых чернил)

По количеству цветов печати — на чёрно-белые (монохромные) и цветные.

По соединению с источником данных (откуда принтер может получать данные для печати), или интерфейсу.по проводным каналам:через SCSI кабель;через последовательный порт;через параллельный порт (IEEE 1284);по шине Universal Serial Bus (USB);через локальную сеть (LAN, NET);с помощью двух портов, при этом один из портов управляет приводом ЧПУ, через другой порт идут данные на печатающие головки.посредством беспроводного соединения:через ИК-порт (IRDA);по Bluetooth;по Wi-Fi (в том числе с помощью AirPrint)

Билет 12)

По назначению вычислительные системы делят на универсальные и специализированные. Универсальные ВС предназначаются для решения самых различных задач.Специализированные системы ориентированы на решение узкого класса задач. Специализация ВС может устанавливаться различными средствами:

• во-первых, сама структура системы (количество параллельно работающих элементов, связи между ними и т.д.) может быть ориентирована на определенные виды обработки информации: матричные вычисления, решение алгебраических, дифференциальных и интегральных уравнений и т.п. Практика разработки ВС типа суперЭВМ показала, чем выше их производительность, тем уже класс эффективно решаемых ими задач;

• во-вторых, специализация ВС может закладываться включением в их состав специального оборудования и специальных пакетов обслуживания техники.

По типу вычислительные системы различаются на многомашинные и многопроцессорные ВС. Многомашинные вычислительные системы (ММС) появились исторически первыми. Уже при использовании ЭВМ первых поколений возникали задачи повышения производительности, надежности и достоверности вычислений.

Билет 13)

По-видимому, самой ранней и наиболее известной является классификация архитектур вычислительных систем, предложенная в 1966 году М.Флинном. Классификация базируется на понятии потока, под которым понимается последовательность элементов, команд или данных, обрабатываемая процессором. На основе числа потоков команд и потоков данных Флинн выделяет четыре класса архитектур:

SISD (Single Instruction, Single Data) – системы, в которых существует одиночный поток команд и одиночный поток данных; к данному типу систем можно отнести обычные последовательные ЭВМ;

SIMD (Single Instruction, Multiple Data) – системы c одиночным потоком команд и множественным потоком данных; подобный класс составляют многопроцессорные вычислительные системы, в которых в каждый момент времени может выполняться одна и та же команда для обработки нескольких информационных элементов; подобной архитектурой обладают, например, многопроцессорные системы с единым устройством управления; данный подход широко использовался в предшествующие годы (системы ILLIAC IV или CM-1 компании Thinking Machines), в последнее время его применение ограничено, в основном, созданием специализированных систем;

MISD (Multiple Instruction, Single Data) – системы, в которых существует множественный поток команд и одиночный поток данных; относительно данного типа систем нет единого мнения – ряд специалистов говорят, что примеров конкретных ЭВМ, соответствующих данному типу вычислительных систем, не существует, и введение подобного класса предпринимается для полноты системы классификации; другие же относят к данному типу, например, систолические вычислительные системы (см. Kung (1982), Kumar et al. (1994)) или системы с конвейерной обработкой данных;

MIMD (Multiple Instruction, Multiple Data) – системы c множественным потоком команд и множественным потоком данных; к подобному классу систем относится большинство параллельных многопроцессорных вычислительных систем.

14. Системами с общей памятью называют системы, в которых несколько процессоров имеют общую оперативную память. Чаще всего встречающиеся системы этого типа - это компьютеры с многоядерными процессорами (multi-core), а также так называемые векторно-конвейерные суперкомпьютеры (Gray-1, Gray-2).

Преимущества таких систем заключаются в следующем:

В них не требуется обмен данными, т.е. данные, помещенные в память одним процессором, автоматически становятся доступными другим процессорам и соответственно, система не должна тратить время на пересылку данных.

Для таких систем просто писать программы: можно, например, создать несколько вычислительных потоков, или же снабдить программу специальными директивами (например, технология OpenMP, на которой мы не будем заострять внимание), которые подскажут компилятору, как распараллеливать программу.

Кроме того, возможно полностью автоматическое распараллеливание программы компилятором.

Компактность систем. Могут быть реализованы в виде нескольких процессоров на одной материнской плате, и/или в виде нескольких ядер внутри процессора.

Системы с распределённой памятью содержат несколько процессоров, каждый из которых имеет свою оперативную память. Для обеспечения обмена информацией процессоры соединены каналами связи. По характеру связей такие системы делятся на системы с универсальной коммутацией (каждый процессор может передать информацию любому другому процессору) и системы с фиксированной коммутацией (каждый процессор может передать информацию только ограниченному числу других процессоров). Преимущества: Простота и дешевизна построения. Можно взять большое количество обычных компьютеров, соединить их каналами связи (например, Ethernet), и получить МPP систему. Эффективное решение задач, требующих малого обмена данными. Каждый компьютер будет работать в полную мощность, не ожидая, пока освободится доступ к оперативной памяти.

Возможность решать задачи, требующие очень больших объёмов оперативной памяти. Суммарный объём памяти системы можно сделать сколь угодно большим. Требуется лишь, чтобы задача разбивалась на относительно независимые подзадачи. Возможность масштабирования. можно соединить сколько угодно вычислительных узлов вместе, при этом стоимость системы будет пропорциональна числу узлов. Недостатки: Проблема обмена данными. Обмен данными в таких системах обычно идёт очень медленно по сравнению со скоростью вычислений (и с большими задержками). Поэтому задачи, требующие интенсивного обмена, невозможно решить на таких системах эффективно. Сложное программирование. Программисту нужно продумать обмен данными, который будет присутствовать в системе, он сам должен запрограммировать этот обмен (например, с помощью MPI). При неправильном программировании велика вероятность взаимных блокировок. Например, когда два процессора ждут данных друг от друга. Проблема блокировок есть и в системах с общей памятью, но здесь она проявляет себя гораздо чаще. Автоматическая организация обмена данными возможна лишь для некоторых частных случаев.

Большой размер систем и большое энергопотребление. Такие системы занимают целые комнаты и даже здания.

15. В первую очередь рассмотрим что такое, «полноценный» компьютер. Под «полноценный» компьютером следует понимать компьютерную систему, включающую процессоры, память, подсистему ввода/вывода, а также операционную систему, подсистемы, приложения и т.д. В качестве таких компьютеров могут выступать персональные или параллельные компьютеры на SMP архитектуре.

Если связать эти компьютеры в единую сеть, посредством стандартных сетевых технологий (Fast, Gigabit Ethernet, Myrinet) на базе шинной архитектуры или коммутатора (такое решение является более дешевым вариантом построения вычислительных систем на MPP архитектуры), то можно получить так называемую кластерную систему. Итак, под кластером подразумевается связанный набор полноценных компьютеров, используемый в качестве единого ресурса. Общие принципы построения кластера.

Компьютеры, образующие кластер, так называемые узлы кластера всегда относительно независимы, что допускает остановку или выключение любого из них для проведения профилактических работ или установки дополнительного оборудования без нарушения работоспособности всего кластера. В качестве вычислительных узлов в кластере обычно используются однопроцессорные персональные компьютеры, двух или четырехпроцессорные SMP-серверы. Каждый узел работает под управлением своей копии операционной системы, в качестве которой чаще всего используются стандартные операционные системы: Linux, NT, Solaris и т.п. Состав и мощность узлов может меняться даже в рамках одного кластера, давая возможность создавать неоднородные системы. Выбор конкретной коммуникационной среды определяется многими факторами: особенностями класса решаемых задач, необходимостью последующего расширения кластера и т.п. Возможно включение в конфигурацию специализированных компьютеров, например, файл-сервера, и, как правило, предоставлена возможность удаленного доступа на кластер через Internet. Из определения архитектуры кластерных систем следует, что она включает в себя очень широкий спектр систем. Рассматривая крайние точки, кластером можно считать как пару ПК, связанных локальной 10-мегабитной сетью Ethernet, так и вычислительную систему, создаваемую в рамках проекта Cplant в Национальной лаборатории Sandia: 1400 рабочих станций на базе процессоров Alpha, связанных высокоскоростной сетью Myrinet Таким образом видно, что различных вариантов построения кластеров очень много. При этом в архитектуре кластера большое значение имеют используемые коммуникационные технологии и стандарты. Они во многом определяют круг задач, для решения которых можно использовать кластеры, построенные на основе этих технологий.

16. Поскольку используются разные технологии построения сетей, например различные сетевые топологии, принцип передачи данных между ними неодинаков. Однако это никак не должно волновать отправителя и получателя информации. Чтобы исключить разнообразные коллизии, когда сразу несколько компьютеров пытаются передавать данные, используются специальные протоколы канального уровня, которые организуют доступ к передающей среде, предварительно исследовав ее и захватив нужный ресурс.

Как мы уже говорили выше, за работу канального уровня отвечают два подуровня – LLC и MAC. Первый из них служит для управления логическим каналом, а второй – для управления доступом к общей среде передачи данных. Именно второй уровень, то есть MAC, представляет наибольший интерес, и именно на нем работают некоторые протоколы, которые предоставляют доступ к разделяемой среде, то есть каналу связи. А уже после того как доступ к передающей среде получен, за работу принимается более высокий уровень, то есть LLC, и начинается передача данных. Наибольшую популярность в локальных сетях получили два метода доступа к разделяемой среде – Ethernet и Token Ring. Первый из них используется в сетях с применением топологий «шина» и «звезда», а второй – в сетях, построенных по топологии «кольцо».

Метод доступа Ethernet – получил свое распространение преимущественно в сетях стандартов IEEE 802.3. Этот метод имеет несколько модификаций, которые называются CSMA, CSMA/CD и CSMA/CA. Структура. Доступ к сети Ethernet осуществляется по случайному методу CSMA/ CD, обеспечивающему полное равноправие абонентов. В сети используются пакеты переменной длины со структурой, представленной на рис. 5.2. Длина кадра Ethernet (то есть пакета без преамбулы) должна быть не менее 512 битовых интервалов, или 51,2 мкс (именно такова предельная

величина двойного времени прохождения в сети). Предусмотрена индивидуальная, групповая и широковещательная адресация. В пакет Ethernet входят следующие поля: Преамбула состоит из 8 байт, первые семь из которых представляют собой код 10101010, а последний восьмой — код 10101011. В стандарте IEEE 802.3 этот последний байт называется признаком начала кадра (SFD - Start of Frame Delimiter) и образует отдельное поле пакета.

Адрес получателя (приемника) и адрес отправителя (передатчика) включают по 6 байт и строятся по стандарту, описанному в разделе 3.2. Эти адресные поля обрабатываются аппаратурой абонентов.

Поле управления (L/T - Length/Type) содержит информацию о длине поля данных. Оно может также определять тип используемого протокола. Принято считать, что если значение этого поля не больше 1500, то оно определяет длину поля данных. Если же его значение больше 1500, то оно определяет тип кадра. Поле управления обрабатывается программно.

Поле данных должно включать в себя от 46 до 1500 байт данных. Если пакет должен содержать менее 46 байт данных, то поле данных дополняется байтами заполнения. Согласно стандарту IEEE 802.3, в структуре пакета выделяется специальное поле заполнения (pad data - незначащие данные), которое может иметь нулевую длину, когда данных достаточно (больше 46 байт).

Поле контрольной суммы (FCS — Frame Check Sequence) содержит 32-разрядную циклическую контрольную сумму пакета (CRC) и служит для проверки правильности передачи пакета.