Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Техническое обеспечение кит

Тема: Техническое обеспечение КИТ

ЭВМ
Типы архитектур вычислительных систем (ВС)
Процессоры
Память ПК
Тенденции развития технических средств КИТ

1. ЭВМ

В 1945 г в США первая ЭВМ – ЭНИАК. В СССР первая ЭВМ МЭСМ– в 1950г

Поколения ЭВМ

В качестве классификационного признака – элементная база.

1-е. С 1945 г.– электронные лампы

2-е. С 1955 г. – полупроводниковые диоды и транзисторы

3-е. С 1965 г. – интегральные схемы

4-е. С 1971 г. – большие интегральные схемы

5-е. С 1979 г. – сверхбольшие интегральные схемы

6-е. С 1986 г. – нейрокомпьютеры с биологическими принципами обработки

Классификация ЭВМ

По производительности:

Быстродействие ЭВМ – количество элементарных операций, выполняемых за 1 сек.

супер-ЭВМ – для обработки больших массивов информации и решения фундаментальных задач (трлн. опер/c; Эльбрус, Скиф);
большие ЭВМ (мэйнфреймы) – для решения задач различных классов (десятки млн. опер/с; IBM 360, ЕС ЭВМ);
мини-ЭВМ – малые универсальные ЭВМ. Основные области применения – в системах оперативного управления, в ИПС, в научных исследованиях, для автоматизации проектирования, как терминальные устройства больших ЭВМ (до 1 млн. опер/с ; СМ ЭВМ).
микро-ЭВМ – как встроенные ЭВМ в приборы, агрегаты, машины (сотни тыс. опер/c; бортовые компьютеры самолетов).

По форме представления информации:

аналоговые – информация представляется в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины;
цифровые – информация в дискретной форме;
гибридные

По принципу действия:

машины, управляемые командами;
потоковые машины (в каждый момент времени выполняются те команды, для которых имеются в наличии операнды);
редукционные машины (управляемые запросами).

По размеру:

стационарные большие ЭВМ;
настольные малогабаритные;
портативные ЭВМ (или «ноутбуки»);
малогабаритные ЭВМ.

По уровню специализации:

универсальные;
специализированные;

Программа – последовательность команд, реализующая решение на машине поставленной задачи.

Команда – указание машине на выполнение какого-либо вычисления или другой операции.

Операции, выполняемые ЭВМ:

арифметические;
логические;
сравнения;
операции обмена;
специальные операции конкретных ЭВМ;
операции обработки прерываний.

Команда в общем случае состоит из 2-х частей – операционной и адресной.

Команда 3-адресная:

КОП

А1

А2

А3

Принципы организации и функционирования ЭВМ Джона фон Неймана

Общие принципы работы ЭВМ были сформулированы известным математиком Джоном фон Нейманом (американцем венгерского происхождения). Он представлял себе ЭВМ, как вычислительную машину, управляемую командами, и сформулировал 5 требований к ЭВМ:

раздельное рассмотрение команд и данных;
для хранения команд и данных д.б. специальное устройство – память. Причем при хранении данные и программы не различаются;
линейность адресного пространства памяти ЭВМ;
для представления данных – двоичная система счисления;
центральное обрабатывающее устройство – процессор, который должен управлять всеми функциями компьютера.

Обобщенная структура ЭВМ

Ее представим в виде схемы, определяющей состав, порядок и взаимодействие основных функциональных частей машины.

АЛУ – выполняет арифметические и логические операции

УУ – вырабатывает управляющие сигналы, обеспечивающие автоматическую обработку инф. Оно координирует работу всех устройств ЭВМ в процессе обработки.

АЛУ и УУ составляют процессор – центральное устройство ЭВМ. Оно осуществляет обработку инф. соответственно заданной программе.

При выполнении операций в процессоре происходит неоднократное обращение к ЗУ. ЗУ– запоминающее устройство (память ЭВМ). Оно служит для хранения исходных, промежуточных, результатных данных, а также программ.

Увв обеспечивает ввод исх. инф. в ЗУ.

Увыв осуществляет вывод результатной инф. из ЗУ.

ПУ – пульт управления – предназначен для контроля за работой машины, для проверки работоспособности машины и ее наладки, для оперативного вмешательства человека в ход решения задачи.

Связь между устройствами ЭВМ обеспечивает радиальный или магистральный интерфейс. Радиальный обеспечивает связь каждого устройства с другими устройствами (связь быстродействующая, но требует больших расходов на реализацию).

Магистральный – связь устройств посредством системы шин:

шины данных – по ней осуществляется обмен данными между блоками ЭВМ;
шины управления – для передачи управляющих сигналов;
шины адресов – для передачи адресов команд, операндов.

Есть ЭВМ с многомашинной и одношинной структурой.

2.Типы архитектур вычислительных систем (ВС)

Архитектура ВС – совокупность общих принципов организации аппаратно-программных средств и их характеристик, определяющая возможности ВС при решении задач пользователя.

•Однопроцессорная ВС (архитектура фон Неймана):

– одно АЛУ, через которое проходит поток данных;

– одно УУ, через которое проходит поток команд.

•Многопроцессорная ВС:

– несколько процессоров;

– можно параллельно обрабатывать несколько потоков данных и несколько потоков команд.

•Многомашинная ВС:

– несколько компьютеров, не имеющих общей ОП;

– каждый компьютер имеет собственную память и классическую архитектуру.

3. Процессоры

Процессором называется устройство, непосредственно осуществляющее процесс обработки данных и программное управление этим процессом.

Процессор:

дешифрирует и выполняет команды программы;
организует обращения к оперативной памяти (ОП);
в нужных случаях инициирует работу периферийных устройств;
воспринимает и обрабатывает «запросы прерывания».

Выполнение команды разделено на более мелкие этапы — микрооперации, во время которых выполняются определенные элементарные действия.

Машинный такт – интервал времени, в течение которого выполняется одна или одновременно несколько микроопераций.

Границы тактов задаются электрическими импульсами, вырабатываемыми специальной схемой — генератором тактовых импульсов (ГТИ). Современные ПК имеют тактовую частоту до 4 Ггц.

В процессор входят:

ГТИ;
АЛУ;
УУ;
регистры;
кэш-память;
блок связи.

Могут также входить: блок прерывания, блок защиты памяти, блок контроля правильности работы и диагностики процессора и др.

АЛУ выполняет логические и арифметические операции над данными.

УУ вырабатывает последовательность управляющих сигналов, инициирующих выполнение соответствующей последовательности микроопераций, обеспечивающей реализацию текущей команды.

Регистр – предназначенная для особых целей область памяти, имеющая конкретную емкость (н-р, бит или байт)

Регистры общего назначения (РОН) – для хранения операндов арифметических и логических операций и для вычисления адресов. В современных МП имеется 16 64-битных РОН.

Управляющие регистры предназначены для временного хранения управляющей информации.

Для повышения быстродействия и логических возможностей процессора (МП) в его состав включают кэш-память – блок высокоскоростной памяти, в которую копируются данные из ОП. Она есть 2-х уровней: кэш-память 1-го уровня –128 Кб, 2-го – 1 Мб.

Блок связи (интерфейс процессора) организует: - обмен информацией процессора с ОП;

- защиту участков ОП от недозволенных программе обращений;

- связь процессора с периферийными устройствами и внешним по отношению к ЭВМ оборудованием (другими ЭВМ и т.д.).

Архитектура процессоров

1.CISC(Complete Instruction Set Computer) – архитектура с полным набором команд (в IBM/360, с 1964 г.; в МП Intel X86 и Pentium).

Для CISC-процессоров характерны:

большое число машинных команд, поддерживаемых форматов команд разной разрядности, методов адресации;
преобладание 2-х адресного формата команд «регистр-память»;
сравнительно небольшое число РОН.

2.RISC (Restricted Instruction Set Computer) – архитектура с сокращенным набором команд (регистро-ориентированная архитектура). Первый RISC-компьютер – IBM-801 в 1979 г.

Суть: выделяются наиболее употребительные операции и создается архитектура, приспособленная для их быстрой реализации.

Основные принципы RISC-архитектуры:

· каждая команда выполняется за 1 машинный такт, длительность которого должна быть макс. короткой;

· все команды одинаковой длины и используют мин. адресных форматов (не более 2-3-х), что упрощает логику центрального управления процессором;

обращение к памяти – только при выполнении операций записи и чтения, а вся обработка – только в регистровой структуре процессора в формате команд "регистр – регистр – регистр";

· система команд – наиболее эффективная для различных языков программирования.

3. VLIW (Very Long Instruction Word) - с командными словами очень большой длины (статическая суперскалярная архитектура, 1979 г.). В команде длиной 64 разряда объединено несколько обычных команд, которые выполняются параллельно разными блоками процессора для повышения его быстродействия. Пример VLIW – суперкомпьютер Эльбрус-3.

Модели выполнения команд процессорами

1. Последовательная (скалярная) – выполнение следующей команды начинается только после окончания выполнения предыдущей команды.

2. Конвейерная (параллелизм на уровне микроопераций) – выполнение следующей команды начинается до полного окончания выполнения предыдущей команды.

3. Суперскалярная (параллелизм на уровне команд) – выполняется несколько операций за один такт. Распознаются зависимые и независимые команды – первые выполняются по последовательной модели, а вторые – по конвейерной модели.

!*********************************************

Персональные компьютеры

ПК – это микропроцессорная система обработки данных, предназначенная для текущей ежедневной работы пользователя.

Первый ПК был сконструирован американской фирмой MIPS в 1975 г.

В 1976 – Apple-1; 1977 – Apple-2 (8-разр.)

В 1981 IBM – PC; 1983-84 –PC XT, PC AT (16-разр.). В 1986 IBM – PS/2 (32-разр.)

Классификация ПК

По назначению и характеру исполнения:

Портативные или переносные (porttable);

наколенные (laptop);
блокнотные (notebook);
карманные (pocket);

Настольные
Профессиональные рабочие станции
Серверы

По поколениям:

ПК 1-го поколения. В них используются 8-битные МП
ПК 2-го поколения – 16-битные МП
ПК 3-го поколения – 32-битные МП
ПК 4-го поколения – 64-битные МП

По производителям:

IBM – подобные (процессоры Intel)
Apple Macintosh (процессоры Motorolla)

Структурная схема ПК

Системный блок реализует операции по обработке информации, осуществляет хранение программ и данных, управляет работой всех блоков, обеспечивая их взаимодействие

Ядро ПК составляют микропроцессор (МП) и внутренняя память.

МП – устройство в виде БИС, реализующее все основные операции по обработке информации.

У современных ПК используются МП из семейства МП компании Intel:

•…80486, Pentium…,Pentium Pro…, Celeron, Xeon, Merced…

и компании AMD:

•…K6, K7, K7 Duron, K7 Athlon…

Внутренняя память – часть памяти ПК (см. ниже).

Материнская плата (системная плата) – конструктивно объединяет МП и внутреннюю память. Имеет еще переключатели для адаптации к разным типам микросхем и разъемы для подключения основных и дополнительных устройств.

Контроллеры (адаптеры) – обеспечивают управление работой внешних устройств.

Системная шина – для организации взаимодействия внешних устройств с ядром ПК.

В состав системного блока входят еще:

сетевой разъем – для получения питания от сети;
порты – стандартные разъемы для подключения к ПК других блоков. Они есть:
параллельные (LPT) – передают одновременно несколько битов инф. (сканер, принтер, плоттер);
последовательные (COM) – передают бит за битом (флэш-память, модем).

Внешние устройства

НГМД, НЖМД, НОД – накопитель на гибком МД, на жестком МД, на оптическом диске. Это устройства для чтения-записи информации на машинный носитель.

Монитор – устройство для отображения информации, вводимой с клавиатуры, или выводимой из памяти компьютера

По конструктивному решению:

плоские – жидкокристаллические, плазменные, люминесцентные;
на базе электронно-лучевой трубки.

По принципу формирования изображения:

векторные;
растровые.

Основные характеристики:

разрешающая способность (1280х1024);
размер точки (зерна) (0,29 мм);
количество воспроизводимых цветов;
размер экрана по горизонтали (н-р, 21дюйм);
масса, габариты, потребляемая электроэнергия;
частота разверстки (120 гц – раз в сек)

Клавиатура – устройство ввода информации.

Наиболее распространена 101-клавишная. Имеются 2-х секционные, с подставками для кистей рук; с возможностью чтения штрихкодов и магнитных карточек. Основные характеристики:

надежность;
удобство в работе.

Манипулятор "мышь" – управляет перемещением курсора по экрану дисплея. В графических редакторах используется для рисования.

По принципу формирования сигналов перемещения:

механические;
оптические.

Основные характеристики:

количество клавиш;
разрешение – число импульсов, генерируемых при перемещении на 1 длины.

Принцип открытой архитектуры

Фирма IBМ сделала компьютер не единым неразъемным устройством, а обеспечила возможность его сборки из независимо изготовленных частей (аналогично детскому конструктору). При этом методы сопряжения устройств с компьютером не держались в секрете, а были доступны всем желающим. Этот принцип называется принципом открытой архитектуры.

Пользователи могут самостоятельно расширять возможности своих компьютеров, покупая дополнительные устройства и подсоединяя их в свободные разъемы на системной плате.

**********************************************

4. Память ПК

Память ЭВМ – совокупность устройств, служащих для запоминания, хранения и выдачи информации. Отдельные устройства, входящие в эту совокупность, называют запоминающими устройствами (ЗУ).

Основные операции в памяти – запись и считывание (байта, машинного слова или блока данных). Обе эти операции называются обращением к памяти.

Емкость памяти – максимальное количество данных, которые могут в ней храниться.

Единицы измерения емкости памяти: бит, байт, Килобайт, Мегабайт, Гигобайт, Терабайт, Петабайт, Экзабайт.

Быстродействие памяти – продолжительность операции обращения.

1. В зависимости от реализуемых операций обращения различают ЗУ:

с произвольным обращением (возможны чтение и запись данных в память) - RAM;
только для считывания информации (“постоянная” или “односторонняя”) - ROM.

2. По способу организации доступа различают ЗУ:

с произвольным доступом (н-р, РОН, кэш-память) – время доступа не зависит от места расположения участка памяти, к которому происходит обращение;
с прямым доступом (н-р, дисковые устройства) – возможность обращения к некоторому участку носителя для чтения или записи циклически повторяется;
с последовательным доступом (н-р, МЛ) – производится последовательный просмотр участков носителя информации, пока не будет найден нужный.

3. По выполняемым в ЭВМ функциям различают ЗУ:

1) оперативное запоминающее устройство (ОЗУ, оперативная или основная память) – для хранения информации (данных, программ, промежуточных и конечных результатов обработки), непосредственно используемой в процессе обработки данных. ОЗУ – это память RAM. Она быстродействующая, но небольшого объема (у современных ПК – 512 Мб, 1024 Мб);

2) постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) – для хранения программ и данных, которые определяют работу ПК после включения питания. Это память ROM;

3) полупостоянное запоминающее устройство (ППЗУ) – для хранения параметров конфигурации компьютера, которые проверяются при загрузке операционной системы и могут быть изменены;

4) кэш-память – сверхоперативная буферная память, предназначенная для промежуточного хранения наиболее часто используемых процессором данных. Она служит для частичной компенсации разницы в скорости работы процессора и ОЗУ. Емкость – до 1 Мб.

5) видеопамять – память, используемая для хранения изображения, выводимого на экран монитора (емкость – от1 до 32 Мб).

Перечисленные ЗУ составляют внутреннюю память ПК.

Внешняя память

ПК имеют медленнодействующую, но большого объема внешнюю память. Ее составляют следующие внешние запоминающие устройства (ВЗУ).

1.Жеские магнитные диски (HDD, винчестеры).

Их основные характеристики:

емкость (сотни Гб);
размер (3,5 дюйма у настольных ПК и 2,5 или 1,8 – у портативных), толщина;
скорость вращения (до 15000 оборотов/мин);
время доступа к диску (10-12 микросекунд).

2.Гибкие магнитные диски (FDD, флоппи-диски). Их основные характеристики:

размер (3,5 дюйма);
емкость (1,44 Мб).

3.Оптические диски. Принцип их работы основан на использовании лазерного луча для чтения-записи инф. Они есть:

незаписываемые – CD-ROM (до 800 Мб);
с однократной записью (CD-R);
перезаписываемые (CD-RW).

К ОД относятся также DVD-диски – цифровые диски, ориентированные на видеопродукцию (4,7–17 Гб).

4.Флэш-память – энергонезависимое полупроводниковое запоминающее устройство, позволяющее перезаписывать информацию. У нее:

высокая емкость (до 256 Гб);
высокая скорость обмена данными (до 10 Мбит/c);
малый размер;
долговечность;
низкое энергопотребление.