12.2. Функциональная и структурная организация процессора.

Структурная организация – набор устройств, блоков и связей между ними.

Функциональная организация – форматы команд, алгоритмы реализации операций (поразрядная обработка или параллельная), ширина шин адреса, данных, система прерываний.

С труктурная организация.

По g_i указывается пусковой адрес микропрограммы цикла работы процессора. Затем микропрограммы выполняются друг за другом. По мере исполнения микроопераций и микрокоманд формируются особые случаи или осведомительные сигналы: перенос из старшего разряда, переполнение разрядной сетки, равенство нулю результата операции, знак результата и т.д. Часть осведомительных сигналов поступает в УА для изменения естественного порядка выполнения микрокоманд (ветвление, циклы); формируются внешние осведомительные сигналы; сигналя для центрального устройства управления по которым прерывается выполнение текущей программы, осуществляется обращение к периферийным устройствам и т.д.

ЦУУ в машинах III поколения представлено явно, в IV поколении - реализовано на программном уровне. В IV поколении ОП вынесено за пределы процессора.

В современных процессорах Т_цикла=(12) Т_такта; Т_такта=(24)Т₀ , где Т₀- импульсы синхронизирующих последовательностей. Т₀=1/F₀, где F₀- частота тактирования CPU.

Операционный автомат процессора.

Операционный автомат (ОА) состоит из основных частей: 1) запоминающая часть(регистры, счетчики, запоминающие элементы); 2) комбинационная часть (мультиплексоры, сдвигатели, АЛУ, сумматоры, дешифраторы, шифраторы, логические схемы); 3) Линии связей между элементами или устройствами (магистрального типа, с непосредственными связями и комбинированные).

Структура ОА см. на примере вычислительной секции 1804ВС1 и ОА процессора машин III поколения.

ОА характеризуются: 1) производительностью – количество микроопераций за единицу времени W_ОА; 2) быстродействием t=длительность выполнения микрооперации, данный показатель стремятся сократить, он определяется глубиной задержки логических схем; 3) сложностью.

Каноническая структура ОА.

ОА оцениваются параметрами: 1) производительность; 2) быстродействие; 3) сложность (затраты оборудования); 4) однородность (регулярность структуры) – характеризуется количеством однотипных элементов и связей между ними. Чем проще элемент и проще связь, тем степень однородности выше.

Структура ОА определяется классом решаемых на нем задач.

Задача -> {методы решения} -> алгоритм -> {набор операций Q1(аппаратно-микропрограммным путем) и Q2(программным путем)} -> {микропрограммы} -> {микрокоманды} -> {микрооперации}

Состоянием ОА ставится в соответствие запоминающая часть (S), а множеству микроопераций – множество комбинационных схем. S – множество слов операционного автомата (I -входных, L-выходных, O-промежуточных).{S₁,S₂,...,S_N}

Y – множество микроопераций {y_m}={S_k=_k(S₁,S₂,...,S_N)}, где _k – некоторая вычислимая функция

X – множество осведомительных сигналов, X={X_L}={_L (S₁,S₂,...,S_N)}, где _L – некоторая комбинационная схема.

Структура ОА синтезируется следующим образом:

1. Словам S₁,S₂,...,S_N, описывающих внутреннее состояние, ставятся в соответствие регистры S₁,S₂,...,S_N с разрядностью n₁,n₂,...,n_N , которые равны длине слова операционного автомата. Если в словах есть поля, то в структурной схеме ОА выделяют регистры (подрегистры).

2. Словам S_d1,S_d2,...,S_dm (входным) ставятся в соответствие входные полюсы d₁,d₂,...,d_m. Каждому внутреннему слову ставится в соответствие регистр, полюс с регистром соединяется шиной.

3. Выходные слова S_r1,S_r2,...,S_rQ ставятся в соответствие выходным полюсам r₁,r₂,...,r_Q.

4. Каждой микрооперации ставится в соответствие комбинационная схема Y_m: S₁=_m{ S₁,S₂,...,S_N}

5. Каждому логическому условию, так же ставится в соответствие комбинационная схема X_L: _L{ S₁,S₂,...,S_N }

Определение: структура ОА, полученная путем замены каждого элемента функции (слова микрооперации и логического условия) соответствующими элементами структурного базиса (регистрами, комбинационными схемами) является основополагающим для синтеза структур ОА и называется канонической структурой.

Эта структура имеет следующий вид:

Производительность, быстродействие и сложность у данной схемы максимальны.

Пути сокращения затрат оборудования: 1) реализовать однотипные микрооперации на одних и тех же комбинационных схемах (Эквивалентные комбинационные схемы); 2)объединить комбинационные схемы по каждому элементу памяти (регистры).

I - автоматы.

Их производительность не ниже канонической, а затраты оборудования минимальны.

H_i – код управления схемой ₁.

На этой схеме комбинационные схемы состояний не показаны.

Элементы однотипные, структура однородна – это ОА с распределением микроопераций.

Микрооперации ОА, которые не могут быть выполнены одновременно, называются несовместимыми. Например, запись числа в регистр и чтение из этого регистра необходимо разделить во времени.

В каждый момент времени может быть выполнено N операций в канонической структуре: W_k=N_мо/t_k. Производительность I – автомата W_I=N_мо/t_I, причем t_I  t_k. Сложность Сл_к>Сл_I.

М – автоматы.

Ели взять все комбинационные схемы I – автомата и объединить в одну комбинационную схему, то получится следующая структура: Z=Ф(H,A,B)=Ф_H(A,B)

Z – выходной сигнал комбинационной схемы

Для данной схемы W_M=1/t_M; t_M>tI; Сл_М<Сл_I.

Характеристики промежуточных вариантов автоматов можно представить в виде графика:

Все IM – автоматы делятся на классы, характеризуемые степенью обобществления комбинационной частью ОА.

IM – автоматы с параллельной комбинационной частью:

В данном случае все операции делятся на унарные (один операнд) и бинарные (два операнда). W_IM=2/t_IM; t_IM<t_M; Сл_IM>Сл_M.

IM – автоматы с последовательной комбинационной частью.

S – автоматы.

Пунктиром выделена дополнительная загрузка. КС сосредоточена в одном месте, есть ЗУ для массивов информации.

Работа автомата: по управляющим сигналам а₁ и а₂ числа записываются в S₁ и S₂, а по сигналам b₁ и b₂ передается на вход КС. Управляющий сигнал _к осуществляет выбор одной из м/о, реализуемой КС. В 1-ом такте по адресу А число выбирается в S₁ из ЗУ, во втором такте – из ЗУ в S₂. В третьем такте содержимое обоих регистров S₁ и S₂ (или одного из них) поступает на вход КС. Результат дописывается в ЗУ. Главная задача: сокращение тактов на выполнение одной м/о. Для этого : 1)вводят дополнительные регистры S_3...S_m, чтобы совместить такт выборки слова из ЗУ с исполнением очередной м/о; 2)вводится дополнительная загрузка, S₂ – итоговый регистр (аккумулятор); 3)содержимое ЗУ подается на вход КС минуя элементы памяти.

В общем случае м/о реализуется за 3 такта, а введение указанных способов ускорения снижает время выполнения до 2-х и 1-го тактов.

На характеристики ОА существенным образом влияют:

1. Линии связей.

2. Тактирование ОА.

1. Линии связей магистрального типа.

Достоинства: а) простота; б)малые затраты оборудования.

Недостатки: а) в каждый момент времени информация передается между одним источником и одним или несколькими получателями.

Если разрядность шины 32, F_цикла =100МГц, то пропускная способность шины _ш=32/Т_ц=32*F_цикла=32*100*10⁶=3,2 (Гбита/сек)=400 (Мбайт/сек).

Для увеличения скорости обмена в ОА используются несколько магистралей.

В машинах III поколения использовали 3 и более шин; в машинах IV поколения: IBM PC/XT – 3 магистрали (шины), IBM PC/AT – 6 магистралей (шин). Введение дополнительных магистралей увеличивает количество передач в единицу времени.

б) каналы магистрального типа имеют большую емкостную нагрузку, что снижает возможность повышения тактовых частот.

в) поскольку магистрали – универсальные линии связи, и она должна обладать функциональной полнотой, то по структуре она оказывается достаточно сложной.

2. Линии связи непосредственного типа.

1. Линии связи устанавливаются содержательными микропрограммами.

2. В каждый момент времени можно одновременно передать данные между несколькими группами устройств. Например, S1->S2 и S3->S4 (S2->S3 и S4->S1).

3. Для увеличения количества передач в качестве элементов памяти используют 2-х ступенчатые триггеры (МS регистры – Master/Slave), а также промежуточные конвейерные регистры.

4. Структурно непосредственные связи проще магистралей и по числу линий и по временным диаграммам обмена.

Тактирование ОА

T_ОА=_УА_ОА – такт ОА.

W_ОА=N_м/о /T_ОА – производительность.

I автомат: каждый элемент памяти имеет свою КС, поэтому он имеет наибольшее число м/о выполняемых за один такт.

Все м/о можно разделить на совместимые, те которые могут выполняться одновременно и несовместимые. Например, записать в S1 число и произвести его сдвиг невозможно одновременно. Поэтому включать их в одну микрокоманду нельзя. Несовместимые м/о можно сделать совместимыми разнеся их по разным тактам управляющих сигналов. Такое тактирование называется многофазным.

В машинах III поколения такт работы процессора четырехфазный T_проц.=₁₊₂₊₃₊₄. В машинах IV поколения T_проц=T_i+...+T_i+T₁+T₂+T₃+T_w+...+T_w+T₄+T_i ,где Т_i- холостые синхроимпульсы в режиме ожидания, прерывания, останова ; T₁,T₂,T₃,T₄ – рабочие синхроимпульсы; Т_w – импульсы ожидания определяемые скоростью внешнего устройства.

22.Структура и принципы построения ЛВС. Архитектура одноранговых сетей и сетей "клиент-сервер".

• Локальные вычислительные сети.

Под Локальной вычислительной сетью (ЛВС, LAN - Lokal Area Network) понимают совместное подключение отдельных компьютеров (рабочих станций) к каналу передачи данных. Понятие ЛВС относится к географически ограниченным реализациям, в которых несколько рабочих станций связанны друг с другом с помощью соответствующих средств коммуникаций. ЛВС включает в себя кабельную локальную сеть ЛВС или СКС, активное сетевое оборудование и компьютеры различного назначения.

• Основные принципы построения ЛВС.

Архитектура взаимодействия компьютеров в локальной вычислительной сети строится на стандарте Open Systems Interconnection (OSI), разработанного Международной организацией по стандартизации (англ. ISO - International Standards Organization). Основная идея этой модели заключается в том, что каждому уровню отводится конкретная специализированная задача. Соглашения для связи одного уровня с другим называют протоколом. Так вкраце выглядит работа локальной сети или работа ЛВС.

Базовая модель OSI содержит семь отдельных уровней:

• Уровень 1: физический – физические параметры среды передачи;

• Уровень 2: канальный - формирование кадров, управление доступом к среде;

• Уровень 3: сетевой - маршрутизация, управление потоками данных;

• Уровень 4: транспортный - обеспечение взаимодействия удаленных процессов;

• Уровень 5: сеансовый - поддержка диалога между удаленными процессами;

• Уровень 6: представлении данных - интерпретация передаваемых данных;

• Уровень 7: прикладной - пользовательское управление данными.

В зависимости от того, как распределены функции между компьютерами сети, сетевые операционные системы, а следовательно, и сети делятся на два класса: одноранговые и двухранговые, которые чаще называют сетями с выделенными серверами.

Если компьютер предоставляет свои ресурсы другим пользователям сети, то он играет роль сервера. При этом компьютер, обращающийся к ресурсам другой машины, является клиентом. Компьютер, работающий в сети, может выполнять функции либо клиента, либо сервера, либо совмещать обе функции.

Если выполнение серверных функций является основным назначением компьютера, то такой компьютер называется выделенным сервером. В зависимости от того, какой ресурс сервера является разделяемым, он называется файл-сервером, факс-сервером, принт-сервером, сервером приложений и т.д. Выделенный сервер не принято использовать в качестве компьютера для выполнения текущих задач, не связанных с его основным назначением, так как это может уменьшить производительность его работы как сервера.

На выделенных серверах желательно устанавливать ОС, специально оптимизированные для выполнения определенных серверных функций. Поэтому в подобных сетях с чаще всего используются сетевые операционные системы, в состав которых входит нескольких вариантов ОС, отличающихся возможностями серверных частей. Например, сетевая ОС Novell NetWare имеет серверный вариант, оптимизированный для работы в качестве файл-сервера.

В одноранговых сетях все компьютеры равны в правах доступа к ресурсам друг друга. Каждый пользователь может по своему желанию объявить какой-либо ресурс своего компьютера разделяемым, после чего другие пользователи могут его использовать. В таких сетях на всех компьютерах устанавливается одна и та же ОС.

23.Информационные услуги территориальных сетей. Технологии распределенных вычислений. Протоколы файлового обмена, электронной почты.

• Территориальные сети

Территориальные сети заключают в себя все рабочие станции, находящиеся в пределах одного конкретного города или субъекта. Отметим, что в качестве линии связи в территориальных сетях используют магистральные оптоволоконные кабеля. А по ним, как мы уже знаем, можно передавать данные с очень высокой скоростью. Экономически данная сеть является очень выгодной для потребителя, так как ни одна частная сеть не выйдет по деньгам дешевле, чем территориальная сеть.

Территориальная сеть имеет хозяина в лице определенной государственной или частной компании, которая и предоставляет доступ клиентам. Но клиенты не отчитываются за использование полученных сетевых ресурсов перед данными компаниями.

• FTP

FTP (англ. File Transfer Protocol — протокол передачи файлов) — протокол, предназначенный для передачи файлов в компьютерных сетях. FTP позволяет подключаться к серверам FTP, просматривать содержимое каталогов и загружать файлы с сервера или на сервер; кроме того, возможен режим передачи файлов между серверами.

FTP является одним из старейших прикладных протоколов, появившимся задолго до HTTP, в 1971 году. Он и сегодня широко используется для распространения ПО и доступа к удалённым хостам.

Протокол FTP относится к протоколам прикладного уровня и для передачи данных использует транспортный протокол TCP. Команды и данные, в отличие от большинства других протоколов, передаются по разным портам. Исходящий порт 20, открываемый на стороне сервера, используется для передачи данных, порт 21 для передачи команд. Порт для приема данных клиентом определяется в диалоге согласования. В случае, если передача файла была прервана по каким-либо причинам, протокол предусматривает средства для докачки файла, что бывает очень удобно при передаче больших файлов.

• Протоколы передачи электронной почты

1. POP3

POP3 (англ. Post Office Protocol Version 3 – протокол почтового отделения, версия 3) используется почтовым клиентом для получения сообщений электронной почты с сервера. Обычно используется в паре с протоколом SMTP.

Альтернативным протоколом для сбора сообщений с почтового сервера является IMAP.

В протоколе POP3 предусмотрено 3 состояния сеанса:

• авторизация: клиент проходит процедуру аутентификации;

• транзакция: клиент получает информацию о состоянии почтового ящика, принимает и удаляет почту;

• обновление: сервер удаляет выбранные письма и закрывает соединение.

2. IMAP

IMAP (англ. Internet Message Access Protocol) – протокол прикладного уровня для доступа к электронной почте. IMAP предоставляет пользователю богатые возможности для работы с почтовыми ящиками, находящимися на центральном сервере. Почтовая программа, использующая этот протокол, получает доступ к хранилищу корреспонденции на сервере так, как будто эта корреспонденция расположена на компьютере получателя. Электронными письмами можно манипулировать с компьютера пользователя (клиента) без необходимости постоянной пересылки с сервера и обратно файлов с полным содержанием писем. Для отправки писем используется протокол SMTP.

IMAP был разработан для замены более простого протокола POP3 и имеет следующие преимущества по сравнению с последним:

• Письма хранятся на сервере, а не на клиенте. Возможен доступ к одному и тому же почтовому ящику с разных клиентов. Поддерживается также одновременный доступ нескольких клиентов. В протоколе есть механизмы, с помощью которых клиент может быть проинформирован об изменениях, сделанных другими клиентами.

• Поддержка нескольких почтовых ящиков (или папок). Клиент может создавать, удалять и переименовывать почтовые ящики на сервере, а также перемещать письма из одного почтового ящика в другой.

• Возможно создание общих папок, к которым могут иметь доступ несколько пользователей.

• Информация о состоянии писем хранится на сервере и доступна всем клиентам. Письма могут быть помечены как прочитанные, важные и т. п.

• Поддержка поиска на сервере. Нет необходимости скачивать с сервера множество сообщений для того чтобы найти одно нужное.

• Поддержка онлайн-работы. Клиент может поддерживать с сервером постоянное соединение, при этом сервер в реальном времени информирует клиента об изменениях в почтовых ящиках, в том числе о новых письмах.

• Предусмотрен механизм расширения возможностей протокола.

3. SMTP

SMTP (англ. Simple Mail Transfer Protocol – простой протокол передачи почты) – это сетевой протокол, предназначенный для передачи электронной почты в сетях TCP/IP.

ESMTP (англ. Extended SMTP) – масштабируемое расширение протокола SMTP. В настоящее время под протоколом SMTP, как правило, подразумевают ESMTP и его расширения.

SMTP используется для отправки почты от пользователей к серверам и между серверами для дальнейшей пересылки к получателю. Для приёма почты почтовый клиент должен использовать протоколы POP3 или IMAP.

24.Сетевые операционные системы. Сетевые службы, протоколы, клиенты

• Сетевая операционная система

Сетевая операционная система (англ. Network operating system) – это операционная система, которая обеспечивает обработку, хранение и передачу данных в информационной сети.

Главными задачами сетевой ОС являются разделение ресурсов сети (например, дисковые пространства) и администрирование сети. Системный администратор определяет разделяемые ресурсы, задаёт пароли, определяет права доступа для каждого пользователя или группы пользователей. Отсюда сетевые ОС делят на сетевые ОС для серверов и сетевые ОС для пользователей.

Существуют специальные сетевые ОС, которым приданы функции обычных систем (например, Windows NT) и обычные ОС (Windows XP), которым приданы сетевые функции. Практически все современные ОС имеют встроенные сетевые функции.

Сетевая операционная система составляет основу любой вычислительной сети. Каждый компьютер в сети в значительной степени автономен, поэтому под сетевой операционной системой в широком смысле понимается совокупность операционных систем отдельных компьютеров, взаимодействующих с целью обмена сообщениями и разделения ресурсов по единым правилам - протоколам. Эти протоколы обеспечивают основные функции сети: адресацию объектов, функционирование служб, обеспечение безопасности данных, управление сетью. В узком смысле сетевая ОС - это операционная система отдельного компьютера, обеспечивающая ему возможность работать в сети.

• Сетевые службы, протоколы, клиенты

Сетевые протоколы фактически управляют сетью, указывая сетевым устройствам, что они должны делать. Сетевые протоколы - это набор правил по которым работает сеть. Для передачи информации по сети, компьютеры должны использовать один и тот же набор правил, т.е. единый сетевой протокол.

Сетевые службы предназначены для выполнения определенных функций, в рамках действующего протокола, например служба разрешения имен, служба автоматического выделения адресов и т.д.

Существует множество типов сетевых протоколов, работающих в разных сетях и на разных уровнях модели OSI. Вот некоторые из них:

TCP/IP ,NetBEUI , IPX/SPX , NWLink , AppleTalk , DLC

Протокол IP (Internet protocol) - основной протокол сетевого уровня. Определяет способ адресации на сетевом уровне. Обеспечивает маршрутизацию в сетях, представляющих собой объединение сетей, базирующихся на разных сетевых технологиях.

Протокол TCP (Transmission Control Protocol) - протокол, обеспечивающий гарантированную доставку данных с установлением виртуального соединения между программами, которым требуется использовать сетевые услуги. Установление виртуального соединения предполагает, что получатель готов к приему данных от конкретного отправителя. Это означает, что все параметры взаимодействия согласованы, и компьютер-получатель выделил соответствующие ресурсы для обеспечения приема.

Сетевой клиент - компьютер или программа, имеющие доступ к услугам сервера; получающие или обменивающиеся с ним информацией.

Сетевой клиент является инициатором и проводит с сервером транзакции либо использует электронную почту.

25. Протокол передачи файлов – FTP. Протоколы электронной почты, дистанционного управления.

• FTP

FTP (англ. File Transfer Protocol — протокол передачи файлов) — протокол, предназначенный для передачи файлов в компьютерных сетях. FTP позволяет подключаться к серверам FTP, просматривать содержимое каталогов и загружать файлы с сервера или на сервер; кроме того, возможен режим передачи файлов между серверами.

FTP является одним из старейших прикладных протоколов, появившимся задолго до HTTP, в 1971 году. Он и сегодня широко используется для распространения ПО и доступа к удалённым хостам.

Протокол FTP относится к протоколам прикладного уровня и для передачи данных использует транспортный протокол TCP. Команды и данные, в отличие от большинства других протоколов, передаются по разным портам. Исходящий порт 20, открываемый на стороне сервера, используется для передачи данных, порт 21 для передачи команд. Порт для приема данных клиентом определяется в диалоге согласования. В случае, если передача файла была прервана по каким-либо причинам, протокол предусматривает средства для докачки файла, что бывает очень удобно при передаче больших файлов.

• Протоколы передачи электронной почты

1. POP3

POP3 (англ. Post Office Protocol Version 3 – протокол почтового отделения, версия 3) используется почтовым клиентом для получения сообщений электронной почты с сервера. Обычно используется в паре с протоколом SMTP.

Альтернативным протоколом для сбора сообщений с почтового сервера является IMAP.

В протоколе POP3 предусмотрено 3 состояния сеанса:

• авторизация: клиент проходит процедуру аутентификации;

• транзакция: клиент получает информацию о состоянии почтового ящика, принимает и удаляет почту;

• обновление: сервер удаляет выбранные письма и закрывает соединение.

2. IMAP

IMAP (англ. Internet Message Access Protocol) – протокол прикладного уровня для доступа к электронной почте. IMAP предоставляет пользователю богатые возможности для работы с почтовыми ящиками, находящимися на центральном сервере. Почтовая программа, использующая этот протокол, получает доступ к хранилищу корреспонденции на сервере так, как будто эта корреспонденция расположена на компьютере получателя. Электронными письмами можно манипулировать с компьютера пользователя (клиента) без необходимости постоянной пересылки с сервера и обратно файлов с полным содержанием писем. Для отправки писем используется протокол SMTP.

IMAP был разработан для замены более простого протокола POP3 и имеет следующие преимущества по сравнению с последним:

• Письма хранятся на сервере, а не на клиенте. Возможен доступ к одному и тому же почтовому ящику с разных клиентов. Поддерживается также одновременный доступ нескольких клиентов. В протоколе есть механизмы, с помощью которых клиент может быть проинформирован об изменениях, сделанных другими клиентами.

• Поддержка нескольких почтовых ящиков (или папок). Клиент может создавать, удалять и переименовывать почтовые ящики на сервере, а также перемещать письма из одного почтового ящика в другой.

• Возможно создание общих папок, к которым могут иметь доступ несколько пользователей.

• Информация о состоянии писем хранится на сервере и доступна всем клиентам. Письма могут быть помечены как прочитанные, важные и т. п.

• Поддержка поиска на сервере. Нет необходимости скачивать с сервера множество сообщений для того чтобы найти одно нужное.

• Поддержка онлайн-работы. Клиент может поддерживать с сервером постоянное соединение, при этом сервер в реальном времени информирует клиента об изменениях в почтовых ящиках, в том числе о новых письмах.

• Предусмотрен механизм расширения возможностей протокола.

3. SMTP

SMTP (англ. Simple Mail Transfer Protocol – простой протокол передачи почты) – это сетевой протокол, предназначенный для передачи электронной почты в сетях TCP/IP.

ESMTP (англ. Extended SMTP) – масштабируемое расширение протокола SMTP. В настоящее время под протоколом SMTP, как правило, подразумевают ESMTP и его расширения.

SMTP используется для отправки почты от пользователей к серверам и между серверами для дальнейшей пересылки к получателю. Для приёма почты почтовый клиент должен использовать протоколы POP3 или IMAP.