1й семестр Основы архитектуры, устройство и функционирование вычислительных систем
реклама
07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Денисов Д.В. Основы архитектуры, устройство и функционирование вычислительных систем Серия «Непрерывное образование» Содержание Аннотация Тема 1. ЭВМ как средство обработки информации Вопросы для самопроверки: Тема 2. Основные характеристики и области применения информационно-вычислительных систем Вопросы для самопроверки: Тема 3. Устройство персонального компьютера Вопросы для самопроверки: Тема 4. Устройство системного блока, виды корпусов и блоков питания https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 1/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Вопросы для самопроверки: Тема 5. Типы и логическое устройство материнских плат Вопросы для самопроверки: Тема 6. Типы процессоров Вопросы для самопроверки: Тема 7. Устройство процессора. Система команд Вопросы для самопроверки: Тема 8. Типы и устройство оперативной памяти вычислительных машин Вопросы для самопроверки: Тема 9. Организация и режимы работы оперативной памяти IMBсовместимых ПК Вопросы для самопроверки: Тема 10. Система ввода-вывода и организация взаимодействия с периферийными устройствами Вопросы для самопроверки: Тема 11. Сети ЭВМ, информационно-вычислительные системы и сети Вопросы для самопроверки: Тема 12. Коммуникационные устройства Вопросы для самопроверки: Тема 13. Архитектурные особенности многомашинных и многопроцессорных параллельных вычислительных систем Вопросы для самопроверки: Литература Учебная литература: Интернет-ресурсы: https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 2/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Глоссарий Аннотация Жил-был компьютерщик. Всю свою сознательную жизнь просидел за компьютером: что-то устанавливал и переустанавливал, писал программы, модернизировал и т.д. И вдруг неожиданно умер. Оказался на том свете, и стали ангелы с бесами спорить за его душу: куда его отправить, в ад или в рай. Спорят, спорят и никак решить не могут: вроде бы и злых дел за ним не числится, да и добрых тоже нет. Тогда предлагают ему: выбирай, мол, сам, куда хочешь. Компьютерщик просит показать ему ад и рай, чтобы определиться с выбором. Взяли ангелы его душу, отнесли на небо. Смотрит: люди молятся, поклоны кладут. «Ну, – говорит, – скучища – несите меня в ад». Бесы обрадовались, отнесли его душу в ад. Там музыка, танцы, развлечения. Компьютерщик говорит: «Вот это другое дело, давайте скорее меня в ад!» Только сказал, бесы его на вилы и в котел с кипящей смолой. Тому больно, кричит, надрывается: «Вы куда меня посадили, вы же мне совсем другое показывали!» Бесы отвечают: «Так ведь то, что мы показывали – это была демоверсия». Ситуации, подобные описанной в анекдоте, нередко наблюдаются в компьютерных салонах, когда неискушенный потребитель выбирает компьютер. При этом покупатель зачастую не вполне понимает, чего именно он хочет от компьютера. В основном пожелания формулируются так: «Ну, чтобы играть в игрушки», «Чтобы работал Word», «Чтобы поставить «1С»« и т.д. Как вы понимаете, для решения этих задач можно купить компьютеры совершенно различной комплектации, то есть с совершенно различным комплексом технических средств информатизации, и тогда… https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 3/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Тогда покупатель понимает, что Word работает как на его компьютере за 1500$, так и на компьютере его соседа за 750$. Тогда выясняется, что новая игра не идет из-за нехватки какой-то там оперативной памяти. Тогда оказывается, что купленная на Горбушке «1C» упорно требует какой-то «электронный ключ», хотя продавец в салоне уверял, что установлено абсолютно все. Тогда… Тогда он обращается к специалисту, то есть к вам. И ваша задача помочь заинтересованному лицу (знакомому, другу, директору компании, где вы трудитесь «компьютерщиком» или системным администратором) приобрести и установить именно тот комплекс технических средств, который необходим для решения поставленных задач. Сегодня в мире нет ни одной отрасли науки и техники, которая развивалась бы столь же стремительно, как технические средства информатизации. Каждые два года происходит смена поколений аппаратных и программных средств вычислительной техники. Такого развития одной отрасли история науки и техники еще не знала. Фактически мы можем говорить о том, что в последние годы на наших глазах произошла компьютерная революция, затронувшая все сферы социальной, культурной, научной и производственной деятельности человечества. Эта компьютерная революция еще не завершена и недавно вошла в очередной этап – широкомасштабного внедрения Internet. Дело идет к тому, что скоро в мире не останется людей, которых не коснутся изменения, вызванные существованием этого единого мирового информационного поля, сколь бы далеки они не были от вычислительной техники и персональных компьютеров. Чтобы успевать за развитием средств вычислительной техники, необходимо непрерывное самообразование и самосовершенствование. А для профессионального применения вычислительной техники нужно нечто большее – личная целеустремленность и постоянное желание узнавать о том, что происходит в мире информационных технологий. В связи с этим «Основы архитектуры, устройство и функционирование вычислительных систем» содержит теоретическую и практическую информацию. Вам предстоит изучить принципы работы основных комплектующих системного блока, https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 4/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» мониторов, сканеров, принтеров и других устройств, архитектуру ЭВМ и вычислительных систем, а также основные параметры, характеризующие их производительность. Кроме того, вы познакомитесь с передовой компьютерной техникой, представленной на отечественном рынке. В процессе изучения курса вы приобретете знания, необходимые грамотному специалисту в области эксплуатации аппаратного обеспечения. Остальное зависит исключительно от вашего желания. Удачи! И помните, компьютер – это средство решения практических задач, не более. Компьютер, как и машина, пылесос, холодильник, нужен человеку как техническое средство, но отнюдь не для замещения Человека, живого человеческого общения, спорта, творчества, любви и других проявлений деятельности всесторонне развитой личности. Тема 1. ЭВМ как средство обработки информации Изучив тему занятия, вы будете: знать: · что такое показатели качества информации; · что такое система и какие бывают виды систем; · что такое системы обработки данных (СОД) и по каким признакам они классифицируются; · что такое функциональная и структурная организация систем. Основные понятия: · информация; · индустрия информатики; · информатика; · информационные технологии; · система, организация системы, элемент системы, структура системы, архитектура системы, целостность системы, https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 5/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» информационная система (ИС); · данные системы обработки знаний (СОЗ); · система обработки данных (СОД); · эрготехнические системы; · управление. Теоритический материал по теме Электронно-вычислительные машины (ЭВМ), как следует из названия, изначально предназначались для автоматического выполнения математических расчетов, то есть обработки цифровой информации. В настоящее время функции ЭВМ значительно шире – они позволяют обрабатывать практически любую информацию. Однако для того чтобы эта информация была понятна ЭВМ, она представляется в цифровом формате. Чтобы понять, как устроена ЭВМ, необходимо четко определить, что именно она обрабатывает. Информация (лат. informatio – «разъяснение, осведомление, изложение») – все те сведения, которые уменьшают степень неопределенности нашего знания о конкретном объекте это сведения, которые один реальный объект содержит о другом реальном объекте. Информация часто кодируется числовыми кодами в той или иной системе счисления. Одно и то же количество разрядов в разных системах счисления способно передать разное число (N) отображаемых состояний объекта. В различных системах счисления один разряд имеет различный вес, и соответственно меняется единица измерения данных. Так, в двоичной системе счисления единицей измерения служит бит (bit – binary digit, «двоичный разряд»). https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 6/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» В современных компьютерах, наряду с минимальной единицей данных – битом, используется укрупненная единица информации – байт, равная 8 битам. Информация характеризуется различными показателями (см. рис. 1). Эти показатели были определены в процессе многолетнего опыта обработки информации. Их практическое применение и теоретическое изучение является предметом специальной области – информатики. Информатика как сфера обработки информации включает в себя три основных составляющих: науку, информационные технологии и индустрию информатики. Рис. 1. Показатели качества информации Индустрия информатики – инфраструктурная отрасль народного хозяйства, обслуживающая другие отрасли материального производства и непроизводственной сферы, обеспечивая их необходимыми информационными ресурсами, создающая условия для их эффективного функционирования и развития (своеобразная «нервная система» общественного производства). К основным элементам производственной структуры информационной индустрии можно отнести: · предприятия, производящие вычислительную технику; https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 7/178 07.11.2023, 20:20 · Московский финансово-промышленный университет «Синергия» вычислительные центры (ВЦ) различного типа и назначения; · локальные и подключенные к распределенным вычислительным сетям пункты обработки информации, оснащенные компьютерами; · абонентские пункты телеобработки данных и вычислительных сетей (ВС); · системы связи и передачи данных в составе ВС; · предприятия, осуществляющие производство программных средств и проектирование автоматизированных систем управления (АСУ) и информационных систем (ИС); · организации, накапливающие, распространяющие и обслуживающие фонды алгоритмов и программ; · станции технического обслуживания вычислительной техники (ВТ). Информатика – наука, изучающая свойства, структуру и функции информационных систем, основы их проектирования, создания, использования и оценки, а также информационные процессы, в них происходящие. Информационные технологии – система процедур преобразования информации целью формирования, организации, обработки, распространения и использования информации. Поскольку понятие «информационная система» является базовым для науки информатики, необходимо определить, что понимается под «системой» вообще, «информационной системой» и «информационно-вычислительной системой» в частности. Система (греч. systema – «целое, составленное из частей соединение») – совокупность элементов, взаимодействующих друг с другом, образующих определенную целостность, единство. Укрупненная классификация систем представлена на рис. 2. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 8/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Рис. 2. Укрупненная классификация систем Организация системы – внутренняя упорядоченность, согласованность взаимодействия элементов системы (проявляющаяся, в частности, в ограничении разнообразия состояний элементов системы). Элемент системы – часть системы, имеющая определенное функциональное назначение. Сложные элементы систем, в свою очередь состоящие из более простых взаимосвязанных элементов, часто называют подсистемами. Структура системы – состав, порядок и принципы взаимодействия элементов системы, определяющие основные свойства системы. Архитектура системы – совокупность свойств системы, существенных для пользователя. Целостность системы – принципиальная несводимость свойств системы к сумме свойств отдельных ее элементов (эмерджентность свойств) и в то же время зависимость свойств каждого элемента от его места и функции внутри системы. Информационная система (ИС) – материальная система, организующая, хранящая и преобразующая информацию. Это система, основным предметом и продуктом труда в которой является информация. Классификация информационных систем представлена на рис. 3. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 9/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Рис. 3. Классификация информационных систем Данные – информация, представленная в формализованном виде, пригодном для автоматической обработки, при возможном участии человека. Система обработки данных (СОД) – комплекс взаимосвязанных методов и средств преобразования данных, необходимых пользователю. На рисунке 4 представлена последовательность развития СОД. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 10/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Рис. 4. Последовательность развития систем обработки данных Система обработки знаний (СОЗ) – АСОД, имеющие специальное программное обеспечение для анализа семантики информации и ее гибкой логической структуризации. Важнейшие принципы построения эффективных АСОД (как наиболее эффективного типа СОД): · Принцип интеграции – обрабатываемые данные, однажды введенные в АСОД, многократно используются для решения возможно большего числа задач, чем максимально устраняется дублирование данных и операций их преобразования. · Принцип системности – обработка данных ведется в различных «разрезах» с целью получения информации, необходимой для https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 11/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» принятия решений на всех уровнях и во всех функциональных подсистемах управления. · Принцип комплексности – механизация и автоматизация процедур преобразования данных имеют место на всех стадиях техпроцесса АСОД. Эрготехнические системы – материальные системы «человек – машина» (смешанного типа), состоящие из эргатического элемента – человека-оператора (группы операторов) и технического элемента – машины (машин). В таких системах особенно важны процедуры реализации функции управления системой. Управление – функция системы, обеспечивающая либо сохранение ее основных свойств, либо ее развитие в заданном направлении. Управление осуществляется (и в том и в другом случае) для достижения определенной цели, вполне конкретной для каждого отдельного объекта управления и связанной с состояниями объекта и среды, в которой он находится. Процесс управления информационной системой представлен на рис. 5. Рис. 5. Процесс управления информационной системой Практически все современные ИС включают в свой состав вычислительные машины и поэтому являются информационновычислительными системами (ИВС). https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 12/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Функции ИВС, управляющей крупным предприятием: · вычислительная; · коммуникационная; · информирующая; · запоминающая; · следящая; · регулирующая; · оптимизационная; · самоорганизующаяся; · самосовершенствующаяся; · исследовательская; · прогнозирующая; · анализирующая; · синтезирующая; · контролирующая; · диагностическая; · документирующая. Информационная система (информационно-вычислительная система) состоит из трех крупных подсистем: функциональной, обеспечивающей и организационной. Функциональные подсистемы. ИС реализуют и поддерживают модели, методы и алгоритмы получения управляющей информации. Состав функциональных подсистем зависит от предметной области использования ИС. Примеры функциональных подсистем: · Подсистема научно-технической подготовки производства. Отвечает за выполнение научно-исследовательских (в том числе https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 13/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» маркетинговых) работ, конструкторскую и технологическую подготовку производства. · Подсистема бухгалтерского учета обеспечивает составление отчетности и учет труда и заработной платы, товарно-материальных ценностей, основных средств, результатов финансовых операций. Рис. 6. Состав основных подсистем ИС Состав обеспечивающих систем более стабилен и мало зависит от предметной области использования ИС. Примеры обеспечивающих систем: · Программное обеспечение – совокупность программ регулярного применения, необходимых для решения функциональных задач, и программ, позволяющих наиболее эффективно использовать вычислительную технику, обеспечивая пользователям наибольшие удобства в работе. · Математическое обеспечение – совокупность математических методов, моделей и алгоритмов обработки информации, используемых в системе. Организационные подсистемы по существу также относятся к обеспечивающим подсистемам, но направлены в первую очередь на https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 14/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» обеспечение эффективной работы персонала (и поэтому могут быть выделены отдельно). Примеры организационных подсистем: · Кадровое обеспечение – состав специалистов, участвующих в создании и работе системы, штатное расписание и функциональные обязанности. · Правовое обеспечение – совокупность правовых норм, регламентирующих создание и функционирование ИС, порядок получения, преобразования и использования информации. Разработка ИС начинается с создания организационного обеспечения: экономического обоснования целесообразности системы, состава экономических показателей, определяющих ее деятельность, состава функциональных подсистем, организационной структуры управления, технологических схем преобразования информации, порядка проведения работ и т.д. Основные выводы: 1. ЭВМ предназначены для обработки информации. 2. Наука, которая занимается вопросами сбора, обработки, хранения и передачи информации, называется информатикой. 3. Все системы можно разделить на материальные и абстрактные. 4. Информационные системы (ИС) классифицируются по степени механизации процедур, по функциональному назначению, по объектам управления. 5. Информация непосредственно и неразрывно связана с процессом управления. 6. Практически все современные ИС являются информационновычислительными (ИВС). Вопросы для самопроверки: 1. Дайте развернутую характеристику понятию «информация». https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 15/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» 2. Перечислите показатели качества информации и дайте их краткое пояснение. 3. Сформулируйте сущность информатики как науки, технологии и индустрии. 4. Перечислите основные элементы информационной индустрии. 5. Что такое система? 6. Дайте определение информационной системы. 7. Приведите многоаспектную классификацию информационных систем. 8. Назовите и поясните основные функции информационной системы. Тема 2. Основные характеристики и области применения информационно-вычислительных систем Изучив тему занятия, вы будете: знать: · историю развития информационно-вычислительных систем (ИВС); · классификацию ИВС; · этапы развития элементной базы электронно-вычислительных машин (ЭВМ); · типы современных компьютеров и сферы их использования. Основные понятия: · вычислительная система; · электронная вычислительная машина (ЭВМ); · суперкомпьютеры (суперЭВМ); · большие ЭВМ; https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 16/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» · малые ЭВМ; · микро ЭВМ; · персональные ЭВМ. Теоритический материал по теме Первые компьютеры (автоматические электронные вычислительные машины с программным управлением) были созданы в конце 40-х годов XX века и представляли собой гигантских вычислительных монстров, использовавшихся только для вычислительной обработки информации. По мере развития компьютеры существенно уменьшились в размерах, но «обросли» дополнительным оборудованием, необходимым для их эффективного использования. В 70-х годах компьютеры из вычислительных машин (ВМ) сначала превратились в вычислительные системы (ВС), а затем в информационно-вычислительные системы (ИВС). Вычислительная система (ВС) – совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенная для сбора, хранения, обработки и распределения информации. 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. Таблица 1. Этапы развития компьютерных информационных технологий Параметр 50-е гг. Цель Научноиспользования технические компьютера расчеты 60-е гг. 70-е гг. Технические и экономические расчеты Управление и Управление, Телекоммун экономические предоставление информацио расчеты информации обслуживан Режим работы Однопрограммный Пакетная компьютера обработка https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 Разделение времени 80-е гг. Персональная работа Настоящее Сетевая обр 17/178 07.11.2023, 20:20 Интеграция данных Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Средняя Высокая Расположение Машинный зал пользователя Отдельное помещение Терминальный Рабочий стол зал Тип Инженерыпользователя программисты Пользователи с Профессиональные общей Малообучен Программисты программисты компьютерной пользовател подготовкой Тип диалога Низкая Очень высокая Сверхвысок Произвольн мобильное Интерактивный Обмен Интерактивн Работа за пультом (через Интерактивный перфоносителями экранный ти компьютера клавиатуру с жестким меню и машинограммами «вопрос – от и экран) Отличительной особенностью ВС по отношению к ЭВМ является наличие в ней нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработку. Параллелизм выполнения операций существенно повышает быстродействие системы; он же может также значительно повысить и надежность (при отказе одного компонента системы его функции может взять на себя другой) и достоверность функционирования системы, если операции будут дублироваться, а результаты их выполнения сравниваться. Параллелизм в вычислениях в значительной степени усложняет управление вычислительным процессом, использование технических и программных ресурсов. Эти функции выполняет операционная система ВС. Несмотря на то, что классическим является многомашинный вариант ВС, в ВС может быть только один компьютер, но агрегированный с многофункциональным периферийным оборудованием (стоимость периферийного оборудования часто во много раз превосходит стоимость компьютера). В компьютере может быть как несколько процессоров (тогда мы имеем также классический многопроцессорный вариант ВС), так и один процессор (если не брать в расчет специализированные процессоры, входящие в состав периферийных устройств). Одномашинная ВС – ВС, построенная на основе одного компьютера. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 18/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Многопроцессорная ВС – ВС, построенная на основе нескольких процессоров. Многомашинная ВС – ВС, построенная на основе нескольких компьютеров. Однородная ВС – ВС, построенная на основе однотипных компьютеров или процессоров. Позволяет использовать стандартные наборы программных средств, типовые протоколы (процедуры) сопряжения устройств. Неоднородная ВС – ВС, включающая в свой состав различные типы компьютеров или процессоров. Оперативные ВС – ВС, функционирующие в реальном масштабе времени, в них реализуется оперативный режим обмена информацией – ответы на запросы поступают незамедлительно. Неоперативные ВС – ВС, допускающие режим «отложенного ответа», когда результаты выполнения запроса можно получить с некоторой задержкой (иногда даже в следующем сеансе работы с системой). ВС с централизованным управлением – ВС, в которых управление выполняет выделенный компьютер или процессор. ВС с децентрализованным управлением – ВС, в которых компоненты (компьютеры / процессоры) равноправны и каждый может брать управление на себя. Территориально-сосредоточенные ВС – ВС, все компоненты которых размещены в непосредственной близости друг от друга. Распределенные ВС – ВС, компоненты которых могут располагаться на значительном расстоянии (например, вычислительные сети). Структурно одноуровневые ВС – ВС, в которых имеется лишь один общий уровень обработки данных. Многоуровневые (иерархические) ВС – ВС, машины или процессоры в которых распределены по разным уровням обработки информации. Некоторые машины (процессоры) могут специализироваться на выполнении определенных функций. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 19/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Электронная вычислительная машина (ЭВМ), компьютер – комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач. ЭВМ можно классифицировать по ряду признаков, в частности: · по принципу действия (рис. 7); · по этапам создания и элементной базе; · по назначению (рис. 8); · по способу организации вычислительного процесса; · по размеру и вычислительной мощности (рис. 9); · по функциональным возможностям; · по способности к параллельному выполнению программ. Рис. 7. Классификация ЭВМ по принципу действия ЦВМ, цифровые вычислительные машины, или вычислительные машины дискретного действия, – работают с информацией, представленной в дискретной, а точнее цифровой форме. Большинство современных ЭВМ являются ЦВМ. АВМ, аналоговые вычислительные машины, или вычислительные машины непрерывного действия, – работают с информацией, представленной в непрерывной (аналоговой) форме, то есть в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины (чаще всего электрического напряжения). ГВМ, гибридные вычислительные машины, или вычислительные машины комбинированного действия, – работают с информацией, представленной и в цифровой, и в аналоговой форме. Они https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 20/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ. ГВМ целесообразно использовать для решения задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами. По этапам создания и элементной базе компьютеры условно делятся на поколения: · 1-е поколение, 50-е годы: ЭВМ на электронных вакуумных лампах. · 2-е поколение, 60-е годы: ЭВМ на дискретных полупроводниковых приборах (транзисторах). · 3-е поколение, 70-е годы: ЭВМ на полупроводниковых интегральных схемах с малой и средней степенью интеграции (сотни и тысячи транзисторов в одном корпусе). · 4-е поколение, 80–90-е годы: ЭВМ на больших и сверхбольших интегральных схемах, основная из которых – микропроцессор (десятки тысяч – миллионы активных элементов на одном кристалле). · 5-е поколение, настоящее время: ЭВМ с многими десятками параллельно работающих микропроцессоров, позволяющих строить эффективные системы обработки знаний; компьютеры на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной архитектурой, одновременно выполняющих десятки последовательных инструкций программы. · 6-е и последующие поколения: оптоэлектронные компьютеры с массовым параллелизмом и нейронной структурой, с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем. Рис. 8. Классификация ЭВМ компьютеров по назначению https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 21/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Универсальные компьютеры – компьютеры, предназначенные для решения самых различных инженерно-технических, экономических, математических, информационных и пр. задач, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных. Проблемно-ориентированные компьютеры – компьютеры, предназначенные для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами, с регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных, с выполнением расчетов по относительно несложным алгоритмам. Специализированные компьютеры – компьютеры, предназначенные для решения определенного узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций. Такая узкая ориентация компьютеров позволяет четко специализировать их структуру, существенно снизить их сложность и стоимость при сохранении высокой производительности и надежности их работы. Рис. 9. Классификация компьютеров по размерам и вычислительной мощности Таблица 2. Сравнительные характеристики классов современных компьютеров Параметры Класс компьютера https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 22/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Суперкомпьютеры Малые компьютеры Микрокомпьютеры 10–1000 10–100 Емкость ОП (Мбайт) 2000–100000 512–10000 128–2048 32–512 Емкость внешних ЗУ (Гбайт) 500–50000 100–10000 20–500 10–50 Разрядность 64–256 64–128 32–128 32–128 Производительность (MIPS)* Большие компьютеры 1000–1000000 100–10000 * MIPS – миллион операций в секунду (над числами с фиксированной запятой) СуперЭВМ (суперкомпьютеры) – самые мощные многопроцессорные вычислительные машины. Используются для решения очень сложных задач: · прогнозирование метеообстановки; · управление сложными оборонными комплексами; · биологические исследования; · моделирование экологических систем и др. Большие компьютеры (мейнфреймы) – высокопроизводительные вычислительные машины, основное применение которых: · решение научно-технических задач; · работа в вычислительных системах с пакетной обработкой информации; · работа с базами данных (БД); · управление вычислительными сетями и их ресурсами. Первая большая ЭВМ ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) была создана в 1946 году. Эта машина весила 30 тонн, имела быстродействие несколько сотен операций в секунду и оперативную память емкостью 20 чисел, занимала зал площадью 150 м2. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 23/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Среди лучших разработок мейнфреймов за рубежом следует отметить в первую очередь: американские: · IBM 360, IBM 370 – 1-е поколение, 1970-е годы; · IBM 3090, IBM 4300 (4331, 4341,4361,4381) – 2-е поколение, 1979 год; · IBM ES/9000 – 3-е поколение, 1990 год; · S/390, AS/400 – 4-е поколение, 1997–1999 годы; а также японские: · M 1800 (Fujitsu); · Millenium (Amdahl); и немецкие (Comparex Information Systems): · M2000; · C2000. МиниЭВМ (малые компьютеры) – надежные, недорогие и удобные в эксплуатации компьютеры, обладающие несколько меньшими по сравнению с мейнфреймами возможностями. Ориентированы на использование: · в качестве управляющих вычислительных комплексов; · в системах автоматического проектирования; · в системах моделирования несложных объектов; · в системах искусственного интеллекта. Микрокомпьютеры (см. рис. 10). https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 24/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Рис. 10. Классификация микрокомпьютеров Рабочие станции (workstation) – однопользовательские микрокомпьютеры, часто специализированные для выполнения определенного вида работ (графических, инженерных, издательских и.т.д.). Серверы (server) – многопользовательские мощные микрокомпьютеры в вычислительных сетях, выделенные для обработки запросов от всех рабочих станций сети. Сетевые компьютеры (network computer) – упрощенные микрокомпьютеры, обеспечивающие работу в сети и доступ к сетевым ресурсам, часто специализированные на выполнение определенного вида работ (защита сети от несанкционированного доступа, организация просмотра сетевых ресурсов, электронной почты и т.д.). Многопользовательские микрокомпьютеры – мощные микрокомпьютеры, оборудованные несколькими видеотерминалами и функционирующие в режиме разделения времени, что позволяет эффективно работать на них сразу нескольким пользователям. Персональные компьютеры – однопользовательские микрокомпьютеры, удовлетворяющие требованиям общедоступности и универсальности применения. Персональный компьютер для удовлетворения требованиям общедоступности и универсальности применения должен обладать такими качествами, как: · малая стоимость, находящаяся в пределах доступности для индивидуального покупателя; · автономность эксплуатации без специальных требований к условиям окружающей среды; · гибкость архитектуры, обеспечивающая ее адаптируемость к разнообразным применениям в сфере управления, науки, образования и в быту; · дружественность операционной системы и прочего программного обеспечения, обусловливающая возможность работы с ней пользователя без специальной профессиональной подготовки; https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 25/178 07.11.2023, 20:20 · Московский финансово-промышленный университет «Синергия» высокая надежность работы (более 5000 часов на отказ). Рис. 11. Классификация ПК по конструктивным особенностям Основные выводы: Вычислительные системы разнообразны и их можно классифицировать по ряду признаков, в частности: · по принципу действия; · по этапам создания и элементной базе; · по назначению; · по размеру вычислительной мощности; · по функциональным возможностям и другим признакам. Вопросы для самопроверки: 1. Что такое вычислительные системы, и каковы их разновидности? 2. Назовите основные классы и подклассы вычислительных машин и дайте их сравнительную характеристику. 3. Дайте общую характеристику и определите область использования суперЭВМ и мейнфреймов. Тема 3. Устройство персонального компьютера Изучив тему занятия, вы будете: https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 26/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» знать: · принципы архитектуры фон Неймана; · логическое устройство персональных компьютеров (ПК); · комплекс технических средств, входящих в состав ПК. Основные понятия: · алгоритм и программа; · модульность, магистральность и иерархия управления; · персональный компьютер (ПК); · микропроцессор (МП); · системная шина; · внешние устройства ПК; · средства мультимедиа. Теоритический материал по теме Основы проектирования электронно-вычислительных машин (ЭВМ) были заложены еще в 1945 году американским ученым Джоном фон Нейманом. Именно он сделал описание, как самой ЭВМ, так и ее логических возможностей, представил логические принципы организации компьютера независимо от его элементной базы. Джон фон Нейман был весьма незаурядным человеком. Вот некоторые факты из его биографии. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 27/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Когда Нейман выступал у доски, то он очень быстро покрывал всю ее поверхность различными формулами, а затем очень быстро все стирал, так что не все успевали понять ход его рассуждений. Однажды один из его коллег, наблюдая за манипуляциями Неймана у доски, пошутил: «Все понятно, это доказательство методом стирания с доски». В театры Нейман не ходил, а в кино засыпал сразу же после киножурнала, с первыми кадрами фильма. Когда жена с упреком будила его перед окончанием фильма, он в свое оправдание придумывал такие сюжеты картин, которые часто были увлекательнее увиденных, но не имели с ними ничего общего. Нейман обладал почти абсолютной памятью, так что мог через много лет пересказывать страницы некогда прочитанных книг, тут же переводя текст на английский или немецкий языки, а с небольшими задержками и на французский или итальянский. Итак, фон Нейманом было выделено и детально описано пять базовых компонент универсального компьютера: 1) центральное арифметико-логическое устройство (АЛУ); 2) центральное устройство управления (УУ), ответственное за функционирование всех основных компонент компьютера; 3) память, то есть запоминающее устройство (ЗУ); 4) система ввода информации; 5) система вывода информации. В качестве основного принципа построения ЭВМ было выделено программное управление. В основе его лежит представление алгоритма решения любой задачи в виде программы вычислений. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 28/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Алгоритм – это конечный набор предписаний, определяющий решение задачи посредством определенного количества операций. Программа – это упорядоченная последовательность команд, которые выполняются в АЛУ автоматически друг за другом в определенной последовательности. Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Каждая команда содержит указания на конкретную выполняемую операцию, место нахождения (адрес) данных для операции и ряд служебных признаков. Информация (командная и данные: числовая, текстовая, графическая и т.п.) кодируется двоичными числами 0 и 1. Каждый тип информации имеет форматы – структурные единицы информации, закодированные двоичными цифрами 0 и 1. Обычно все форматы данных, используемые в ЭВМ, кратны байту, то есть состоят из целого числа байтов. Стандартные элементы структур современных ЭВМ основываются на таких принципах, как модульность построения, магистральность и иерархия управления. Модульность построения предполагает в структуре ЭВМ наличие достаточно автономных, функционально и конструктивно законченных устройств (процессор, модуль памяти, накопитель на жестком или гибком магнитном диске). Модульная конструкция ЭВМ обеспечивает ее высокую ремонтопригодность и способность модернизации, то есть замену отдельных модулей на более производительные. Магистральность означает, что подключаемые к центральному процессору модули используют специальные шины, или магистрали, для обмена управляющими сигналами, адресами и данными, как с процессором, так и с другими устройствами. Иерархия управления предполагает, что устройство управления главного, или центрального, процессора осуществляет только централизованное управление. Оно инициализирует активность других устройств, после чего они продолжают работу по собственным программам управления. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 29/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Принципы архитектуры фон Неймана легли в основу создания абсолютно всех ЭВМ от первого поколения до современных, от суперЭВМ до персональных компьютеров. Персональный компьютер (ПК) – это настольная или переносная ЭВМ, удовлетворяющая требованиям общедоступности и универсальности применения. Конструктивно ПК выполняются в виде центрального системного блока, к которому через разъемы подключаются различные внешние устройства, называемые периферийными устройствами. На рисунке 12 представлена структурная схема современного ПК, полностью отвечающая принципам архитектуры фон Неймана. Рис. 12. Структурная схема современного ПК Рассмотрим состав и назначение основных составляющих ПК. Микропроцессор (МП). Это центральный блок ПК, предназначенный для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операций над информацией. В состав микропроцессора входят следующие компоненты: https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 30/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» · устройство управления (УУ) – формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки ЭВМ; опорную последовательность импульсов устройство управления получает от генератора тактовых импульсов; · арифметико-логическое устройство (АЛУ) – предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией (в некоторых моделях ПК для ускорения выполнения операций к АЛУ подключается дополнительный математический сопроцессор); · микропроцессорная память (МПП) – служит для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в вычислениях. МПП строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия машины, ибо основная память (ОП) не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимой для эффективной работы быстродействующего микропроцессора; · регистры (на рисунке 12 они не показаны, т.к. слишком малы) – быстродействующие ячейки памяти различной длины (в отличие от ячеек ОП, имеющих стандартную длину 1 байт и более низкое быстродействие). Интерфейсная система микропроцессора реализует его связь с другими устройствами ПК; включает в себя внутренний интерфейс МП, буферные запоминающие регистры и схемы управления портами ввода-вывода (ПВВ) и системной шиной. Внутренний интерфейс (от англ. interface – «соединять») – совокупность средств взаимосвязи устройств компьютера, обеспечивающих их эффективное взаимодействие. Все устройства, подключаемые через интерфейсную систему, называются средствами сопряжения. Их подключение осуществляется через порты вводавывода (I/O, Input/Output port). Системная шина. Это основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 31/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Системная шина обеспечивает три направления передачи информации: 1) между микропроцессором и основной памятью; 2) между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств; 3) между основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств. Все блоки, а точнее их порты ввода-вывода, через соответствующие унифицированные разъемы (стыки) подключаются к шине единообразно: непосредственно или через специальные устройства – контроллеры (адаптеры). Управление системной шиной осуществляется микропроцессором либо непосредственно, либо через дополнительную микросхему – контроллер шины, формирующий основные сигналы управления. Основная память (ОП). Она предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками машины. ОП содержит два вида запоминающих устройств: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). ПЗУ служит для хранения неизменяемой (постоянной) программной и справочной информации, позволяет оперативно только считывать хранящуюся в нем информацию. ОЗУ предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом ПК в текущий период времени. Главными достоинствами оперативной памяти являются ее высокое быстродействие и возможность обращения к каждой ячейке памяти отдельно (прямой адресный доступ к ячейке). В качестве недостатка ОЗУ следует отметить невозможность сохранения информации в ней после выключения питания машины (энергозависимость). Источник питания. Это блок, содержащий системы автономного и сетевого энергопитания ПК. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 32/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Таймер. Это внутримашинные электронные часы, обеспечивающие при необходимости автоматический съем текущего момента времени (год, месяц, часы, минуты, секунды и доли секунд). Таймер подключается к автономному источнику питания – аккумулятору и при отключении машины от сети продолжает работать. Внешние устройства (ВУ). Это важнейшая составная часть любого вычислительного комплекса. Достаточно сказать, что по стоимости ВУ иногда составляют 50–80 % всего ПК. От состава и характеристик ВУ во многом зависят возможность и эффективность применения ПК в системах управления и в народном хозяйстве в целом. ВУ ПК обеспечивают взаимодействие машины с окружающей средой, пользователями, объектами управления и другими ЭВМ. ВУ весьма разнообразны и могут быть классифицированы по ряду признаков. Так, по назначению можно выделить следующие виды ВУ: · внешние запоминающие устройства (ВЗУ), или внешняя память ПК; · диалоговые средства пользователя; · устройства ввода информации; · устройства вывода информации; · средства связи и телекоммуникации. Внешняя память ПК используется для долговременного хранения любой информации, которая может когда-либо потребоваться для решения задач. В частности, во внешней памяти хранится все программное обеспечение компьютера. Внешняя память содержит разнообразные виды запоминающих устройств, но наиболее распространенными, имеющимися практически на любом компьютере, являются накопители на жестких (НЖМД) и гибких (НГМД) магнитных дисках. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 33/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Назначение этих накопителей – хранение больших объемов информации, запись и выдача хранимой информации по запросу в оперативное запоминающее устройство. Различаются НЖМД и НГМД лишь конструктивно, объемами хранимой информации и временем поиска, записи и считывания информации. В качестве устройств внешней памяти используются также накопители на оптических дисках (CD-ROM) и флеш-накопители. Диалоговые средства пользователя включают в свой состав: · устройства речевого ввода-вывода – это различные микрофонные акустические системы, «звуковые мыши», например, со сложным программным обеспечением, позволяющим распознавать произносимые человеком буквы и слова, идентифицировать их и закодировать; · устройства речевого вывода – это различные синтезаторы звука, выполняющие преобразование цифровых кодов в буквы и слова, воспроизводимые через громкоговорители (динамики) или звуковые колонки, подсоединенные к компьютеру; · видеомонитор (дисплей) – устройство для отображения вводимой и выводимой из ПК информации. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 34/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» К устройствам ввода информации относятся: · клавиатура – устройство для ручного ввода числовой, текстовой и управляющей информации в ПК; · графические планшеты (диджитайзеры) – для ручного ввода графической информации, изображений путем перемещения по планшету специального указателя (пера); при перемещении пера автоматически выполняются считывание координат его местоположения и ввод этих координат в ПК; https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 35/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» · сканеры (читающие автоматы) – для автоматического считывания с бумажных носителей и ввода в ПК машинописных текстов, графиков, рисунков, чертежей; в устройстве кодирования сканера, в текстовом режиме считанные символы после сравнения с эталонными контурами специальными программами преобразуются в специальные коды, а в графическом режиме считанные графики и чертежи преобразуются в последовательности двухмерных координат; · манипуляторы (устройства указания): джойстик – рычаг, мышь, трекбол – шар в оправе, световое перо и др. – для ввода графической информации на экран дисплея путем управления движением курсора по экрану с последующим кодированием координат курсора и вводом их в ПК; https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 36/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» · сенсорные экраны – для ввода отдельных элементов изображения, программ или команд с полиэкрана дисплея в ПК. К устройствам вывода информации относятся: · принтеры – печатающие устройства для регистрации информации на бумажный носитель; · графопостроители (плоттеры) – для вывода графической информации (графиков, чертежей, рисунков) из ПК на бумажный носитель. Устройства связи и телекоммуникации используются для связи с приборами и другими средствами автоматизации (согласователи интерфейсов, адаптеры, цифро-аналоговые и аналого-цифровые https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 37/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» преобразователи, модемы и т.п.) и для подключения ПК к каналам связи, к другим ЭВМ и вычислительным сетям. В частности, сетевой адаптер является внешним интерфейсом ПК и служит для подключения его к каналу связи для обмена информацией с другими ЭВМ, для работы в составе вычислительной сети. В глобальных сетях функции сетевого адаптера выполняет модулятор-демодулятор. Многие из названных выше устройств относятся к условно выделенной группе – средствам мультимедиа. Средства мультимедиа (от англ. multimedia – «использующий различные носители информации») – это комплекс аппаратных средств, позволяющих человеку общаться с компьютером, используя самые разные, естественные для себя способы: речь, рукописный текст, рисунки и т.д. К средствам мультимедиа относятся: · устройства речевого ввода и вывода информации; · сканеры (поскольку они позволяют автоматически вводить в компьютер печатные тексты и рисунки); · устройства обработки звука; · устройства обработки видеоизображения; https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 38/178 07.11.2023, 20:20 · Московский финансово-промышленный университет «Синергия» устройства видеозахвата (videograbber), снимающие изображение с видеомагнитофона или видеокамеры и вводящие его в ПК; · акустические системы; · микрофоны; · видеовоспроизводящие системы с усилителями, звуковыми колонками, большими видеоэкранами; · видеопроекторы; · цифровые фотоаппараты и видеокамеры и др. С развитием средств вычислительной техники базовый состав ПК постепенно расширялся. В настоящее время он включает в себя следующий обязательный комплекс технических средств: · системный блок; · клавиатура; · манипулятор типа «мышь»; · монитор. Все вышеперечисленное принято называть одним словом «компьютер». Остальные технические средства (например, акустическая система, принтер, сканер) значительно расширяют возможности ПК и со временем могут войти в состав обязательных средств ПК. Основные выводы: 1. Устройство всех ПК основано на принципах архитектуры фон Неймана. 2. ПК состоит из системного (центрального) блока и устройств периферии, которые подключаются к системному блоку через специальные разъемы. 3. ПК представляет собой своеобразный «конструктор», который собирается из различных модулей: микропроцессор, запоминающие устройства, модули оперативной памяти и т.д. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 39/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» 4. С точки зрения архитектуры ПК выделяют внутренние и внешние устройства. При этом внешние устройства конструктивно могут находиться внутри системного блока (например, внешняя память на НЖМД). Вопросы для самопроверки: 1. Что означают понятия «алгоритм» и «программа»? 2. В чем состоит основной принцип построения ЭВМ? 3. На каких принципах основываются стандартные элементы структур современных ЭВМ? 4. Перечислите технические средства, входящие в состав ПК. 5. Какие технические средства относятся к устройствам ввода, устройствам вывода и устройствам ввода-вывода? 6. Какие вы знаете диалоговые средства? 7. Что означает понятие «средства мультимедиа», и какие устройства к ним относятся? Тема 4. Устройство системного блока, виды корпусов и блоков питания Изучив тему занятия, вы будете: знать: · устройство системного блока IBM-совместимых ПК; · виды корпусов, блоков питания IBM-совместимых ПК и их характеристики; · конструктивные особенности современных системных блоков. уметь: · определять тип корпуса и мощность блока питания исходя из решаемых с помощью данного ПК задач; https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 40/178 07.11.2023, 20:20 · Московский финансово-промышленный университет «Синергия» определять, какие необходимы конструктивные особенности корпуса системного блока исходя из запросов пользователя и условий эксплуатации. Основные понятия: · открытая архитектура; · системный блок; · блок питания; · перезагрузка системы. Теоритический материал по теме В настоящее время «законодателями» в разработке архитектуры ПК, являются компании IBM и Apple. При этом бóльшая доля рынка принадлежит IBM, а соответствующие ПК называют «совместимые с IBM PC». Такая популярность обусловлена тем, что в IBM PC была заложена возможность усовершенствования отдельных частей компьютера и использования новых устройств. Фирма IBM обеспечила возможность сборки компьютера из независимо изготовленных частей. Принцип модульности построения, о котором говорилось в третьем занятии, получил практическую реализацию в виде производства комплектующих для компьютеров с открытой архитектурой. Открытость архитектуры означает, что на основной электронной плате компьютера (системной, или материнской) размещены только те блоки, которые осуществляют обработку информации. Схемы, управляющие всеми другими устройствами компьютера – монитором, дисками и т.д., реализованы на отдельных платах, которые вставляются в стандартные разъемы на системной плате. При таком подходе фирмы IBM к разработке компьютеров другие фирмы получили возможность разрабатывать различные дополнительные устройства, а пользователи – самостоятельно модернизировать и расширять возможности компьютеров по своему усмотрению. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 41/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Системный блок (рис. 13) включает в себя: · системную плату; · блок питания; · накопители на дисках; · разъемы для дополнительных устройств; · платы расширения с контроллерами – адаптерами внешних устройств. Рис. 13. Устройство системного блока На системной (материнской) плате размещаются: · адаптеры клавиатуры, НЖМД и НГМД; · микропроцессор; · системные микросхемы (чипсет); · генератор тактовых импульсов; · модули (микросхемы) ОЗУ и ПЗУ; · микросхема CMOS-памяти; · контроллер прерываний; · таймер и т.д. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 42/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Рассмотрим взаимодействие этих устройств непосредственно с блоком питания и корпусом системного блока. Системный блок представляет собой корпус, внутри которого размещаются модули ПК. Как правило, корпуса для сборки системного блока продаются с уже установленным блоком питания, однако он также легко может быть заменен на другой в случае необходимости. Корпуса ПК характеризуются следующими параметрами: 1) тип корпуса и габариты (длина ширина высота); 2) средства управления и индикации; 3) количество отсеков 5,25» и 3,5»; 4) количество внутренних отсеков 3» и 5»; 5) тип блока питания и его размещение внутри корпуса (горизонтальное или вертикальное); 6) особенности конструкции. Тип корпуса. По типу корпуса для сборки системного блока делятся на две большие группы: вертикальные (Tower) и горизонтальные (Desktop). В свою очередь вертикальные корпуса различаются по размерам от BigTower до MiniTower. Горизонтальные корпуса бывают всего двух видов – собственно Desktop и так называемый Slim, то есть тонкий. Средства управления и индикации. На передней панели корпуса кроме прорезей дисковода и приводов CD-ROM имеются обычно две кнопки, индикаторы работы системного блока и НЖМД. В некоторых моделях предусмотрены разъемы USBпортов для подключения соответствующих устройств, как правило, flash-памяти. От этих кнопок, индикаторов и разъемов внутрь системного блока идут провода, которые присоединяются к соответствующим гнездам на материнской плате (см. рис. 14). https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 43/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Рис. 14. Расположение проводов в системном блоке Первая кнопка – это кнопка RESET, что в переводе с английского означает «сброс». Этой кнопкой следует пользоваться при сбое в работе компьютера, то есть в случае, когда компьютер перестает откликаться на нажатие клавиш клавиатуры и другие манипуляции с периферийными устройствами. Обычно это сопровождается звуком определенной частоты, издаваемым на каждое нажатие клавиши встроенным в корпус динамиком (есть не у всех моделей корпусов). При использовании кнопки RESET происходит перезагрузка системы, и компьютер оказывается вновь готовым к работе. Естественно, что вся информация, содержавшаяся в ОЗУ до сбоя в работе, будет потеряна, а сохранится лишь та ее часть, которая была записана на диск винчестера. На некоторых корпусах кнопка RESET может вообще отсутствовать, а вместо нее имеется только кнопка POWER (питание), служащая для включения и выключения питания компьютера. В этом случае для перезагрузки следует нажать кнопку POWER, то есть выключить компьютер и, подождав не менее 30 с, включить снова. 30 с – это минимальное время, необходимое для остановки вращающегося диска винчестера. Также кнопка RESET в отдельных моделях ПК может быть совмещена с кнопкой POWER. В этом случае перезагрузка системы происходит при легком нажатии POWER, а выключение компьютера при нажатии кнопки POWER до упора. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 44/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Кроме того, на передней панели расположены два индикатора (светодиода). Светодиод рядом с кнопкой POWER показывает обычно, включен ли компьютер, то есть горит, когда включено питание процессорного блока. Второй светодиод зажигается в момент обращения компьютера к жесткому диску винчестера. Рядом с этим светодиодом находится надпись «H.DISK» или «H.D.D.». Количество внешних и внутренних отсеков. Количество отсеков определяет возможность установки тех или иных устройств определенного стандартного размера: 5,25» и 3,5» для внешних отсеков и 3» и 5» для внутренних отсеков. Во внешние отсеки 5,25» устанавливаются такие устройства, как дисковод 5,25», приводы CD-R, CD-RW, DVD-R, DVD-RW. Во внешние отсеки 3,5» устанавливаются такие устройства, как дисковод 3,5», приводы IO Omega, Jazz и им подобные. Количество внешних отсеков 3,5», как правило, совпадает с количеством внутренних отсеков. Во внутренние отсеки 5,25» помимо вышеназванных устройств устанавливаются НЖМД. Тип блока питания. Блок питания характеризуется следующими параметрами: 1) мощность; 2) модель; 3) наличие сетевых разъемов и их количество; 4) наличие выключателя; 5) наличие разъемов питания и их количество. Мощность блока питания. Мощность системного блока, как и любого электрического устройства, измеряется в ваттах. Для ПК мощность системного блока варьируется в диапазоне от 180 Вт до 420 Вт. Мощность определяет энергопотребление системного блока, а также возможности по подключению к блоку питания различных устройств. Соответственно, чем больше мощность, тем больше устройств может быть подключено. Очевидно, что в корпуса BigTower https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 45/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» будут устанавливаться более мощные блоки питания, нежели в MidiTower. Модель блока питания. Модель блока питания определят совместимость с различными типами материнских плат. В настоящее время подавляющее большинство блоков питания являются моделью ATX 2.03. Исключение составляют в основном блоки питания, размещаемые снаружи системного блока (для некоторых корпусов Slim-типа). Наличие сетевых разъемов и выключателя. Как вы помните, включение и выключение системного блока осуществляется нажатием кнопки POWER на передней панели. Кроме того, аналогичный выключатель может быть размещен на блоке питания (выключатель блока питания). Если он выключен, то нажатие кнопки POWER не приведет к включению системного блока, поскольку отключено его питание. Также на блоке питания могут быть размещены сетевые разъемы для подключения каких-либо устройств. Как правило, непосредственно к системному блоку подключается монитор. Это тем более целесообразно в том случае, если питание осуществляется через источник бесперебойного питания. Разъемы питания. Их расположение показано на рисунке 15. Количество разъемов каждого типа определяет возможности подключения соответствующих устройств. Рис. 15. Разъемы питания Особенности конструкции системного блока. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 46/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» К особенностям конструкции (рис. 16) относятся: · возможность установки дополнительных вентиляторов; · звукоизоляция; · защита от несанкционированного доступа; · наличие USB-, audio- и других разъемов на передней стенке; · наличие откидных крышек и др. Рис. 16. Особенности конструкции системного блока Наличие либо отсутствие указанных особенностей позволяет максимально удовлетворить запросы покупателей в плане технических и эргономических характеристик корпуса системного блока. Подключение периферийных устройств. Периферийные устройства подключаются к системному блоку через разъемы, расположенные на задней стенке корпуса, как это показано на рисунке 17. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 47/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Рис. 17. Разъемы на задней стенке корпуса для подключения к системному блоку периферийных устройств Основные выводы: 1. В основе создания IBM-совместимых ПК лежит принцип открытой архитектуры. Этот принцип предполагает размещение средств обработки информации на материнской плате, в которую через соответствующие разъемы устанавливаются контроллеры различных устройств. 2. Материнская плата, контроллеры устройств, НЖМД, НГМД и другие устройства размещаются внутри корпуса системного блока. 3. Корпуса системных блоков различаются по типам, габаритам, параметрам блоков питания и конструктивным особенностям. 4. Основными параметрами блока питания являются: мощность, модель и количество разъемов питания для подключения соответствующих устройств. 5. На передней панели системного блока расположены кнопки управления и индикаторы, на задней – разъемы для подключения периферийных устройств. Вопросы для самопроверки: 1. Чем обусловлена популярность IBM-совместимых ПК? 2. В чем состоит принцип открытой архитектуры? https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 48/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» 3. Какие устройства находятся внутри системного блока? 4. Какие вы знаете типы корпусов системного блока ПК? 5. Какие вы знаете конструктивные особенности корпусов системного блока ПК? 6. Какие критерии необходимо учитывать при определении мощности блока питания? 7. Что означает понятие «перезагрузка системы»? 8. Какие устройства и как подключаются к системному блоку? 9. Питание каких устройств обеспечивается блоком питания системного блока? Тема 5. Типы и логическое устройство материнских плат Изучив тему занятия, вы будете: знать: · логическое устройство системной (материнской) платы; · основные параметры материнских плат; · принципы интеграции контроллеров различных устройств непосредственно на материнской плате; уметь: · определять технические параметры материнской платы по ее описанию. Основные понятия: · чипсет; · материнская плата; · печатная плата (PCB); · модуль стабилизатора напряжения (VRM); https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 49/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» · базовая система ввода-вывода (BIOS); · чип часов реального времени (RTC); · интегральная схема (CMOS); · частота системной шины (FSB). Теоритический материал по теме Из подслушанного разговора двух компьютерщиков в метро: Первый: «Представляешь, у меня вчера «мать» родная померла». Второй: «Да ты что! Ну ничего, купи другую с обновленным BIOSом». Старушка за спиной (возмущенно): «Вот до чего молодежь дошла! У него мать умерла, а ему другую кутить советуют, да еще какуюто обновленную». Итак, материнская (системная) плата, в компьютерном обиходе называемая просто «мать», является основным устройством, размещаемым внутри системного блока. Если материнская плата выходит из строя, то компьютер вы даже не сможете включить, что возможно в любом другом случае (даже при поломке микропроцессора). Происходит это потому, что все устройства, в том числе и процессор, располагаются на материнской плате. Следует отметить, что материнская плата является самым уязвимым устройством компьютера и может легко пострадать от механических повреждений при сборке или сгореть от перепадов питания (недостаточных для того, чтобы вышел из строя блок питания), так как при этом основной удар материнская плата берет на себя. Кроме того, именно тип материнской платы (МП) определяет допустимые параметры устройств, которые возможно на нее установить. Тип материнской платы определяется следующими основными характеристиками: 1) форм-фактор и габариты; 2) тип разъема (слота, сокета) для установки микропроцессора; 3) чипсет; https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 50/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» 4) тактовая частота системной шины; 5) параметры контроллеров устройств; 6) наличие и параметры слотов; 7) наличие и параметры интегрированных устройств. Прежде чем подробно раскрыть каждый из этих параметров, необходимо рассмотреть устройство материнской платы. Общие сведения. Несмотря на большое разнообразие в дизайне и исполнении, все МП имеют схожие черты. Так, на любой из них обязательно устанавливаются следующие компоненты: процессор; память ROM, RAM и SRAM; схемы ввода/вывода; схемы интерфейсов и шин, кварцевый генератор, схемы управления напряжением. Кроме того, возможна установка большого количества интерфейсных контроллеров (микросхемы для согласования и обмена данными) различных стандартов, таких как IDE, Floppy, SCSI, контроллеры (адаптеры) портов. Главным набором микросхем в современных МП является чипсет, который управляет работой всех остальных контроллеров и компонентов, согласуя их работу во времени. Именно тип чипсета определяет возможные подключаемые интерфейсы и компоненты, а также производительность. Таким образом, существует большое количество типов и разновидностей контроллеров и устройств, подключаемых к ним, и материнская плата, которая состоит из этих наборов интегральных схем (ИС); и чтобы понять, как они работают и взаимодействуют, необходимо разобраться, из чего конкретно состоит материнская плата. Печатная плата (Printed Circuit Board – PCB) – это и есть плата, на которой размещаются все компоненты. PCB обычно включает в себя несколько слоев, состоящих из плоских камедевых пластин, между которыми находятся элементы цепи – соединительные линии, которые называются «дорожки». Обычная PCB имеет четыре таких слоя; два слоя, которые находятся сверху и снизу, являются сигнальными слоями. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 51/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Для некоторых МП нужно шесть слоев – в частности, для МП, разработанных для двухпроцессорных систем, или же когда количество контактов процессора превышает 425. Это потому, что сигнальные дорожки должны быть расположены вдали друг от друга, чтобы предотвратить перекрестные помехи, и дополнительные слои решают эту проблему. Разметка и длина дорожек очень важна для нормальной работы системы. Основная задача – снизить любое искажение сигнала из-за пересечения дорожек. Чем длинней дорожка и/или выше скорость передачи сигнала, тем больше перекрестных помех, откуда следует, что нужно увеличить расстояние между дорожками. Некоторые дорожки должны быть максимальной длины для сохранения непрерывности сигнала, например такие, которые подходят напрямую к процессору. На материнскую плату подается напряжение от блока питания (БП) – 3.3 В. Различные компоненты, установленные на МП, питаются от разного напряжения. Наиболее распространенные компоненты потребляют 5 В (такие как чип BIOSа, часы реального времени, контроллер клавиатуры, DRAM-чипы, логика большей части контроллеров, коннекторы) и 3.3 В (L2 кеш, чипсет, SDRAM-чипы, AGP). Двигатели накопителей и кулеры питаются от 12 В. Процессор может потреблять от 2 до 8 В. БП подключается к МП ATX – одним 20-контактным разъемом с ключом, исключающим возможность неправильного подсоединения к МП. Регуляторы напряжения. Различные компоненты, установленные на МП, потребляют различное количество напряжения (см. выше). Скачки напряжения могут легко повредить все компоненты, и чтобы этого не произошло, на плату устанавливаются регуляторы напряжения. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 52/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Модули, которые отвечают за работу регуляторов напряжения, называются VRM (Voltage Regilate Module – «модуль стабилизатора напряжения»). На МП для процессоров Pentium в основном требуется два регулятора напряжения – один для контроля напряжения на I/O (3.3В), а другой для самого процессора или, как еще говорят, напряжения на ядре процессора. Для того чтобы использовать как можно больше различных типов процессоров, схема должна держать определенный диапазон напряжения. Для этого обычно на плату устанавливается набор резисторов, соединенных с рядом контактов. Сейчас на большинстве МП стоит так называемый автодетект (автоопределение). Это значит, что схема сама определяет и распределяет напряжение, ориентируясь по контактам на процессоре, что исключает потребность в джамперах. Но на процессорах AMD лучше выставлять напряжение вручную, теперь это легко осуществляется через BIOS. Конденсаторы. Конденсаторы обеспечивают ровный поток напряжения в схеме. Это очень важно потому, что потребление энергии процессором может меняться мгновенно от низкого к высокому и наоборот, особенно когда выполняется режим приостановки работы (HALT) или возвращение в нормальное состояние. Регуляторы напряжения не могут реагировать мгновенно на изменения, для этого и «сглаживается» напряжение. Генератор тактовых импульсов (Clock Generator Chip). Каждый компонент в компьютере работает по импульсным тактам – но не каждый компонент работает на одних и тех же тактах. ISA, PCI, AGP, USB и системная шина – все работают на скоростях, отличных друг от друга, и поэтому требуют свой собственный тактовый сигнал. Процессору, как и таким синхронным чипам памяти, как SRAM и SDRAM, использующимся как главная память, тоже нужен тактовый сигнал. Таким образом, генератор тактовых импульсов генерирует все https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 53/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» эти тактовые сигналы, необходимые для синхронной работы устройств с различной скоростью. BIOS и RTC (часы реального времени). Для того чтобы компьютер запустил операционную систему, ему нужна «программа раскрутки». Эта программа загружается из специально отведенного участка памяти и дает ровно столько информации, сколько надо для того, чтобы получить доступ к компонентам, необходимым для полной загрузки операционной системы. Например, программа должна загрузить информацию об устройстве для FDD и HDD, а также для видеосистемы. На компьютере эта информация хранится в чипе постоянной памяти, которая называется BIOS (Basic Input/Output System). Этот чип может иметь примерно от 512 Kб до 4 Мб памяти, он программируется на заводе и может быть перепрограммирован только программой, включающей специальный режим, в котором память может быть перезаписана новой загрузочной программой. Эту процедуру обычно называют «Прошивкой BIOS-а». Когда компьютер включен, запускается специальный процесс, называемый Power-On Self-Test (POST) («самопроверка при включении»), который определяет процессор, определяет, сколько установлено памяти и все ли зарегистрированные компоненты присутствуют и работают. После того как эта операция выполнена, алгоритм загрузки на каждом загружаемом устройстве ищет специальный набор инструкций. Первый набор инструкций, который удовлетворяет критерию, загружается в память и извлекается. Если все настроено правильно, эти инструкции завершат процесс загрузки, загрузив операционную систему. Для того чтобы дать BIOS-у знать, какой специальный компонент должен поддерживаться, существует интегральная схема CMOS (Сomplimentary Metal Oxide Semiconductor). Она содержит особые параметры пользователя, которые считываются сразу после того, как определен процессор. Эта схема обычно встраивается в чип часов реального времени (Real Time Clock – RTC), в котором содержится информация о дате и времени. До меню параметров в CMOS можно добраться через специальное меню во время процесса POST – обычно это меню появляется при нажатии клавиши DEL в то время, когда производится подсчет памяти, и далее изменения вводятся https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 54/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» вручную. Эти изменения должны быть сохранены для того, чтобы они вступили в силу. Если приборы настроены неправильно, система может не загрузить операционную систему или компоненты будут недоступны после загрузки операционной системы. RTC и CMOS хранят информацию только тогда, когда поступает напряжение, которое подается из небольшой батареи на МП. Если эта батарея повреждается или отсоединяется, информация в CMOS теряется и должна быть введена заново во время следующей загрузки. Форм-фактор и габариты материнской платы. Материнская плата должна иметь тот же форм-фактор (типоразмер), что и блок питания в корпусе, в который она будет установлена. Самый распространенный на сегодняшний день форм-фактор – ATX (30,5 х 24 см). Существует также разновидность последнего стандарта – Micro ATX (mini-ATX, 28,4 х 21 см), но корпус для любого варианта используется тот же самый, хотя mATX можно поставить и в «маленькие» корпуса Midi- и Mini Tower. Для сборки рабочих станций используются комплектующие (в том числе материнские платы), выполненные под типоразмер формфактора ITX (21,5 х 19,1 см), но чаще под Mini-ITX (17 х 17 см). Редко встречаются стандарты LPX и NLX, они используются только для сборок фирменных моделей компьютеров. Форм-фактор АТХ отличают следующие признаки: · все внешние разъемы располагаются в 2 этажа и напаяны у правого края РСВ; · процессор находится под блоком питания, который создает дополнительное охлаждение; · разъемы контроллеров floppy и IDE (для подключения устройств HDD и CD-R) располагаются близко к корзине для крепления винчестера и дисководов, а модули оперативной памяти легкодоступны. Тип разъема (слота, сокета) для установки микропроцессора. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 55/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Процессор физически и электрически должен быть совместим с МП. Сейчас Intel ведет политику постоянной смены типов разъемов: Socket 370 ® Socket 423 ® Socket 478 ® Socket 775. Причем очень важной особенностью разъема Socket 370 является то, что он имеет несколько электрически несовместимых разновидностей – их принято различать по типам корпусов, вставляемых в них процессоров: PPGA, FCPGA и FCPGA2. Чипсет. Отдельный и самый важный компонент МП – это, конечно же, чипсет. Как говорилось ранее, чипсет определяет, какой процессор поддерживается, какая память может быть использована и набор других характеристик. Основной целью чипсетов является обеспечение совместимости и стабильности работы всех устройств компьютера. В них содержится информация о тактовых частотах устройств, типах процессоров, параметрах контроллеров устройств и другая информация. На протяжении нескольких лет Intel владела примерно 90 % рынка производителей чипсетов, но сейчас эта ситуация изменилась, основную конкуренцию составляют чипсеты VIA, ALi и SiS. В настоящее время пользуются популярностью чипсеты Intel 865PE, SiS655TX, VIA PT880 (представлен на рисунке), VIA PT890. Тактовая частота системной шины. Каждый чипсет МП имеет особые характеристики, которые выражаются в синхронизации (стробировании), в диапазоне поддерживаемых частот. За опорную частоту берется частота системной шины (Frequence of Serial Bus – FSB), которая, благодаря https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 56/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» особенностям работы генератора, управляет частотой локальных шин через встроенные коэффициенты деления, находящиеся от нее в прямой зависимости. Для каждой шины чипсет может поддерживать как один, так и несколько коэффициентов. Обычно наличием нескольких делителей, а соответственно, и более широкими возможностями по установкам CPU и разгону, славятся чипсеты VIA и SIS. Так уж придумали, что коэффициент меняется через каждые 33 МГц по опорной частоте. Для локальной шины с базовой частотой 33 МГц (PCI) должны поддерживаться коэффициенты соотношения с системной шиной 1/2 (при FSB=66–99 МГц); 1/3 (для 100–133 МГц) и 1/4 (для 133– 166 МГц), то есть используются делители 2, 3 и 4. Для шины 66 МГц (AGP) должен поддерживаться коэффициент 1, 2/3 и 1/2 соответственно, а делители – 1, 1.5 и 2. То же самое относится и к шинам USB, ISA, В промежутках, где коэффициент неизменен, с ростом частоты FSB растет и частота локальных шин, что характерно для разгона по шине. Параметры контроллеров устройств. Как мы выяснили, материнская плата («мама») – это РСВ с напаянными на нее контроллерами и разъемами. Стандартом стало наличие двухканального контроллера HDD с поддержкой режима UltraDMA/100, контроллер FDD, контроллер портов, в том числе USB с пропускной способностью – 12 Мбит/с и IR-порт. Существуют контроллеры, которые обычно не включаются в чипсет, потому что приборы, для которых они предназначены, не являются общепринятыми и требуют лишних расходов. Сюда входят контроллеры SCSI (80–160 Мбит/с) и IEEE1394 (FireWire, 400 Мбит/с). Если производитель МП хочет включить поддержку устройства, которое не поддерживается чипсетом, в этом случае необходимо добавить дополнительный контроллерный чип. Наиболее важными являются контроллер прерываний 8259, контроллер клавиатуры и контроллер ввода/вывода (Super I/O). В качестве IDE-контроллера VIA использует свою микросхему 571, ACPI – 30xx, FDD – 8251 и USB – 3038. Одной из самых важных на плате является микросхема Super I/O, которая включает контроллер гибких дисков, контроллер последовательных и параллельного портов, контроллер клавиатуры и мыши. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 57/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» В хороших Super I/O реализована функция буферизации потоков в портах с помощью микросхемы UART NS 16550A, которая позволяет значительно увеличить пропускную способность до 115 Кб/с. Наличие и параметры слотов. В число слотов шин ввода/вывода, присутствующих на плате, могут входить ISA (Industry Standard Architecture), PCI (Peripheral Component Interface), AGP (Advanced Graphics Port) и AMR (Audio Modem Riser), PCI-E (Express) – улучшенный вариант PCI. Слоты ISA сейчас не используются (их можно встретить разве что в моделях МП прошлого века) и позволяют устанавливать «старинные» 8-битные и 16-битные карты, которые имеют рабочую частоту работы шины 8 МГц, их можно встретить только в старых материнских платах. PCI-слоты работают в 32-битном режиме и поддерживают скорость работы шины до 33 МГц (в определенных продуктах и 66 МГц). AGPслот – это специальный 32-битный слот для видеокарт, работает он на частоте 66 МГц, обеспечивая значительную пропускную способность для графических приложений (до 1 ГБ/с в режиме 4Х, 266 МГц). Стандартом стало использование 2 контроллеров USB 3.0 с пропускной способностью до 480 Мб/с. Современные видеокарты обладают большой вычислительной мощностью и, соответственно, имеют неслабое энергопотребление и тепловыделение. В итоге в ряде качественных материнских плат стал применяться более дорогой разъем AGP Pro. В нем кроме стандартных контактов AGP используются 48 дополнительных контактов электропитания. Разъем удлинился за счет присоединения через ограничитель в слоте 20 контактов с одной стороны и 28 – с другой. AGP Pro позволяет использовать видеокарты мощностью до 110 Вт! Стандартные AGP-видеокарты совместимы с разъемом AGP Pro, но обратной совместимости нет. Слоты и видеокарты AGP в настоящее время практически не используется. На современных материнских платах для подключения карт расширения используются различные версии разъема PCI-E, которые отличаются пропускной способностью, обозначаемой как «x2», «x16», «x32». Это означает умножение базовой пропускной способности «х1», равной 4 Гбит/c, на соответствующий коэффициент. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 58/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Старые платы использовали FPM или EDO SIMM (Single Inline Memory Module), но сейчас основной стандарт ОЗУ – SDRAM DIMM (Dual In-line Memory Module), а также медленно, но верно входит в жизнь Rumbus, так называемые RIMM. Наличие и параметры интегрированных устройств. Последние несколько лет одной из наиболее горячих тем была тема интеграции МП – вопрос о том, нужно ли встраивать видео, звук, и другие возможности в МП. Большинство продвинутых пользователей и любителей компьютерных игр решительно выступают против интеграции МП, так как это ограничивает возможности их выбора, и считают, что интеграция должна осуществляться на МП класса lowend, которые поставляются на массовый рынок. С другой стороны, производители находят интеграцию МП довольно привлекательной, так как это позволяет им представлять пользователю более функциональный продукт и в то же время снизить цену на товар в связи с уменьшением нескольких расширительных гнезд и с меньшими размерами PCB. Сейчас многие МП предлагают интегрированные решения, включая звук, видео, адаптер локальной сети (на рисунке представлен сетевой Ethernet-контроллер Realtek RTL8100B) и SCSI-контроллеры. Подобные МП не только выигрывают в цене, они также имеют преимущества в установке, которая проходит быстро и легко. Кроме того, в случае необходимости интегрированные устройства можно отключить через меню CMOS и установить другие контроллеры. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 59/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» В качестве интегрированного звука используются наиболее продвинутые контроллеры, удовлетворяющие спецификации AC’97. Эта спецификация разделяет контроллеры на две части, соединенные интерфейсом AC’97 Link. Первая часть (цифровая) обеспечивает связь с CPU и контролирует соответствующие цифровые потоки. Вторая (аналоговая) часть участвует в оцифровке сигнала и его раскодировании. Встроенная графика до последнего времени была реализована не слишком хорошо, впрочем, для офисных систем этого было более чем достаточно. Но расширение возможностей CPU привело к созданию мощных видеосредств, примером чему является чипсет nVidia nForce x20D, который имеет GeForce MX на борту и обеспечивает изображение, близкое к реальному GF MX AGP. Его создание стало реальным за счет использования двухканальной памяти DDR и минимальной нагрузки на ОЗУ, кроме того, nVidia сама производит эти видеочипы. Неплохое качество обещано и в i845G. Чипсеты со встроенным i752 видео особого распространения не получили, т.к. подразумевали использование части ОЗУ в качестве видеопамяти. В последнее время отмечается тенденция реализации материнских плат с интегрированным микропроцессором (особенно в исполнении Mini-ITX), что также приводит к снижению стоимости. Приобретение таких плат целесообразно для сборки недорогих рабочих станций со сроком эксплуатации 3–5 лет, при котором нет необходимости в замене отдельных комплектующих, а заменяется весь ПК. В качестве примера рассмотрим современную материнскую плату Asustek P8H61 EVO. Вот ее описание по прайс-листу: Материнская плата Socket1155 ASUS «P8H61 EVO» rev.3.0 (iH61, 2xDDR3, SATA III, SATA II, PCI-E, SB, 1 Гбит LAN, USB2.0, USB3.0, ATX). Спецификация: 1. Тип слота для установки микропроцессора: Socket1155. 2. Чипсет: Intel H61. 3. Производитель: Asustek. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 60/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» 4. Название материнской платы (маркировка): P8H61 EVO. 5. Слоты оперативной памяти: 2 разъема DDR3. 6. Слоты расширения: PCI-E. 7. Интегрированные устройства: звуковая карта с саундбластером, сетевая карта 1Гбит/с. 8. II. Контроллеры жестких дисков и DVD: Serial ATA III и Serial ATA 9. Порты: USB 2.0, USB3.0. 10. Форм-фактор: ATX. Основные выводы: 1. Материнская плата является основным устройством, расположенным внутри системного блока, при ее повреждении включение компьютера невозможно. 2. На материнской плате находятся микросхемы, отвечающие за обеспечение работы всех устройств компьютера и сохранение параметров основных устройств. 3. При включении компьютера из BIOS-а загружается информация, необходимая для загрузки операционной системы. 4. Синхронизация работы различных устройств осуществляется посредством генерации тактовых импульсов соответствующей https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 61/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» частоты. 5. Соответствие частот достигается путем деления/умножения опорной частоты на определенные коэффициенты. Вопросы для самопроверки: 1. Какие основные параметры определяют тип материнской платы? 2. Что означает понятие «интегрированная материнская плата»? 3. Какая информация хранится в BIOS и CMOS? 4. Возможно ли изменение информации BIOS? 5. Для чего нужен генератор тактовых импульсов? 6. Какие микросхемы и модули расположены на материнской плате? 7. Какие типы слотов вы знаете? 8. Что происходит во время выполнения процедуры POST? 9. Возможна ли потеря информации в CMOS? Тема 6. Типы процессоров Изучив тему занятия, вы будете: знать: · как работает процессор; · как один процессор параллельно решает несколько задач; · что такое архитектура и микроархитектура процессора; · основные персональные данные из досье процессора; · зачем нужна промежуточная память (кеш-память), что и как в ней хранится; · в чем состоят преимущества конвейерной обработки данных; уметь: https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 62/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» · определять технические характеристики процессора по его описанию. Основные понятия: · процессор; · программный код; · прерывание; · переключение задач; · виртуальная машина; · архитектура и микроархитектура процессора; · слот; · тактовая частота; · разрядность процессора; · кеш-память; · конвейеризация; · скалярность и суперскалярность. Теоритический материал по теме Приходит один «новый русский» к другому в гости, посмотреть, как тот отделал новую квартиру. Все ему нравится, все круто: натуральное дерево, позолота, драпировки, ковры, китайские вазы, чучела зверей и так далее. Дошли до туалета. Тут гость говорит: «Че-то я не въехал, все у тебя как надо, а туалет какими-то серебристыми кубиками оклеен». Хозяин отвечает: «В том-то и прикол, ты посмотри на кубики внимательно». Тот пригляделся, а на каждом «кубике» написано: «Pentium III», «Pentium III» «Pentium III»… Действительно, именно процессор является основным показателем «крутизны» компьютера. Отвечая на вопрос: «А какой у тебя комп?» – в первую очередь называют тип процессора. При этом, как правило, указывают торговое название и тактовую частоту. Давайте заглянем поглубже, чтобы узнать, чем еще характеризуется «крутизна» https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 63/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» процессора и что на самом деле кроется за обозначениями типа: «Intel »Pentium G620» (2.60 ГГц, 2x256 КБ + 3МБ, EM64T, GPU) Socket1155». Процессор, или, более точно, микропроцессор (микросхема, которая помимо собственно процессора может содержать и другие узлы – например, кеш-память), также часто называемый ЦПУ (CPU – Central Processing Unit), является центральным компонентом компьютера. Это «мозг», который управляет, прямо или косвенно, всем происходящим внутри компьютера. Управление осуществляется посредством выполнения находящегося в памяти программного кода. Программный код представляет собой последовательность команд или инструкций. Каждая инструкция содержит в себе информацию о том, какие операции и как необходимо выполнить процессору. Последовательность выполнения инструкций может быть нарушена под воздействием внутренних (относительно процессора) и внешних причин. К внутренним причинам относятся исключения, то есть особые ситуации, возникающие при выполнении инструкций (например, деление на ноль). Внешними причинами являются аппаратные прерывания. Источниками аппаратных прерываний являются контроллеры и адаптеры периферийных устройств, системы управления питанием и другие подсистемы. Аппаратное прерывание представляет собой электрический сигнал, поступающий на вход процессора от соответствующего устройства. Процессор фон-неймановской машины фактически может выполнять только один процесс, передавая управление от инструкции к инструкции согласно программному коду. Для реакции на события, асинхронные по отношению к исполняемому в данный момент процессу, используются аппаратные прерывания. Прерывания используют и для переключения задач в многозадачных системах. Происходит это следующим образом. По аппаратному прерыванию выполнение одного процесса приостанавливается, а его текущее состояние сохраняется в памяти. После этого запускается другой процесс. Через некоторое время по следующему прерыванию выполняется обратное переключение. При этом переключения задач выполняются с такой частотой, что у https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 64/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» пользователя создается впечатление одновременности и непрерывности выполнения процессов. Современные процессоры имеют встроенные средства многозадачности (число задач почти не ограничено). В распоряжение каждой программы предоставляется виртуальная машина, в которой управление передается согласно программному коду, как будто она – единственный процесс. Поддержка виртуальных машин, распределение ресурсов реального компьютера, повышение производительности определили основные направления совершенствования процессоров. В IBM-совместимых ПК применяются процессоры, совместимые с семейством 80x86 фирмы Intel. В оригинальной машине IBM PC использовался процессор с 16-разрядными регистрами. Все следующие модели процессоров включают в себя подмножество системы команд и архитектуры предыдущих моделей, обеспечивая совместимость с ранее написанным ПО. Под архитектурой процессора понимается его программная модель, то есть программно-видимые свойства. Современные процессоры для IMB-совместимых ПК соответствуют архитектуре IA32 (Intel Architecture 32 bit), а также более продвинутым IA-64 и Intel 64 (IA-64 и Intel 64 – это разные архитектуры, но схожесть названий часто приводит к путанице). Под микроархитектурой процессора понимается внутренняя реализация этой программной модели. Для одной и той же архитектуры IA-32 разными производителями и в разных поколениях применяются существенно различающиеся микроархитектурные реализации. Именно микроахитектура определяет тип процессора, при этом процессоры с близкой микроархитектурой получили условные названия: Intel 80386, Intel Pentium III, AMD K6 и другие. Также процессоры принципиально различаются по некоторым техническим характеристикам. Наиболее существенной из них является тип слота (Socket), то есть разъема для крепления процессора на материнской плате. Таким образом, тип процессора характеризуется следующими основными параметрами: https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 65/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» · производитель; · технология производства; · тактовая частота ядра; · тактовая частота системной шины; · разрядность; · объем кеш-памяти первого, второго и третьего (для процессоров с несколькими ядрами) уровня; · длина и количество конвейеров; · слот. Производитель. В настоящее время процессоры для IMBсовместимых ПК изготавливаются фирмами: Intel, AMD, Cyrix, IBM, Rise, IDT, VIA (купившей Cyrix). На отечественном компьютерном рынке наибольшее распространение получили процессоры первых трех производителей, при этом львиная доля приходится на процессоры Intel. Технология производства определяет наименьший размер деталей (главным образом транзисторов), входящих в процессор. На сегодняшний день это в основном 0,35 и 0,25 микрона. Корпорацией Intel разрабатываются процессоры на 0,09-микронной технологии. Чтобы представить себе размеры таких деталей, напомню, что 1 микрон равен одной десятимиллионной доле метра. Тактовая частота ядра в прайс-листах является основным показателем производительности процессора (и, соответственно, его цены). Все элементы процессора синхронизируются с использованием частоты часов, которые определяют скорость выполнения операций. Самые первые процессоры работали на частоте 100 кГц, сегодня рядовая частота процессора – 2000 МГц, иначе говоря, часики тикают 2 миллиарда раз в секунду, а каждый тик (такт) влечет за собой выполнение многих действий. Таким образом, тактовая частота ядра определяет скорость работы процессора, измеряемую количеством тактов в секунду. Тактовая частота системной шины определяет максимально возможную скорость обмена данными между процессором и другими https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 66/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» устройствами, главным образом оперативной памятью ПК. Разрядность процессора определяет максимальную длину одной единицы обрабатываемой информации в битах. Так, один из первых персональных компьютеров Altair, выпущенный в 1974 году, имел восьмиразрядный процессор, то есть он мог параллельно обрабатывать восемь битов информации. Такой процессор мог складывать 32-битные числа, выполнив несколько инструкций, а современные 32-битные процессоры решают эту задачу в одну инструкцию. Объем кеш-памяти первого, второго и третьего уровня. Кешпамять (от англ. сache – «тайный склад») обеспечивает промежуточное хранение данных между различными типами памяти. Принцип работы следующий: при обращении к оперативной памяти в кеш-память копируются запрошенные данные. При следующем запросе к памяти процессор сначала просматривает кеш-память и, если нужных данных не находит, только тогда обращается к оперативной памяти. Кеш-память второго и третьего уровня является промежуточным хранилищем между оперативной памятью и кеш-памятью первого уровня, из которой данные поступают непосредственно в процессор. В современных моделях процессоров кеш-память всех уровней работает с тактовой частотой ядра процессора (в предыдущих моделях кеш-память второго уровня работала на тактовой частоте системной шины). В многоядерных процессорах выделяется кешпамять первого и второго уровня для каждого ядра и третьего уровня – общая для всех ядер. Длина конвейера. Механизм конвейеризации (pipelining) представляет собой способ распараллеливания выполнения последовательно расположенных инструкций. Традиционно выполнение одной инструкции занимало пять тактов – один для загрузки инструкции, другой для ее декодирования, один для получения данных, один для выполнения и один для записи результата. Одновременно процессор мог обрабатывать только одну инструкцию. При конвейерной обработке каждый этап обработки инструкции выполняется на своей ступени конвейера процессора. При https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 67/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» выполнении инструкция продвигается по конвейеру по мере освобождения следующих ступеней. Это значит, что в любой момент времени одна инструкция загружается, другая декодируется, доставляются данные для третьей, четвертая исполняется и записывается результат для пятой. Таким образом, выполнение одной инструкции занимает один такт вместо пяти, что существенно влияет на производительность процессора. Конвейер классического процессора Pentium имеет пять ступеней (как в приведенном выше примере). Конвейеры процессоров с суперконвейерной архитектурой имеют большее число ступеней (гиперконвейер Pentium IV имеет уже 20 ступеней). Скалярным называют процессор с единственным конвейером (все процессоры Intel до 80486 включительно). Суперскалярный процессор имеет несколько конвейеров, способных обрабатывать инструкции параллельно. Pentium является двухпотоковым процессором (имеет два конвейера), Pentium II – трехпотоковым. Слот определяет тип корпуса микросхемы, в которой размещен процессор. Важно, чтобы тип слота процессора соответствовал слоту на материнской плате, иначе процессор просто не удастся установить из-за несовпадения разъемов. Многообразие слотов обусловлено микроархитектурными решениями производителей, в частности способами размещения кеш-памяти первого, второго и третьего уровней. В настоящее время присходит активная замена материнских плат и процессоров на базе Socket 775 (рис. 18) более производительными решениями, такими как Socket AM3, Socket 1155, Socket 1156, Socket 1366. Основная причина такой активной замены состоит в стремлении использовать более производительные двух - и четырехядерные процессоры. Рис. 18. Внешний вид процессора Intel Pentium IV Socket 775 https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 68/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Обратите внимание на отсутствие «ножек» на самом процессоре. В данном техническом решении слота они перенесены на разъем материнской платы. Приведенный ниже рисунок 19 иллюстрирует устройство ножек на процессорном сокете. Они имеют не очень простую форму и сделаны так, чтобы слегка «подпружинивать» контактные площадки на процессоре. По словам специалистов Intel, коническая форма оконечников ножек (на фото не видна, т.к. они сфотографированы «в профиль») выбрана не случайно: в случае плохого контакта выделяемое тепло будет частично размягчать «острие» на конце ножки и способствовать устранению неплотности в контакте. Рис. 19. Socket 775 на материнской плате На рисунке 20 представлен процессор, установленный в закрытый слот. Все вместе производит впечатление некой почти монолитной металлической конструкции, надежно защищенной от любых внешних воздействий. Именно небольшие размеры, прочность и защищенность Socket 775 в закрытом состоянии являются основным видимым преимуществом пред другими типами слотов. Рис. 20. Процессор Intel Pentium IV, установленный в Socket 775 https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 69/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Для сравнения на следующем рисунке (рис. 21) представлен процессор Intel Pentium II слот 1, специально размещаемый в вертикальный картридж SECC (Single Edge Contact Cartridge). Конструктивно процессор и кеш-память второго уровня размещаются на одной печатной плате (substrate). Сам процессор выполнен в виде одной микросхемы с пластиковым корпусом, которая имеет форму квадрата с отсеченными углами и распаивается в центре «лицевой» стороны платы. Корпус картриджа состоит из теплоотводной металлической пластины, к которой может быть прикреплен пассивный или активный охлаждающий радиатор, и пластмассовой крышки. Процессор устанавливается внутрь картриджа таким образом, что его «лицевая» сторона обращена к теплоотводной пластине. Напомню, что, несмотря на громоздкость, появление Intel Pentium II слот 1 в 1998 году было существенным скачком в развитии процессорной микроархитектуры. Рис. 21. Процессор Intel Pentium II слот 1 в картридже SECC В некоторых случаях допускается установка процессора в разъем материнской платы с другим типом слота. Для этого используются специальное устройство – переходник. Так, например, процессор Intel Pentium III сокет 370 через переходник может быть установлен в слот 1. В заключении отметим принципиальные отличия существующих на настоящий момент процессоров Celeron от Pentium: 1. Кеш-память второго уровня либо отсутствует, либо ее объем в 2–3 раза меньше, чем у Pentium с такой же тактовой частотой ядра. 2. Процессоры Celeron предназначены только для одиночных конфигураций. Некоторые модели допускают использовать Celeron в двухпроцессорных системах, но это малоэффективно. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 70/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» 3. Тактовая частота системной шины, как правило, на порядок ниже, чем у Pentium с такой же тактовой частотой ядра. Теперь становится понятно, что тип процессора определяется его техническими характеристиками, а торговые названия введены для удобства потребителей, не являющихся специалистами в области компьютерной техники. Им, в отличие от вас, достаточно знать, что Pentium «круче» чем Celeron. В качестве примера рассмотрим современный микропроцессор Intel Pentium G620. Вот его описание по прайс-листу: Intel «Pentium G620» (2.60 ГГц, 2x256 КБ + 3МБ, EM64T, GPU) Socket1155. Спецификация: 1. Производитель: Intel. 2. Торговое название процессора: Pentium G620. 3. Тактовая частота ядра: 2.60 ГГц. 4. Тип слота микропроцессора: Socket1155. 5. Объем кеш-памяти второго уровня (для каждого ядра): 256 КБ. 6. Объем кеш-памяти третьего уровня 3 МБ. 7. Встроенный графический процессор (GPU –graphics processing unit). 8. Поддержка технологии EM64T. Технология EM64T (она же Intel 64) разработана для выполнения 64разрядных приложений и позволяет компьютерным платформам получить доступ к гораздо большему объему памяти за счет использования встроенных компиляторов, математической библиотеки и средств анализа производительности. Основные выводы: 1. Под типом процессора понимается совокупность параметров, характеризующих его производительность, то есть скорость https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 71/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» выполнения инструкций, а также основные технические характеристики. 2. Основными параметрами, определяющими производительность процессора, являются: тактовая частота ядра и системной шины, объем кеш-памяти первого и второго уровней, разрядность, длина и количество конвейеров. 3. Современные процессоры характеризуются: · малым размером (будучи созданы по 0,25 мкм технологии); · тактовой частотой ядра, превышающей 1 ГГц; · частотой системной шины, приближающейся к 3000 МГц; · увеличением объема кеш-памяти первого и второго уровня до 64 и 1024 КБ соответственно; · суперскалярностью и гиперконвейеризацией. Вопросы для самопроверки: 1. Что значит «виртуальная машина»? 2. Что понимается под архитектурой и микроархитектурой процессора? 3. Как производительность процессора связана с тактовой частотой ядра? 4. В чем состоит отличие процессоров Celeron от Pentium? 5. Перечислите основные технические характеристики процессора. 6. Для чего нужна кеш-память первого и второго уровней? 7. Почему уменьшение размеров процессора сказывается на увеличении его производительности? Тема 7. Устройство процессора. Система команд Изучив тему занятия, вы будете: знать: https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 72/178 07.11.2023, 20:20 · Московский финансово-промышленный университет «Синергия» как устроен процессор; · каким образом процессор осуществляет выбор и выполнение команд; · классификацию процессоров по типу выполняемых команд. Основные понятия: · система команд; · арифметико-логическое устройство (АЛУ); · регистры; · прерывания. Теоритический материал по теме Процессор выполняет следующие функции: · вычисление адресов команд и операндов; · выборку и дешифрацию команд из основной памяти (ОП); · выборку данных из ОП, регистров процессорной памяти и регистров адаптеров внешних устройств (ВУ); · прием и обработку запросов и команд от адаптеров на обслуживание ВУ; · обработку данных и их запись в ОП, регистры процессорной памяти и регистры адаптеров ВУ; · выработку управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков ЭВМ; · переход к следующей команде. Внутренняя организация процессоров постоянно совершенствуется, отражая развитие технологий и потребность рынка во все более производительных устройствах. Общая стратегия создания высокопроизводительных процессоров направлена на обеспечение параллельной работы как можно большего количества различных функциональных устройств. В частности, такие процессоры имеют https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 73/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» конвейерную организацию, при которой выполнение очередной команды начинается до завершения предыдущей. При другом подходе, называемом суперскалярным функционированием, из памяти выбираются и одновременно выполняются несколько команд. Архитектура современных процессоров, как правило, использует сочетание обоих подходов, о чем подробно говорилось в предыдущем занятии. Поэтому данное занятие посвящено общим принципам построения и организации работы процессоров. Один из вариантов обобщенной структуры процессора представлен на рисунке 22. Здесь имеется блок, выбирающий команду из кеша команд, а если ее там нет – из основной памяти. Два отдельных процессорных блока предназначены для обработки целочисленных данных и данных с плавающей запятой. Рис. 22. Обобщенная структура процессора Кеш данных располагается между этими блоками и основной памятью. Технология разделения кеша команд и кеша данных широко применяется во многих современных процессорах. Есть и такие процессоры, в которых единственный кеш содержит и команды, и https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 74/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» данные. Процессор соединяется с системной шиной и остальной частью компьютера посредством шинного интерфейса. Хотя на рисунке показано по одному целочисленному блоку и блоку для чисел с плавающей запятой, в процессоре может быть несколько устройств каждого из этих типов, обеспечивающих параллельное выполнение большего количества вычислений. Для того чтобы осуществить любую операцию, процессор должен располагать данными для ее выполнения, а также стандартной процедурой обработки этих данных, которая называется командой. Система команд – перечень, вид и тип команд, автоматически исполняемых процессором. Перечень и вид команд определяют непосредственно те процедуры, которые могут выполняться над данными в процессоре, и те категории данных, над которыми применимы эти процедуры. Понятие системы команд вплотную связано с архитектурой, разрядностью, адресностью и другими атрибутами процессора. От типа команд зависит классификационная группа процессора: · CISC (Complex Instruction Set Command) с полным набором системы команд; · RISC (Reduced Instruction Set Command) с усеченным набором системы команд; · VLIW (Very Length Instruction Word) со сверхбольшим командным словом; · MISC (Minimum Instruction Set Command) с минимальным набором системы команд и весьма высоким быстродействием. Архитектура CISC появилась в 1978 году. Тогда процессоры представляли собой скалярные устройства (то есть могли в каждый момент времени выполнять только одну команду), при этом конвейеров практически не было. Процессоры содержали десятки тысяч транзисторов. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 75/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Процессоры RISC были разработаны в 1986 году, когда технология суперскалярных конвейеров только начала развиваться. Процессоры содержали сотни тысяч транзисторов. Микропроцессоры типа RISC характеризуются очень высоким быстродействием, но они программно не совместимы с CISCпроцессорами: при выполнении программ, разработанных для CISCпроцессоров, они могут лишь эмулировать (моделировать, имитировать) процессоры типа CISC на программном уровне, что приводит к резкому уменьшению их эффективной производительности. В конце 90-х наиболее совершенные процессоры уже содержат миллионы транзисторов. Например, процессоры архитектуры IA-64 содержат десятки миллионов транзисторов. В дальнейших модификациях их число, вероятно, увеличится до сотен миллионов. Архитектура IA-64 не является ни 64-разрядным расширением архитектуры CISC, ни переработкой архитектуры RISC. IA-64 представляет собой новую архитектуру, использующую длинные слова команд (LIW), предикаты команд (instruction predication), исключение ветвлений (branch elimination), предварительную загрузку данных (speculative loading) и другие ухищрения для того, чтобы обеспечить больший параллелизм выполнения программ. Но, тем не менее, IA-64 – это компромисс между CISC и RISC, попытка сделать их совместимыми: существуют два режима декодирования команд – VLIW и старый CISC. Программы автоматически переключаются в необходимый режим исполнения. Процессоры типа VLIW – весьма перспективный тип процессоров. Процессоры типа VLIW выпускают фирмы Transmeta, Intel и HewlettPackard. Следует заметить, что при более глубоком анализе технология EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing – «вычисления с явной параллельностью инструкций»), которой придерживаются фирмы Intel и HP, незначительно отличается от https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 76/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» технологии VLIW, принятой за основу фирмой Transmeta. Но эти отличия несущественны, поэтому микропроцессоры VLIW и EPIC можно отнести к одной группе. К VLIW-типу можно отнести и ожидавшийся в 2002 году процессор Elbrus 2000 (E2k), разработанный российской компанией «Эльбрус». Программисты доступа к внутренним VLIW-командам не имеют: все программы (даже операционная система) работают поверх специального низкоуровневого программного обеспечения (Code Morphing), которое ответственно за трансляцию команд CISCпроцессоров в команды VLIW. Процессоры типа VLIW вместо сложной схемной логики, обеспечивающей в современных суперскалярных процессорах параллельное исполнение команд, опираются на программное обеспечение. Упрощение аппаратуры позволило уменьшить габариты процессоров и потребление энергии (эти процессоры иногда называют «холодными»). Независимо от количества и набора систем, команды можно разделить на следующие группы: 1. Операции пересылки – перемещение содержания машинного слова в следующих разновидностях: регистр-регистр, регистрпамять, ОП-регистр, ОП-ОП. Каждой из модификаций обычно соответствует уникальный код команды (КОП). 2. Операции арифметики с фиксированной точкой (+, -, *, / , % и пр.). Модификации команды возможны те же. 3. Операции арифметики с плавающей точкой. 4. Операции сравнения содержания машинных слов – в зависимости от результата (>, <, =) вырабатывается некий признак, помещаемый в один из регистров. 5. Операции условного и безусловного перехода (условный переход обычно кооперируется с операцией сравнения). 6. Побитовые операции с парой машинных слов – операции «логическое И», «логическое ИЛИ», «отрицающее ИЛИ» и «инверсия». https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 77/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» 7. Операции индексной арифметики – изменения содержания индексных регистров (в некоторых системах – ячеек ОП), используются для обращения к последовательным элементам массива. 8. Операции прерывания – переход к зарезервированной, выделенной заранее области памяти для обработки сбойных, аварийных и других ситуаций. 9. Операции обращения к внешнему устройству – поиск блока на магнитной ленте или диске, считывание блока, запись блока на носитель и пр. Надо заметить, что возможны модификации перечисленных команд для работы с числами двойной длины, строками и пр. Типичная компьютерная задача состоит из цепочки шагов, определяемых последовательностью машинных команд программы. Каждая команда разбивается процессором на ряд элементарных машинных операций. Для выполнения программы процессор по одной выбирает команды из памяти и выполняет определяемые ими действия. Команды выбираются из последовательных адресов памяти, пока не встретится команда перехода или ветвления. Для этого в счетчике команд отслеживается адрес очередной подлежащей выполнению команды. После выборки этой команды содержимое счетчика команд обновляется, чтобы он указывал на следующую команду в памяти в порядке расположения адресов. Команда ветвления может загрузить в счетчик команд другой адрес. Процесс выполнения команды – это не что иное, за малым исключением, как реализация в определенной последовательности одной или нескольких из перечисленных ниже операций: · пересылка слова данных из одного регистра процессора в другой регистр или в АЛУ; · выполнение арифметической или логической операции и сохранение результата в регистре процессора; · выборка содержимого заданного адреса памяти и загрузка его в регистр процессора; https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 78/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» · сохранение слова данных из регистра процессора по заданному адресу основной памяти. Большинство компьютерных операций выполняется в арифметикологическом устройстве (АЛУ) процессора. Рассмотрим типичный пример. Предположим, нам нужно сложить два находящихся в памяти числа. Эти числа пересылаются в процессор, где АЛУ выполняет их сложение. Полученная сумма может быть записана в память или оставлена в процессоре для немедленного использования. Любые другие арифметические или логические операции, в том числе умножение, деление и сравнение чисел, начинаются с пересылки этих чисел в процессор, где АЛУ должно выполнить соответствующую операцию. Когда операнды переносятся в процессор, они сохраняются в высокоскоростных элементах памяти, называемых регистрами. Каждый регистр может хранить одно слово данных. Время доступа к регистрам процессора даже меньше времени доступа к самой быстрой кеш-памяти. Управляющее и арифметико-логическое устройства работают во много раз быстрее, чем все остальные устройства, подключенные к компьютерной системе. Это позволяет одному процессору контролировать множество внешних устройств, таких как клавиатуры, дисплеи, магнитные и оптические диски, сенсоры и механические управляющие устройства. Устройства памяти, арифметики и логики, ввода и вывода хранят и обрабатывают информацию, а также выполняют операции ввода и вывода. Работу таких устройств нужно как-то координировать. Именно этим и занимается блок управления. Это, если можно так выразиться, нервный центр компьютера, передающий управляющие сигналы другим устройствам и отслеживающий их состояние. Управление операциями ввода-вывода осуществляется командами программ, в которых идентифицируются соответствующие устройства ввода-вывода и пересылаемые данные. Однако реальные синхронизирующие сигналы (timing signals), управляющие пересылкой, генерируются управляющими схемами. Синхронизирующие сигналы – это сигналы, определяющие, когда https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 79/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» должно быть выполнено данное действие. Кроме того, посредством синхронизирующих сигналов, генерируемых блоком управления, осуществляется передача данных между процессором и памятью. Блок управления можно представить себе как отдельное устройство, взаимодействующее с другими частями машины. Но на практике так бывает редко. Большая часть управляющих схем физически распределена по разным местам компьютера. Сигналы, используемые для синхронизации событий и действий всех устройств, передаются по множеству управляющих линий (проводов). В целом функционирование компьютера можно описать следующим образом: · компьютер с помощью блока ввода принимает информацию в виде программ и данных и записывает ее в память; · хранящаяся в памяти информация под управлением программы пересылается в арифметико-логическое устройство для дальнейшей обработки; · данные, полученные в результате обработки информации, направляются на устройства вывода; · за все действия, производимые внутри машины, отвечает блок управления. Как было сказано, действиями компьютера управляют инструкции. Для выполнения конкретной задачи в память записывается соответствующая программа, состоящая из множества команд. Команды по очереди пересылаются из памяти в процессор, который их выполняет. Данные, используемые в качестве операндов команд, также хранятся в памяти. Вот пример типичной команды: Add LOCA, R0 Эта команда складывает операнд, хранящийся в памяти по адресу LOCA, с операндом, хранящимся в регистре R0 процессора, и помещает результат в этот же регистр. Исходное содержимое памяти по адресу LOCA не меняется, а содержимое регистра R0 перезаписывается. Данная команда выполняется в несколько этапов. Сначала она пересылается из памяти в процессор. Затем операнд команды считывается из памяти по адресу LOCA и складывается с https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 80/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» содержимым регистра R0, после чего результирующая сумма записывается в регистр R0. В описанной команде Add объединяются две операции: доступ к памяти и операция АЛУ. Во многих современных компьютерах эти два типа операций выполняются с помощью отдельных команд. Такое разделение основывается на соображениях производительности. Приведенная выше команда может быть реализована и в виде двух команд: Load LOCA, R1 Add R1, R0 Первая из этих команд копирует содержимое памяти по адресу LOCA в регистр процессора R1, а вторая команда складывает содержимое регистров R1 и R0 и помещает сумму в регистр R0. Обратите внимание, что в результате выполнения двух команд исходное содержимое обоих регистров уничтожается, а содержимое памяти по адресу LOCA сохраняется. Пересылка данных между памятью и процессором начинается с отправки в устройство памяти адреса слова, к которому требуется получить доступ, и выдачи соответствующих управляющих сигналов. Затем данные пересылаются в память или из памяти. На рисунке 23 показано, как соединяются между собой память и процессор. Кроме того, рисунок иллюстрирует несколько важных особенностей функционирования процессора. На нем не показана реальная схема соединений этих компонентов, поскольку пока мы обсуждаем только их функциональные характеристики. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 81/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Рис. 23. Связь памяти компьютера с процессором Кроме АЛУ и управляющих схем процессор содержит множество регистров, предназначенных для разных целей. В регистре команды (Instruction Register, IR) содержится код выполняемой в данный момент команды. Ее результат доступен управляющим схемам, которые генерируют сигналы для управления различными элементами, участвующими в выполнении команды. Еще один специализированный регистр, называемый счетчиком команд (Program Counter, PC), служит для контроля за ходом выполнения программы. В нем содержится адрес следующей команды, подлежащей выборке и выполнению. Пока выполняется очередная команда, содержимое регистра PC обновляется – в него записывается адрес следующей команды. Говорят, что регистр PC указывает на команду, которая должна быть выбрана из памяти. Кроме регистров IR и PC на рисунке 23 показано n регистров общего назначения – от R0 до Rn-1. Наконец, еще два регистра обеспечивают взаимодействие с памятью. Это регистр адреса (Memory Address Register, MAR) и регистр данных (Memory Data Register, MDR). В регистре MAR содержится адрес, по которому производится обращение к памяти, а в регистре MDR – данные, которые должны быть записаны в память или прочитаны из таковой по этому адресу. Рассмотрим типичный процесс выполнения программы компьютером. Программа располагается в памяти, куда обычно попадает через входное устройство. Ее выполнение начинается с записи в регистр PC адреса первой команды. Содержимое этого регистра пересылается в регистр MAR, а в память направляется управляющий сигнал Read. Когда истекает время, необходимое для доступа к памяти, адресуемое слово (в данном случае – первая команда программы) считывается из памяти и загружается в регистр MDR. Затем содержимое регистра MDR пересылается в регистр IR. Команда готова к декодированию и выполнению. Если команда требует, чтобы АЛУ выполнило определенную операцию, для нее необходимо получить операнды. Операнд, располагающийся в памяти (он может находиться и в регистре общего назначения), нужно сначала из таковой извлечь, переслав его адрес в регистр MAR и инициализировав цикл Read. После пересылки из памяти в регистр MDR операнд будет направлен в АЛУ. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 82/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Аналогичным образом туда же будут переданы и остальные необходимые команде операнды, после чего АЛУ сможет выполнить требуемую операцию. Если результат должен быть сохранен в памяти, он будет записан в регистр MDR. Затем адрес, по которому его нужно записать в память, будет помещен в регистр MAR, после чего будет инициирован цикл Write. В какой-то момент в ходе выполнения текущей инструкции содержимое регистра PC увеличивается, и он начинает указывать на следующую подлежащую выполнению инструкцию. Другими словами, как только завершится выполнение текущей инструкции, можно будет приступать к выборке следующей. Компьютер не только пересылает данные между памятью и процессором, но и принимает их от входных устройств, а также отсылает выходным устройствам. Поэтому среди машинных команд имеются и команды для выполнения операций ввода-вывода. Если возникает необходимость срочно обслужить некоторое устройство (например, когда устройство мониторинга в автоматизированном промышленном процессе обнаружит опасную ситуацию), нормальное выполнение программы может быть прервано. Для того чтобы немедленно отреагировать на эту ситуацию, компьютер должен прервать выполнение текущей программы. С этой целью устройство генерирует сигнал прерывания. Прерывание (interrupt) – это запрос, поступающий от устройства ввода-вывода, с требованием предоставить ему процессорное время. Для обслуживания этого устройства процессор выполняет соответствующую программу обработки прерывания. А поскольку ее выполнение может изменить внутреннее состояние процессора, перед обслуживанием прерывания нужно сохранить его состояние в памяти. Обычно в ходе этой операции сохраняется содержимое регистра PC, регистров общего назначения и некоторая управляющая информация. По завершении работы программы обработки прерывания состояние процессора восстанавливается и прерванная программа продолжает свою работу. Процессор со всеми его элементами обычно реализуется в виде одной микросхемы, на которой располагается как минимум одно устройство кеш-памяти. Такие чипы называются VLSI (VLSI – аббревиатура от Very Large https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 83/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Scale Integration, что переводится как «сверхвысокая степень интеграции»). Основные выводы: 1. Процессор выполняет машинные команды и координирует действия других устройств. 2. Разрядность шины данных процессора определяет количество разрядов, над которыми одновременно могут выполняться операции. 3. Разрядность шины адреса процессора определяет его адресное пространство. 4. Система команд определяет непосредственно те процедуры, которые могут выполняться над данными в процессоре, и те категории данных, над которыми применимы эти процедуры. Система команд вплотную связана с архитектурой, разрядностью, адресностью и другими атрибутами процессора. 5. Большинство компьютерных операций выполняется в арифметикологическом устройстве (АЛУ) процессора. Вопросы для самопроверки: 1. Перечислите функции процессора. 2. Перечислите и прокомментируйте основные параметры процессора. 3. Какие типы систем команд процессора вы знаете? 4. Перечислите группы операций в системе команд. 5. Опишите процесс выполнения команды процессором. 6. Для чего служит счетчик команд? 7. Зачем нужны регистры? 8. Зачем нужны прерывания? Тема 8. Типы и устройство оперативной памяти вычислительных машин https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 84/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Изучив тему занятия, вы будете: знать: · как устроена оперативная память; · этапы развития устройств оперативной памяти и ее типы; · технические параметры, характеризующие оперативную память. уметь: · определять технические характеристики модуля оперативной памяти по его описанию. Основные понятия: · оперативная память (ОП); · DRAM; · чувствительный усилитель; · регенерация; · банки памяти; · синхронный и асинхронный интерфейс; · время доступа; · латентность; · тайминг. Теоритический материал по теме Оперативная память (ОП), или оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), – это специальная внутренняя память ЭВМ, позволяющая быстро записывать в нее и считывать из нее необходимую информацию. Однако информация в этой памяти хранится лишь до отключения питания компьютера, поэтому ее иногда называют энергозависимой, временной памятью, или RAM (англ. Random Access Memory – «память произвольного доступа»). Обычно в ПК используется DRAM – динамическая память. При этом во время работы компьютера информация может постоянно https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 85/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» обновляться. В оперативной памяти находятся все выполняемые в данный конкретный момент времени программы. Эти данные – элементы текстов, данных, программы и т.д. – располагаются в специальных ячейках памяти. В настоящее время достаточно широко используется кеш-память (Caсhe Memory), которая бывает внутренняя (встроенная, например, в процессор размером от 128 Кб) и внешняя. Внешняя кеш-память – это сверхоперативная память, расположенная как буфер между процессором и ОЗУ и повышающая производительность ПК. Она служит для уменьшения количества тактов ожидания процессора при обращении к более медленной RAM и имеет размер от 64 Кб до 1 Мб. Устройство и принципы функционирования оперативной памяти. Ядро микросхемы динамической памяти состоит из множества ячеек, каждая из которых хранит всего один бит информации. На физическом уровне ячейки объединяются в прямоугольную матрицу, горизонтальные линейки которой называются строками (ROW), а вертикальные – столбцами (Column) или страницами (Page). Линейки представляют собой обыкновенные проводники, на пересечении которых находится «сердце» ячейки – несложное устройство, состоящее из одного транзистора и одного конденсатора. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 86/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Конденсатору отводится роль непосредственного хранителя информации. Правда, хранит он очень немного – всего один бит. Отсутствие заряда на обкладках соответствует логическому нулю, а его наличие – логической единице. Транзистор же играет роль «ключа», удерживающего конденсатор от разряда. В спокойном состоянии транзистор закрыт, но стоит подать на соответствующую строку матрицы электрический сигнал, как спустя мгновение-другое (конкретное время зависит от конструктивных особенностей и качества изготовления микросхемы) он откроется, соединяя обкладку конденсатора с соответствующим ей столбцом. Чувствительный усилитель (sense amp), подключенный к каждому из столбцов матрицы, реагируя на слабый поток электронов, устремившихся через открытые транзисторы с обкладок конденсаторов, считывает всю страницу целиком. Это обстоятельство настолько важно, что последняя фраза вполне заслуживает быть выделенной курсивом. Именно страница является минимальной порцией обмена с ядром динамической памяти. Чтение/запись отдельно взятой ячейки невозможно! Действительно, открытие одной строки приводит к открытию всех подключенных к ней транзисторов, а следовательно – разряду закрепленных за этими транзисторами конденсаторов. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 87/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Чтение ячейки деструктивно по своей природе, поскольку sense amp разряжает конденсатор в процессе считывания его заряда. За счет этого динамическая память представляет собой память разового действия. Разумеется, такое положение дел никого устроить не может, и потому во избежание потери информации считанную строку приходится тут же перезаписывать вновь. В зависимости от конструктивных особенностей эту миссию выполняет либо программист, либо контроллер памяти, либо сама микросхема памяти. Практически все современные микросхемы принадлежат к последней категории. Редко какая из них поручает эту обязанность контроллеру, и уж совсем никогда перезапись не возлагается на программиста. Ввиду микроскопических размеров, а следовательно – емкости конденсатора, записанная на нем информация хранится крайне недолго – буквально сотые, а то и тысячные доли секунды. Причина тому – саморазряд конденсатора. Несмотря на использование высококачественных диэлектриков с огромным удельным сопротивлением, заряд стекает очень быстро, ведь количество электронов, накопленных конденсатором на обкладках, относительно невелико. Для борьбы с «забывчивостью» памяти прибегают к ее регенерации – периодическому считыванию ячеек с последующей перезаписью. В зависимости от конструктивных особенностей «регенератор» может находиться как в контроллере, так и в самой микросхеме памяти. Разобравшись с устройством и работой ядра памяти, перейдем к рассмотрению ее интерфейса. Физически микросхема памяти (не путать с модулями памяти) представляет собой прямоугольный кусок керамики (или пластика), «ощетинившийся» с двух (реже – с четырех) сторон множеством ножек. Что это за ножки? В первую очередь выделим среди них линии адреса и линии данных. Линии адреса, как и следует из их названия, служат для выбора адреса ячейки памяти, а линии данных – для чтения и для записи ее содержимого. Необходимый режим работы определяется состоянием специального вывода Write Enable («Разрешение записи»). https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 88/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Низкий уровень сигнала WE готовит микросхему к считыванию состояния линий данных и записи полученной информации в соответствующую ячейку, а высокий, наоборот, заставляет считать содержимое ячейки и «выплюнуть» его значения в линии данных. Эволюция динамической памяти. Оперативная память персональных компьютеров сегодня, как и десять лет тому назад, строится на базе относительно недорогой динамической памяти – DRAM (Dynamic Random Access Memory). Множество поколений интерфейсной логики, соединяющей ядро памяти с «внешним миром», сменилось за это время. Эволюция носила ярко выраженный преемственный характер – каждое новое поколение памяти практически полностью наследовало архитектуру предыдущего, включая, в том числе, и свойственные ему ограничения. Ядро же памяти (за исключением совершенствования проектных норм, таких, например, как степень интеграции) и вовсе не претерпевало никаких принципиальных изменений. Даже «революционный» Rambus Direct RDRAM ничего подлинного революционного в себе не содержит и хорошо вписывается в общее «генеалогическое» древо развития памяти. Поэтому устройство и принципы функционирования оперативной памяти лучше всего изучать, поднимаясь от основания ствола дерева (то есть самых древних моделей памяти) по его веткам вверх – к самым современным разработкам, которые только существуют на момент написания этого пособия. Динамическое ОЗУ со времени своего появления прошло несколько стадий роста, и процесс ее совершенствования не останавливается. За свою десятилетнюю историю DRAM меняла свой вид несколько раз. Вначале микросхемы динамического ОЗУ производились в DIPкорпусах. Затем их сменили модули, состоящие из нескольких микросхем: SIPP, SIMM и, наконец, DIMM и RIMM. Рассмотрим эти разновидности поподробнее. DIP. DIP-корпус – это исторически самая древняя реализация DRAM. DIP-корпус соответствует стандарту IC. Обычно это маленький черный корпус из пластмассы, по обеим сторонам которого располагаются металлические контакты. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 89/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Микросхемы (по-другому, чипы) динамического ОЗУ устанавливаются так называемыми банками. Банки бывают на 64 и 256 Кбайт, 1 и 4 Мбайт. Каждый банк состоит из девяти отдельных одинаковых чипов. Из них восемь чипов предназначены для хранения информации, а девятый чип служит для проверки четности остальных восьми микросхем этого банка. SIPP(SIP)-модули памяти. Одной из незаслуженно забытых конструкций модулей памяти являются SIPP-модули. Эти модули представляют собой маленькие платы с несколькими напаянными микросхемами DRAM. SIPP является сокращением слов Single In-line Package. SIPP-модули соединяются с системной платой с помощью контактных штырьков. Под контактной колодкой находятся 30 маленьких штырьков, которые вставляются в соответствующую панель системной платы. Модули SIPP имели определенные вырезы, которые не позволяли вставить их в разъемы неправильным образом. SIMM-модули. Аббревиатура SIMM расшифровывается как Single Inline Memory Module (Модуль памяти с однорядным расположением выводов). Он включает в себя все то, что для DIP называлось банком. Модули SIMM могут иметь объем 256 Кбайт, 1, 2, 4, 8, 16 и 32 Мбайт. Соединение SIMM-модулей с системной платой осуществляется с https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 90/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» помощью колодок. Модуль вставляется в пластмассовую колодку под углом 70 градусов, а потом зажимается пластмассовым держателем. При этом плата встает вертикально. Специальные вырезы на модуле памяти не позволят поставить их неправильным образом. Модули SIMM для соединения с системной платой имеют не штырьки, а позолоченные полоски (так называемые pin, пины). Сравнение SIMM-модулей. SIMM-модули в своем развитии прошли два этапа. Первыми представителями SIMM-модулей были 30пиновые SIMM FPM DRAM. Их максимальная частота работы – 29 МГц. Стандартным же временем доступа к памяти считалось 70 нс. Эти модули уже с трудом работали на компьютерах с микропроцессорами i80486DX2 и были вытеснены сначала 72пиновыми FPM DRAM, а затем EDO RAM. SIMM EDO RAM имеют только 72 пина и могут работать на частоте до 50 МГц. Этими модулями памяти оснащались компьютеры с процессорами Intel 80486DX2/DX4, Intel Pentium, Pentium Pro и Pentium MMX, а также AMD 80586 и K5. Эти модули устанавливались на платах с чипсетом Intel 440TX, 440EX, 440LX, 450NX; VIA Apollo MVP 3/4, Pro/Pro+; ALI Alladin 4/4+/V/PRO II, ALI Alladin TNT2. SIMM-модули – как 30-pin, так и 72-pin, сняты с производств. Им на смену пришли модули DIMM. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 91/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Причины повышения скорости работы. EDO RAM. Несмотря на небольшие конструктивные различия, и FPM, и EDO RAM делаются по одной и той же технологии, поэтому скорость работы должна быть одна и та же. Действительно, и FPM, и EDO RAM имеют одинаковое время считывания первой ячейки – 60– 70 нс. Однако в EDO RAM применен метод считывания последовательных ячеек. При обращении к EDO RAM активизируется не только первая, но и последующие ячейки в цепочке. Поэтому, имея то же время при обращении к одной ячейке, EDO RAM обращается к следующим ячейкам в цепочке значительно быстрее. Поскольку обращение к последовательно следующим друг за другом областям памяти происходит чаще, чем к ее различным участкам (если отсутствует фрагментация памяти), то выигрыш в суммарной скорости обращения к памяти значителен. Однако даже для EDO RAM существует предел частоты, на которой она может работать. Несмотря ни на какие ухищрения, модули SIMM не могут работать на частоте локальной шины PCI, превышающей 66 МГц. С появлением в 1996 году процессора Intel Pentium II и чипсета Intel 440BX частота локальной шины возросла до 100 МГц, что заставило производителей динамического ОЗУ перейти на другие технологии, прежде всего DIMM SDRAM. DIMM. Аббревиатура DIMM расшифровывается как Dual In-line Memory Module (Модуль памяти с двойным расположением выводов). В модуле DIMM имеется 168 контактов, которые расположены с двух сторон платы и разделены изолятором. Также изменились разъемы для DIMM-модулей. Следует отметить, что разъемы DIMM имеют много разновидностей DRAM. К тому же вплоть до последнего времени модули DIMM не имели средств самоконфигурирования (в отличие от SIMM-модулей). Поэтому для облегчения выбора нужного модуля пользователям на материнских платах разные типы DIMM имеют от одного до трех вырезов на модуле памяти. Они предотвращают от неправильного выбора и неправильной установки модулей памяти. В следующих подразделах рассмотрим типы DRAM, имеющие разъем DIMM. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 92/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» SDRAM. Аббревиатура SDRAM расшифровывается как Synchronic DRAM (Динамическое ОЗУ с синхронным интерфейсом). Этим они отличаются от FPM и EDO DRAM, работающих по асинхронному интерфейсу. Как и следует из их названия, микросхемы SDRAMпамяти работают синхронно с контроллером, что гарантирует завершение цикла в строго заданный срок. Кроме того, номера строк и столбцов подаются одновременно, с таким расчетом, чтобы к приходу следующего тактового импульса сигналы уже успели стабилизироваться и были готовы к считыванию. Процессор с асинхронным интерфейсом должен ожидать, пока DRAM закончит выполнение своих внутренних операций. Они обычно занимают 60 нс. В DRAM с синхронным управлением происходит защелкивание информации от процессора под управлением системных часов. Триггеры запоминают адреса, сигналы управления и данных. Это позволяет процессору выполнять другие задачи. После определенного количества циклов данные становятся доступными, и процессор может их считывать. Таким образом уменьшается время простоя процессора во время регенерации памяти. Другое преимущество синхронного интерфейса – это то, что системные часы задают временные границы, необходимые DRAM. Это, во-первых, уменьшает трафик по локальной шине (нет «лишних» сигналов), а во-вторых, позволяет упростить операции ввода-вывода (в операциях пересылки центральный процессор либо контроллер DMA уже не должен выделять полезную информацию среди служебных импульсов и битов четности). В-третьих, все операции ввода/вывода на локальной шине стали управляться одними и теми же синхроимпульсами, что само по себе хорошо. Также в SDRAM реализован усовершенствованный пакетный режим обмена. Контроллер может запросить как одну, так и несколько последовательных ячеек памяти, а при желании – всю строку https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 93/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» целиком. Это стало возможным благодаря использованию полноразрядного адресного счетчика. Другое усовершенствование: количество матриц (банков) памяти в SDRAM увеличено с одного до двух (а в некоторых моделях – и четырех). Это позволяет обращаться к ячейкам одного банка параллельно с перезарядкой внутренних цепей другого, что вдвое увеличивает предельно допустимую тактовую частоту. Наконец, разрядность шины данных увеличилась с 32 до 64 бит, что еще вдвое увеличило ее производительность. SDRAM II, или DDR SDRAM. Спецификация SDRAM II (или DDR SDRAM) не имеет полной совместимости с SDRAM. Эта спецификация позволяет увеличить частоту работы SDRAM за счет работы на обеих границах тактового сигнала, то есть на подъеме и спаде. Однако SDRAM II использует тот же 168-контактный разъем DIMM. Актуальным решением является использование третьего поколения модулей DDR SDRAM, обозначаемых как DDR3 SDRAM. Основными преимуществами DDR3 SDRAM по сравнению с предыдущим поколением являются: 1) меньшее энергопотребление за счет использования более современных микросхем и снижения рабочего напряжения до 1,5 вольт; 2) реализация механизма предварительной выборки данных во встроенный буфер (кеш-память) объемом 8 байт; 3) одновременный доступ к восьми страницам оперативной памяти при выполнении операций чтения/записи; https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 94/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» 4) достижение внутренней эффективной тактовой частоты в два раза большей, чем тактовая частота сигнала шины оперативной памяти, за счет использования двух внутренних опорных генераторов. Память от Rambus (RDRAM, RIMM). RDRAM представляет собой спецификацию, созданную и запатентованную фирмой Rambus, Inc. За счет использования обеих границ сигнала достигается частота работы памяти в 800 МГц. Модули RIMM имеют размеры, сходные с геометрическими размерами SDRAM DIMM. В отличие от SDRAM DIMM, Direct Rambus может содержать любое целое число чипов Direct RDRAM (до максимально возможного). Один канал Direct Rambus максимум может поддерживать 32 чипа DRDRAM. На материнской плате может использоваться до трех RIMM-модулей. Используются устройства 64 Мбит, 128 Мбит и 256 Мбит. Основных отличий от памяти предыдущих поколений всего три: · увеличение тактовой частоты за счет сокращения разрядности шины; https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 95/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» · одновременная передача номеров строки и столба ячейки; · увеличение количества банков для усиления параллелизма. Для расширения памяти могут использоваться два чипа повторителя. С одним повторителем канал может поддерживать 64 устройства с 6 RIMM-модулями, а с двумя – 128 устройств на 12 модулях. Сравнительная характеристика основных типов памяти. Основными техническими характеристиками памяти являются: · тип памяти; · рабочая тактовая частота; · разрядность; · время доступа; · объем. В некоторых случаях производители указывают еще такой параметр, как латентность. Это достаточно сложный интегральный показатель, который характеризует продолжительность интервалов задержек в процессе выполнения операций чтения/записи (время на вычисление адреса страницы и собственно выполнение операции). Такие задержки называются таймингами (от англ. time – «время»). В идеале – чем меньше тайминги, тем лучше, однако на практике вследствие конструктивных особенностей модулей оперативной памяти приходится искать компромисс между латентностью и тактовой частотой. В технической литературе и описаниях модулей оперативной памяти латентность указывается сокращением «CL» или «CAS Latency» от англ. column address strobe latency (дословно «задержка импульса адресации столбца»). Соответствующее число указывает комбинацию задержек, которая устанавливается по умолчанию, но может быть изменена пользователем, например через некоторые версии BIOS. Такую операцию нужно проводить очень осторожно, поскольку, не зная правил формирования комбинаций, можно вывести оперативную память из строя. Соответствующие параметры приводятся в таблице 3. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 96/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Таблица 3. Сравнительная характеристика основных типов памяти Тип памяти Рабочая частота, MHz Разрядность, бит Время доступа, Время нс рабочего цикла, нс Пропускная способность, Мбайт/ с FPM 25, 33 32 70, 60 40, 35 100, 132 EDO 40, 50 32 60, 50 25, 20 160, 200 SDRAM 66, 100, 133 64 40, 30 10, 7.5 528, 800, 1064 DDR 100, 133 64 30, 22.5 5, 3.75 1600, 2100 RDRAM 400, 600, 800 16 ..30 ..2.5 1600, 2400, 3200 Итак, тип памяти определяется в соответствии с эволюцией ее развития и содержит информацию не только о быстродействии памяти, но и о типе разъема для ее установки (EDO просто не установится в разъем для DDR, что видно по рисункам). Рабочая тактовая частота характеризует скорость обмена информацией с микропроцессором, а разрядность – количество бит информации, передаваемых за один такт. Время доступа (измеряемое в наносекундах) определяет время обращения к ячейкам памяти. И, наконец, объем памяти определяет ее ресурс по хранению информации. В настоящее время на компьютерном рынке представлены модули памяти от 256 до 4096 Мб. В качестве примера рассмотрим следующее описание по прайслисту: Модуль памяти 1 ГБ DDR3 SDRAM Kingston «ValueRAM» KVR1333D3N9/1G (PC10600, 1333 МГц, CL9). Специфкация: 1. Тип оперативной памяти: DDR3 SDRAM. 2. Объем модуля оперативной памяти: 1 ГБ. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 97/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» 3. Эффективная тактовая частота оперативной памяти: 1333 МГц. 4. Максимальная скорость передачи данных 10600 Мбит/c. 5. Производитель: Kingston. 6. Маркировка: «ValueRAM» KVR1333D3N9/1 G. 7. Латентность: CL9. Основные выводы: 1. Вся информация, обрабатываемая в ПЭВМ, хранится в энергозависимой оперативной памяти (ОП). 2. Минимальной порцией обмена с ядром ОП является страница памяти. 3. Техническое развитие ОП происходило эволюционно, при этом каждое новое поколение памяти практически полностью наследовало архитектуру предыдущего. 4. Увеличение быстродействия современной ОП связано с совершенствованием технологии производства и применением эффективных архитектурных решений. Совершенствование технологии позволило: · сократить время доступа; · увеличить разрядность шин адреса и данных; · повысить тактовую частоту; · увеличить объем отдельного модуля ОП. 5. Эффективными архитектурными решениями являются: · конвейеризации запросов к памяти; · считывание последовательности ячеек; · использование синхронного интерфейса; · реализация механизмов параллельного считывания и записи информации при обращении к ячейкам памяти. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 98/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Вопросы для самопроверки: 1. Для чего предназначена ОП? 2. Что значит сокращение DRAM? 3. Как на физическом уровне устроена ОП? 4. В чем различие между синхронным и асинхронным интерфейсом? 5. Каким образом происходит обращение к ячейкам ОП? 6. Что обозначают сокращения DIPP, SIPP, SIMM, EDO RAM, DIMM, SD RAM, DDR SD RAM, RIMM? 7. Какие технические характеристики ОП вы знаете? Тема 9. Организация и режимы работы оперативной памяти IMB-совместимых ПК Изучив тему занятия, вы будете: знать: · каким образом происходит размещение и обработка информации в оперативной памяти (ОП); · как осуществляется прямой доступ к содержимому ОП; · режимы работы микропроцессора при обращении к ОП. Основные понятия: · адрес; · адресное пространство; · байтовая адресация; · система прямого доступа к памяти; · режимы процессора. Теоритический материал по теме Команды, исполняемые ЭВМ при выполнении программы, равно как и числовые, и символьные операнды, хранятся в памяти компьютера. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 99/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Память состоит из многих миллионов ячеек, в каждой из которых содержится один бит информации, имеющий значение 0 или 1. Поскольку один бит способен представить очень маленькое количество информации, биты редко обрабатываются поодиночке. Как правило, их обрабатывают группами фиксированного размера. Для этого память организуется таким образом, что группы по п бит могут записываться и считываться за одну базовую операцию. Группа из n бит называется «словом информации», а значение n – «длиной слова». Схематически память компьютера можно представить в виде набора слов. Длина слова современных компьютеров составляет от 16 до 64 бит. Если длина слова компьютера равна 32 битам, в одном слове может храниться 32-разрядное число в дополнительном коде или четыре символа ASCII, занимающих по 8 бит. Восемь идущих подряд битов называются байтом. Для представления машинной команды требуется одно или несколько слов. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 100/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Для доступа к памяти с целью записи или чтения отдельных элементов информации, будь то слова или байты, необходимы имена или адреса, определяющие их расположение в памяти. В качестве адресов традиционно используются числа из диапазона от 0 до 2k-1 со значением k, достаточным для адресации всей памяти компьютера. Все 2k адресов составляют адресное пространство компьютера. Следовательно, память состоит из 2k адресуемых элементов. Например, использование 24-разрядных (как в процессоре 80286) адресов позволяет адресовать 224 (16777216) элементов памяти. Обычно это количество адресуемых элементов обозначается как 16 М (16 мега), где 1 М – 220 (1048576) (адресное пространство МП 8086 и 80186). 32-разрядным адресам (у процессоров 80386, 80486, Pentium и их аналогов) соответствует адресное пространство из 232, или 4 Г (4 гига), элементов, где 1 Г – 230. Кроме того, часто используются обозначения К (кило), соответствующее 210 (1024), и Т (тера), соответствующее 240. Байтовая адресация. Итак, у нас есть три основные единицы информации: бит, байт и слово. Байт всегда равен 8 битам, а длина слова обычно колеблется от 16 до 64 бит. Отдельные биты, как правило, не адресуются. Чаще всего адреса назначаются байтам памяти. Именно так адресуется память большинства современных компьютеров, и именно этот способ адресации мы будем использовать. Память, в которой каждый байт имеет отдельный адрес, называется памятью с байтовой адресацией. Последовательные байты имеют адреса 0, 1, 2 и т.д. Таким образом, при использовании слов длиной 32 бита последовательные слова имеют адреса 1, 4, 8, ... и каждое слово состоит из 4 байт. Прямой и обратный порядок байтов. Существует два способа адресации байтов в словах: · в прямом порядке (а); · в обратном порядке (б). https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 101/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Обратным порядком байтов (big-endian) называется система адресации, при которой байты адресуются слева направо, так что самый старший байт слова (расположенный с левого края) имеет наименьший адрес. Прямым порядком байтов (little-endian) называется противоположная система адресации, при которой байты адресуются справа налево, так что наименьший адрес имеет самый младший байт слова (расположенный с правого края). Слова «старший» и «младший» определяют вес бита, то есть степень двойки, соответствующей данному биту, когда слово представляет число. В ПЭВМ на основе МП 80x86 используется прямой порядок, а в ПЭВМ на основе МП Motorola 68000 – обратный. В обеих этих системах адреса байтов 0, 4, 8 и т.д. применяются в качестве адресов последовательных слов памяти в операциях чтения и записи слов. Наряду с порядком байтов в слове важно также определить порядок битов в байте. Наиболее естественный порядок битов для кодирования числовых данных (непосредственно соответствующий их разрядам) – слева направо: b32, …, b1, b0. Однако существуют компьютеры, для которых характерен обратный порядок битов. Расположение слов в памяти. В случае 32-разрядных слов их естественные границы располагаются по адресам 0, 4, 8 и т. д. При этом мы говорим, что слова выровнены по адресам в памяти. Если говорить в общем, слова считаются выровненными в памяти в том случае, если адрес начала каждого слова кратен количеству байтов в нем. По практическим причинам, связанным с манипулированием двоично-кодированными адресами, количество байтов в слове обычно является степенью двойки. Поэтому, если длина слова равна https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 102/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» 16 бит (2 байтам), выровненные слова начинаются по байтовым адресам 0, 2, 4, ..., а если она равна 64 бит (23 то есть 8 байтам), то выровненные слова начинаются по байтовым адресам 0, 8, 16,... Не существует причины, по которой слова не могли бы начинаться с произвольных адресов. Такие слова называются невыровненными. Как правило, слова выравниваются по адресам памяти, но иногда этот принцип нарушатся. Доступ к числам, символам и символьным строкам. Обычно число занимает целое слово. Поэтому, для того чтобы обратиться к нему в памяти, нужно указать адрес слова, по которому это число хранится. Точно так же доступ к отдельно хранящемуся в памяти символу осуществляется по адресу его байта. Во многих приложениях необходимо обрабатывать строки символов переменной длины. Для доступа к такой строке нужно указать адрес байта, в котором хранится ее первый символ. Последовательные символы строки содержатся в последовательных байтах. Существует два способа определения длины строки. Первый из них заключается в использовании специального управляющего символа, обозначающего конец строки и являющегося ее последним символом. Второй способ состоит в использовании отдельного слова памяти или регистра процессора, содержащего число, которое определяет длину строки в байтах. Операции с памятью. И команды программ, и данные, являющиеся операндами этих команд, хранятся в памяти. Для выполнения команды управляющие схемы процессора должны инициировать пересылку содержащего ее слова или слов из памяти в процессор. Операнды и результаты также должны пересылаться между памятью и процессором. Таким образом, для выполнения команды программы необходимо произвести две операции с памятью: · Load (или Read, или Fetch), то есть загрузка (или чтение, или выборка соответственно). https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 103/178 07.11.2023, 20:20 · Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Store (или Write), то есть сохранение (или запись). Операция загрузки – копия содержимого памяти пересылается в процессор по заданному адресу. При этом содержимое памяти остается неизменным. Для того чтобы начать операцию загрузки, процессор отсылает в память адрес и запрашивает содержимое памяти по этому адресу. Из памяти считываются соответствующие данные и пересылаются в процессор. Операция сохранения – элемент информации пересылается из процессора в память по заданному адресу, а предыдущие данные, хранившиеся по этому адресу, уничтожаются. Для выполнения такой операции процессор отсылает в память данные и адрес, по которому они должны быть записаны. Информацию из одного слова или одного байта можно переслать между процессором и памятью за одну операцию. Процессор содержит небольшое количество регистров, вмещающих по одному слову. Эти регистры служат либо источниками, либо приемниками данных, пересылаемых в память и из памяти. Пересылаемый байт обычно располагается в младшей (крайней справа) позиции в регистре. Взаимодействие с памятью (рис. 24) происходит через: · шину чтения-записи; · адресную шину; · информационную шину. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 104/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Рис. 24. Взаимодействие процессора с памятью компьютера По шине чтения-записи сообщается тип производимой операции (считывание из памяти или запись в нее). Сигналы, подаваемые на адресную шину, определяют область памяти, из которой (в которую) ведется считывание (запись), а по информационной шине передается считанная (записанная) информация. Пример: считывание из памяти и запись в память байта с адресом 7. При считывании данных из памяти некоторая внешняя (по отношению к запоминающему устройству) система (например, микропроцессор) устанавливает на шине чтения-записи сигнал 1, сообщая таким образом, что должна производиться операция считывания. Кроме того, эта внешняя система помещает на адресную шину значение 0000000000000111 в двоичной системе счисления (или, что то же самое, 7 – в десятичной системе счисления). Тем самым запоминающему устройству сообщается, что требуется считать байт информации из ячейки 7. Очевидно, что в результате операции считывания содержимое указанного байта, равное 10101010, появится на информационной шине (см. рис. 24). При записи на шине чтения-записи устанавливается сигнал 0 и на адресную и информационную шины помещаются адреса и https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 105/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» записываемые данные. В качестве адреса запоминающее устройство получает число 0000000000000111 в двоичной системе счисления (или 7 – в десятичной), а в качестве записываемых данных – число 10101010. Поскольку на шине чтения-записи установлен сигнал 0, данные с информационной шины заносятся в ячейку 7. Система прямого доступа к памяти. Как уже отмечалось, процессор способен считывать данные из некоторого устройства и записывать их в память. Подобные действия может выполнять и система прямого доступа к памяти и таким образом освобождать процессор от этой работы. Пересылка байтов данных является простой задачей, не требующей особых ухищрений. Система прямого доступа к памяти решает ее, пока процессор продолжает выполнение своей работы. На рисунке 25 показано, каким образом процессор и система прямого доступа к памяти связаны с запоминающим устройством. Здесь же показано, что обе системы могут посылать и принимать данные из некоторого периферийного устройства. Для доступа к этому устройству процессор использует порт В, а система прямого доступа – шину, обозначенную словом «Данные». Наконец, процессор может вести обмен данными с системой прямого доступа к памяти через порт А. Рис. 25. Связь процессора и системы прямого доступа к памяти с запоминающим устройством https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 106/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Рассмотрим в качестве примера процесс считывания нескольких байтов данных из периферийного устройства и занесения их в память. Процесс начинается, когда процессор посылает одну команду в систему прямого доступа к памяти через порт А, а другую – в устройство через порт В. По команде, направленной в устройство, последнее должно переслать несколько байтов данных в систему прямого доступа к памяти. Согласно команде, посланной в систему прямого доступа, эта система должна принять байты данных из устройства и записать их в память. Во время выполнения описанных пересылок процессор может продолжать считывание и выполнение команд. Может возникнуть вопрос, каким образом система прямого доступа и процессор могут одновременно осуществлять доступ к памяти? На самом деле такой возможности нет. Запоминающее устройство в каждый момент времени обрабатывает только один запрос. Однако система прямого доступа к памяти достаточно «интеллектуальна» и в состоянии задержать запрос процессора, пока сама реализует обращение. Таким образом, процессор и система прямого доступа к памяти поочередно работают с запоминающим устройством, причем процессор время от времени находится в состоянии ожидания, пока освободится память. С запросами периферийного устройства на передачу данных затруднений обычно не возникает, так как они поступают существенно реже, чем запросы процессора. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 107/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Система прямого доступа лишь иногда обращается к памяти, в то время как процессор постоянно требует доступа к запоминающему устройству. Поэтому создается впечатление, что и процессор, и система прямого доступа работают с памятью одновременно. Режимы процессора. Все 32-разрядные процессоры Intel и совместимые с ним, начиная с 80386-го, могут выполнять программы в нескольких режимах. Режимы процессора предназначены для выполнения программ в различных средах; в разных режимах возможности МП неодинаковы, потому что команды выполняются поразному. В зависимости от режима процессора изменяется схема управления памятью системы и задачами. Процессоры могут работать в трех режимах: · реальном режиме; · защищенном режиме; · виртуальном реальном режиме (реальном внутри защищенного). Реальный режим. В первоначальном IBM PC использовался процессор i8086, который мог выполнять 16-разрядные команды, применяя 16-разрядные внутренние регистры, и адресовать только 1 Мбайт (220 байт) памяти, используя 20 разрядов для адреса. Все программное обеспечение PC первоначально было предназначено https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 108/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» для этого процессора; оно было разработано на основе 16-разрядной системы команд и модели памяти объемом 1 Мбайт. Например, DOS, все программное обеспечение DOS, Windows от 1.x до 3.x и все приложения для Windows от 1.x до 3.x написаны в расчете на 16разрядные команды. Эти 16-разрядные операционные системы и приложения были разработаны для выполнения на процессоре i8086. Более поздние процессоры, например i80286, могли также выполнять те же самые 16-разрядные команды, что и первоначальный i8086, но намного быстрее. Другими словами, процессор i80286 был полностью совместим с первоначальным i8086 и мог выполнять все 16разрядные программы точно так же, как i8086, но, конечно же, значительно быстрее. Шестнадцатиразрядный режим, в котором выполнялись команды процессоров i8086 и i80286, был назван реальным режимом. Все программы, выполняющиеся в реальном режиме, должны использовать только 16-разрядные команды, 20разрядные адреса и поддерживаться архитектурой памяти, рассчитанной на емкость до 1 Мбайт. Для программного обеспечения этого типа обычно используется однозадачный режим, то есть одновременно может выполняться только одна программа. Нет никакой встроенной защиты для предотвращения перезаписи ячеек памяти одной программы (или даже операционной системы) другой программой; это означает, что при выполнении нескольких программ вполне могут быть испорчены https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 109/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» данные или код одной из них, а это может привести всю систему к краху (или останову). Защищенный режим. Несмотря на то, что процессор i80286, как и i8086, является 16-разрядным, он (в отличие от последнего) может работать в новом – защищенном – режиме и имеет встроенную поддержку мультизадачных операционных систем, значительно ускоряющую и упрощающую процесс переключения задач. Эта поддержка активно используется всеми мультизадачными операционными системами и оболочками, разработанными для компьютера IBM PC. Адресная шина i80286 была увеличена с 20 до 24 разрядов, что привело к расширению адресного пространства с 1 до 16 Мб (224 байт). Новый метод адресации памяти позволил изолировать адресные пространства отдельных задач друг от друга. При этом прикладная программа, которая работает в среде операционной системы, использующей защищенный режим, не может случайно или намеренно разрушить целостность самой операционной системы. В защищенном режиме программа может записывать данные только в те области памяти, которые выделены ей операционной системой. Это сильно повышает надежность работы мультизадачных и, в частности, мультипользовательских операционных систем. В последнем случае изолирование адресных пространств задач, принадлежащих отдельным пользователям, в хорошо https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 110/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» спроектированной мультипользовательской операционной системе полностью исключает такую ситуацию, когда после запуска одним пользователем недостаточно отлаженной программы приходится перезапускать всю систему. Следующие модели процессоров фирмы Intel – i80386, i80486 и i80586 (Pentium) – были 32-разрядными. Помимо расширения адресного пространства до величины в 4 Гбайта (232 байт) в них реализована концепция страничной виртуальной памяти, возможной только в защищенном режиме. Механизм страничной виртуальной памяти позволяет разместить часть оперативной памяти на диске. При этом размер оперативной памяти (виртуальной), предоставляемой программам, ограничен разве что размером свободного пространства на диске. Механизм страничной виртуальной памяти может обеспечить прикладные программы относительно быстрой оперативной памятью, размер которой больше размера физической памяти, установленной в компьютере. Перечислим кратко основные преимущества, которые получает программа, работающая в защищенном режиме процессора: · возможность непосредственной адресации памяти за пределами первого мегабайта; · для процессоров i80х86 реализован механизм страничной виртуальной памяти, позволяющий программам работать с памятью, размер которой может быть много больше физической оперативной памяти, установленной в компьютере; · аппаратная поддержка мультизадачности позволяет создавать на основе процессоров, работающих в защищенном режиме, высокопроизводительные мультизадачные и мультипользовательские системы. Виртуальный реальный режим. Помимо страничной виртуальной памяти в процессорах i80386 и более поздних реализован так называемый режим виртуального процессора i8086, или просто виртуальный режим. Этот режим реализуется в рамках защищенного режима (процессор может переключиться в виртуальный режим только из защищенного режима). В виртуальном режиме процессор способен выполнять программы, составленные для процессора https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 111/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» i8086, находясь в защищенном режиме и используя аппаратные средства защищенного режима: мультизадачность, изолирование адресных пространств отдельных задач друг от друга, страничная виртуальная память. Основные выводы: 1. Память состоит из ячеек, в каждой из которых содержится один бит информации, имеющий значение 0 или 1. 2. Группа из n бит, которые могут записываться и считываться за одну базовую операцию, называется «словом информации». 3. Разные процессоры имеют разное адресное (адресуемое) пространство. Вопросы для самопроверки: 1. Приведите и поясните пример операций с памятью. 2. Что означает понятие «прямой доступ к памяти»? 3. Перечислите режимы, в которых могут работать современные процессоры класса 80x86. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 112/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Тема 10. Система ввода-вывода и организация взаимодействия с периферийными устройствами Изучив тему занятия, вы будете: знать: · способы взаимодействия устройств компьютерной системы; · принципы работы системных и периферийных устройств; · назначение и возможности устройств сопряжения; · способы подключения устройств сопряжения. Основные понятия: · периферийные устройства; · внешний интерфейс; · адаптер; · контроллер; · системные устройства; · драйвер; · хост, хаб, функция. Теоритический материал по теме Материал данного занятия посвящен очень специфичному вопросу: как и какие устройства можно подключить к компьютеру. Точнее, не просто к компьютеру, а, как мы уже знаем, к системному блоку. Из материала предыдущих занятий вы знаете, что все устройства, подключаемые к системному блоку, называются периферийными устройствами, или просто периферией. Некоторые периферийные устройства обязательно входят в перечень технических средств, составляющих собственно компьютер (клавиатура, манипулятор типа «мышь», монитор). https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 113/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Периферийные устройства, не являющиеся обязательными компонентами компьютера, подразделяются на три большие группы: стандартные устройства, нестандартные устройства и устройства сопряжения. Это разделение очень и очень условное, и наверняка кто-то из специалистов в области компьютеров с ним не согласится, но провести некую границу между группами все-таки возможно. Сразу оговоримся, что фантастические темпы развития компьютерных технологий постоянно эти границы изменяют и то, что 2–3 года назад было редким эксклюзивом (например, цифровая фотокамера), теперь становится вполне доступным и привычным устройством. Итак, к стандартным относятся устройства, применяемые большинством пользователей, выпускающиеся огромными партиями и предназначенные для решения повседневных задач. К таким устройствам относятся: аудиосистемы, принтеры, сканеры, модемы и т.д. К нестандартным относятся устройства, предназначенные для досуга или решения специальных задач. Это различные многофункциональные устройства, игровые устройства, цифровые фото- и видеокамеры, специальные наушники, микрофоны, синтезаторы, WEB-камеры и т.д. Устройства сопряжения предназначены для подключения к системному блоку технических средств узкой специализации, зачастую индивидуальных и уникальных. С помощью устройств сопряжения подключаются кассовые аппараты, различные охранные системы, системы телеметрического наблюдения, всевозможные системы контроля и т.д. Общие принципы работы периферийных устройств. Все устройства подключаются к системному блоку через внешние интерфейсы или с помощью специализированных адаптеров или https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 114/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» контроллеров, устанавливаемых на материнскую плату или размещаемых на платах (картах) расширения. Внешний интерфейс – это совокупность унифицированных аппаратных, программных и конструктивных средств, необходимых для реализации взаимодействия различных функциональных элементов в системах при условиях, предписанных стандартом и направленных на обеспечение информационной, электрической и конструктивной совместимости указанных элементов. Адаптер является средством связи (сопряжения) какого-либо устройства с какой-либо шиной или интерфейсом компьютера. Контроллер служит тем же целям сопряжения, но при этом подразумевается его активность – способность к самостоятельным действиям после получения команд от обслуживающей его программы. Сложный контроллер может иметь в своем составе и собственный процессор. Все внешние интерфейсы компьютера тоже имеют свои адаптеры и контроллеры. Для взаимодействия с программой адаптеры и контроллеры обычно имеют регистры ввода и вывода. Эти регистры могут располагаться либо в адресном пространстве памяти, либо в специальном пространстве портов ввода-вывода. Кроме того, используются механизмы аппаратных прерываний для сигнализации программе о событиях, происходящих в периферийных устройствах. Для обмена информацией с устройствами применяется механизм прямого доступа к памяти DMA (Direct Memory Access), а также прямое управление шиной. Все устройства, занимающие какие-либо свои системные ресурсы – порты ввода-вывода, ячейки памяти, линии запросов прерывания или каналы DMA – называются системными устройствами. По этим признакам к системным устройствам относится и оперативная память. Системные устройства могут располагаться на материнской плате или картах расширения, устанавливаемых в шины расширения. Среди них могут быть и стандартные (известные программному обеспечению, включая BIOS), и нестандартные, существующие порой в единственном экземпляре. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 115/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Периферийные устройства подключаются к тем или иным интерфейсам системных устройств. Так, например, винчестер, подключенный к контроллеру ATA материнской платы, является периферийным устройством. Отдельных ресурсов он не занимает – процессор к нему обращается через ресурсы контроллера ATA. А вот сам контроллер ATA является системным устройством и занимает ресурсы (порты, прерывание) независимо от того, подключены к нему периферийные устройства или нет. Для того чтобы все установленное «железо» нормально работало, используется специальное программное обеспечение – драйверы, то есть программные модули, содержащие процедуры работы с устройствами. Необходимость выделения драйверов в отдельные модули обусловлена тем, что устройство определенного назначения может иметь самые разные реализации. Например, в компьютере может быть установлен самый примитивный видеоадаптер, а может – суперсовременная карта с трехмерным акселератором. Если бы не было драйверов, то разработчикам прикладного программного обеспечения приходилось бы включать в него множество аппаратно-зависимых процедур, причем для всех известных ему моделей видеоадаптеров. При этом очевидно, что появление новых адаптеров потребовало бы модернизации программы. Выделение драйверов, как правило, поставляемых изготовителем аппаратного обеспечения, избавляет от этих и других неудобств. Драйвер хорошо «знает» программную модель и особенности работы со своим устройством. Стандартные периферийные устройства. Эти устройства подключаются к системному блоку через строго определенные разъемы и шины, если речь идет об устройствах расположенных внутри системного блока. Технические параметры всех этих устройств и принципы работы будут рассмотрены в последующих занятиях. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 116/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Рис. 26. Разъемы для подключения к системному блоку стандартных периферийных устройств На приведенном выше рисунке (рис. 26) показано, какие устройства и как подключаются к системному блоку через разъемы, расположенные на задней стенке. Устройства сопряжения. Устройством сопряжения (УС) в широком смысле называется любое устройство, обеспечивающее взаимодействие между двумя техническими средствами (системами). В данном случае под УС подразумевается устройство, подключаемое к компьютерной системе. При этом очень важно иметь в виду, что устройство может нарушить работу системы в целом, причем не исключено, что только в одном, редко используемом режиме. Поэтому при приобретении, установке и эксплуатации УС требуются специальные знания, которые заинтересованный читатель может найти в соответствующей литературе. В данной теме мы рассмотрим самое важное из условий успешной эксплуатации УС – его соответствие внешним интерфейсам компьютера. Обращаю ваше внимание на использование понятий. Синонимами термина «устройство сопряжения» являются «адаптер», «контроллер». Иногда УС несколько неправильно называют «интерфейсом». Если УС ориентировано на системную магистраль, его еще называют «платой (картой) расширения». Сути дела выбор того или иного термина не меняет. Задача – сопряжение компьютера https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 117/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» с каким-то внешним устройством, прибором, установкой, комплексом, процессом и т.д. Итак, к IBM-совместимому персональному компьютеру УС могут быть подключены четырьмя способами, соответствующими четырем типам стандартных внешних интерфейсов, средства которых входят в базовую конфигурацию компьютера: · через системную магистраль, или шину, канал – эти термины равнозначны (в современных системах это PCI – Peripheral Component Interconnect, в устаревших компьютерах это ISA – Industrial Standard Architecture); · через параллельный интерфейс Centronics (LPT-порт); · через последовательный интерфейс RS-232C (COM-порт); · через универсальную системную шину USB (Universal Serial Bus). Подключение через системную магистраль обеспечивает наибольшую скорость обмена. При этом не требуется ни отдельного конструктива (плата УС устанавливается в корпус компьютера), ни дополнительного источника питания (используется тот, который есть в компьютере). В то же время одноплатное исполнение ограничивает сложность УС, а соседство с быстродействующими и мощными цифровыми узлами компьютера приводит к высокому уровню электромагнитных помех и наводок по цепям питания. Выбор Centronics или RS-232C позволяет расположить УС (причем УС любой сложности) на большом расстоянии от компьютера. Но при этом достигается гораздо меньшая скорость обмена, а также требуется внешний конструктив и дополнительный источник питания, что существенно увеличивает стоимость системы. Немаловажно и то, что без специальных ухищрений через эти интерфейсы можно подключить только одно УС. Что касается сложности узлов сопряжения (интерфейсной части УС), то обмен в параллельном формате гораздо проще, чем в последовательном. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 118/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Интерфейс RS-232C предназначен для подключения к компьютеру стандартных внешних устройств (принтера, сканера, модема, мыши и др.), а также для связи компьютеров между собой. Основными преимуществами использования RS-232C по сравнению с Centronics являются возможность передачи на значительно большие расстояния и гораздо более простой соединительный кабель. В то же время работать с ним несколько сложнее. Данные в RS-232C передаются в последовательном коде побайтно. Каждый байт обрамляется стартовым и стоповыми битами. Данные могут передаваться как в одну, так и в другую сторону (дуплексный режим). Компьютер имеет 25-контактный (DB25P) или 9-контактный (DB9P) разъем для подключения RS-232C. Основным назначением интерфейса Centronics является подключение к компьютеру принтеров различных типов. Поэтому распределение контактов разъема, назначение сигналов, программные средства управления интерфейсом ориентированы именно на это использование. В то же время с помощью данного интерфейса можно подключать к компьютеру и другие внешние устройства, имеющие разъем Centronics, а также специально разработанные УС. Основным достоинством использования Centronics для подключения УС по сравнению с PCI является значительно меньший риск вывести компьютер из строя. Главный недостаток этого подхода – значительно меньшая скорость обмена. И, наконец, самый популярный способ подключения – через шину USB. Интерфейс USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная шина) позволяет производить обмен информацией с периферийными устройствами на трех скоростях (спецификация USB 2.0): · низкая скорость (Low Speed – LS) – 1,5 Мбит/с; https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 119/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» · полная скорость (Full Speed – FS) – 12 Мбит/с; · высокая скорость (High Speed – HS) – 480 Мбит/с. Интерфейс USB соединяет между собой хост (host) и устройства. Хост находится внутри персонального компьютера и управляет работой всего интерфейса. Для того чтобы к одному порту USB можно было подключать более одного устройства, применяются хабы. Хаб (hub) – устройство, обеспечивающее подключение к интерфейсу других устройств. Корневой хаб (root hub) находится внутри компьютера и подключен непосредственно к хосту. В интерфейсе USB используется специальный термин «функция». Функция – это логически законченное устройство, выполняющее какую либо специфическую функцию. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 120/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Рис. 27. Топология интерфейса USB Топология интерфейса USB (рис. 27) представляет собой набор из 7 уровней (tier): на первом уровне находится хост и корневой хаб, а на последнем – только функции. Устройство, в состав которого входит хаб и одна или несколько функций, называется составным (compaund device). Порт хаба или функции, подключаемый к хабу более высокого уровня, называется восходящим портом (upstream port), а порт хаба, подключаемый к хабу более низкого уровня или к функции, называется нисходящим портом (downstream port). В связи с тем, что в интерфейсе USB реализован сложный протокол обмена информацией, в УС с интерфейсом USB необходим микропроцессорный блок, обеспечивающий поддержку протокола. Поэтому основным вариантом при разработке устройства сопряжения является применение микроконтроллера, который будет обеспечивать поддержку протокола обмена. В настоящее время все основные производители микроконтроллеров выпускают продукцию, имеющую в своем составе блок USB. Таким образом, основными преимуществами подключения УС через USB является: · высокая скорость передачи данных (в отличие от RS232C и Centro-nics); · отсутствие необходимости устанавливать УС внутрь системного блока (в отличие от PCI); · возможность подключения нескольких устройств наиболее удобным способом (вспомните про разъемы USB на передней панели системного блока); · малые размеры разъема. Еще раз подчеркнем, что по своей сути УС представляют собой те же адаптеры либо контроллеры, только обеспечивающие подключение специфичных, а порой уникальных устройств. Основные выводы: https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 121/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» 1. Периферийные устройства разделены на три большие группы: стандартные устройства, нестандартные устройства и устройства сопряжения. 2. Подключение любых периферийных устройств происходит через системные устройства, то есть устройства, располагающие какимилибо ресурсами компьютерной системы. 3. Для управления системными и периферийными устройствами используются специальные программные модули – драйверы. 4. Устройства сопряжения могут подключаться четырьмя способами: через шину PCI, LPT-порт, COM-порт и USB. Последний способ является наиболее оптимальным. Вопросы для самопроверки: 1. Каким образом различные устройства подключаются к системному блоку (материнской плате)? 2. Какими ресурсами могут располагать системные устройства? 3. Каким образом происходит подключение к системному блоку периферийных устройств? 4. С чем связана необходимость разработки специальных программных модулей – драйверов? 5. Как подключаются к ПК устройства сопряжения? 6. Для чего предназначены интерфейсы Centronix и RS232C? 7. Что из себя представляет топология интерфейса USB? Тема 11. Сети ЭВМ, информационновычислительные системы и сети Изучив тему занятия, вы будете: знать: · назначение и основные принципы построения информационно- вычислительных сетей (ИВС); https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 122/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» · показатели качества работы ИВС; · виды ИВС и топологии их построения; · модели взаимодействия открытых систем. Основные понятия: · распределенная обработка данных; · система телеобработки данных; · многомашинные вычислительные системы и информационно- вычислительная сеть (ИВС); · сеть Intranet; · протокол; · модель OSI; · открытая система; · стек коммуникационных протоколов. Теоритический материал по теме Эффективное управление организацией невозможно без непрерывного отслеживания состояний коммерческого и финансового рынков, без оперативной координации деятельности всех филиалов и сотрудников. Решение названных задач требует совместного участия большого числа различных специалистов, часто территориально удаленных друг от друга. В такой ситуации во главу угла организации эффективного взаимодействия этих специалистов должны быть поставлены системы распределенной обработки данных. Распределенная обработка данных – обработка данных, выполняемая на независимых, но связанных между собой компьютерах, представляющих территориально распределенную систему. Первыми представителями систем распределенной обработки данных были системы телеобработки данных и многомашинные вычислительные системы. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 123/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Системы телеобработки данных – это информационновычислительные системы, в которых выполняется дистанционная централизованная обработка данных, поступающих в центр обработки по каналам связи. Многомашинные вычислительные системы – это системы, содержащие несколько одинаковых или различных, относительно самостоятельных компьютеров, связанных между собой через устройство обмена информацией, в частности, по каналам связи. В последнем случае речь идет об информационно-вычислительных сетях. Информационно-вычислительная сеть, ИВС (возможное название – вычислительная сеть, ВС) представляет собой систему компьютеров, объединенных каналами передачи данных). Основное назначение ИВС – обеспечение эффективного предоставления различных информационно-вычислительных услуг пользователям сети посредством организации удобного и надежного доступа к ресурсам, распределенным в этой сети. В последние годы подавляющая часть услуг большинства сетей лежит в сфере именно информационного обслуживания. В частности, информационные системы, построенные на базе ИВС, обеспечивают эффективное выполнение следующих задач: · хранение данных; · обработка данных; · организация доступа пользователей к данным; · передача данных и результатов обработки данных пользователям. Эффективность решения указанных задач обеспечивается: · распределенными в сети аппаратными, программными и информационными ресурсами; · дистанционным доступом пользователя к любым видам этих ресурсов; https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 124/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» · возможным наличием централизованной базы данных наряду с распределенными базами данных; · высокой надежностью функционирования системы, обеспечиваемой резервированием ее элементов; · возможностью оперативного перераспределения нагрузки в пиковые периоды; · специализацией отдельных узлов сети на решении задач определенного класса; · решением сложных задач совместными усилиями нескольких узлов сети; · оперативным дистанционным информационным обслуживанием клиентов. Основные показатели качества ИВС. 1. Полнота выполняемых функций. Сеть должна обеспечивать выполнение всех предусмотренных для нее функций и по доступу ко всем ресурсам, и по совместной работе узлов, и по реализации всех протоколов и стандартов работы. 2. Производительность – среднее количество запросов пользователей сети, исполняемых за единицу времени. Производительность зависит от времени реакции системы на запрос пользователя. Это время складывается из трех составляющих: · время передачи запроса от пользователя к узлу сети, ответственному за его исполнение; · время выполнения запроса в этом узле; · время передачи ответа на запрос пользователю. 3. Значительную долю времени реакции составляет передача информации в сети. Следовательно, важной характеристикой сети является ее пропускная способность. Пропускная способность определяется количеством данных, передаваемых через сеть (или ее звено – сегмент) за единицу времени. 4. Надежность сети – важная техническая характеристика. Надежность чаще всего характеризуется средним временем https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 125/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» наработки на отказ. 5. Поскольку сеть является информационной системой, то более важной потребительской характеристикой является достоверность ее результирующей информации (показатель своевременности информации поглощается достоверностью: если информация поступила несвоевременно, то в нужный момент на выходе системы информация недостоверна). Существуют технологии, обеспечивающие высокую достоверность функционирования системы даже при несвоевременности информации. Можно сказать, что надежность информационной системы – это не самоцель, а средство обеспечения достоверной информации на ее выходе. 6. Современные сети часто имеют дело с конфиденциальной информацией, поэтому важнейшим параметром сети является безопасность информации в ней. Безопасность – это способность сети обеспечить защиту информации от несанкционированного доступа. 7. Прозрачность сети – еще одна важная потребительская характеристика. Прозрачность означает невидимость особенностей внутренней архитектуры сети для пользователя: в оптимальном случае он должен обращаться к ресурсам сети как к локальным ресурсам своего собственного компьютера. 8. Масштабируемость – возможность расширения сети без заметного снижения ее производительности. 9. Универсальность сети – возможность подключения к сети разнообразного технического оборудования и программного обеспечения от разных производителей. Виды информационно-вычислительных сетей. Информационно-вычислительные сети в зависимости от территории, ими охватываемой, подразделяются на: · локальные (ЛВС или LAN – Local Area Network); · региональные (РВС или MAN – Metropolitan Area Network); · глобальные (ГВС или WAN – Wide Area Network). https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 126/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Локальной называется сеть, абоненты которой находятся на небольшом (до 10–15 км) расстоянии друг от друга. ЛВС объединяет абонентов, расположенных в пределах небольшой территории. В настоящее время не существует четких ограничений на территориальный разброс абонентов локальной вычислительной сети. Обычно такая сеть привязана к конкретному объекту. К классу ЛВС относятся сети отдельных предприятий, фирм, банков, офисов, корпораций и т.д. Если такие ЛВС имеют абонентов, расположенных в разных помещениях, то эти сети часто используют инфраструктуру глобальной сети Интернет и их принято называть корпоративными сетями, или сетями интранет (Intranet).1 Региональные сети связывают абонентов города, района, области или даже небольшой страны. Обычно расстояния между абонентами региональной ИВС составляют десятки – сотни километров. Глобальные сети объединяют абонентов, удаленных друг от друга на значительное расстояние, часто находящихся в различных странах или на разных континентах. Взаимодействие между абонентами такой сети может осуществляться на базе телефонных линий связи, систем радиосвязи и даже спутниковой связи. Объединение глобальных, региональных и локальных вычислительных сетей позволяет создавать многосетевые иерархии. Они обеспечивают мощные, экономически целесообразные средства обработки огромных информационных массивов и доступ к неограниченным информационным ресурсам. Локальные вычислительные сети могут входить как компоненты в состав региональной сети, региональные сети – объединяться в составе глобальной сети и, наконец, глобальные сети могут также образовывать сложные структуры. Именно такая структура принята в наиболее известной и популярной сейчас всемирной суперглобальной информационной сети Интернет. По принципу организации передачи данных сети можно разделить на две группы: · последовательные; · широковещательные. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 127/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» В последовательных сетях передача данных выполняется последовательно от одного узла к другому, и каждый узел ретранслирует принятые данные дальше. Практически все глобальные, региональные и многие локальные сети относятся к этому типу. В широковещательных сетях в каждый момент времени передачу может вести только один узел, остальные узлы могут только принимать информацию. К такому типу сетей относится значительная часть ЛВС, использующая один общий канал связи (моноканал) или одно общее пассивное коммутирующее устройство. По геометрии построения (топологии) ИВС могут быть: · шинные (линейные, bus); · кольцевые (петлевые, ring); · радиальные (звездообразные, star); · распределенные радиальные (сотовые, cellular); · иерархические (древовидные, hierarchy); · полносвязные (сетка, mesh); · смешанные (гибридные). Сети с шинной топологией используют линейный моноканал передачи данных, к которому все узлы подсоединены через интерфейсные платы посредством относительно коротких соединительных линий. Данные от передающего узла сети распространяются по шине в обе стороны. Промежуточные узлы не https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 128/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» ретранслируют поступающих сообщений. Информация поступает на все узлы, но принимает сообщение только тот, которому оно адресовано. Шинная топология – одна из наиболее простых топологий. Такую сеть легко наращивать и конфигурировать, а также адаптировать к различным системам; она устойчива к возможным неисправностям отдельных узлов. Сеть шинной топологии применяют широко известная сеть Ethernet и организованная на адаптерах Ethernet сеть Novell NetWare, очень часто используемая в офисах. В сети с кольцевой топологией все узлы соединены в единую замкнутую петлю (кольцо) каналами связи. Выход одного узла сети соединяется со входом другого. Информация по кольцу передается от узла к узлу, и каждый узел ретранслирует посланное сообщение. В каждом узле для этого имеются свои интерфейсная и приемопередающая аппаратура, позволяющая управлять прохождением данных в сети. Передача данных по кольцу с целью упрощения приемо-передающей аппаратуры выполняется только в одном направлении. Принимающий узел распознает и получает только адресованные ему сообщения. Ввиду своей гибкости и надежности работы сети с кольцевой топологией получили также широкое распространение на практике (например, сеть Token Ring). https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 129/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Основу последовательной сети с радиальной топологией составляет специальный компьютер – сервер, к которому подсоединяются рабочие станции, каждая по своей линии связи. Вся информация передается через центральный узел, который ретранслирует, переключает и маршрутизирует информационные потоки в сети. По своей структуре такая сеть по существу является аналогом системы телеобработки, у которой все абонентские пункты являются интеллектуальными (содержат в своем составе компьютер). https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 130/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» В качестве недостатков такой сети можно отметить: · большую загруженность центральной аппаратуры; · полную потерю работоспособности сети при отказе центральной аппаратуры; · большую протяженность линий связи; · отсутствие гибкости в выборе пути передачи информации. Последовательные радиальные сети используются в офисах с явно выраженным централизованным управлением. Но используются и широковещательные радиальные сети с пассивным центром – вместо центрального сервера в таких сетях устанавливается коммутирующее устройство, обычно концентратор, обеспечивающий подключение одного передающего канала сразу ко всем остальным. В общем случае топологию многосвязной вычислительной сети можно представить на примере топологии «сетка», как показано на рис. 28. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 131/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Рис. 28. Топология многосвязной вычислительной сети (топология «сетка») ИВС, включающая элементы различных топологий, называется гибридной. В структуре сети можно выделить коммуникационную и абонентскую подсети: · коммуникационная подсеть является ядром вычислительной сети, связывающим рабочие станции и серверы сети друг с другом. Звенья коммуникационной подсети (в данном случае – узлы коммутации) связаны между собой магистральными каналами связи, https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 132/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» обладающими высокой пропускной способностью. В больших сетях коммуникационную подсеть часто называют сетью передачи данных; · звенья абонентской подсети (хост-компьютеры, серверы, рабочие станции) подключаются к узлам коммутации абонентскими каналами связи – обычно это среднескоростные телефонные каналы связи. В зависимости от используемой коммуникационной среды сети делятся на сети с моноканалом, а также иерархические, полносвязные сети и сети со смешанной топологией. В сетях с моноканалом данные могут следовать только по одному и тому же пути; в них доступ абонентов к информации осуществляется на основе селекции (выбора) передаваемых кадров или пакетов данных по адресной части последних. Все пакеты доступны всем пользователям сети, но «вскрыть» пакет может только тот абонент, чей адрес в пакете указан. Такие сети иногда называют сетями с селекцией информации. Иерархические, полносвязные и сети со смешанной топологией в процессе передачи данных требуют маршрутизации информации, то есть выбора в каждом узле пути дальнейшего движения информации. Правда, альтернативная неоднозначная маршрутизация выполняется только в сетях, имеющих замкнутые контуры каналов связи (ячеистую структуру). Такие сети называются сетями с маршрутизацией информации. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 133/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Модель взаимодействия открытых систем. Управление таким сложным, использующим многочисленную и разнообразную аппаратуру процессом, как передача и обработка данных в разветвленной сети, требует формализации и стандартизации процедур: · выделения и освобождения ресурсов компьютеров и системы телекоммуникации; · установления и разъединения соединений; · маршрутизации, согласования, преобразования и передачи данных; · контроля правильности передачи; · исправления ошибок и т.д. Необходимость стандартизации протоколов важна и для «понимания» сетями друг друга при их взаимодействии. Указанные задачи решаются с помощью системы протоколов и стандартов, регламентирующих нормализованные процедуры взаимодействия элементов сети при установлении связи и передаче данных. Протокол – это набор правил и методов взаимодействия объектов вычислительной сети, охватывающий основные процедуры, алгоритмы и форматы взаимодействия, обеспечивающие корректность согласования, преобразования и передачи данных в https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 134/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» сети. Реализацией протокольных процедур обычно управляют специальные программы, реже – аппаратные средства. Протоколы для сетей – то же самое, что язык для людей. Говоря на разных языках, люди могут не понимать друг друга – так же ведут себя и сети, использующие разные протоколы. Но и внутри сети протоколы обеспечивают разные варианты обращения с информацией, разные виды сервиса при работе с ней. От эффективности этих сервисов, их надежности, простоты, удобства и распространенности зависит то, насколько эффективна и комфортна вообще работа человека в сети. Международной организацией по стандартизации (ISO – International Organization for Standardization) разработана система стандартных протоколов, получившая название модели взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection– OSI), часто называемая также эталонной семиуровневой логической моделью открытых систем. Открытая система – система, доступная для взаимодействия с другими системами в соответствии с принятыми стандартами. Эта система протоколов базируется на технологии «разделяй и властвуй», то есть на разделении всех процедур взаимодействия на отдельные мелкие функциональные уровни, для каждого из которых легче создать стандартные алгоритмы их построения. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 135/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Модель OSI представляет собой самые общие рекомендации для построения стандартов совместимых сетевых программных продуктов, она же служит базой для производителей при разработке совместимого сетевого оборудования, то есть эти рекомендации должны быть реализованы как в аппаратуре, так и в программных средствах вычислительных сетей. В настоящее время модель взаимодействия открытых систем является наиболее популярной сетевой архитектурной моделью. Модель регламентирует общие функции, а не специальные решения, поэтому реальные сети имеют достаточно пространства для маневра. Итак, для упорядочения функций управления и протоколов вычислительной сети вводятся функциональные уровни. В общем случае сеть должна иметь 7 функциональных уровней: Таблица 4. Уровень OSI Назначение Обеспечивает прикладным процессам пользователя средства доступа к сетевым 7. Прикладной ресурсам; является интерфейсом между программами пользователя и сетью. Имеет интерфейс с пользователем. Примеры протоколов Х.400, NCP, HTTP, SMTP, FTP, FTAM, SAP, DNS, Telnet Устанавливает стандартные способы представления данных, которые удобны для всех 6. взаимодействующих объектов прикладного X.226 Представления уровня. Имеет интерфейс с прикладными программами. 5. Сеансовый Обеспечивает средства, необходимые сетевым объектам для организации, синхронизации X.225,RPC, и административного управления обменом данных NetBEUI между ними. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 136/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Обеспечивает надежную, экономичную и 4. «прозрачную» передачу данных между Транспортный взаимодействующими объектами сеансового уровня. X.224, TCP, UDP, NSP, SPX, SPP, RH 3. Сетевой Обеспечивает маршрутизацию передачи данных в сети, устанавливает логический канал между X.25, X.75, IP, IPX, объектами для реализации протоколов IDP, TH, DNA-4 транспортного уровня. 2. Канальный Обеспечивает непосредственную связь объектов LAP-B, HDLC, сетевого уровня, функциональные и процедурные SNAP, SDLC, IEEE средства ее поддержки для эффективной 802.2 реализации протоколов сетевого уровня. 1. Физический Формирует физическую среду передачи данных, устанавливает соединения объектов сети с этой средой. Ethernet, ARCNet, Token Ring, IEEE 802.3 Блоки информации, передаваемые между уровнями, имеют стандартный формат: заголовок (header), служебная информация, данные, концевик. Каждый уровень при передаче блока информации нижестоящему уровню снабжает его своим заголовком. Заголовок вышестоящего уровня воспринимается нижестоящим как передаваемые данные. На рис. 29 показана структура передачи данных модели OSI с добавленными заголовками. Средства каждого уровня отрабатывают протокол своего уровня и интерфейсы с соседними уровнями. Нижестоящие уровни обеспечивают возможность функционирования вышестоящих; при этом каждый уровень имеет интерфейс только с соседними уровнями и на каждом уровне управления оговаривается: · спецификация услуг (что делает уровень?); · спецификация протоколов (как это делается?). Набор протоколов, достаточный для организации взаимодействия в сети, называется стеком коммуникационных протоколов. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 137/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Рис. 29. Структура передачи данных модели OSI с добавленными заголовками Указанные уровни управления можно по разным признакам объединять в группы: · уровни 1, 2 и частично 3 реализуются в большей части за счет аппаратных средств; верхние уровни с 4 по 7 и частично 3 обеспечиваются программными средствами; · уровни 1 и 2 обслуживают абонентскую подсеть, уровни 3 и 4 – коммуникационную подсеть, уровни 5–7 обслуживают прикладные процессы, выполняемые в сети; · уровни 1 и 2 ответственны за физические соединения; уровни 3–6 заняты организацией передачи, передачей и преобразованием информации в понятную для абонентской аппаратуры форму; уровень 7 обеспечивает выполнение прикладных программ пользователя. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 138/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Основные выводы: 1. Основное назначение информационно-вычислительных сетей (ИВС) – обеспечение эффективного предоставления различных информационно-вычислительных услуг пользователям сети посредством организации удобного и надежного доступа к ресурсам, распределенным в этой сети. 2. Управление таким сложным, использующим многочисленную и разнообразную аппаратуру процессом, как передача и обработка данных в разветвленной сети, регламентируется протоколами. Вопросы для самопроверки: 1. Для чего создаются ИВС? 2. Каким образом обеспечивается эффективность использования ИВС? 3. Какие показатели характеризуют качество ИВС? 4. Какие существуют виды ИВС? 5. Какие существуют топологии построения ИВС? 6. Как осуществляется взаимодействие в ИВС согласно модели OSI? 7. Как устроен стек коммуникационных протоколов? Тема 12. Коммуникационные устройства Изучив тему занятия, вы будете: знать: · какие существуют способы соединения компьютеров друг с другом; · как компьютеры объединяются в локальную вычислительную сеть; · принцип работы и технические параметры аналоговых модемов; · принцип работы и технические параметры цифровых модемов. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 139/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Основные понятия: · модем; · модуляция и демодуляция; · DSL, ADSL. Теоритический материал по теме Как следует из названия занятия, речь пойдет о технических средствах соединения удаленных компьютеров между собою. Способ соединения зависит от расстояния между компьютерами. В пределах одного здания компьютеры объединяются в локальную вычислительную сеть (ЛВС). Подключение отдельного компьютера к сети осуществляется с помощью сетевого адаптера. Тип сетевого адаптера определяется скоростью передачи данных и видом разъема. Вид разъема в свою очередь зависит от того, какой кабель используется для прокладки сети. В настоящее время используется три типа кабеля: · коаксиальный; · витая пара – UTP (Universal Twisted Pair); · волоконно-оптический кабель. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 140/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Наибольшее распространение получили локальные сети, использующие витую пару. Использование коаксиального кабеля является самым дешевым, но и скорость очень низкая. Кроме того, сети, построенные на основе коаксиального кабеля, очень часто выходят из строя вследствие особенности топологий и ненадежности подключения кабеля к сетевому адаптеру. Витая пара обеспечивает хорошую скорость передачи данных (до 100 Мбит в секунду) и приемлема по цене. Кроме того, она предоставляет широкие возможности при создании локальных сетей различных топологий. Для этого используется специальное сетевое оборудование – хабы, свитчи, роутеры, разветвители, мосты и т.д. Использование волоконно-оптического кабеля очень дорогостояще и в масштабах отдельного предприятия является технически неоправданным из-за высокой сложности прокладки кабеля и подсоединения устройств. Для соединения компьютеров, удаленных друг от друга на многие километры, используются специальные устройства, передающие данные по каналам телефонной связи, – модемы. Модемы бывают аналоговые и цифровые. Аналоговые модемы. Модем – устройство для передачи компьютерных данных на большие расстояния по телефонным линиям связи. Цифровые сигналы, вырабатываемые компьютером, нельзя напрямую передавать по телефонной сети, потому что она предназначена для передачи человеческой речи – непрерывных сигналов звуковой частоты. Модем обеспечивает преобразование цифровых сигналов компьютера в переменный ток частоты звукового диапазона – этот процесс называется модуляцией, а также обратное преобразование, которое называется демодуляцией. Отсюда название устройства: модем-модулятор/демодулятор. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 141/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Рис. 30. Процесс связи при помощи модема Для осуществления связи один модем вызывает другой по номеру телефона, а тот отвечает на вызов. Затем модемы посылают друг другу сигналы, согласуя подходящий им обоим режим связи. После этого передающий модем начинает посылать модулированные данные с согласованными скоростью (количеством бит в секунду) и форматом. Модем на другом конце преобразует полученную информацию в цифровой вид и передает ее своему компьютеру. Закончив сеанс связи, модем отключается от линии. Кроме того, модем имеет еще немало других функций, основные из которых – это коррекция ошибок и сжатие данных. Первый режим обеспечивает дополнительные сигналы, посредством которых модемы осуществляют проверку данных на двух концах линии. Второй сжимает информацию для более быстрой и четкой ее передачи, а затем восстанавливает ее на получающем модеме. Оба эти режима заметно увеличивают скорость и чистоту передачи информации, особенно в российских телефонных линиях. Основные характеристики модемов. Модемы различаются по многим характеристикам: исполнению, поддерживаемым протоколам передачи данных, протоколам коррекции ошибок, возможности голосовой, факсимильной передачи данных. По исполнению (внешний вид, размещение модема по отношению к компьютеру) бывают следующие модемы: · внутренний модем – вставляется в компьютер как плата расширения; · настольный (внешний) модем – имеет отдельный корпус и размещается рядом с компьютером, соединяясь кабелем с портом компьютера; https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 142/178 07.11.2023, 20:20 · Московский финансово-промышленный университет «Синергия» модем в виде карточки миниатюрен и подсоединяется к портативному компьютеру через специальный разъем; · портативный модем схож с настольным модемом, но имеет уменьшенные размеры и автономное питание; · стоечные модемы вставляются в специальную модемную стойку, повышающую удобство эксплуатации, когда число модемов переваливает за десяток. Рис. 31. Внутренний и внешний модемы Модемы различаются также по типам: · асинхронный модем может выполнять только передачу по аналоговой телефонной сети и работает только с асинхронными коммуникационными портами терминальных устройств (в чистом виде в настоящее время не используется); · факс-модем – это классический модем с добавленной факс- возможностью, что позволяет обмениваться факсами с факсаппаратами и другими факс-модемами; · голосовой модем – это модем, способный не только выполнять функции факс-модема, но и принимать из телефонной сети голосовые сообщения, записывая их в файл; · модем с подстраховкой выделенной линии коммутируемой используется, когда требуется надежность связи; у таких модемов имеется два независимых входа для линии (один соединяется с выделенной линией, а второй – с коммутируемой); · SVD-модем (Simultaneous Voice and Data – «одновременно голос и данные») позволяют одновременно (а не чередуя) с передачей https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 143/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» данных вести разговор с помощью телефонной трубки, подключенной к модему; · синхронный модем – поддерживает синхронный и асинхронный режимы передачи; · четырехпроводный модем – работает по двум выделенным линиям (одна используется только для передачи, вторая только для приема) в дуплексном режиме; это используется для уменьшения влияния эха; · сотовый модем – используется для мобильной радиотелефонии, к которой относится и сотовая связь; · ISDN-модем –объединяет в своем корпусе обычный модем и ISDN-адаптер; · радиомодем – использует эфир как среду передачи вместо телефонных проводов; · сетевой модем – это модем со встроенным сетевым адаптером локальной сети для совместного использования в локальной сети; · кабельный модем – позволяет использовать для передачи каналы кабельного телевидения; при этом скорость может достигать 10 Мбит/ с. Модемы также характеризуются скоростью передачи данных. Она измеряется в bps (бит в секунду) и устанавливается фирмойпроизводителем в 2400, 9600, 14400, 16800, 19200, 28800, 33600, 56000 bps. Реальная скорость передачи данных зависит не только от показателей bps. На нее также влияют такие характеристики, как коррекция ошибок и сжатие данных. Все эти показатели регламентируются протоколами (стандартами). MNP (Microcom Networking Protocol) – стандарты, разработанные фирмой Microcom. CCITT (Comite’Consultatif International de Telegraphique et Tephonique) – Международный консультативный комитет по телеграфной и телефонной связи, уполномоченный принимать протоколы в международном масштабе; стандарты обозначаются «V.х.х.», где V означает передачу информации в аналоговом виде. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 144/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Стандарты на передачу в цифровом виде относятся к Х-серии, а на факс-аппараты – к Т-серии. Bell – старые и низкоскоростные протоколы, которые разработала одноименная дочерняя корпорация AT&T. Талица 5. Наиболее общие стандарты модемов Что Название контролирует Характеристика стандарта данный стандарт Модуляция (в основном скорость) Коррекция ошибок Bell 103 Скорость 300 bps (бит/с) Bell 212 Скорость 1200 bps V.21 Скорость 300 bps V.22 Скорость 1200 bps V.22bis Скорость 2400 bps V.32 Скорость 9600 bps V.32bis Скорость 1400 bps V.32terbo Скорость 19200 bps, расширение от V.32 до V.Fast V.34 Скорость 28000 bps V.Fast Предварительная версия стандарта V.34 V.90 Скорость до 56000 bps HST Оптимальный стандарт для взаимодействия с высокоскоростными модемами фирмы US Robotics MNP 1,2,3 Корректирует ошибки телефонной линии во время сеанса связи MNP4 Коррекция ошибок, адаптирующая пакеты данных к условиям телефонной линии https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 145/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Сжатие данных Fax стандарты LAMP Коррекция ошибок V.42 Коррекция ошибок; взаимодействует с MNP 2–3 и LAMP ARQ Коррекция ошибок; взаимодействует с некоторыми типами модемов MNP 5, MNP 7 Сжимает данные во время сеанса связи и при передаче файлов (до соотношения 2:1) V.42bis Сжимает данные до соотношения 4:1 Class 1 Стандарты для факс-модемов; поддерживается большинством программ Class 2 Скоростной стандарт, при котором факс-модемы выполняют основную работу компьютера; поддерживается также программным обеспечением для факсимильных аппаратов Class 2.0 Пересылка/прием факс-модемами файлов данных CAS Стандарты фирмы Intel Corporation для факсмодемов, устанавливающий режим совместной работы компьютера и факс-модема для пересылки/ приема данных, поддерживается большинством программ для факсимильных аппаратов SendFax Стандарт, поддерживающий только пересылку факсимиле V.17 При скорости пересылки факсимиле до 14400 bps для факс-модемов и 9600 bps для факсимильных аппаратов Hayes-совместимые модемы – асинхронные модемы, поддерживающие наборы регистров и команд модема, стали в настоящее время стандартом де-факто. Данный стандарт основан на поддержании стандартных АТ-команд. Некоторые дополнительные характеристики и возможности модема, полезные для отечественных телефонных линий: · наличие сертификата Министерства связи; · адаптивность к российским телефонным сетям с низким качеством связи; https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 146/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» · автоматическое определение номера звонящего (только на аналоговых АТС); · защита от перепадов напряжения в телефонной линии; · возможность измерения параметров связи (уровни входного и выходного сигналов, среднее число повторов, отношение «сигнал/ шум» и др.); · гибкая адаптация к линии для протоколов V.34,V.90; регулировка параметров импульсного набора номера, регулировка уровня выходного сигнала. Наиболее распространенны в России модемы фирм: 3 COM US Robitics, IDS Inpro, ZyXEL, Motorola ISG. ACORP, Genius. U.S.Robotics – недорогие и качественные модемы. Inpro – специализируется на производстве модемов для плохих линий и нестандартных АТС. ZyXEL всегда славились элегантным дизайном и новаторскими решениями, в числе первых в них были внедрены голосовые функции, есть адаптивные версии. Motorola ISG – выпускает наиболее совершенные, быстродействующие и надежные модемы. Рассмотрим модели некоторых внешних 56-киллобайтных модемов, популярных на российском рынке. Acrop 56000 Voice Faxmodem. Модем поддерживает протокол V.90. Из названия видно, что это факс-модем, голосовой. Имеет гнездо для подключения телефона, так что не придется устанавливать дополнительную розетку. Установка и настройка не вызывает проблем, так как поддерживается технология Plug-and-Play. Использует микропроцессорный набор Rockwell, что позволит подобрать оптимальную прошивку. Что касается скорости, то такая скорость, как 56 Кбит/с, достижима на редких российских сетях. Реальная скорость, полученная при тестировании данного модема, – 3,3–3,6 Кбайт/с, что считается довольно приличным результатом для российских сетей. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 147/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» 3 Com U.S. Robotics 56K Message Modem. Модем поддерживает протокол V.90. Помимо набора стандартных опций модем включает в себя возможности автоответчика, факса с расширенным набором функций. В первую очередь – это возможность функционирования модема в качестве автоответчика или факса вне зависимости от того, запущено ли в данный момент необходимое приложение, или даже при выключенном питании компьютера. В таком режиме, благодаря 2 Мбайт встроенной памяти, Message Modem может принять и сохранить до 20 минут голосовых сообщений или до 50 страниц факсов. Причем поступившую голосовую почту можно прослушивать с удаленного телефонного аппарата, а факсимильные сообщения доступны к прочтению с любого третьего факса. К сожалению, в модеме отсутствует разъем для подключения телефона. Установка и настройка не вызывают проблем, так как поддерживается технология Plug-and-Play. В поставку входят грамотно подобранные программы, кабель для подключения к последовательному порту компьютера, а также неплохие наушники. Немаловажное значение имеет хорошо развитая сервисная поддержка, программное обновление. 3 Com U.S. Robotics 56K Fax Modem. Модем поддерживает протокол V.90. В нем нет никаких дополнительных функций – только самое необходимое для нормальной работы. На панели оставлены лишь https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 148/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» четыре основных индикатора: определение несущей, отправка данных, прием данных и подача питания. Отсутствует второй телефонный разъем для подключения телефонного аппарата, не предусмотрено никаких голосовых функций и даже регулятора звука. В комплект поставки входит информационный файл для Windows, телефонный провод и длинный коммуникационный шнур. Модем полностью подготовлен для российского рынка: имеется русское руководство по эксплуатации и русский текст на коробке. CNet SinglePoint 56K USB Modem. Модем 56К USB из линейки коммуникационных устройств CNet SinglePoint имеет только два разъема – USB и телефонный RJ-11. Питание осуществляется по шине USB. Модем совершенно универсален – его удобно использовать как с ноутбуком (он ничуть не тяжелее модема формата PC Card), так и с настольным компьютером, оборудованным USBконцентратором. Единственный двухцветный световой индикатор отражает состояние модема – от инициализации до отправки/приема сообщений. Установка драйвера происходит без проблем. Плюс на прилагаемом CD-ROM поставляется PDF-руководство и внушительный набор программного обеспечения, включая программы Internet Explorer 5.0, Netscape Communicator 4.6, Eudora Light, Net2Phone, MediaRing Talk 99, Real Player G2 и многие другие. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 149/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Опыт работы с модемом показал, что даже на плохой линии он устанавливает достаточно скоростное (21,6 Кбит/с) и устойчивое соединение. Производительность и устойчивость модема к помехам сопоставима с соответствующими характеристиками модемов USR Courier, снабженных русской «прошивкой». В модеме реализован стандарт V.90, возможна модернизация прошивки во флеш-ПЗУ. Модем поддерживает режим пониженного энергопотребления. CNet SinglePoint 56K USB Modem. Традиционный внешний голосовой модем, подключаемый к коммуникационному порту ПК. Он оснащен информационной панелью из 8 индикаторов. На задней панели – порт RS-232, розетка для подключения к линии и «сквозного» подключения телефона, разъемы для микрофона и динамиков плюс рычаг включения питания. Модем использует популярный чипсет Cirrus Logic и обеспечивает 56-килобитное подключение по протоколу V.90. Набор прилагаемого программного обеспечения полностью идентичен пакету, поставляемому с CNet USB Modem. Цифровые модемы. Принцип работы цифровых xDSL-модемов (Digital Subscriber Line – «цифровая абонентская линия») основан на превращении абонентской линии обычной телефонной сети из аналоговой в цифровую. Общая идея заключается в том, что на обоих концах абонентской линии – на АТС и у абонента – устанавливаются разделительные фильтры (splitter). Низкочастотная составляющая сигнала заводится на обычное телефонное оборудование (порт АТС и телефонный аппарат у абонента), а высокочастотная используется для передачи данных с помощью xDSL-модемов. Поскольку физическая линия (пара проводов) между абонентом и АТС позволяет пропускать сигнал в полосе до 1 МГц, достижимые скорости передачи гораздо выше, чем предел 56 КБит в секунду, установленный и достигнутый для аналоговых модемов. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 150/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Высокочастотная часть полосы пропускания сигнала может разделяться между встречными потоками различными способами. При частотном разделении каналов (FDM) часть спектра отдается на передачу в одном направлении, часть – в другом. При эхоподавлении (echo-cancellation) вся полоса используется для передачи в обе стороны, а каждое устройство при приеме из общего сигнала выделяет сигнал собственного передатчика. Пропускная способность может быть как симметричной, так и асимметричной. В случае подключения пользователя к сети Internet асимметрия выгодна, поскольку поток к абоненту (страницы текста, изображения, аудио - и видеопотоки) гораздо больше обратного потока (запросы к сайтам). Наибольшее распространение получила асимметричная технология ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line), где скорость к абоненту (downstream) достигает 6,1 Мбит в секунду, а от абонента 16– 640 Кбит в секунду. Реально достижимая скорость связана с длиной абонентской линии и ее качеством. Для Москвы лидером в области предоставления услуг цифровой модемной связи является ОАО «Московская городская телефонная сеть» (МГТС), реализующая современные ADSL-модемы и предоставляющая доступ к сети Internet через телефонные каналы связи. Подключение к МГТС обеспечивает следующие преимущества: · Высокоскоростной доступ в Internet. Вы сможете быстро перекачивать большие объемы информации, работать с мультимедиа, участвовать в видеоконференциях и т. д. · Свободный телефон. Вы можете одновременно работать в сети Internet и разговаривать по телефону. При этом качество телефонной связи остается неизменным. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 151/178 07.11.2023, 20:20 · Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Постоянный доступ. Вам не требуется дозваниваться до модемного пула провайдера. Вы подключены к сети Internet 24 часа в сутки. · Кредитная система оплаты. В соответствии с выбранным тарифным планом платежи вносятся по факту предоставления услуги. · Интернет-сервисы. Установив интернет-канал МГТС, вы дополнительно получаете доступ к личному кабинету, музыкальным и видеоресурсам, онлайн-играм и другим сервисам. · Надежность соединения. Надежность работы интернет-канала МГТС обеспечивается современной технологией доступа в Internet (ADSL) и круглосуточной технической поддержкой. · Удобная оплата услуг. Клиент получает единый счет от МГТС, куда включены оплата услуг телефонной связи и доступа к сети Internet. Как мы видим, цифровые модемы обладают рядом несомненных преимуществ, и их использование составляет серьезную конкуренцию доступу в Internet по локальной сети через витую пару. Основные выводы: 1. В пределах одного здания или комплекса зданий компьютеры объединяются в ЛВС, подключаясь к ней через сетевые адаптеры. 2. Компьютеры, удаленные на значительное расстояние, соединяются через модемы путем передачи данных по каналам телефонной связи. 3. Аналоговые модемы преобразуют сигнал телефонной линии в цифровое представление, понятное компьютеру. 4. Основными параметрами аналоговых модемов являются исполнение, поддерживаемые протоколы передачи данных и коррекции ошибок. 5. Цифровые модемы используют высокочастотную часть полосы пропускания сигнала телефонной линии для передачи данных в цифровом виде. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 152/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» 6. Цифровые модемы обладают гораздо лучшей производительностью по сравнению с аналоговыми и постепенно их заменяют. Вопросы для самопроверки: 1. Какие вы знаете типы кабелей, используемых в ЛВС? 2. Что означает название устройства коммуникации – «модем»? 3. Какие вы знаете виды исполнения аналоговых модемов? 4. Какие вы знаете типы аналоговых модемов? 5. Почему для аналоговых модемов, используемых на российских телефонных линиях, важны дополнительные характеристики? 6. Какие модели аналоговых модемов наиболее распространены на отечественном рынке? 7. В чем состоит принцип работы цифровых модемов? 8. Какие вы знаете преимущества цифровых модемов? Тема 13. Архитектурные особенности многомашинных и многопроцессорных параллельных вычислительных систем Изучив тему занятия, вы будете: знать: · способы организации взаимодействия компьютеров в многомашинных ВС; · организацию и принципы построения многопроцессорных ВС; · принципы классификации многопроцессорных параллельных ВС. Основные понятия: · системы с массовым параллелизмом; · кластеризация; https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 153/178 07.11.2023, 20:20 · Московский финансово-промышленный университет «Синергия» параллельная архитектура. Теоритический материал по теме Вычислительные системы (ВС) подразделяются на две больших группы: · многомашинные; · многопроцессорные. Вы уже знаете из материала предыдущих занятий, что многомашинные вычислительные системы (ММС), в которых компьютеры связаны между собой через устройства обмена информацией, называются информационно-вычислительными сетями (ИВС). Однако информационное взаимодействие компьютеров в многомашинной ВС может быть организовано также на уровне процессоров или оперативной памяти. Обобщенная схема взаимодействия представлена на рис. 32. Ввиду сложности организации взаимодействия на 1-м и 2-м уровнях в большинстве многомашинных ВС используется 3-й уровень, уступающий им по быстродействию. Рис. 32. Схема взаимодействия компьютеров в ВС Многопроцессорные системы (МПС) строятся при комплексировании нескольких процессоров. В качестве общего ресурса они имеют общую оперативную память (ООП). Параллельная работа процессоров с ООП обеспечивается под управлением единой общей операционной системы. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 154/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» По сравнению с ММС здесь достигается наивысшая оперативность взаимодействия процессоров-вычислителей. Многие исследователи считают, что использование МПС является основным магистральным путем развития вычислительной техники новых поколений. Однако МПС имеют и существенные недостатки. Прежде всего, использование ресурсов общей оперативной памяти может приводить к возникновению конфликтных ситуаций, в которых несколько процессоров обращаются к одним и тем же ячейкам памяти. Помимо процессоров к ООП подключаются все процессоры ввода-вывода, средства измерения времени и т.д. Поэтому вторым серьезным недостатком МПС является проблема коммутации и доступа абонентов к ООП. От того, насколько удачно решаются эти проблемы, и зависит эффективность применения МПС. Эти решения обеспечиваются аппаратно-программными средствами. Процедуры взаимодействия очень сильно усложняют структуру ОС МПС. Опыт построения подобных систем показал, что они эффективны при небольшом числе комплексируемых процессоров (от 2 до 10). https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 155/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Типичным примером массовых многомашинных ВС могут служить компьютерные сети, а многопроцессорных ВС – суперкомпьютеры. Суперкомпьютеры. СуперЭВМ обладают производительностью, достигающей 1011 оп/с и выше. Такие ВС могут не только удовлетворительно решать сложнейшие научно-технические задачи, требующие огромного объема вычислений, но и обеспечивать работу более чем с 10 000 отдельных рабочих станций, для чего им требуются в качестве координатора системы ввода/вывода специальные ЭВМ. Однако, невзирая на их вычислительные возможности, суперЭВМ пока все еще слишком дорогое удовольствие для коммерческого использования. Типичными областями применения суперЭВМ являются научные исследования, прогнозирование погоды, проектирование авиационной и космической техники, ядерные исследования, сейсмический анализ и другие области, требующие быстрой обработки очень большого количества данных. Определенную картину по использованию суперЭВМ дает сводный анализ по США: · оборонные проекты (45 %); · нефтяные компании (18 %); · университеты (13 %); · космические исследования (10 %); https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 156/178 07.11.2023, 20:20 · Московский финансово-промышленный университет «Синергия» другие (14 %). Только очень мощные компьютерные фирмы, такие как Fujitsu, Hitachi, NEC (Япония), Goodyear, IBM, CDC, Burough, FPS (США) и еще несколько производят суперЭВМ, и только одна – Cray Research (США) производит исключительно суперЭВМ, другое сопутствующее им оборудование и спецпроцессоры, являясь признанным лидером в этом классе ЭВМ. Многопроцессорные параллельные вычислительные системы. Суперкомпьютеры, как и все современные параллельные вычислительные системы (ПВС), создаются в виде высокопараллельных многопроцессорных систем (МПВС) с различной архитектурой, наиболее распространенные из которых можно классифицировать по способу использования ОП и режиму выполнения команд процессорами системы. С точки зрения использования ОП ПВС можно классифицировать по двум основным группам: · ОП распределяется по процессорам; · процессоры разделяют общую ОП. Классификация по режиму выполнения команд была предложена Флинном (M. Flynn) в начале 60-х годов. В ее основу заложено два возможных вида параллелизма: независимость потоков заданий (команд), существующих в системе, и https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 157/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» независимость (несвязанность) данных, обрабатываемых в каждом потоке. Согласно данной классификации существует четыре основных архитектуры ВС: · Одиночный поток команд – одиночный поток данных (ОКОД), в английской аббревиатуре Single Instruction Single Data (SISD) – «одиночный поток инструкций – одиночный поток данных». · Одиночный поток команд – множественный поток данных (ОКМД), или Single Instruction Multiple Data (SIMD) – «одиночный поток инструкций – одиночный поток данных». · Множественный поток команд – одиночный поток данных (МКОД), или Multiple Instruction Single Data (MISD) – «множественный поток инструкций – множественный поток данных». · Множественный поток команд – множественный поток данных (МКМД), или Multiple Instruction Multiple Data (MIMD) – «множественный поток инструкций – множественный поток данных». https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 158/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Рис. 33. Четыре основных архитектуры ВС по классификации Флинна Архитектура ОКОД (SISD) охватывает все однопроцессорные и одномашинные варианты систем, то есть ВС с одним вычислителем. Все ЭВМ классической структуры попадают в этот класс. Здесь параллелизм вычислений обеспечивается путем совмещения выполнения операций отдельными блоками АЛУ, а также параллельной работой устройств ввода-вывода информации и процессора. Архитектура ОКМД (SIMD) предполагает создание структур векторной или матричной обработки. Системы этого типа обычно строятся как однородные – то есть процессорные элементы, входящие в систему, идентичны и все они управляются одной и той же последовательностью команд. Однако каждый процессор обрабатывает свой поток данных. Под эту схему хорошо подходят задачи обработки матриц или векторов (массивов), задачи решения систем линейных и нелинейных, алгебраических и https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 159/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» дифференциальных уравнений, задачи теории поля и др. В структурах данной архитектуры желательно обеспечивать соединения между процессорами, соответствующие реализуемым математическим зависимостям. Как правило, эти связи напоминают матрицу, в которой каждый процессорный элемент связан с соседними. Векторный или матричный тип вычислений является необходимым атрибутом любой суперЭВМ. Архитектура МКОД (MISD) предполагает построение своеобразного процессорного конвейера, в котором результаты обработки передаются от одного процессора к другому по цепочке. Выгоды такого вида обработки понятны. Однако в большинстве алгоритмов очень трудно выявить подобный, регулярный характер вычислений. Кроме того, на практике нельзя обеспечить и «большую длину» такого конвейера, при котором достигается наивысший эффект. Вместе с тем конвейерная схема нашла применение в так называемых скалярных процессорах суперЭВМ, в которых они применяются как специальные процессоры для поддержки векторной обработки. Архитектура МКМД (MIMD) предполагает, что все процессоры системы работают по своим программам с собственным потоком команд. В простейшем случае они могут быть автономны и независимы. Такая схема использования ВС часто применяется на многих крупных вычислительных центрах для увеличения пропускной способности центра. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 160/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» В современных суперЭВМ используются три варианта архитектуры МПВС: · структура MIMD в классическом ее варианте (например, в суперкомпьютере BSP фирмы Burrought); · параллельно-конвейерная модификация, иначе MMISD, то есть многопроцессорная (Multiple) MISD-архитектура (например, в суперкомпьютере «Эльбрус-3»); · параллельно-векторная модификация, иначе MSIMD, то есть многопроцессорная SIMD-архитектура (например, в суперкомпьютере Cray 2). Примером организации мультипроцессорной суперЭВМ может служить отечественная Эльбрус-3 (рис. 34), в архитектуре которой использован целый ряд интересных решений. Центральным узлом управления при такой организации является быстродействующий коммутатор межмодульных связей (КМС), где в качестве модулей выступают: · процессоры (ЦП); · модули памяти (ОП); · процессоры ввода/вывода (ПВ/В). https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 161/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Рис. 34. Архитектура отечественной суперЭВМ Эльбрус-3 КМС обеспечивает возможность установления связи любого ЦП с любым модулем ОП и любым ПВ/В, связь любого ПВ/В с любым модулем ОП; при этом возможны одновременная связь и передача данных через КМС между различными парами модулей ВС. Следовательно, принцип КМС реализует пространственное разделение при коммутации соединений в отличие от временного разделения в случае использования общей шины, а также существенно уменьшает число конфликтных ситуаций в ВС. Однако с целью получения высокой общей производительности ВС требуется быстрая реактивность переключений КМС, что является весьма трудной технической задачей ввиду сложной логики КМС. Используется несколько типов КМС: · матричный; · мультиплексная шина; · многоуровневые коммутационные сети. В настоящее время возможно построение систем с десятками, сотнями и даже тысячами процессорных элементов, с размещением https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 162/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» их в непосредственной близости друг от друга. Если каждый процессор системы имеет собственную память, то он также будет сохранять известную автономную в вычислениях. Считается, что именно такие системы займут доминирующее положение в мире суперкомпьютеров в ближайшие десять-пятнадцать лет. Подобные ВС получили название систем с массовым параллелизмом (МРР – Mass Parallel Processing). На рисунке (рис. 35) представлен пример архитектурного решения суперЭВМ MPP. Рис. 35. Архитектура параллельной суперЭВМ МРР Параллельную архитектуру МРР-компьютера определяют следующие компоненты: · процессорная матрица (ПМ); · устройство управления процессорной матрицей (УУПМ); · устройство подготовки программ и данных (УППД); · переходная память (ПП) для буферизации и перекомпоновки данных; https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 163/178 07.11.2023, 20:20 · Московский финансово-промышленный университет «Синергия» ведущая и интерфейсная ЭВМ, внешняя память (ВП) и система интерфейсов. ПМ представляет собой матрицу процессорных элементов (ПЭ), оперирующую с двумерными массивами данных. Каждый ПЭ имеет собственную локальную память произвольного доступа и связан со своими соседями. Каждый ПЭ имеет непосредственный доступ только к данным из своей локальной памяти; доступ к другим данным возможен только через межпроцессорную связь или через ПП. Кластеры. Опыт создания серверов на основе MPP- и SMP-структур (SMP – Shared Memory multiprocessing, технология мультипроцессирования с разделением памяти) показал, что они не обеспечивают хорошей адаптации к конкретным условиям функционирования, остаются дорогими и сложными в эксплуатации. Одним из решений этой проблемы является кластеризация, то есть технология, с помощью которой несколько серверов, сами являющиеся вычислительными системами, объединяются в единую систему более высокого ранга для повышения эффективности функционирования системы в целом (рис. 36). Рис. 36. Кластеризация серверов Целями построения кластеров могут служить: · улучшение масштабируемости (способности к наращиванию мощности); https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 164/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» · повышение надежности и готовности системы в целом; · увеличение суммарной производительности; · эффективное перераспределение нагрузок между компьютерами кластера; · эффективное управление и контроль работы системы и т.п. Улучшение масштабируемости, или способности к наращиванию мощности, предусматривает, что все элементы кластера имеют аппаратную, программную и информационную совместимости. В сочетании с простым и эффективным управлением изменение оборудования в идеальном кластере должно обеспечивать соответствующее изменение значений основных характеристик, то есть добавление новых процессоров, дисковых систем должно сопровождаться пропорциональным ростом производительности, надежности и т.п. В реальных системах эта зависимость имеет нелинейный характер. Масштабируемость SMP- и MPP-структур достаточно ограничена. При большом числе процессоров в SMP-структурах возрастает число конфликтов при обращении к общей памяти, а в MPP-структурах плохо решаются задачи преобразования и разбиения приложений на отдельные задания процессорам. В кластерах же администраторы сетей получают возможность увеличивать пропускную способность сети за счет включения в кластер дополнительных серверов, даже уже из числа работающих, с учетом того, что балансировка и оптимизация нагрузки будут выполняться автоматически. Следующей важной целью создания кластера является повышение надежности и готовности системы в целом. Именно эти качества способствуют популярности и развитию кластерных структур. Избыточность, изначально заложенная в кластеры, способна их обеспечить. Основой этого служит возможность каждого сервера кластера работать автономно, но в любой момент он может переключиться на выполнение работ другого сервера в случае его отказа. Наряду с классификацией Флинна существуют другие подходы к классификации параллельных вычислительных систем. Классификация Дункана. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 165/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Согласно Р. Дункану параллельная архитектура – это такой способ организации вычислительной системы, при котором допускается, чтобы множество процессоров (простых или сложных) могло бы работать одновременно, по мере надобности взаимодействуя друг с другом. Следуя этому определению, все разнообразие параллельных архитектур Дункан систематизирует так, как показано на рис. 37. Рис. 37. Классификация параллельных архитектур по Р. Дункану По существу систематика очень простая: процессоры системы работают либо синхронно, либо независимо друг от друга, либо в архитектуру системы заложена та или иная модификация идеи MIMD. На следующем уровне происходит детализация в рамках каждого из этих трех классов. Дадим небольшое пояснение лишь к тем из них, которые на сегодняшний день не столь широко известны. Систолические архитектуры (их чаще называют систолическими массивами) представляют собой множество процессоров, объединенных регулярным образом (например, система WARP). Обращение к памяти может осуществляться только через определенные процессоры на границе массива. Выборка операндов из памяти и передача данных по массиву осуществляется в одном и том же темпе. Направление передачи данных между процессорами фиксировано. Каждый процессор за интервал времени выполняет небольшую инвариантную последовательность действий. Гибридные MIMD/SIMD-архитектуры, вычислительные системы dataflow, reduction и wavefront осуществляют параллельную обработку информации на основе асинхронного управления, как и MIMDсистемы. Но они выделены в отдельную группу, поскольку все имеют https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 166/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» ряд специфических особенностей, которыми не обладают системы, традиционно относящиеся к MIMD. Остальные три вида архитектур используют нетрадиционные модели вычислений. · Dataflow используют модель, в которой команда может выполняться сразу же, как только вычислены необходимые операнды. Таким образом, последовательность выполнения команд определяется зависимостью по данным, которая может быть выражена, например, в форме графа. · Reduction. Модель вычислений, применяемая в reductionмашинах, иная и состоит в следующем: команда становится доступной для выполнения тогда и только тогда, когда результат ее работы требуется другой доступной для выполнения команде в качестве операнда. · Архитектура Wavefront array объединяет в себе идею систолической обработки данных и модель вычислений, используемой в dataflow. В данной архитектуре процессоры объединяются в модули и фиксируются связи, по которым процессоры могут взаимодействовать друг с другом. Однако, в противоположность ритмичной работе систолических массивов, данная архитектура использует асинхронный механизм связи с подтверждением (handshaking), из-за чего «фронт волны» вычислений может менять свою форму по мере прохождения по всему множеству процессоров. Классификация Хокни. Согласно Р. Хокни множественный поток команд МПС класса MIMD по систематике Флинна может быть обработан двумя способами: либо одним конвейерным устройством обработки, работающем в режиме разделения времени для отдельных потоков, либо каждый поток обрабатывается своим собственным устройством. Первая возможность используется в MIMD-компьютерах, которые автор называет конвейерными (например, процессорные модули в Denelcor HEP). Архитектуры, использующие вторую возможность, называются потоковыми и в свою очередь опять делятся на два класса: · MIMD-компьютеры, в которых возможна прямая связь каждого процессора с каждым, реализуемая с помощью переключателя. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 167/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» · MIMD-компьютеры, в которых прямая связь каждого процессора возможна только с ближайшими соседями по сети, а взаимодействие удаленных процессоров поддерживается специальной системой маршрутизации через процессоры-посредники. Далее, среди MIMD-машин с переключателем Хокни выделяет те, в которых вся память распределена среди процессоров как их локальная память (например, PASM, PRINGLE). В этом случае общение самих процессоров реализуется с помощью очень сложного переключателя, составляющего значительную часть компьютера. Такие машины носят название MIMD-машин с распределенной памятью. Если память – это разделяемый ресурс, доступный всем процессорам через переключатель, то такие MIMD являются системами с общей памятью (CRAY X-MP, BBN Butterfly). В соответствии с типом переключателей можно проводить классификацию и далее: простой переключатель, многокаскадный переключатель, общая шина. Многие современные вычислительные системы имеют как общую разделяемую память, так и распределенную локальную. Такие системы автор рассматривает как гибридные MIMD с переключателем. При рассмотрении MIMD-машин с сетевой структурой считается, что все они имеют распределенную память, а дальнейшая классификация проводится в соответствии с топологией сети: звездообразная сеть (lCAP), регулярные решетки разной размерности (Intel Paragon, CRAY T3D), гиперкубы (NCube, Intel iPCS), сети с иерархической структурой, такой как деревья, пирамиды, кластеры (Cm*, CEDAR) и, наконец, сети, изменяющие свою конфигурацию. Заметим, что если архитектура компьютера спроектирована с использованием нескольких сетей с различной топологией, то, по всей видимости, по аналогии с гибридными MIMD с переключателями, их стоит назвать гибридными сетевыми MIMD, а использующие идеи разных классов – просто гибридными MIMD. Типичным представителем последней группы, в частности, является компьютер Connection Machine 2, имеющий на внешнем уровне топологию гиперкуба, каждый узел которого является кластером. Основные выводы: https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 168/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» 1. Большинство ВС чаще всего являются многомашинными и многопроцессорными. 2. Согласно классификации по режиму выполнения существует четыре основных архитектуры ВС (классификация Флинна): · одиночный поток команд – одиночный поток данных (ОКОД); · одиночный поток команд – множественный поток данных (ОКМД); · множественный поток команд – одиночный поток данных (МКОД); · множественный поток команд – множественный поток данных (МКМД). 3. Эффективным способом построения многоуровневой ВС является кластеризация. Вопросы для самопроверки: 1. Чем многомашинные ВС отличаются от многопроцессорных? 2. Какой уровень информационного взаимодействия используется в большинстве многомашинных ВС? 3. Какой общий ресурс используют многопроцессорные ВС? 4. К какому типу ВС относятся компьютерные сети, суперкомпьютеры? 5. Какие существуют архитектуры ВС согласно классификации Флинна? 6. Для каких целей создаются кластеры ВС? Литература Учебная литература: 1. Бройдо В.Л. Архитектура ЭВМ и систем. – СПб.: Питер, 2009. – 720 с. 2. с. Глушаков С.В. Компьютер своими руками. – М.: АСТ, 2010. – 512 https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 169/178 07.11.2023, 20:20 3. Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Гребенюк Е.И. Технические средства информатизации. – М.: Академия, 2011. – 352 с. 4. Гук М. Аппаратные средства IBM PC. Энциклопедия. – 2-е изд. – СПб.: Питер, 2003. – 928 с.: ил. 5. Железо 2011 / В.В. Казимов, И.В. Коттер, Р.Г. Прокди и др. – СПб.: Наука и Техника, 2011. – 400 с. 6. Колесниченко О.В. Аппаратные средства PC. – СПб.: BHV- Cанкт-Петербург, 2010. – 800 с. 7. Кузин А.В. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем. – М.: Форум, 2011. – 352 с. 8. Кузьминов А.Ю. Интерфейс RS232. Связь между компьютером и микроконтроллером. – М.: Радио и связь, 2004. – 168 с. 9. Леонтьев Б.К. Upgrade: Пособие по модернизации компонентов персонального компьютера. – М.: Майор, 2003. – 624 с. 10. Магда Ю.С. Сопряжение компьютера с внешними устройствами. – М.: ДМК Пресс, 2011. – 198 с. 11. Мюллер С. Модернизация и ремонт ПК / Пер. с англ. и ред. И.Б. Тараброва. – М.: Вильямс, 2011. – 1070 с. 12. Пасько В.П. Энциклопедия ПК. Аппаратура. Программы. Интернет. – СПб.: Питер, 2004. – 799 с. Интернет-ресурсы: 1. http://cod3sun.com – портал новостей и проектов в сфере программного и аппаратного обеспечения. 2. http://ru.wikipedia.org – свободная энциклопедия. 3. http://www.allcompinfo.com – сайт, посвященный вопросам модернизации и ремонта персонального компьютера. 4. http://www.del.ru – сайт компании «Дел Компьютерс» – поставщика аппаратного и программного обеспечения. 5. http://www.fcenter.ru – сайт компании «Ф-Центр» – поставщика аппаратного и программного обеспечения. Технические описания https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 170/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» устройств с фотографиями, статьи, аналитические обзоры. 6. http://www.ixbt.com – специализированный сайт по аппаратному обеспечению. Ссылки на сайты производителей, технические описания устройств, новости, статьи, аналитические обзоры. Глоссарий Адаптер – средство связи (сопряжения) какого-либо устройства с какой-либо шиной или интерфейсом компьютера. ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line – асимметричная цифровая абонентская линия) – технология передачи цифровых данных по телефонным каналам связи. Устанавливает соотношения между объемами потока данных в зависимости от направления. Алгоритм – конечный набор предписаний, определяющий решение задачи посредством определенного количества операций. Анимация (от англ. animate – «оживлять») – процесс создания движущихся графических изображений на экране монитора. Аппаратное прерывание – сигнал, приводящий к временному прекращению выполнения текущего программного кода для переключения на выполнение операций ввода/вывода или другого программного кода. Архитектура процессора – программная модель процессора, то есть программно-видимые свойства, не зависящие от типа процессора и его технических особенностей. BIOS (Basic Input/Output System – базовая система ввода/ вывода) – программа, постоянно хранящаяся в компьютере. Предназначена для тестирования основных устройств, вызова блока начальной загрузки операционной системы и обслуживания системных прерываний. Bluetooth (от англ. Blue tooth – «Синий зуб» – прозвище датского короля, объединившего Данию и Норвегию, – намек на всеобщую объединяющую роль технологии) – радиоинтерфейс, обеспечивающий передачу данных на небольшие расстояния посредством радиосвязи между устройствами. Использует диапазон частот, не требующий лицензирования. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 171/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Видеопамять – дополнительная память для обеспечения качественного изображения на мониторе. Является частью видеоадаптера. В видеопамяти формируются изображения одного или нескольких экранов, которые затем передаются на монитор. Винчестер – см. жесткий магнитный диск. Виртуальная машина – способ распределения ресурсов компьютера и выполнения программного кода в условиях многозадачности таким образом, что каждый исполняемый процесс не знает ничего о других процессах, как будто компьютер находится полностью в его распоряжении. Время доступа – скорость обращения к ячейкам оперативной памяти. Измеряется в наносекундах. Гибкий магнитный диск – диск из гибкой пластмассы в защитной пластиковой упаковке, в которой прорезаны отверстия для подхода магнитных головок ввода/вывода. Предназначен для длительного хранения данных. Диск покрыт магнитным слоем. Часто называется флоппи-диском (floppy disk) или дискетой. Для работы с гибким магнитным диском необходимо устройство – накопитель на гибком магнитном диске – НГМД. Сегодня практически не используется. Дискета – см. гибкий магнитный диск. Дисковод – см. накопитель на гибком магнитном диске. DMA (Direct Memory Access) – механизм прямого доступа к оперативной памяти. Дорожка – место расположения данных на дисковой памяти в виде концентрической окружности. При магнитном способе записи данные располагаются последовательно по этим концентрическим окружностям. На компакт-дисках данные записываются по одной спиралевидной дорожке. Иногда называется треком. DPI (Dots Her Inch) – см. разрешающая способность для принтеров. Драйвер – программа, содержащая процедуры работы с каким-либо устройством. DRAM (Dinamic Random Access Memory – динамическая память произвольного доступа) – см. оперативная память. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 172/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Жесткий магнитный диск – диск для хранения данных. В отличие от гибкого магнитного диска, который является съемным, жесткий магнитный диск никогда не снимается, составляя единое целое с дисководом. Также называется винчестер, или HDD – Hard Disk Drive. Звук – человеческое восприятие волн давления, распространяющихся в воздушной среде. Вокруг звучащего объекта воздух расширяется и сжимается. Это расширение и сжатие порождает волны, которые, в конце концов, и достигают уха, создавая переменное давление на барабанные перепонки. Инструкция (команда) – предписание, содержащее информацию о том, какие операции и как необходимо выполнить. Интерфейс – совокупность унифицированных аппаратных, программных и конструктивных средств, необходимых для реализации взаимодействия различных функциональных элементов в системах при условиях, предписанных стандартом и направленных на обеспечение информационной, электрической и конструктивной совместимости указанных элементов. Картридж (от англ. cartrige – «кассета») – съемная часть устройства. Обычно это кассета, в которой хранится красящая лента для матричных принтеров, тонер для лазерных и краситель для струйных принтеров. Картридж полностью готов к работе, его достаточно вставить на место. CD (Compact Disk) – см. компакт-диск. Кеш-память – память для временного хранения данных, промежуточная между разными типами памяти, например, оперативной памятью и регистрами процессора или оперативной памятью и жестким магнитным диском. CMOS (Сomplimentary Metal Oxide Semicon-ductor) – интегральная схема, используемая для хранения параметров конфигурации ПК, результатов диагностики при начальной загрузке и отсчета реального времени. Работает от независимого источника питания (батареи или аккумулятора). Кластер – см. кластеризация. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 173/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Кластеризация – технология, с помощью которой несколько серверов, сами являющиеся вычислительными системами, объединяются в единую систему более высокого ранга для повышения эффективности функционирования системы в целом. Компакт-диск – диск для постоянного хранения данных. Представляет собой круг из пластика или алюминиевого сплава, покрытый защитной прозрачной пленкой. Данные записываются мощным лазерным лучом в виде механических микроскопических зеркальных и рассеивающих поверхностей. Также называется CD. Конвейер – способ распараллеливания выполнения последовательно расположенных инструкций. Контроллер – то же, что и адаптер, способный к самостоятельным действиям после получения команд от обслуживающей его программы. Сложный контроллер может иметь в своем составе собственный процессор. Латентность – время ожидания между запросом от процессора и началом выполнения операции чтения/записи соответствующей страницы оперативной памяти. Определяется временными интервалами выполнения различных операций (открытие/закрытие страницы, обращение к странице, вычисление адреса), которые называются таймингами. Материнская плата – см. системная плата. Микроархитектура процессора – внутренняя реализация архитектуры процессора, определяющая тип процессора. Накопитель на гибком магнитном диске – устройство для чтения и записи данных на гибкий магнитный диск. Также называется дисковод и FDD – Floppy Disk Drive. НЖМД (накопитель на жестких магнитных дисках) – см. жесткий магнитный диск. ОЕМ-исполнение (от англ. Original Equipment Manufacturing – «производство оригинального оборудования»)– комплектация устройства, предназначенного для сборки специализированными компьютерными фирмами. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 174/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Оперативная память – одна из основных компонент системного блока; предназначена для текущего хранения данных и программ. Оптическое устройство хранения данных – устройство для хранения данных, основанное на применении лазерной технологии. Открытая архитектура – ключевое понятие IBM-совместимых ПК. Означает возможность создания произвольной конфигурации устройств компьютера. Периферийное устройство – устройство, непосредственно не работающее с центральным процессором компьютера. Связь с ним осуществляется через порт, адаптер или контроллер. Прерывание – электрический импульс, вызывающий временное прекращение выполнения текущей программы для переключения на выполнение операций ввода/вывода или другой программы. Пиксел (от англ. pixel, сокращ. слов picture element – «элемент изображения») – минимальный элемент изображения на экране монитора. Может храниться, адресоваться и показываться. Подмешивание – способ цветной печати смежных точек (возможно, с наложением) разными цветами, которые глаз воспринимает как одноцветный блок. Программа – упорядоченная последовательность команд, которые выполняются в АЛУ автоматически друг за другом в определенной последовательности. Программный код – последовательность команд или инструкций, выполняемых процессором. Протокол – совокупность правил и соглашений, определяющих параметры, форматы и процедуры обмена данными между различными физическими и логическими устройствами. Протокол передачи данных – протокол, определяющий схемы передачи данных при модемной связи. Протон – микроскопическая физическая частица, составляющая свет. Каждый протон движется по собственному маршруту и вибрирует со своей частотой. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 175/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Разрешающая способность – показатель качества вводимого/ выводимого изображения; определяется для монитора количеством точек на экране, для принтеров и сканеров – количеством точек на квадратный дюйм (dpi – dots per inch). Регенерация – периодическое считывание ячеек оперативной памяти с последующей перезаписью. RGB (Red Green Blue) – принцип воспроизведения графическим монитором видимых цветов путем подсвечивая пикселей на экране комбинацией красного, зеленого и синего света таким образом, чтобы уровень их возмущения совпадал с уровнем, создаваемым естественной смесью протонов. Retail-исполнение – комплектация устройства, предназначенного для розничной продажи. Сектор – часть дорожки гибкого или жесткого магнитного диска, на которой записаны данные. Системная плата – печатная плата, на которую устанавливаются компоненты системного блока: процессор, оперативная память, адаптеры и т.д. Также называется материнской, или главной платой. Системная шина – основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой. Системный блок – основная часть персонального компьютера, в нем размещены системная плата, платы расширения, НЖМД, НГМД, оптические устройства хранения данных. Скалярность – наличие одного или нескольких конвейеров в микроархитектуре процессора. Слот (сокет) – разъем для крепления процессора на материнской плате. Сопло – микроскопическое отверстие в картридже или печатающей головке струйного принтера, через которое краситель «выстреливается» на носитель (как правило, бумагу). Тайминг – см. латентность. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 176/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Тактовая частота – скорость синхронизации процесса выполнения инструкций или обмена данными. Измеряется в герцах, то есть количеством тактов в секунду. Частота 2000 MHz, соответствует 2 миллиардам тактов в секунду. Тип процессора – совокупность параметров, характеризующих его производительность, то есть скорость выполнения инструкций, а также основные технические характеристики. Тонер – красящий порошок. Используется в картриджах для лазерных принтеров и плоттеров. Трек – см. дорожка. USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная шина) – современный интерфейс для подключения к компьютеру внешних устройств. К одному USB-порту можно подключить до 127 устройств различного назначения. FDD (Floppy Disk Drive) (от англ. flashing – «засвечивать») – см. накопитель на гибком магнитном диске. Flash drive – переносной накопитель на flash-памяти. Флеш-накопитель (флешка) – запоминающее устройство, использующее в качестве носителя флеш-память и подключаемое к компьютеру или иному считывающему устройству по интерфейсу USB. Основное назначение флеш-накопителей – хранение, перенос и обмен данными. Flash-память – энергонезависимая память, принцип работы которой основан на засвечивании набора мельчайших фотоэлементов. Фотохромизм – способ записи данных на диск, используемый во флуоресцентных дисках FMD (Fluorescent Multilayer Disk). Заключается в изменении физических свойств (появление флуоресцентного свечения) некоторых химических веществ под воздействием лазерного луча. FSB (Frequence of Serial Bus) – тактовая частота системной шины. HDD (Hard Disk Drive) – см. жесткий магнитный диск. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 177/178 07.11.2023, 20:20 Московский финансово-промышленный университет «Синергия» Чипсет – набор интегральных схем, устанавливаемых на системной плате для обеспечения работы центрального процессора с периферийными устройствами. https://e-biblio.ru/book/bib/01_informatika/osn_architektury/sg.html#_Toc366770873 178/178
