- •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
Тема 6. Компьютерные системы.
6.1. Классификация компьютерных систем
В связи с кризисом классической структуры компьютера дальнейшее поступательное развитие вычислительной техники напрямую связано с переходом к параллельным вычислениям, с идеями построения многопроцессорных систем и сетей, объединяющих большое количество отдельных процессоров и (или) компьютеров. Здесь появляются огромные возможности совершенствования средств вычислительной техники. Но следует отметить, что при несомненных практических достижениях в области параллельных вычислений, до настоящего времени отсутствует их единая теоретическая база.
Термин «вычислительная система» появился в начале – середине 60-х годов с появлением ЭВМ третьего поколения. Это время знаменовалось переходом на новую элементную базу – интегральные схемы. Следствием этого явилось появление новых решений, как в структуре используемых вычислительных средств, так и в методах управления ими.
Отражая эти новшества, и появился термин «вычислительная система». Он не имеет единого толкования в литературе, его часто даже используют применительно к однопроцессорным компьютерам. Однако общим здесь является подчеркивание возможности построения параллельных ветвей в вычислениях, что не предусматривалось классической структурой ЭВМ.
Под вычислительной системой (ВС) будем понимать совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенную для сбора, хранения, обработки и распределения информации.
Отличительной особенностью ВС по отношению к ЭВМ является наличие в них нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработку. Создание ВС преследует следующие основные цели: повышение производительности системы за счет ускорения процессов обработки данных, повышение надежности и достоверности вычислений, предоставление пользователям дополнительных сервисных услуг и т.д.
Самыми важными предпосылками появления и развития вычислительных систем служат экономические факторы. Анализ характеристик ЭВМ различных поколений показал, что в пределах интервала времени, характеризующегося относительной стабильностью элементной базы, связь стоимости и производительности ЭВМ выражается квадратичной зависимостью – «законом Гроша»:
.
Построение вычислительных систем позволяет существенно сократить затраты, так как для них существует линейная формула:
,
где Сэвм, Свс – соответственно стоимость ЭВМ и ВС;
К1 и К2 – коэффициенты пропорциональности, зависящие от технического уровня развития вычислительной техники;
Пэвм, Пi – производительность ЭВМ и i-го из n комплектующих вычислителей (ЭВМ или процессоров).
На рис. 7 представлены графики изменения стоимости вычислений для ЭВМ и ВС. Для каждого поколения ЭВМ и ВС существует критический порог сложности решаемых задач Пкр, после которого применение автономных ЭВМ становится экономически невыгодным, неэффективным. Критический порог определяется точкой пересечения двух приведенных зависимостей.
Рис. 7. Зависимость стоимости Свс и Сэвм от производительности
С ВС
С ЭВМ
С ВС
Пкр. П
Кроме выигрыша в стоимости следует учитывать и дополнительные преимущества. Наличие нескольких вычислителей в системе позволяет совершенно по-новому решать проблемы надежности, достоверности результатов обработки, резервирования, централизации хранения и обработки данных, децентрализации управления и т.д.
В настоящее время накоплен большой практический опыт в разработке и использовании ВС самого разнообразного применения. Эти системы очень сильно отличаются друг от друга своими возможностями и характеристиками. Различия наблюдаются уже на уровне структуры.
Существует большое количество признаков, по которым классифицируют вычислительные системы: по целевому назначению и выполняемым функциям, по типам и числу ЭВМ или процессоров, по архитектуре системы, режимам работы, методам управления элементами системы, степени разобщенности элементов вычислительной системы и др. Однако основными из них являются признаки структурной и функциональной организации вычислительной системы.
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
По типу вычислительные системы разделяются на многомашинные и многопроцессорные ВС. Многомашинные вычислительные системы (ММС) появились исторически первыми. Основные различия ММС заключаются, как правило, в организации связи и обмене информацией между ЭВМ комплекса. Каждая из них сохраняет возможность автономной работы и управляется собственной ОС. Любая другая подключаемая ЭВМ комплекса рассматривается как периферийное специальное оборудование. В зависимости от территориальной разобщенности ЭВМ и используемых средств сопряжения обеспечивается различная оперативность их информационного взаимодействия
Многопроцессорные системы (МПС) строятся при объединении нескольких процессоров. В качестве единого ресурса они имеют оперативную память (ООП). Параллельная работа процессоров и использование ООП обеспечивается под управлением единой операционной системы. По сравнению с ММС здесь достигается наивысшая оперативность взаимодействия вычислителей-процессоров. Многие исследователи считают, что использование МПС является основным магистральным путем развития вычислительной техники новых поколений [25, 28].
Однако МПС имеет и существенные недостатки. Они, в первую очередь, связаны с ресурсами ООП. При большом количестве комплексируемых процессоров возможно возникновение конфликтных ситуаций, когда несколько процессоров обращаются с операциями типа «чтение» и «запись» к одним и тем же областям памяти. Помимо процессоров к ООП также подключаются все каналы (процессоры ввода-вывода), средства измерения времени и т.д. Поэтому вторым серьезным недостатком МПС является проблема коммутации абонентов и доступа их к ООП. От того, насколько удачно решаются эти проблемы, и зависит эффективность применения МПС. Это решение должно обеспечиваться аппаратурно-программными средствами. Процедуры взаимодействия очень усложняют структуру ОС МПС. Накопленный опыт построения подобных систем показал, что они эффективны при небольшом числе комплексируемых процессоров.
По типу ЭВМ или процессоров, используемых для построения ВС, различают однородные и неоднородные системы. Однородные системы предполагают объединение однотипных ЭВМ (процессоров), неоднородные – разнотипных. В однородных системах значительно упрощается разработка и обслуживание технических и программных (в основном ОС) средств. В них обеспечивается возможность стандартизации и унификации соединений и процедур взаимодействия элементов системы.
По степени территориальной разобщенности вычислительных модулей ВС делятся на системы совмещенного (сосредоточенного) и распределенного (разобщенного) типов. Обычно такое деление касается только ММС. Многопроцессорные системы относятся к системам совмещенного типа. Более того, учитывая успехи микроэлектроники, это совмещение может быть очень глубоким. При появлении новых СБИС появляется возможность иметь в одном кристалле несколько параллельно работающих процессоров.
По методам управления элементами ВС различают централизованные, децентрализованные и со смешанным управлением. Помимо параллельных вычислений, производимых элементами системы, необходимо выделять ресурсы на обеспечение управления этими вычислениями. В централизованных ВС за это отвечает главная, или диспетчерская ЭВМ (процессор). Ее задачей является распределение нагрузки между элементами, выделение ресурсов, контроль состояния ресурсов, координация взаимодействия. Централизованный орган управления в системе может быть жестко фиксирован или эти функции могут передаваться другой ЭВМ (процессору), что способствует повышению надежности системы. Централизованные системы имеют более простые ОС. В децентрализованных системах функции управления распределены между ее элементами. Каждая ЭВМ (процессор) системы сохраняет известную автономию, а необходимое взаимодействие между элементами устанавливается по специальным наборам сигналов. С развитием ВС и, в частности, сетей ЭВМ, интерес к децентрализованным системам постоянно растет.
В системах со смешанным управлением совмещаются процедуры централизованного и децентрализованного управления. Перераспределение функций осуществляется в ходе вычислительного процесса, исходя из сложившейся ситуации.
По принципу закрепления вычислительных функций за отдельными ЭВМ (процессорами) различают системы с жестким и плавающим закреплением функций. В зависимости от типа ВС следует решать задачи статического или динамического размещения программных модулей и массивов данных, обеспечивая необходимую гибкость системы и надежность ее функционирования.
По режиму работы ВС различают системы, работающие в оперативном и неоперативном временных режимах. Первые, как правило, используют режим реального времени. Этот режим характеризуется жесткими ограничениями на время решения задач в системе и предполагает высокую степень автоматизации процедур ввода-вывода и обработки данных.