Информатика Lec_2_1

Направление исследований, связанное с применением ЭВМ для решения задач ис-

кусственного интеллекта (рис. 10), предполагающее получение не точного результата, а чаще всего осредненного в статистическом, вероятностном смысле, все больше набирает

силу. Во многих областях науки и техники создаются и совершенствуются базы данных и базы знаний, экспертные системы. Для технического обеспечения этого направления нужны качественно новые структуры ЭВМ с большим количеством вычислителей (ЭВМ

или процессорных элементов), обеспечивающих параллелизм в вычислениях. По существу, ЭВМ уступают место сложнейшим вычислительным системам.

Поэтому для решения различных задач нужна и различная вычислительная техника. Рынок компьютеров постоянно имеет широкую градацию классов и моделей ЭВМ. Фир- мы-производители средств ВТ очень внимательно отслеживают состояние рынка ЭВМ.

Они не просто констатируют отдельные факты и тенденции, а стремятся активно воздействовать на них и опережать потребности потребителей.

Вследствие чего, по размерам и функциональным возможностям различают следующие виды компьютеров.

СуперЭВМ

Это мощные многопроцессорные компьютеры с огромным быстродействием. Многопроцессорность позволяет распараллеливать решение задач и увеличивает объемы па-

мяти, что значительно убыстряет процесс решения. Они часто используются:

–для решения экспериментальных задач, например, для проведения шахматных турниров с человеком;

–для решения крупномасштабных задач, требующих выполнения больших объемов вычислений (при решении задач проектирования, ЭВМ позволяет методами численного моделирования получить результаты вычислительных экспе-

риментов, обеспечивая приемлемое время и точность решения).

Рис. 11.Суперкомпьютерный центр

Дальнейшее развитие суперЭВМ связывается с использованием направления массового параллелизма, при котором одновременно могут работать сотни и даже тысячи процессоров.

;Производительность нового суперкомпьютера, известного под именем Roadrunner, преодолела порог в 1 Petaflop (1 триллион операций в секунду) и составила 1,026 сеп-

тильона операций в секунду. Этот компьютер был разработан инженерами компании IBM и учёными Национальной Лаборатории штата Нью Мексико. При создании Roadrunner использовались оригинальные компоненты, которые изначально были предназначены для

построения игровых приставок Sony PlayStation. Чтобы проще было оценить скорость ра-

боты Roadrunner, представьте себе следующее. Если всё население нашей планеты, т.е

6 миллиардов человек возьмут в руки по калькулятору и буду считать на протяжении 24 часов в сутки каждый день по заранее составленным алгоритмам, им понадобится 46 лет, чтобы просчитать такой объём данных, которые Roadrunner обработает за 1 день Учёные планируют использовать суперкомпьютер Roadrunner для изучение такого рода проблем, как, к примеру, глобальное изменение климата [1].

Большие ЭВМ (mainframe)

Мэйнфреймы характеризуются многопользовательским режимом (до 1000 пользова-

телей одновременно могут решать свои задачи).

Рис. 12. Мэйнфрейм фирмы IBM

Основное направление – решение научно-технических задач, работа с большими

объемами данных, управление компьютерными сетями и их ресурсами в качестве крупных серверов.

Однако доля в общем парке постоянно снижается.

Малые ЭВМ

Используются как управляющие компьютеры для контроля над технологическими

процессами. Применяются также для вычислений в многопользовательских системах, в системах автоматизации проектирования, в системах моделирования несложных объектов, в системах искусственного интеллекта.

Микро-ЭВМ

По назначению микро-ЭВМ могут быть:

–универсальными;

–специализированными.

СуперЭВМ и большие ЭВМ (мэйнфреймы) – применяются для проведения сложных научных расчетов или для обработки больших потоков информации на крупных предпри-

ятиях. Они, как правило, являются главными компьютерами корпоративных вычислитель-

ных сетей.

Мини- и микро ЭВМ применяются для создания систем управления крупных и средних предприятий.

По числу пользователей, одновременно работающих за компьютером:

–много-;

–однопользовательские.

Специализированные многопользовательские микроЭВМ (серверы - от англ. server) являются мощными компьютерами, используемыми в компьютерных сетях для

обработки запросов всех компьютеров сети.

Специализированные однопользовательские (рабочие станции – workstation,

англ.) эксплуатируются в компьютерных сетях для выполнения прикладных задач.

Универсальные многопользовательские микроЭВМ являются мощными компью-

терами, оборудованными несколькими терминалами.

Универсальные однопользовательские микроЭВМ общедоступны. К их числу от-

носятся персональные компьютеры – ПК.

Персональные компьютеры предназначены для конечного пользователя.

Всвою очередь ПК подразделяют по конструктивным особенностям на:

–стационарные (настольные – тип DeskTop);

–переносные:

o ноутбуки,

o органайзеры,

o карманные и т.д.

Наиболее популярным представителем универсальных однопользовательских мик-

роЭВМ (ПК) в России является компьютер класса IBM PC (International Business Machines

– Personal Computer).

Несмотря на различие форм и размеров, все ПК объединяет общность структуры оборудования, что продиктовано сходным характером выполняемой работы [9]:

–компьютер должен воспринимать информацию извне – для этого предназначе-

ны устройства ввода, например клавиатура;

–для временного хранения обрабатываемой информации и инструкции по ее обработке (т.е. программы) существует оперативная память;

–для длительного хранения большого объема информации используются маг-

нитные и оптические диски;

–для выдачи результатов работы вовне, на ПК имеется дисплей и печатающее

устройство (принтер).

Типовая конфигурация ПК типа IBM PC включает (базовый комплект):

–системный блок,

–дисплей,

–клавиатуру.

Кбазовому комплекту обычно добавляют принтер. Возможности базового комплекта расширяются, если в его состав также включить внешние устройства (см. раздел 2.5).

Примерная логическая схема ПК как совокупность основных составляющих его эле-

ментов представлена на рис. 13., а примерная физическая схема ПК – на рис. 14.

ПК

Рис. 13. Логическая схема ПК

Рис. 14. Физическая схема ПК

1.2.Архитектура ЭВМ

Архитектура ЭВМ – это структура и принципы работы ЭВМ.

Под архитектурой ЭВМ можно понимать ту совокупность их характеристик, которая необходима пользователю: основные устройства и блоки ЭВМ, структура связей между

ними.

Перечень наиболее общих принципов построения ЭВМ, которые относятся к архитектуре, содержит следующее [2]:

– структура памяти ЭВМ;

–способы доступа к памяти и внешним устройствам;

–возможность изменения конфигурации компьютера;

–система команд;

–форматы данных;

–организация интерфейса.

Основные принципы работы ЭВМ, которые не утратили своего значения до настояще-

го времени, были сформулированы в 1946 г. Джоном фон Нейманом, одним из разработчиков машины ENIAK.

АЛУ

УУ

Рис. 8. Классическая структура ЭВМ: АЛУ – арефметико-логическое устройство; ЗУ – запоминающее устройство; УУ – устройство управления; Увв – устройство ввода; Увыв – устройство вывода

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) – обеспечивает выполнение проце-

дур преобразования данных.

Устройство управления (УУ) – обеспечивает управление процессом обработки данных. УУ выбирает команды программы из основной памяти, интерпретирует тип команды и запускает нужную схему АЛУ.

Запоминающие устройства процессора – обеспечивают промежуточное хране-

ние обрабатываемых процессором данных. Основная память ЭВМ включает оперативную и постоянную память.

Оперативная память – устройство, обеспечивающее временное хранение команд и данных в процессе выполнения программы.

Постоянная память – устройство, обеспечивающее постоянное хранение и воз-

можность считывания критически важной для функционирования ЭВМ информации. Внешние устройства – устройства, обеспечивающие ввод и вывод данных из ос-

новных устройств ЭВМ (устройства ввода-вывода) и долговременное хранение информации, не обрабатываемой процессором в данный момент времени (внешние запоминающие устройства).

1. Принцип физического разделения устройств хранения программ и данных от процессорного модуля.

Структуру фон-неймановского типа имели ЭВМ первых двух поколений. В дальнейшем УУ и АЛУ конструктивно были объединены в одно устройство - процессор.

2. Принцип программного управления.

Программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором друг за другом в определенной последовательности

3.Принцип использования двоичной системы для представления команд и данных.

4.Принцип однородности памяти.

Как программы, так и данные, хранятся в одной и той же памяти (и кодируются в одной и той же системе счисления. Над командами можно выполнять такие же действия, как

и над данными.

5. Принцип адресуемости памяти.

Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек. процессору в произ-

вольный момент времен доступна любая ячейка. Время доступа к ячейке не должно зависеть от ее адреса.

Первым компьютером, в котором были реализованы основные особенности архитектуры фон Неймана, был «Марк 1» (Университет Манчестера, Великобритания, 1948 г.).

В последующем принципы архитектуры фон Неймана получили дальнейшее разви-

тие. Появились новые виды архитектур, которые включали в свой состав несколько АЛУ и УУ (многопроцессорные архитектуры), новые принципы обработки данных, основанные

на параллельных вычислениях, и принципы архитектуры открытых систем.

1.3.Принципы работы вычислительной техники

Термин вычислительная техника появился в начале 70-х гг. в связи с созданием но-

вых технологий обработки данных для ЭВМ третьего поколения.

Воснову этой технологии легла идея параллельных вычислений и коллективного использования вычислительных ресурсов.

Врезультате появились новые режимы работы ЭВМ: многопользовательский, много-

задачный, многопроцессорный и сетевой. ЭВМ и программное обеспечение, поддерживающее коллективное использование вычислительных ресурсов, стали называть вычис-

лительной системой.

Вычислительная система - это совокупность одного или нескольких компьютеров, программного обеспечения и периферийного оборудования.

Вычислительные системы, используемые для информационного обслуживания и

управления, называются информационно-вычислительными системами.

Автоматизированные системы предполагают участие в процессе обработки ин-

формации и человека, и технических средств, причем главная роль в выполнении рутинных операций обработки данных отводится компьютеру. Именно этот класс систем соответствует современному представлению понятия «информационная система».

ЭВМ имеет процессор, основную память и внешние устройства.

Водной ЭВМ может использоваться от единиц до нескольких сотен внешних устройств разных типов. Состав устройств ввода-вывода, как правило, переменный и определяется составом задач, решаемых на конкретной ЭВМ.

Производительность и эффективность использования ЭВМ определяется не только составом и характеристиками ее устройств, но также и способом организации их совме-

стной работы. Связь между устройствами ЭВМ осуществляется с помощью сопряжений, которые в вычислительной технике называются интерфейсами.

Интерфейс представляет собой совокупность стандартизированных аппаратных и

программных средств, обеспечивающих обмен информацией между устройствами. В основе построения интерфейса лежат унификация и стандартизация (использование еди-

ных способов кодирования данных, форматов данных, стандартизация соединительных элементов – разъемов и т.д. Наличие стандартных интерфейсов позволяет унифицировать передачу информации между устройствами независимо от их особенностей.

ВПК, как правило, используется структура с шинным интерфейсом. В этом случае все устройства компьютера обмениваются информацией и управляющими сигналами через шину, которая представляет собой систему функционально объединенных проводов,

обеспечивающих передачу трех потоков данных (рис. 9):

–непосредственно информации,

–адресов,

–управляющих сигналов

Количество проводов в системной шине, предназначенных для передачи непосредст-

венно информации, называется разрядностью шины. Разрядность шины определяет чис-

ло битов информации, которые могут передаваться по шине одновременно. Количество проводов для передачи адресов, или адресных линий, определяет какой объем ОП может быть адресован.

Рис. 9. Шинная структура ПК: ЦП – центральный процессор; ОП – оперативная память; ПП – постоянная память; К –

контроллер; ПУ – периферийное устройство

Все существующие типы ЭВМ выпускаются семействами, в которых различают старшие и младшие модели. Всегда имеется возможность замены более слабой модели на более мощную. Это обеспечивается информационной, аппаратурной и программной со-

вместимостью. Программная совместимость в семействах устанавливается по принципу

снизу-вверх, т.е. программы, разработанные для ранних и младших моделей, могут обра-

батываться и на старших, но не обязательно наоборот.

Модульность структуры ЭВМ требует стандартизации и унификации оборудования,

номенклатуры технических и программных средств, средств сопряжения - интерфейсов, конструктивных решений, унификации типовых элементов замены, элементной базы и нормативно-технической документации. Все это способствует улучшению технических и

эксплуатационных характеристик ЭВМ, росту технологичности их производства. Детализацией архитектурного и структурного построения ЭВМ занимаются различные

категории специалистов вычислительной техники:

–инженеры-схемотехники проектируют отдельные технические устройства и разрабатывают методы их сопряжения друг с другом;

–системные программисты создают программы управления техническими средствами, информационного взаимодействия между уровнями, организации вы-

числительного процесса;

–программисты-прикладники разрабатывают пакеты программ более высокого уровня, которые обеспечивают взаимодействие пользователей с ЭВМ и необ-

ходимый сервис при решении ими своих задач.

Пользователя ЭВМ интересуют обычно более общие вопросы, касающиеся его взаи-

модействия с ЭВМ (человеко-машинного интерфейса), начиная со следующих групп характеристик ЭВМ, определяющих ее структуру:

–технические и эксплуатационные характеристики ЭВМ (быстродействие и про-

изводительность, показатели надежности, достоверности, точности, емкость оперативной и внешней памяти, габаритные размеры, стоимость технических и программных средств, особенности эксплуатации и др.);

–характеристики и состав функциональных модулей базовой конфигурации ЭВМ;

–возможность расширения состава технических и программных средств;

–возможность изменения структуры;

–состав ПО ЭВМ и сервисных услуг (ОС или среда, пакеты прикладных программ, средства автоматизации программирования).

2.СОСТАВ И НАЗНАЧЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА

2.1.Состав персонального компьютера

В современных персональных компьютерах реализован принцип открытой архитектуры, позволяющий изменять конфигурацию компьютера. Согласно этому принципу все

функциональные однотипные элементы аппаратуры должны быть взаимозаменяемыми.

Минимальный состав устройств ПК, без которых он не может осуществлять перера-

ботку информации, называется базовой конфигурацией. В состав базовой конфигура-

ции входят: системный блок, монитор, клавиатура и мышь.

Системный блок представляет собой основной узел, внутри которого установлены наиболее важные компоненты компьютера: системная (материнская) плата, жесткий диск

и дисковод для гибких магнитных дисков.

На материнской плате устанавливаются центральные (внутренние) устройства ком-

пьютера и устройства управления периферийными (внешними) устройствами – адаптеры

иконтроллеры.

Кцентральным устройствам относятся: центральный процессор, оперативная па-

мять, постоянное запоминающее устройство. Отличительной особенностью центральных

устройств является наличие непосредственного доступа к процессору.

Все остальные устройства компьютера, не находящиеся непосредственно на материнской плате и подсоединяемые к линиям связи через адаптеры, являются периферийными, или внешними независимо от их местоположения в компьютерной системе.

Адаптером монитора является видеокарта, адаптером аудиосистемы - звуковая кар-

та. Большинство адаптеров включают в себя контроллеры, управляющие работой уст-

ройств.

Контроллер представляет собой электронную схему, с помощью которой он способен

управлять устройством без помощи центрального процессора, поэтому каждый контроллер можно считать специализированным процессором.

Для подключения адаптеров на материнской плате установлены специальные разъемы – слоты (порты). Адаптеры некоторых устройств входят в состав материнской платы (так называемые интегрированные адаптеры) – в этом случае на материнской плате име-

ется разъем для подключения самого устройства.

2.2.Центральный процессор

Центральный процессор или CPU (Central Processing Unit) – это устройство, основное назначение которого заключается в выполнении программ.

Процессор состоит из арифметико-логического устройства (АЛУ), устройства управ-

ления (УУ), регистров общего назначения (РОН).

Регистры общего назначения предназначены для временного хранения данных, ко-

манд и адресов.

АЛУ выполняет числовые и логические операции над данными в соответствии с кодом команды, хранящимся в регистре команд.

УУ осуществляет обмен информацией между процессором и оперативной память. Информация, хранящаяся в оперативной памяти, может быть двух видов – данные и

команды выполняемой программы. Команды и данные передаются в процессор по разным шинам на разные регистры. Для передачи запросов также предусматривается от-

дельная адресная шина.

УУ выбирает очередную команду из программы, расшифровывает код ее операции и записывает в регистр команд. Если команда предназначается для обработки данных, то в регистр данных из оперативной памяти пересылаются соответствующие данные.

Основными характеристиками процессора являются тактовая частота и разрядность.

Тактовая частота – это количество элементарных операций, выполняемых процессором в единицу времени. Тактовая частота измеряется в герцах. Быстродействие современных процессоров составляет 2-4 ГГц.

Разрядность – это количество битов, обрабатываемых микропроцессором за один

такт работы. На сегодняшний день существуют 8-, 16-, 32- и 64-разрядные процессоры.

Разрядность и тактовая частота являются основными факторами, определяющими производительность и быстродействие компьютера.

При обработке данных в современных процессорах используются дополнительные приемы, которые увеличивают производительность. Прежде всего, это конвейерная об-

работка данных, наличие раздельных кэш-памятей для команд и данных, поддержка мно-

гопроцессорного режима работы и наличие в архитектуре двух или более АЛУ. Микропроцессор, имеющий несколько АЛУ, называется многоядерным. В настоящее

время стали выпускать двух-, и четырехядерные микропроцессоры.

Наличие двух или более процессоров практически не увеличивает скорость выполнения одной программы (если в ней не предусмотрено распараллеливание вычислений),

но если будут запущены одновременно две программы, то производительность увеличится почти в два раза. Если многопроцессорный режим распараллеливает выполнение раз-

личных программ, то конвейерная обработка распараллеливает выполнение команд одной программы.

2.3.Системные шины и слоты расширения

Связь процессора с внешними устройствами осуществляется по магистрали, со-

стоящей из нескольких шин. Под шиной понимают набор линий (проводников), сгруппи-

рованных по функциональному признаку.

Имеются две разновидности шин: локальные (системные) и внешние периферийные

(шины расширения).

Внешняя шина предназначена для подключения периферийных устройств либо их

контроллеров.

Системная шина объединяет процессор, основную память и кэш-память.

Системная шина включает в себя следующие компоненты:

•шину адреса, которая предназначена для передачи адреса ячейки оперативной памяти или порта ввода-вывода;

•шину данных, которая обеспечивает передачу данных;

•шину управления, регулирующую процесс обмена информацией и передаю-

щую управляющие сигналы;

•контроллер шины, управляющий всем процессом обмена данными, адресами

и управляющими сигналами.

Важнейшей характеристикой шины является е разрядность, которая определяет количество битов данных, передаваемых по шине одновременно (за один такт).

Конечными пунктами системной шины являются слоты расширения и интегрированные на материнские платы контроллеры. Все эти устройства соединены между собой ши-

ной управления.

Совокупность шин, связывающих несколько устройств и алгоритм, определяющий порядок обмена информацией между ними, называется интерфейсом. Различают после-

довательные и параллельные интерфейсы.

В соответствии с последовательным интерфейсом (COM-порт) данные передаются

последовательной цепочкой битов, каждый последующий бит следует по времени после предыдущего. COM-порт используется для подключения сканера, модема или мыши.

Параллельный интерфейс передает несколько битов одновременно. Количество

одновременно передаваемых битов называется разрядностью интерфейса. Стандартным

параллельным портом считается LPT-порт, который используется для подключения прин-

тера.

Интерфейсы USB и FireWire относятся к универсальным последовательным интерфейсам.

Интерфейс FireWire служит для подключения к компьютеру периферийных цифровых

аудио- и видеоустройств, требующих высокой скорости передачи информации.

Интерфейс USB позволяет подключать к компьютеру клавиатуру, мышь, принтер, сканер, цифровой фотоаппарат, а также флэш-память.

3. ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

3.1.Виды памяти

Запоминающие устройства бывают внутренними и внешними.

Квнутренним запоминающим устройствам компьютера относятся:

•Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ или ROM)

•Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ или RAM)

•Кэш-память (недоступный для пользователя буфер)

•Внутренняя память регистров процессора (РОН)

•Видеопамять графического адаптера

Внутренняя память обеспечивает первоначальную проверку работоспособности ПК

при его включении (POST-тестирование), загрузку операционной системы в оперативную память (подготовку ПК к работе) и хранение программ и данных в процессе решения задач. ПЗУ имеет автономный источник питания, а ОЗУ работоспособна только при вклю-

чении питания ПК (энергозависима).

Квнешним запоминающим устройствам (ВЗУ) относятся:

•Жесткие и гибкие магнитные диски

•Магнитные ленты (стримеры)

•Оптические диски

•Флэш-память