125 Кібербезпека / Магістр (вступні питання)
.pdfАПАРАТНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ КОМП’ЮТЕРНИХ СИСТЕМ
1. Типові вузли і блоки цифрової техніки
Обчислювальна система (ОС) – це сукупність програм та технічних засобів, призначених для оброблення інформації.
Архітектура обчислювальної системи – це загальна логічна організація обчислювальної системи, яка визначає процес оброблення даних у ній та поєднує методи кодування даних, склад, призначення, принципи взаємодії технічних засобів і програмного забезпечення.
Процесор – це функціональний пристрій, що забезпечує конкретне застосування сукупності команд.
Мікропроцесор (МП) – це оброблювальний та керувальний цифровий пристрій, виконаний за технологією великих інтегральних схем (ВІС), який під програмним керуванням здатний виконувати оброблення інформації, а саме арифметичні та логічні операції, введення-виведення та зберігання інформації,
а також приймати рішення.
За типом архітектури розрізняють МП з фоннейманівською архітектурою і МП з гарвардською архітектурою.
За типом побудови мови програмування розрізняють CISC-процесори
(Complete Instruction Set Computing) з повним набором команд та
RISCпроцесори (Reduced Instruction Set Computing) – зі зменшеним набором команд.
Сучасні мікропроцесори мають ознаки, як CISC, так і RISC-архітектури.
Мікропроцесорна система (МПС) – це багатофункційна програмно керована система обробки інформації, яка складається з підсистеми центрального процесора, підсистеми пам‘яті та підсистеми введення-виведення,
об‘єднаних інформаційними каналами. Мікропроцесорні системи будують на мікропроцесорних комплектах і поділяють на МПС керувальні, обчислювальні,
контрольно-вимірювальні, збирання даних.
Комп‘ютер сам по собі є також мікропроцесорною системою.
Різниця між обчислювальною системою та мікропроцесорною системою є тільки у масштабах розв‘язуваних задач, кількості та складності обладнання.
Класичним варіантом ОС є багатокомп‘ютерний або багатопроцесорний комплекс.
Вимоги до сучасних ОС – це, перш за все, здатність до інформаційного обслуговування користувачів, сервіс та якість цього обслуговування. Для суперкомп‘ютерів, які будуються на основі багатопроцесорних систем,
найбільш важливими вимогами є продуктивність та надійність.
Обчислювальні системи можуть будуватись на базі кількох комп‘ютерів або на базі кількох процесорів.
У багатокомп‘ютерних системах інформаційно комп‘ютери взаємодіють один з одним по мережі, і кожен з них може працювати під керуванням своєї операційної системи, що знижує динамічні характеристики та надійність ОС.
Багатопроцесорні ОС працюють під керуванням однієї операційної системи, мають більш високу швидкодію та надійність.
Універсальні мікропроцесори призначені для застосування в обчислювальних системах та керувальних персональних комп‘ютерах, робочих станціях, серверах, у суперкомп‘ютерах. Основною характеристикою універсальних мікропроцесорів є наявність розвинених пристроїв для ефективної реалізації операцій з плаваючою точкою над 64-розрядними і більш довгими операндами та можливість підімкнення розвиненої системи введення виведення інформації, яка забезпечує різноманітні види зовнішніх пристроїв.
Вони призначені, в основному, для розв‘язання науково-технічних,
економічних, математичних, інформаційних та інших задач, які характеризуються складністю алгоритмів та великим обсягом даних, що обробляються.
Процесори цифрового оброблення сигналів (сигнальні процесори) –
розраховані на оброблення у реальному часі цифрових потоків. Сучасні сигнальні процесори здатні виконувати цілочислові операції та операції з плаваючою точкою над 32-40-розрядними операндами.
Сигнальні процесори апаратно підтримують фільтрацію та згортання сигналів, обчислення кореляційної функції двох сигналів, пряме та обернене Фур‘є-перетворення сигналу тощо.
Медійні та мультимедійні мікропроцесори забезпечують апаратну підтримку оброблення аудіосигналів, графічної інформації, відео зображень тощо. Вони застосовуються у мультимедіакомп‘ютерах, приставках для ігор,
побутовій техніці тощо.
Мікроконтролер є інтегрована на одному кришталі ВІС мікропроцесорна система, яка складається з одного або кількох мікропроцесорів, іноді з різною архітектурою та призначенням, підсистеми пам‘яті та набору периферійних пристроїв. Мікроконтролери знаходять широке застосування у телекомунікаціях (комунікаційні мікроконтролери), засобах автоматизації,
апаратурі зв‘язку, контрольно-вимірювальній техніці тощо.
Мікропроцесорний комплект – це сукупність інтегральних мікросхем різного ступеня інтеграції: ВІС мікропроцесорів, ВІС пристроїв пам‘яті, ВІС пристроїв введення-виведення, ВІС контролерів зовнішніх пристроїв,
службових інтегральних схем – тактовий генератор, модулі, з яких складається інтерфейс з пам‘яттю, контролери шин, арбітри шин тощо, які є сумісні за своїми електричними, інформаційними та конструктивними параметрами.
Мікропроцесорні комплекти призначені, в основному, для побудови мікропроцесорних систем.
Контролером називається пристрій, часто вбудований, який призначений для керування технологічним пристроєм або процесом. Контролер будується на основі одного або кількох процесорів або мікроконтролера.
Трансп‘ютери – це мікрокомп‘ютери з власною внутрішньою пам‘яттю та каналами (лінками) для підключення до інших трансп‘ютерів з метою створення багатопроцесорних систем та паралельних обчислювальних систем.
2. Призначення та будова персональних комп’ютерів
Персональний комп'ютер (ПК) – це комп'ютер, призначений для одночасного обслуговування однієї людини.
По своїх характеристиках він може відрізнятися від великих ЕОМ, але функціонально здатний виконувати аналогічні операції. За способом експлуатації розрізняють настільні, портативні і кишенькові моделі ПК. Надалі
ми будемо розглядати настільні моделі і прийоми роботи з ними. На сучасному ринку обчислювальної техніки різноманітність модифікацій і варіантів комп'ютерів велика, але будь-який, навіть самий незвичайний комплект незмінно включає одні і ті ж види пристроїв.
В даний час для настільних ПК за базову вважається конфігурація, в яку входить чотири пристрої:
Системний блок;
Монітор;
Клавіатура;
Миша.
Системний блок – основний блок комп'ютерної системи. У нім розташовуються пристрої, що вважаються внутрішніми.
Пристрої, що підключаються до системного блоку зовні, вважаються периферійними (зовнішніми). До системного блоку входить материнська плата,
процесор, оперативна пам'ять, накопичувачі на жорстких і гнучких магнітних дисках, на оптичний дисках і деякі інші пристрої. На лицьовій панелі ви бачите декілька кнопок – вже відома вам кнопка Power – включення і кнопка Reset – «гаряче» перезавантаження комп'ютера, користуватися якій можна лише з дозволу вчителя. Декілька світлових індикаторів – включення і звернення до жорсткого диска. Також можуть бути розміщені дисководи – для компакт-
дисків і дискет, про які поговоримо на наступних заняттях. Можливі також роз'єми для підключення аудіо системи, USB порти, картрідери та інше.
Монітор – пристрій для візуального відтворення символьної і графічної інформації. Служить як пристрій виводу.
Раніше в настільних комп'ютерах зазвичай використовувалися монітори на електронно-променевій трубці (ЕЛТ), але на сьогоднішній день їх витіснили рідкокристалічні монітори LCD (Liquid Crystal Display). Зображення на екрані ЕЛТ монітора створюється пучком електронів, що випускаються електронною гарматою. Цей пучок електронів розганяється високою електричною напругою
(десятки кіловольт) і падає на внутрішню поверхню екрану, покриту люмінофором (речовиною, що світиться під впливом пучка електронів). В
рідкокристалічних моніторах зображення будується за допомогою матриці з рідких кристалів. LCD монітори зроблені з речовини, яка знаходиться в рідкому стані, але при цьому володіє деякими властивостями, властивими кристалічним тілам. Фактично це рідини, що володіють анізотропією властивостей (зокрема,
оптичних), пов'язаних з впорядкованістю в орієнтації молекул. Молекули рідких кристалів під впливом електричної напруги можуть змінювати свою орієнтацію і внаслідок цього змінювати властивості світлового променя, що минає крізь них. Перевага LCD -моніторов перед моніторами на ЕЛТ полягає у відсутності шкідливих для людини електромагнітних випромінювань і компактності. Монітори можуть мати різний розмір екрану. Розмір діагоналі екрану вимірюється в дюймах (1 дюйм =2,54 см) і зазвичай складає 15, 17, 19 і
більше дюймів.
Клавіатура – клавішний пристрій, призначений для управління роботою комп'ютера і введення в нього інформації.
Інформація вводитися у вигляді алфавітно-цифрових символьних даних.
Стандартна клавіатура має 104 клавіші, що інформують про режими роботи світлових індикатора в правому верхньому кутку.
Миша – пристрій «графічного» управління.
При переміщенні миші по килимку на екрані переміщається покажчик миші, за допомогою якого можна указувати на об'єкти і/або вибирати їх.
Використовуючи клавіші миші (їх може бути дві або три) можна задати того або іншого типа операції з об'єктом. А за допомогою коліщатка можна прокручувати вгору або що вниз не уміщаються цілком на екрані зображення,
текст або web-сторінка. У оптико-механических мишах основним робочим органом є масивна куля (металевий, покритий гумою). Головним «ворогом» такої миші є забруднення. В даний час широкого поширення набули оптичні миші, в яких немає механічних часток. Сучасні моделі мишей можуть бути без провідними, тобто що підключаються до комп'ютера без допомоги кабелю.
Периферійними називають пристрої, що підключаються до комп'ютера ззовні. Зазвичай ці пристрої призначені для введення і виведення інформації.
Ось деякі з них:
*Принтер; *Сканер; *Модем;
*DVB-карта і супутникова антена;
*Web-камера.
3. Характеристики комп’ютерів: продуктивність, швидкодія, об’єм
пам’яті
Обчислювальна потужність комп'ютера (продуктивність комп'ютера) —
це кількісна характеристика швидкості виконання певних операцій комп'ютером (обчислювальним пристроєм). Найчастіше обчислювальна потужність вимірюється в Флопс (кількості операцій з числа з плаваючою комою в секунду), а також похідними від цієї величини.
Існує кілька складнощів при визначенні обчислювальної потужності суперкомп'ютера. По-перше, слід мати на увазі, що продуктивність системи може сильно залежати від типу виконуваного завдання. Зокрема, негативно позначається на обчислювальній потужності необхідність частого обміну даними між складовими комп'ютерної системи, а також часте звернення до пам'яті. У зв'язку з цим виділяють пікову обчислювальну потужність — гіпотетично максимально можливу кількість операцій над числами з плаваючою комою в секунду, що здатний зробити даний суперкомп'ютер.
Важливу роль грає також розрядність значень, що обробляються програмою (зазвичай мається на увазі формат чисел з плаваючою комою). Так,
наприклад, у графічних процесорів NVIDIA Tesla перших двох поколінь максимальна продуктивність в режимі одинарної точності (32 біт) становить близько 1 терафлопс, однак при проведенні обчислень з подвійною точністю
(64 біт) вона в 10 разів нижче.
Оцінка реальної обчислювальної потужності проводиться шляхом проходження спеціальних тестів (бенчмарків) — набору програм спеціально призначених для проведення обчислень і вимірювання часу їх виконання.
Зазвичай оцінюється швидкість вирішення обчислювальною машиною великої
системи лінійних алгебраїчних рівнянь, що обумовлюється, в першу чергу,
хорошою масштабованістю цього завдання.
Швидкодія ЕОМ — середньостатистична кількість операцій (команд),
які виконує ЕОМ за одиницю часу. Зстаном на 2011 р. найпотужніший у світі суперкомп'ютер K computer має пікову продуктивність петафлопс 11,280, а
максимальну 10,510 петафлопс (петафлопс — 1015 операцій з плаваючою комою за 1 секунду). Пікова продуктивність комп'ютера на базі чотириядерного процесора AMD Phenom 9500 sAM2+ з тактовою частотою 2,2 ГГц становить
3,52 млрд операцій за секунду = 0,0352 терафлопс. Для чотириядерного процесора Core 2 Quad Q6600 — 3,84 млрд операцій за секунду = 0,0384
терафлопс.
Комп'ю́терна па́м 'ять (англ. memory, storage) — функціональна частина ЕОМ, призначена для прийому, зберігання та видачі даних.
Комп'ютерна пам'ять — частина ЕОМ, фізичний пристрій або середовище для зберігання даних протягом певного часу. В основі роботи запам'ятовуючих пристроїв може лежати будь-який фізичний ефект, що забезпечує приведення системи до двох або кількох стійких станів. У сучасній комп'ютерній техніці часто використовуються фізичні властивості напівпровідників, коли проходження струму через напівпровідник або його відсутність трактується як наявність логічних сигналів 0 або 1. Стійкі стани, що визначаються напрямком намагніченості, дозволяють використовувати для зберігання даних різноманітні магнітні матеріали. Наявність або відсутність заряду в конденсаторі також може бути покладена в основу системи зберігання інформації.
Найпоширеніші засоби машинного зберігання даних, використовувані в персональних комп'ютерах — це модулі оперативної пам'яті, а також тверді диски (вінчестери), дискети (гнучкі магнітні диски), CD або DVD диски, а
також пристрої флеш-пам'яті.
Комп'ютерна пам'ять забезпечує підтримку однієї з найважливіших функцій сучасного комп'ютера — здатність тривалого зберігання інформації.
Центральний процесор і пристрій, що запам'ятовує, є ключовими ланками так
званої архітектури фон Неймана — принципу, закладеного в основу більшості сучасних комп'ютерів загального призначення.
Перші комп'ютери використовували пристрої, що запам'ятовують,
виключно для зберігання оброблюваних даних. Їхні програми реалізовувалися на апаратному рівні у вигляді жорстких заданих виконуваних послідовностей.
Будь-яке перепрограмування вимагало величезного обсягу ручної роботи з підготовки нової документації, перекомутації, перебудови блоків і пристроїв і т.
п. Використання архітектури фон Неймана, що передбачає зберігання комп'ютерних програм і даних в загальній пам'яті, корінним чином змінило ситуацію.
Система зберігання інформації в сучасному цифровому комп'ютері заснована на двійковій системі числення. Числа, текстова інформація,
зображення, звук, відео та інші форми даних представляються у вигляді послідовностей бітових рядків або бінарних чисел, кожне з яких складається зі значень 0 і 1. Це дозволяє комп'ютеру легко маніпулювати ними за умови достатньої ємності системи зберігання. Наприклад, для зберігання невеликої розповіді досить мати пристрій пам'яті загальним обсягом всього лише близько
8 мільйонів бітів (приблизно 1 Мегабайт).
Дотепер створено безліч різноманітних пристроїв, призначених для зберігання даних, багато з яких засновано на використанні різноманітних фізичних ефектів. Універсального рішення не існує, кожне має ті або інші недоліки. Тому комп'ютерні системи зазвичай мають кілька видів систем зберігання, основні властивості яких зумовлюють їх використання і призначення.
4.Загальні принципи побудови ЕОМ
Воснову побудови переважної більшості комп‘ютерів покладені такі загальні принципи, що були сформульовані у 1945 році. Д. фон Нейман, Г.
Голдстайн і А. Беркс в своїй спільній статті виклали нові принципи побудови і
функціонування ЕОМ. На основі цих принципів відбувалось виробництво
перших двох поколінь комп'ютерів. У пізніших поколіннях відбувалися деякі зміни, хоча принципи Неймана актуальні і сьогодні.
По суті, Нейману вдалося узагальнити наукові розробки і відкриття багатьох інших учених і сформулювати на їх основі принципово нове:
Використання двійкової системи числення в обчислювальних машинах.
Перевага перед десятковою системою числення полягає в тому, що пристрої можна робити досить простими, арифметичні і логічні операції в двійковій системі числення також виконуються досить просто.
Програмне управління ЕОМ. Робота ЕОМ контролюється програмою,
що складається з набору команд. Команди виконуються послідовно одна за одною. Створенням машини з програмою, що зберігається в пам'яті, дало початок тому, що ми сьогодні називаємо програмуванням.
Вибірка програми з пам'яті здійснюється за допомогою лічильника команд - регістр процесора, який послідовно збільшує адресу чергової команди,
що зберігається в нім, на довжину команди. А оскільки команди програми розташовані в пам'яті одна за одною, то тим самим організовується вибірка ланцюжка команд з послідовно розташованих елементів пам'яті.
Якщо ж потрібно після виконання команди перейти не до наступної, а до якоїсь інший, використовуються команди умовного або безумовного переходів,
які заносять в лічильник команд номер елементу пам'яті, що містить наступну команду. Вибірка команд з пам'яті припиняється після досягнення і виконання команди ―стоп‖. Таким чином, процесор виконує програму автоматично, без втручання людини.
Пам'ять комп'ютера використовується не лише для зберігання даних, але і програм. При цьому і команди програми і дані кодуються в двійковій системі числення, тобто їх спосіб запису однаковий. Тому в певних ситуаціях над командами можна виконувати ті ж дії, що і над даними.
Це відкриває цілий ряд можливостей. Наприклад, програма в процесі свого виконання також може піддаватися переробці, що дозволяє задавати в самій програмі правила здобуття деяких її частин (так в програмі
організовується виконання циклів і підпрограм). Більш того, команди однієї програми можуть бути отримані як результати виконання іншої програми.
На цьому принципі засновані методи трансляції — перекладу тексту програми з мови програмування високого рівня на мову конкретної машини.
Принцип адресності: елементи пам'яті ЕОМ мають адреси, які послідовно пронумеровані. У будь-який момент можна звернутися до будь-
якого елементу пам'яті за її адресою. Цей принцип відкрив можливість використовувати змінні в програмуванні.
Можливість умовного переходу в процесі виконання програми. Не дивлячись на те, що команди виконуються послідовно, в програмах можна реалізувати можливість переходу до будь-якої ділянки коди.
Комп'ютери, побудовані на цих принципах, відносяться до типа фон-
нейманівськи. Але існують комп'ютери, що принципово відрізняються від останніх. Для них, наприклад, може не виконуватися принцип програмного управління, тобто вони можуть працювати без ―лічильника команд‖, який вказує поточну виконувану команду програми. Для звернення до якої-небудь змінної, що зберігається в пам'яті, цим комп'ютерам не обов'язково давати їй ім'я. Такі комп'ютери називаються не-фон-нейманівськими.
Найголовнішим наслідком цих принципів можна назвати те, що тепер програма вже не була постійною частиною машини (як наприклад, в
калькуляторі). Програму стало можливо легко змінити. А ось апаратура,
звичайно ж, залишається незмінною, і дуже простою.
5. Класична структура ЕОМ і принципи її побудови
Структура ЕОМ визначає сукупність функціональних елементів ЕОМ і спосіб встановлення зв'язків між ними. У сучасних ЕОМ пристрій для виконання арифметичних і логічних операцій і пристрій керування об'єднані в центральний процесор. Взаємини обмеженого набору пристроїв введення-
виведення, наявних в ЕОМ перших поколінь, в сучасних машинах є великий арсенал пристроїв (різноманітні накопичувачі на магнітних, оптичних та магнітооптичних дисках, сканери, клавіатура, миша, джойстик, принтери,