![](/user_photo/2706_HbeT2.jpg)
- •Под редакцией профессора Пятибратова а.П. Москва, 2008
- •Содержание
- •Раздел 1. Вычислительные машины и системы.
- •Тема 1. Введение..........................................................................................................................4
- •Тема 2. Принципы построения компьютеров......................................................................12
- •Тема 3. Функциональная и структурная организация эвм............................................38
- •Тема 4. Основные устройства компьютера..........................................................................40
- •Тема 5.Периферийные устройства компьютерных систем…………………………….. 69
- •Тема 6. Программное обеспечение компьютера .................................................................82
- •Тема 7. Компьютерные системы ..........................................................................................103
- •Раздел 2. Компьютерные сети.......................................................117
- •Тема 8. Принципы построения и развития компьютерных сетей.................................117
- •Тема 9. Основные службы и сервисы, обеспечиваемые компьютерными сетями….222
- •Тема10.Перспективы развития вычислительной техники.............................................247
- •Введение.
- •Краткая история и тенденции развития вычислительной техники
- •Автоматизация подготовки и решения задач на эвм
- •Тема 1. Принципы построения компьютеров.
- •1.1. Основные характеристики и классификация компьютеров
- •1.2. Принципы построения современных эвм.
- •1.3. Структурные схемы и взаимодействие устройств компьютера
- •1.4. Кодирование информации
- •1.5. Перспективы развития компьютеров. Элементная база современной вычислительной техники.
- •1.5.1. Альтернативные пути развития элементной базы.
- •Тема 2. Функциональная и структурная организация эвм.
- •2.1. Организация функционирования эвм с магистральной архитектурой
- •2.2. Организация работы эвм при выполнении задания пользователя
- •Тема 3. Основные устройства компьютера.
- •Центральное устройство эвм.
- •3.1.1. Состав, устройство и принцип действия основной памяти
- •6.Рис. 11. Структурная схема озу
- •7.Рис. 12. Регистровая структура магазинного типа
- •3.1.2. Центральный процессор эвм
- •Творческая деятельность компьютерных фирм в 1997 г.
- •3.1.3. Системы визуального отображения информации (видеосистемы)
- •3.2. Внешние запоминающие устройства (взу)
- •3.2.1. Внешние запоминающие устройства (зу) на гибких магнитных дисках
- •11.Рис. 15. Внешний вид дискеты диаметром 3”
- •14.Рис. 16. Функциональная структура диска
- •15.Таблица 6.
- •17.Стандартные форматы нгмд ms dos
- •3.2.2. Накопитель на жестком магнитном диске
- •3.2.3. Стриммер
- •3.2.4. Оптические запоминающие устройства
- •18.Рис. 17. Классификация оптических накопителей информации
- •3.3. Инструментальные средства контроля и диагностики эвм.
- •4. Периферийные устройства эвм
- •4.1. Клавиатура
- •4.2. Принтеры
- •Характеристики монохромных лазерных принтеров фирмы Xerox (персональных: Phaser 3110 – 3400, сетевых: DocuPrint n2125, n2825, n4525 и Phaser 4400, 5400).
- •19.Таблица 5.
- •21.Характеристики цветных лазерных принтеров фирмы Xerox:
- •4.3. Мультимедийные устройства ввода-вывода
- •4.4. Система прерываний эвм
- •Тема 5. Программное обеспечение компьютера
- •5.1. Структура программного обеспечения компьютера
- •5.2. Операционные системы
- •5.3. Системы автоматизации программирования
- •Языки программирования
- •5.4. Пакеты программ
- •5.5. Режимы работы эвм
- •Тема 6. Компьютерные системы.
- •6.1. Классификация компьютерных систем
- •6.2. Архитектура компьютерных систем
- •6.3. Типовые структуры компьютерных систем
- •6.4. Кластеры
- •Раздел 2. Компьютерные сети.
- •Тема 7. Принципы построения и развития компьютерных сетей.
- •7.1. Основные сведения о компьютерных сетях (кс)
- •7.2. Характеристика и особенности лкс
- •7.3. Протоколы и технологии локальных сетей
- •21.3.Таблица 8.
- •7.4. Сетевое коммуникационное оборудование локальных сетей
- •7.5. Программное обеспечение и функционирование лкс
- •7.6. Принципы построения, функции и типы гкс
- •7.7. Сеть Internet. Семейство протоколов tcp/ip
- •7.8. Адресация в ip-сетях
- •25.Класс а
- •7.9. Эталонная модель взаимодействия открытых систем
- •25.1.1.1.1.2Рис. 28. Семиуровневая модель протоколов взаимодействия открытых систем
- •7.10. Управление доступом к передающей среде
- •25.1.1.1.1.3Рис. 29. Классификация ппд нижнего уровня
- •25.1.1.1.1.4Рис. 30. Протокол типа «маркерная шина»
- •7.11. Информационная безопасность в компьютерных сетях
- •27.В случае преднамеренного проникновения в сеть различают следующие виды воздействия на информацию [7; 8]:
- •7.12. Типы сетевой связи и тенденции их развития
- •7.13. Линии связи и их характеристики
- •7.14. Передача дискретных данных на физическом уровне
- •29.5.Манчестер-
- •30.Биполярный
- •7.15. Передача дискретных данных на канальном уровне
- •31.Способ связи без установления логического соединения характеризуется следующим:
- •7.16. Обеспечение достоверности передачи информации
- •7.17. Маршрутизация пакетов в сетях
- •7.18. Способы коммутации в ткс
- •7.20. Сети и технологии isdn и sdh
- •7.21. Сети и технологии атм
- •31.1.1.1.1Рис. 34. Сеть на базе атм
- •7.22. Спутниковые сети связи
- •Тема 8. Основные службы и сервисы, обеспечиваемые компьютерными сетями.
- •8.1. Прикладные сервисы сети Internet.
- •8.2. Клиентское программное обеспечение сети Internet
- •8.3. Функции, характеристики и типовая структура корпоративных компьютерных сетей (ккс)
- •31.1.1.1.1.1Рис. 39. Типовая структура ккс
- •8.4. Программное обеспечение ккс
- •8.5. Сетевое оборудование ккс
- •Тема 9. Перспективы развития вычислительной техники.
- •9.1. Развитие компьютерных сетей и телекоммуникаций.
- •9.1.1. Пути развития компьютерных сетей
- •9.1.2. Перспективы развития телекоммуникаций в России
- •Список рекомендованной литературы
1.5. Перспективы развития компьютеров. Элементная база современной вычислительной техники.
Несомненно, что одним из главных факторов достижения высокого быстродействия, а значит и высокой производительности, ЭВМ является построение их на новейшей элементной базе. Смена поколений ЭВМ в значительной степени связана с переходами на новые поколения элементной базы, знаменующие достижения новых частотных диапазонов работы схем в рамках доступных технологий. Элементная база служит показателем технического уровня развития страны, общества, цивилизации. Успехи в создании новой элементной базы определяются передовыми научными и техническими достижениями целого ряда наук (физики, химии, оптики, механики, др.). Качество элементной базы является показателем технического прогресса.
Все современные ЭВМ строятся на микропроцессорных наборах, основу которых составляют большие (БИС) и сверхбольшие интегральные схемы (СБИС). Технологический принцип разработки и производства интегральных схем действует уже более четверти века. Он заключается в циклическом послойном изготовлении частей электронных схем по циклу «программа – рисунок – схема». По программам на напыленный фоторезисторный слой наносится рисунок будущего слоя микросхемы. Затем рисунок протравливается, фиксируется, закрепляется и изолируется от новых слоев. На основе этого создается пространственная твердотельная структура. Например, первые типы СБИС типа Pentium включали в себя около 3,5 миллионов транзисторов, размещаемых в пятислойной структуре. Процессоры Intel Pentium IV имеют 55 млн. транзисторов, а Intel Itanium II – 221 млн. транзисторов. В новейших микросхемах количество слоев доходит до 20-25.
Новые литографии и сверхточные технологии. Степень микроминиатюризации, размер кристалла ИС, производительность и стоимость технологии напрямую определяются типом литографии. До последнего времени доминирующей оставалась оптическая литография, когда послойные рисунки на фоторезисторе микросхем наносились световым лучом. В настоящее время ведущие компании, производящие микросхемы, реализуют кристаллы с размерами примерно 400-900 мм2 для процессоров (например, Pentium) и 200-400 мм2 для схем памяти. Минимальный топологический размер (толщина линий) при этом составляет 0,18..0,13 мкм. Дальнейшие успехи микроэлектроники связываются с электронной (лазерной), ионной и рентгеновской литографией. Это позволяет выйти на размеры 0,10 мкм и менее. Основные производители микропроцессоров Intel и AMD уже планируют переход на топоразмер 0,065 мкм. Для сравнения можно привести такой пример. Толщина человеческого волоса составляет примерно 100 мкм. Значит, при таком разрешении на толщине 100 мкм могут вычерчиваться от нескольких сотен до тысяч линий.
Сверхчистые материалы и высоковакуумные технологии. Новые высокие технологии порождают целый ряд проблем. Микроскопическая толщина линий, сравнимая с диаметром молекул, требует высокой чистоты используемых и напыляемых материалов, применения вакуумных установок и снижения рабочих температур. Действительно, достаточно мельчайшей пылинки при изготовлении микросхемы, как она попадает в брак. Поэтому новые заводы по производству микросхем представляют собой уникальное оборудование, размещаемое в «сверхчистых помещениях», микросхемы в которых транспортируются от оборудования к оборудованию в замкнутых миниатмосферах. Миниатмосфера создается, например, сверхчистым азотом или другим инертным газом при давлении менее 10-4 мм ртутного столба.
Борьба с потребляемой и рассеиваемой мощностью. Уменьшение линейных размеров микросхем и повышение уровня их интеграции заставляют проектировщиков искать средства борьбы с потребляемой Wn и рассеиваемой Wp мощностью. При сокращении линейных размеров микросхем в 2 раза, их объемы изменяются в 8 раз. Пропорционально этим цифрам должны меняться и значения Wn и Wp, в противном случае схемы будут «перегреваться» и выходить из строя. По данным фирмы Intel, за последние 10 лет быстродействие выпускаемых ею процессоров выросло в 5-6 раз, а энергопотребление в 18 (!) раз (сравнивались характеристики процессоров i486 и Pentium IV). До настоящего времени основой построения всех микросхем была и остается КМОП-технология (комплементарные схемы, то есть совместно использующие n- и p-переходы, в транзисторах со структурой «металл – окисел – полупроводник»).
Известно, что W = UI. Напряжение питания современных микросхем снизилось до 2V. Появились схемы с напряжением питания менее двух вольт, что уже выходит за рамки принятых стандартов. Дальнейшее понижение напряжения нежелательно, так как в электронных схемах всегда должно быть обеспечено необходимое соотношение «сигнал-шум», гарантирующее устойчивую работу компьютера.
Протекание
тока по микроскопическим проводникам
сопряжено с выделением большого
количества тепла. Поэтому, создавая
сверхбольшие интегральные схемы,
проектировщики вынуждены снижать
тактовую частоту работы микросхем.
Исследования показали, что использование
максимальных частот работы возможно
только в микросхемах малой и средней
интеграции. Максимальная частота
Гц доступна очень немногим материалам:
кремнию (Si),
арсениду галлия (GaAs)
и некоторым другим. Именно они чаще
всего используются в качестве подложек
в микросхемах.
Таким образом, переход к конструированию ЭВМ на СБИС и ультра-СБИС должен сопровождаться снижением тактовой частоты работы схемы. Дальнейший прогресс в повышении производительности может быть обеспечен либо за счет архитектурных решений, либо за счет новых принципов построения и работы микросхем. Так как микросхемы СБИС не могут работать с высокой тактовой частотой, то в компьютерах будущих поколений их целесообразно объединить в системы. При этом несколько СБИС должны работать параллельно, а слияние работ в системе должны обеспечивать сверхскоростные ИС (ССИС), которые не могут иметь высокой степени интеграции.
Перечисленные проблемы развития современной микроэлектронной базы указывают, что изготовление микросхем подходит к предельным характеристикам. Строительство каждого нового завода по производству микросхем обходится уже в миллиарды долларов. «Выход годных новых микросхем» измеряется единицами процентов даже у таких признанных лидеров, как Intel и AMD. Давление пределов заставляет производителей искать альтернативные пути развития, которых просматривается не очень много.