Состав вычислительной техники. Основные характеристики вычислительной техники. История развития вычислительной техники

Понятие о вычислительной технике.- совокупность технических и математических средств, методов и приёмов, используемых для механизации и автоматизации процессов вычислений и обработки информации. Основу технических средств современной вычислительной техники составляют электронные вычислительные машины (ЭВМ, компьютеры), устройства ввода, вывода, представления и передачи данных (сканеры, принтеры, модемы, мониторы, плоттеры, клавиатуры, накопители на магнитных лентах и дисках и т. д.), ноутбуки, микрокалькуляторы, электронные записные книжки и пр.

Персональный компьютер – это настольная или переносная однопользовательская микроЭВМ, удовлетворяющая требованием общедоступности и универсальности.

Основой ПЭВМ является микропроцессор. Развитие техники и технологии микропроцессоров определило смену поколений ПК:

1 – е поколение (1975 – 1980 гг.) – на базе 8 – и разрядного МП;

2 – е поколение (1981 – 1985 гг.) – на базе 16 – и разрядного МП;

3 – е поколение (1986 – 1992 гг.) – на базе 32 – х разрядного МП;

4 – е поколение (с 1993 г.) – на базе 64 – х разрядного МП.

Сегодня компьютерный мир стоит на пороге революции: CPU с транзисторами нового поколения и мощные мобильные чипы на порядок увеличат производительность ноутбуков, планшетов и смартфонов.

Процессорные элементы размером 10 и 12 нм в наступающем году полностью изменят компьютерный мир: по толщине они в 10000 раз меньше человеческого волоса (100000 нм), а по диаметру приближаются к атомам кремния (0,3 нм).

Основными производителями микропроцессоров для ПЭВМ в настоящее время по-прежнему являются:

Intel – пионер в создании и производстве современных процессоров. На сего­дняшний день на рынке дорогих компьютеров наиболее популярны ПК с процессорами на базе многоядерной архитектуры Intel Core.

В апреле 2012 года Intel представила 3-е поколение семейства четырехъядерных процессоров Intel® Core™, доступные в мощных настольных системах профессионального уровня и мобильных и тонких моноблочных ПК, которые представляют собой первые в мире микросхемы, созданные по 22-нм производственной технологии и с использованием трехмерных транзисторов Tri-Gate.

AMD (Advanced Micro Deviced) – наиболее реальный конкурент Intel. До не­давнего вре­мени занимал на компьютерном рынке нишу недорогих, но быст­рых процессоров, предна­значенных, в основном, для недорогих компьютеров и up­grade.

C созданием в 1999 г. процессора Athlon, процессоров Thun­derbird, Polamino, Thoroughbred, Barton и после 2003 г. процессоров серии К8 начал серь­езно конкурировать с Intel. Сегодня обе компании выпускают хороший качественный продукт, который может удовлетворить потребности практически любых требовательных пользователей.

В настоящее время на базе этих процессоров производится около 85% ПЭВМ. В зависимости от назначения их можно разделить на три группы:

Бытовые, предназначенные для массового потребления и имеющие простейшую базовую кон­фигурацию;

Общего назначения, предназначенные для решения научно-технических, экономических и др. задач и обучения. Этот класс получил наибольшее распространение и обслуживается, как правило, пользователями-непрофессионалами;

Профессиональные, используемые в научной сфере, для решения сложных информацион­ных и производственных задач. Они отличаются высокими техническими характеристи­ками и обслуживаются профессиональными пользователями.

Кроме того, по конструктивному исполнению ПЭВМ разделяются на:

LAPTOP-компьютеры («наколенный» компьютер). В Laptop клавиатура и системный блок выполнены в одном корпусе, который сверху закрывается крышкой с ЖК-дисплеем. Большинство моделей не отличается в лучшую сторону своими техническими парамет­рами и имеют монохромные дисплеи;

NOTEBOOK («блокноты»). Последние модели имеют достаточно высокие технические параметры, сопоставимые с ПЭВМ общего назначения (процессоры Core i7-3612QM, видео до 6144 Mb, жесткие диски – HDD более 600 Гб или SSD до 256 Гб;

УЛЬТРАБУК (англ. Ultrabook) - ультратонкий и легкий ноутбук, обладающий ещё меньшими габаритами и весом по сравнению с обычными субноутбуками, но при этом - большей частью характерных черт полноценного ноутбука. Термин стал широко распространяться в 2011 году, после того как корпорация Intel презентовала новый класс мобильных ПК - ультрабуки, концепт компаний Intel и Apple, разработан на основе выпущенного в 2008 году ноутбука Apple MacBook Air. Ультрабуки меньше обычных ноутбуков, но несколько больше нетбуков. Они оснащаются небольшим жидкокристаллическим дисплеем от 11 до 13.3 дюймов, компактны - толщина до 20 мм, и обладают массой до 2 кг. Вследствие малых размеров ультрабуки имеют малое количество внешних портов и большинство из них не имеют DVD-привода.

Нетбук (англ. Netbook) - ноутбук с относительно невысокой производительностью, предназначенный в основном для выхода в Интернет и работы с офисными приложениями. Обладает небольшой диагональю экрана в 7-12 дюймов, низким энергопотреблением, небольшим весом и относительно невысокой стоимостью.

Принцип работы современных ПК можно описать следующим алгоритмом:

I. Инициализация

После включения ЭВМ, загрузки ОС и необходимой программы программному счётчику присваивается начальное значение, равное адресу первой команды этой программы.

II. Выборка команды

ЦП производит операцию считывания команды из памяти. В качестве адреса ячейки памяти используется содержимое программного счётчика.

III. Интерпретация команды и увеличение программного счётчика

Содержимое считанной ячейки памяти интерпретируется ЦП как команда и помещается в регистр команды. УУ приступает к интерпретации команды. По полю кода операции из первого слова команды УУ определяет её длину и, если это необходимо, организует дополнительные операции считывания, пока вся команда не будет прочитана ЦП. Длина команды прибавляется к содержи­мому программного счётчика, и когда команда будет полностью прочитана, в программном счётчике сформируется адрес следующей команды.

IV. Дешифрация команды и выполнение команды

По адресным полям команды УУ определяет, имеет ли команда операнды в памяти. Если имеет, то на основе указанных в адресных полях режимов адресации вычисляются адреса операндов и производятся операции чтения памяти для считывания операндов.

УУ и АЛУ выполняют операцию, указанную в поле кода операции команды. Во флаговом регистре процессора запоминаются признаки операции.

V. При необходимости УУ выполняет операцию записи результата в память.

Если последняя команда не была «остановить процессор», то описанная последовательность операций выполняется вновь. Эта последовательность операций называется циклом процессора .

В конкретных ЭВМ реализация этого алгоритма может незначительно отличаться. Но в прин­ципе, функционирование любой фон-Неймановской ЭВМ описывается подобным алгоритмом и представляет собой последовательность достаточно простых операций.

ПК включает три основных устройства: системный блок, клавиатуру и дисплей . Для расширения функциональных возможностей ПК дополнительно подключаются периферийные устройства: принтер, сканер, манипуляторы и др. Эти устройства либо подсоединяются к системному блоку с помощью кабелей через разъёмы, расположенные на задней стенке системного блока, либо вставляются в системный блок непосредственно. ПК имеет модульную структуру. Все модули связаны с системной шиной.

Для управления внешними уст­ройствами служат контроллеры (адаптеры ВУ) . После получения команды от МП, кон­троллер, функционируя автономно, освобождает МП от выполнения специфических функций по обслуживанию внешнего устройства.

Необходимо отметить, что рост быстродействия современных МП и отдельных внешних по отношению к нему устройств (основной и внешней памяти, видеосистем и др.) привёл к проблеме увеличения пропускной способности системной шины при подключении этих устройств. Для решения этой проблемы были разработаны локальные шины, подключаемые непосредственно к шине МП.

Главным устройством в ПК является системный блок . В его состав входят ЦП, сопроцессор, модули постоянной и оперативной памяти, контроллеры, накопители на магнитных дисках, блок питания и другие функциональные модули. Конфигурацию ПК можно изменять, подключая дополнительные модули. Для обеспечения согласованной работы устройств ПК системная плата содержит чипсет, т.е. набор микросхем (чипов).

Чипсет определяет основные возможности платы:

· типы поддерживаемых ЦП;

· максимальную частоту системной шины;

· логику коммутации устройств;

· поддерживаемые типы и максимальный размер основной памяти;

· скорости работы с каждым типом памяти;

· поддержку ускоренного графического порта;

· тип дискового интерфейса и его режимы;

· максимальное число слотов расширения;

· мониторинг ПК.

Чипсет современного ПК обычно состоит из двух чипов: северного моста (North Bridge) или контроллера-концентратора памяти (англ. Memory Controller Hub, MCH), обслуживающего центральные устройства и содержащего контроллеры основной памяти, графической шины, системной шины и шины памяти, и южного моста (South Bridge) или контроллера-концентратора ввода-вывода (англ. I/O Controller Hub, ICH), содержащего контроллеры устройств ввода/вывода и стандартных периферийных устройств.

Функциональная схема компьютера-По своему назначению компьютер - это универсальный прибор для работы с информацией. По принципам своего устройства компьютер - это модель человека, работающего с информацией.

Персональный компьютер (ПК) - это компьютер, предназначенный для обслуживания одного рабочего места. По своим характеристикам он может отличаться от больших ЭВМ, но функционально способен выполнять аналогичные операции. По способу эксплуатации различают настольные (desktop), портативные (laptop и notebook) и карманные (palmtop) модели ПК.

Аппаратное обеспечение. Поскольку компьютер предоставляет все три класса информационных методов для работы с данными (аппаратные, программные и естественные), принято говорить о компьютерной системе как о состоящей из аппаратных и программных средств, работающих совместно. Узлы, составляющие аппаратные средства компьютера, называют аппаратным обеспечением. Они выполняют всю физическую работу с данными: регистрацию, хранение, транспортировку и преобразование как по форме, так и по содержанию, а также представляют их в виде, удобном для взаимодействия с естественными информационными методами человека.

Совокупность аппаратных средств компьютера называют его аппаратной конфигурацией.

Программное обеспечение. Программы могут находиться в двух состояниях: активном и пассивном. В пассивном состоянии программа не работает и выглядит как данные, содержательная часть которых - сведения. В этом состоянии содержимое программы можно «читать» с помощью других программ, как читают книги, и изменять. Из него можно узнать назначение программы и принцип ее работы. В пассивном состоянии программы создаются, редактируются, хранятся и транспортируются. Процесс создания и редактирования программ называется программированием.

Когда программа находится в активном состоянии, содержательная часть ее данных рассматривается как команды, согласно которым работают аппаратные средства компьютера. Чтобы изменить порядок их работы, достаточно прервать исполнение одной программы и начать исполнение другой, содержащей иной набор команд.

Совокупность программ, хранящихся на компьютере, образует его программное обеспечение. Совокупность программ, подготовленных к работе, называют установленным программным обеспечением. Совокупность программ, работающих в тот или иной момент времени, называют программной конфигурацией.

Устройство компьютера. Любой компьютер (даже самый большой)состоит из четырех частей:

• устройства ввода информации
• устройства обработки информации
• устройства хранения
• устройства вывода информации.

Конструктивно эти части могут быть объединены в одном корпусе размером с книгу или же каждая часть может состоять из нескольких достаточно громоздких устройств

Базовая аппаратная конфигурация ПК. Базовой аппаратной конфигурацией персонального компьютера называют минимальный комплект аппаратных средств, достаточный для начала работы с компьютером. С течением времени понятие базовой конфигурации постепенно меняется.

Чаще всего персональный компьютер состоит из следующих устройств:

• Системный блок
• Монитор
• Клавиатура

Дополнительно могут подключатся другие устройства ввода и вывода информации, например звуковые колонки, принтер, сканер...

Системный блок - основной блок компьютерной системы. В нем располагаются устройства, считающиеся внутренними. Устройства, подключаемые к системному блоку снаружи, считаются внешними. Для внешних устройств используют также термин периферийное оборудование.
Монитор - устройство для визуального воспроизведения символьной и графической информации. Служит в качестве устройства вывода. Для настольных ПК в настоящее время наиболее распространены мониторы, основанные на электронно-лучевых трубках. Они отдаленно напоминают бытовые телевизоры.
Клавиатура - клавишное устройство, предназначенное для управления работой компьютера и ввода в него информации. Информация вводится в виде алфавитно-цифровых символьных данных.
Мышь - устройство «графического» управления.

Внутренние устройства персонального компьютера.
Внутренними считаются устройства, располагающиеся в системном блоке. Доступ к некоторым из них имеется на лицевой панели, что удобно для быстрой смены информационных носителей, например гибких магнитных дисков. Разъемы некоторых устройств выведены на заднюю стенку - они служат для подключения периферийного оборудования. К некоторым устройствам системного блока доступ не предусмотрен - для обычной работы он не требуется.

Процессор. Микропроцессор - основная микросхема персонального компьютера. Все вычисления выполняются в ней. Основная характеристика процессора - тактовая частота (измеряется в мегагерцах, МГц). Чем выше тактовая частота, тем выше производительность процессора. Так, например, при тактовой частоте 500 МГц процессор может за одну секунду изменить свое
состояние 500 миллионов раз. Для большинства операций одного такта недостаточно, поэтому количество операций, которые процессор может выполнить в секунду, зависит не только от тактовой частоты, но и от сложности операций.

Единственное устройство, о существовании которого процессор «знает от рождения», - оперативная память - с нею он работает совместно. Оттуда поступают данные и команды. Данные копируются в ячейки процессора (они называются регистрами), а потом преобразуются в соответствии с содержанием команд. Более полную картину того, как процессор взаимодействует с оперативной памятью, вы получите в главах, посвященных основам программирования.

Оперативная память. Оперативную память можно представить как обширный массив ячеек, в которых хранятся числовые данные и команды в то время, когда компьютер включен. Объем оперативной памяти измеряется в миллионах байтов - мегабайтах (Мбайт).

Процессор может обратиться к любой ячейке оперативной памяти (байту), поскольку она имеет неповторимый числовой адрес. Обратиться к индивидуальному биту оперативной памяти процессор не может, так как у бита нет адреса. В то же время, процессор может изменить состояние любого бита, но для этого требуется несколько действий.

Материнская плата. Материнская плата - это самая большая плата персонального компьютера. На ней располагаются магистрали, связывающие процессор с оперативной памятью, - так называемые шины. Различают шину данных, по которой процессор копирует данные из ячеек памяти, адресную шину, по которой он подключается к конкретным ячейкам памяти, и шину команд, по которой в процессор поступают команды из программ. К шинам материнской платы подключаются также все прочие внутренние устройства компьютера. Управляет работой материнской платы микропроцессорный набор микросхем - так называемый чипсет.

Видеоадаптер. Видеоадаптер - внутреннее устройство, устанавливаемое в один из разъемов материнской платы. В первых персональных компьютерах видеоадаптеров не было. Вместо них в оперативной памяти отводилась небольшая область для хранения видеоданных. Специальная микросхема (видеоконтроллер) считывала данные из ячеек видеопамяти и в соответствии с ними управляла монитором.

По мере улучшения графических возможностей компьютеров область видеопамяти отделили от основной оперативной памяти и вместе с видеоконтроллером выделили в отдельный прибор, который назвали видеоадаптером. Современные видеоадаптеры имеют собственный вычислительный процессор (видеопроцессор), который снизил нагрузку на основной процессор при построении сложных изображений. Особенно большую роль видеопроцессор играет при построении на плоском экране трехмерных изображений. В ходе таких операций ему приходится выполнять особенно много математических расчетов.

В некоторых моделях материнских плат функции видеоадаптера выполняют микросхемы чипсета - в этом случае говорят, что видеоадаптер интегрирован с материнской платой. Если же видеоадаптер выполнен в виде отдельного устройства, его называют видеокартой. Разъем видеокарты выведен на заднюю стенку. К нему подключается монитор.

Звуковой адаптер. Для компьютеров IBM PC работа со звуком изначально не была предусмотрена. Первые десять лет существования компьютеры этой платформы считались офисной техникой и обходились без звуковых устройств. В настоящее время средства для работы со звуком считаются стандартными. Для этого на материнской плате устанавливается звуковой адаптер. Он может быть интегрирован в чипсете материнской платы или выполнен как отдельная подключаемая плата, которая называется звуковой картой.
Разъемы звуковой карты выведены на заднюю стенку компьютера. Для воспроизведения звука к ним подключают звуковые колонки или наушники. Отдельный разъем предназначен для подключения микрофона. При наличии специальной программы это позволяет записывать звук. Имеется также разъем (линейный выход) для подключения к внешней звукозаписывающей или звуковоспроизводящей аппаратуре (магнитофонам, усилителям и т.п.).

Жесткий диск. Поскольку оперативная память компьютера очищается при отключении питания, необходимо устройство для длительного хранения данных и программ. В настоящее время для этих целей широко применяют так называемые жесткие диски.
Принцип действия жесткого диска основан на регистрации изменений магнитного поля вблизи записывающей головки.

Основным параметром жесткого диска является емкость, измеряемая в гигабайтах (миллиардах байтов), Гбайт. Средний размер современного жесткого диска составляет 80 - 160 Гбайт, причем этот параметр неуклонно растет.

Дисковод гибких дисков. Для транспортировки данных между удаленными компьютерами используют так называемые гибкие диски. Стандартный гибкий диск (дискета) имеет сравнительно небольшую емкость 1,44 Мбайт. По современным меркам этого совершенно недостаточно для большинства задач хранения и транспортировки данных, но низкая стоимость носителей и высокая степень готовности к работе сделали гибкие диски самыми распространенными носителями данных.

Для записи и чтения данных, размещенных на гибких дисках, служит специальное устройство - дисковод. Приемное отверстие дисковода выведено на лицевую панель системного блока.

Дисковод CD-ROM. Для транспортировки больших объемов данных удобно использовать компакт-диски CD-ROM. Эти диски позволяют только читать ранее записанные данные - производить запись на них нельзя. Емкость одного диска составляет порядка 650-700 Мбайт.

Для чтения компакт-дисков служат дисководы CD-ROM. Основной параметр дисковода CD-ROM- скорость чтения. Она измеряется в кратных единицах. За единицу принята скорость чтения, утвержденная в середине 80-х гг. для музыкальных компакт-дисков (аудиодисков). Современные дисководы CD-ROM обеспечивают скорость чтения 40х - 52х.
Основной недостаток дисководов CD-ROM - невозможность записи дисков - преодолен в современных устройствах однократной записи - CD-R. Существуют также устройства CD-RW, позволяющие осуществлять многократную запись.

Принцип хранения данных на компакт-дисках не магнитный, как у гибких дисков, а оптический.

Коммуникационные порты. Для связи с другими устройствами, например принтером, сканером, клавиатурой, мышью и т. п., компьютер оснащается так называемыми портами. Порт - это не просто разъем для подключения внешнего оборудования, хотя порт и заканчивается разъемом. Порт - более сложное устройство, чем просто разъем, имеющее свои микросхемы и управляемое программно.

Сетевой адаптер. Сетевые адаптеры необходимы компьютерам, чтобы они могли обмениваться данными между собой. Этот прибор следит за тем, чтобы процессор не подал новую порцию данных на внешний порт, пока сетевой адаптер соседнего компьютера не скопировал к себе предыдущую порцию. После этого процессору дается сигнал о том, что данные забраны и можно подавать новые. Так осуществляется передача.

Когда сетевой адаптер «узнает» от соседнего адаптера, что у того есть порция данных, он копирует их к себе, а потом проверяет, ему ли они адресованы. Если да, он передает их процессору. Если нет, он выставляет их на выходной порт, откуда их заберет сетевой адаптер очередного соседнего компьютера. Так данные перемещаются между компьютерами до тех пор, пока не попадут к адресату.
Сетевые адаптеры могут быть встроены в материнскую плату, но чаще устанавливаются отдельно, в виде дополнительных плат, называемых сетевыми картами.

Электронно-вычислительные машины принято классифицировать по целому ряду признаков, в частности: по функциональным возможностям и характеру решаемых задач, по способу организации вычислительного процесса, по архитектурным особенностям и вычислительной мощности.

По функциональным возможностям и характеру решаемых задач выделяют:

Универсальные (общего назначения) ЭВМ;

Проблемно-ориентированные ЭВМ;

Специализированные ЭВМ.

Универсальные ЭВМ предназначены для решения самых разных инженерно-технических задач, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных.

Проблемно-ориентированные ЭВМ предназначены для решения более узкого круга задач, связанных с регистрацией, накоплением и обработкой небольших объемов данных.

Специализированные ЭВМ используются для решения узкого круга задач (микропроцессоры и контроллеры, выполняющие функции управления техническими устройствами).

По способу организации вычислительного процесса ЭВМ подразделяются на однопроцессорные и многопроцессорные, а также последовательные и параллельные.

Однопроцессорные. В составе ЭВМ имеется один центральный процессор и все вычислительные операции и операции по управлению устройствами ввода-вывода информации осуществляются на этом процессоре.

Многопроцессорные. В составе ЭВМ имеется несколько процессоров между которыми перераспределяются функции по организации вычислительного процесса и управлению устройствами ввода-вывода информации.

Последовательные. Работают в однопрограммном режиме, когда работа ЭВМ построена так, что она может исполнять только одну программу, и все ее ресурсы используются только в интересах исполняемой программы.

Параллельные. Работают в мультипрограммном режиме, когда в ЭВМ на исполнении находится несколько пользовательских программ и между этими программами происходит разделение ресурсов, обеспечивая их параллельное выполнение.

По архитектурным особенностям и вычислительной мощности различают:

Рассмотрим схему классификации ЭВМ по этому признаку (рис.1).

Рис.1. Классификация ЭВМ по архитектурному признаки

и вычислительной мощности.

Суперкомпьютеры – это самые мощные по быстродействию и производительности вычислительные машины. К суперЭВМ относятся “Cray” и “IBM SP2” (США). Используются для решения крупномасштабных вычислительных задач и моделирования, для сложных вычислений в аэродинамике, метеорологии, физике высоких энергий, также находят применение и в финансовой сфере.

Большие машины или мейнфреймы (Mainframe). Мейнфреймы используются в финансовой сфере, оборонном комплексе, применяются для комплектования ведомственных, территориальных и региональных вычислительных центров.

Средние ЭВМ широкого назначения используются для управления сложными технологическими производственными процессами.

Мини-ЭВМ ориентированы на использование в качестве управляющих вычислительных комплексов, в качестве сетевых серверов.

Микро-ЭВМ - это компьютеры, в которых в качестве центрального процессора используется микропроцессор. К ним относятся встроенные микро – ЭВМ (встроенные в различное оборудование, аппаратуру или приборы) и персональные компьютеры PC.

Персональное компьютеры. Бурное развитие приобрели в последние 20 лет. Персональный компьютер (ПК) предназначен для обслуживания одного рабочего места и способен удовлетворить потребности малых предприятий и отдельных лиц. С появлением Интернета популярность ПК значительно возросла, поскольку с помощью персонального компьютера можно пользоваться научной, справочной, учебной и развлекательной информацией.

К персональным компьютерам относятся настольные и переносные ПК. К переносным ЭВМ относятся Notebook (блокнот или записная книжка) и карманные персональные компьютеры (Personal Computers Handheld - Handheld PC, Personal Digital Assistants – PDA и Palmtop).

Встроенные компьютеры. Компьютеры которые используются в различных устройствах, системах, комплексах для реализации конкретных функций. Например диагностика автомобилей.

С 1999 года для классификации ПК используется международный сертификационный стандарт – спецификация РС99. В соответствии с этой спецификацией ПК делятся на следующие группы:

· массовые ПК (Consumer PC);

· деловые ПК (Office PC);

· портативные ПК (Mobile PC);

· рабочие станции (WorkStation);

· развлекательные ПК (Entertaiment PC).

Большинство ПК относится к массовым и включают стандартный (минимально необходимый) набор аппаратных средств. В этот набор входят: системный блок, дисплей, клавиатура, манипулятор типа «мышь». При необходимости этот набор легко дополняется другими устройствами по желанию пользователя, например, принтером.

Деловые ПК включают минимум средств воспроизведения графики и звука.

Портативные ПК отличаются наличием средств коммуникации отдаленного доступа.

Рабочие станции отвечают повышенным требованиям к объемам памяти устройств хранения данных.

Развлекательные ПК ориентированы на высококачественное воспроизведение графики и звука.

По конструктивным особенностям ПК делятся на:

· стационарные (настольные, Desktop);

· переносимые:

· портативные (Laptop);

· блокнотные (Notebook);

· карманные (Рalmtop).

Для эффективного изучения прикладных компьютерных технологий чрезвычайно важно иметь четкое представление об аппаратных и программных средствах вычислительной техники. Состав вычислительной техники называется конфигурацией . Аппаратные и программные средства вычислительной техники принято рассматривать отдельно. Соответственно, отдельно рассматривают аппаратную конфигурацию и их программную конфигурацию. Такой принцип разделения имеет для информатики особое значение, поскольку очень часто решение одних и тех же задач может обеспечиваться как аппаратными, так и программными средствами. Критериями выбора аппаратного или программного решения являются производительность и эффективность. Например, или текст набирать в текстовом редакторе, или использовать сканер.

Базовая аппаратная конфигурация персонального компьютера

Персональный компьютер – универсальная техническая система. Его конфигурацию (состав оборудования) можно гибко изменять по мере необходимости. Тем не менее, существует понятие базовой конфигурации , которую считают типовой, т.е. минимальный набор оборудования. В таком комплекте компьютер обычно поставляется. Понятие базовой конфигурации может меняться. В настоящее время в базовой конфигурации рассматривают следующие устройства (рис. 2.1.):

Давайте ознакомимся с его частями.

К основным техническим средствам персонального компьютера относятся:

- системный блок;

- монитор (дисплей) ;

- клавиатура.

Дополнительно к компьютеру можно подключить, например:

- принтер;

- мышь;

- сканер ;

- модем (модулятор-демодулятор);

- графопостроитель;

- джойстик и т.д.

Системный блок

Системный блок представляет собой основной узел, внутри которого установлены наиболее важные компоненты. Системный блок (см. рис. 2.2., 2.3.)- это корпус, в котором находится почти вся аппаратная часть компьютера.

Устройства, находящиеся внутри системного блока называют внутренними, а устройства, подключаемые к нему снаружи, называют внешними. Внешние дополнительные устройства, также называют периферийными.

Внутреннее устройство системного блока:

· материнская плата;

· жесткий диск:

· дисковод гибких дисков;

· дисковод компакт-дисков CD-ROM;

· видеокарта (видеоадаптер);

· звуковая карта;

· блок питания.

Системы, расположенные на материнской плате :

· оперативная память;

· процессор;

· микросхема ПЗУ и система BIOS;

· шинные интерфейсы и др.

Магнитные диски, в отличие от оперативной памяти, предназначены для постоянного хранения информации.

В ПК применяются два вида магнитных дисков:

· жесткий несменный диск (винчестер);

· сменные, гибкие диски (дискеты).

Жесткий диск предназначен для постоянного хранения той информации, которая более или менее часто используется в работе: программ операционной системы, компиляторов с языков программирования, сервисных (обслуживающих) программ, прикладных программ пользователя, текстовых документов, файлов базы данных и т. Винчестер значительно превосходит гибкие диски по скорости доступа, емкости и надежности.

3. Вычислительная техника 1

3.1 История развития средств вычислительной техники 1

3.2 Методы классификации компьютеров 3

3.3 Другие виды классификации компьютеров 5

3.4 Состав вычислительной системы 7

3.4.1 Аппаратное обеспечение 7

3.4.2 Программное обеспечение 7

3.5 Классификация прикладных программных средств 9

3.6 Классификация служебных программных средств 12

3.7 Понятие об информационном и математическом обеспечении вычислительных систем 13

3.8 Подведение итогов 13

1. Вычислительная техника

   1. История развития средств вычислительной техники

Вычислительная система, компьютер

Изыскание средств и методов механизации и автоматизации работ - одна из основ­ных задач технических дисциплин. Автоматизация работ с данными имеет свои особенности и отличия от автоматизации других типов работ. Для этого класса задач используют особые виды устройств, большинство из которых являются элек­тронными приборами. Совокупность устройств, предназначенных для автомати­ческой или автоматизированной обработки данных, называют вычислительной тех­никой, Конкретный набор взаимодействующих между собой устройств и программ, предназначенный для обслуживания одного рабочего участка, называютвычисли­тельной системой. Центральным устройством большинства вычислительных сис­тем являетсякомпьютер.

Компьютер - это электронной прибор, предназначенный для автоматизации созда­ния, хранения, обработки и транспортировки данных.

Принцип действия компьютера

В определении компьютера как прибора мы указали определяющий признак - электронный. Однако автоматические вычисления не всегда производились элек­тронными устройствами. Известны и механические устройства, способные выпол­нять расчеты автоматически.

Анализируя раннюю историю вычислительной техники, некоторые зарубежные исследователи нередко в качестве древнего предшественника компьютера называют механическое счетное устройство абак. Подход «от абака» свидетельствует о глубо­ком методическом заблуждении, поскольку абак не обладает свойством автомати­ческого выполнения вычислений, а для компьютера оно определяющее.

Абак- наиболее раннее счетное механическое устройство, первоначально представ­лявшее собой глиняную пластину с желобами, в которых раскладывались камни, пред­ставляющие числа. Появление абака относят к четвертому тысячелетию до н. э. Местом появления считается Азия. В средние века в Европе абак сменился разграфленными таблицами. Вычисления с их помощью называли счетом на линиях, а в России в XVI-XVII веках появилось намного более передовое изобретение, применяемое и поныне, -русские счеты.

В то же время, нам хорошо знаком другой прибор, способный автоматически выпол­нять вычисления, - это часы. Независимо от принципа действия, все виды часов (песочные, водяные, механические, электрические, электронные и др.) обладают способностью генерировать через равные промежутки времени перемещения или сигналы и регистрировать возникающие при этом изменения, то есть выполнять автоматическое суммирование сигналов или перемещений. Этот принцип просле­живается даже в солнечных часах, содержащих только устройство регистрации (роль генератора выполняет система Земля - Солнце).

Механические часы - прибор, состоящий из устройства, автоматически выполняющего перемещения через равные заданные интервалы времени и устройства регистрации этих перемещений. Место появления первых механических часов неизвестно. Наиболее ранние образцы относятся к XIV веку и принадлежат монастырям (башенные часы).

В основе любого современного компьютера, как и в электронных часах, лежит так­товый генератор, вырабатывающий через равные интервалы времени электриче­ские сигналы, которые используются для приведения в действие всех устройств компьютерной системы. Управление компьютером фактически сводится к управле­нию распределением сигналов между устройствами. Такое управление может про­изводиться автоматически (в этом случае говорят опрограммном управлении) или вручную с помощью внешних органов управления - кнопок, переключателей, пере­мычек и т. п. (в ранних моделях). В современных компьютерах внешнее управле­ние в значительной степени автоматизировано с помощью специальных аппаратно-логических интерфейсов, к которым подключаются устройства управления и ввода данных (клавиатура, мышь, джойстик и другие). В отличие от программного управ­ления такое управление называютинтерактивным.

Механические первоисточники

Первое в мире автоматическое устройство для выполнения операции сложения было создано на базе механических часов. В 1623 году его разработал Вильгельм Шикард, профессор кафедры восточных языков в университете Тюбингена (Германия). В наши дни рабочая модель устройства была воспроиз­ведена по чертежам и подтвердила свою работо­способность. Сам изобретатель в письмах называл машину «суммирующими часами».

В 1642 году французский механик Блез Паскаль (1623-1662) разработал более компактное сумми­рующее устройство, которое стало первым в мире механическим калькулятором, выпускавшимся серийно (главным образом для нужд парижских ростовщиков и менял). В 1673 году немецкий математик и философ Г. В. Лейбниц (1646-1717) создал меха­нический калькулятор, который мог выполнять операции умножения и деления путем многократного повторения операций сложения и вычитания.

На протяжении XVIII века, известного как эпоха Просвещения, появились новые, более совершенные модели, но принцип механического управления вычислитель­ными операциями оставался тем же. Идея программирования вычислительных опе­раций пришла из той же часовой промышленности. Старинные монастырские ба­шенные часы были настроены так, чтобы в заданное время включать механизм, связанный с системой колоколов. Такое программирование было жестким - одна и та же операция выполнялась в одно и то же время.

Идея гибкого программирования механических устройств с помощью перфорированной бумажной ленты впервые была реализована в 1804 году в ткацком станке Жаккарда, после чего оставался только один шаг до программного управления вычислитель­ными операциями.

Этот шаг был сделан выдающимся английским матема­тиком и изобретателем Чарльзом Бэббиджем (1792-1871) в его Аналитической машине, которая, к сожалению, так и не была до конца построена изобретателем при жизни, но была воспроизведена в наши дни по его чертежам, так что сегодня мы вправе говорить об Аналитической машине, как о реально существующем устройстве. Особенностью Аналитической машины стало то, что здесь впервые был реализован принцип разделения информации на команды и данные. Аналитическая машина содержала два крупных узла - «склад» и «мельницу». Данные вводились в меха­ническую память «склада» путем установки блоков шесте­рен, а потом обрабатывались в «мельнице» с использова­нием команд, которые вводились с перфорированных карт (как в ткацком станке Жаккарда).

Исследователи творчества Чарльза Бэббиджа непременно отмечают особую роль в разработке проекта Аналитической машины графини Огасты Ады Лавлейс (1815-1852), дочери известного поэта лорда Байрона. Именно.ей принадлежала идея использова­ния перфорированных карт для программирования вычислительных операций (1843). В частности, в одном из писем она писала: «Аналитическая машина точно так же плетет алгебраические узоры, как ткацкий станок воспроизводит цветы и листья». Леди Аду можно с полным основанием назвать самым первым в мире программистом. Сегодня ее именем назван один из известных языков программирования.

Идея Чарльза Бэббиджа о раздельном рассмотрении команд иданных оказалась необычайно плодотворной. В XX в. она была развита в принципах Джона фон Ней­мана (1941 г.), и сегодня в вычислительной технике принцип раздельного рассмотренияпрограмм иданных имеет очень важное значение. Он учитывается и при разработке архитектур современных компьютеров, и при разработке компью­терных программ.

Математические первоисточники

Если мы задумаемся над тем, с какими объектами работали первые механические предшественники современного электронного компьютера, то должны признать, что числа представлялись либо в виде линейных перемещений цепных и реечных механизмов, либо в виде угловых перемещений зубчатых и рычажных механизмов. И в том и в другом случае это были перемещения, что не могло не сказываться на габаритах устройств и на скорости их работы. Только переход от регистрации пере­мещений к регистрации сигналов позволил значительно снизить габариты и повысить быстродействие. Однако на пути к этому достижению потребовалось ввести еще несколько важных принципов и понятий.

Двоичная система Лейбница. В механических устройствах зубчатые колеса могут иметь достаточно много фиксированных и,главное, различных между собой положений. Количество таких положений, по крайней мере, равно числу зубьев шесте­рни. В электрических и электронных устройствах речь идет не о регистрацииполо­жений элементов конструкции, а о регистрациисостояний элементов устройства. Таких устойчивых иразличимых состояний всего два: включен - выключен; открыт - закрыт; заряжен - разряжен и т. п. Поэтому традиционная десятичная система, использованная в механических калькуляторах, неудобна для электронных вычис­лительных устройств.

Возможность представления любых чисел (да и не только чисел) двоичными цифрами впервые была предложена Готфридом Вильгельмом Лейбницем в 1666 году Он пришел к двоич­ной системе счисления, занимаясь исследова­ниями философской концепции единства и борьбы противоположностей. Попытка пред­ставить мироздание в виде непрерывного вза­имодействия двух начал («черного» и «белого», мужского и женского, добра и зла) и приме­нить к его изучению методы «чистой» матема­тики подтолкнули Лейбница к изучению свойств двоичного представления данных. Надо сказать, что Лейбницу уже тогда приходила в голову мысль о возможности использования дво­ичной системы в вычислительном устройстве, но, поскольку для механических устройств в этом не было никакой необходимости, он не стал использовать в своем калькуляторе (1673 году) принципы двоичной системы.

Математическая логика Джорджа Буля, Говоря о творчестве Джорджа Буля, иссле­дователи истории вычислительной техники непременно подчеркивают, что этот выдающийся английский ученый первой половины XIX века был самоучкой. Воз­можно, именно благодаря отсутствию «классического» (в понимании того времени) образования Джордж Буль внес в логику как в науку революционные изменения.

Занимаясь исследованием законов мышления, он применил в логике систему фор­мальных обозначений и правил, близкую к математической. Впоследствии эту систему назвали логической алгеброй илибулевой алге­брой. Правила этой системы применимы к самым разнообразным объектам и их группам(множе­ствам, по терминологии автора). Основное назна­чение системы, по замыслу Дж. Буля, состояло в том, чтобы кодировать логические высказывания и сводить структуры логических умозаключений к простым выражениям, близким по форме к мате­матическим формулам. Результатом формального расчета логического выражения является одно из двух логических значений:истина илиложь.

Значение логической алгебры долгое время игнори­ровалось, поскольку ее приемы и методы не содер­жали практической пользы для науки и техники того времени. Однако, когда появилась принципиальная возможность создания средств вычислительной техники на электронной базе, операции, введенные Булем, оказались весьма полезны. Они изначально ориентированы на работу только с двумя сущностями: истина иложь. Нетрудно понять, как они пригодились для работы с двоичным кодом, который в современных компьютерах тоже представляется всего двумя сигналами:ноль иединица.

Не вся система Джорджа Буля (как и не все предложенные им логические опера­ции) были использованы при создании электронных вычислительных машин, но четыре основные операции: И (пересечение), ИЛИ(объединение), НЕ(обращение) и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ - лежат в основе работы всех видов процессоров совре­менных компьютеров.

Рис. 3.1. Основные операции логической алгебры

Классификация средств вычислительной техники

1. Аппаратное обеспечение

Состав вычислительной системы называется конфигурацией. Аппаратные и программные средства вычислительной техники принято рассматривать отдельно. Соответственно, отдельно рассматривают аппаратную конфигурацию вычислительных систем и их программную конфигурацию. Такой принцип разделения имеет для информатики особое значение, поскольку очень часто решение одних и тех же задач может обеспечиваться как аппаратными, так и программными средствами. Критериями выбора аппаратного или программного решения являются производительность и эффективность. Обычно принято считать, что аппаратные решения в среднем оказываются дороже, зато реализация программных решений требует более высокой квалификации персонала.

К аппаратному обеспечению вычислительных систем относятся устройства и приборы, образующие аппаратную конфигурацию. Современные компьютеры и вычислительные комплексы имеют блочно-модульную конструкцию - аппаратную конфигурацию, необходимую для исполнения конкретных видов работ, которую можно собирать из готовых узлов и блоков.

Основными аппаратными компонентами вычислительной системы являются: память, центральный процессор и периферийные устройства, которые соединены между собой системной магистралью (Рис.1.) Основная память предназначена для запоминания программ и данных в двоичном виде и организована в виде упорядоченного массива ячеек, каждая из которых имеет уникальный цифровой адрес. Как правило, размер ячейки составляет 1 байт. Типовые операции над основной памятью: считывание и запись содержимого ячейки с определенным адресом.

2. Центральный процессор

Центральный процессор - это центральное устройство компьютера, которое выполняет операции по обработке данных и управляет периферийными устройствами компьютера. В состав центрального процессора входят:

Устройство управления - организует процесс выполнения программ и координирует взаимодействие всех устройств вычислительной системы во время ее работы;

Арифметико-логическое устройство - выполняет арифметические и логические операции над данными: сложение, вычитание, умножение, деление, сравнение и др.;

Запоминающее устройство - представляет собой внутреннюю память процессора, которая состоит из регистров, при использовании которых, процессор выполняет расчеты и сохраняет промежуточные результаты; для ускорения работы с оперативной памятью используется кэш-память, в которую с опережением подкачиваются команды и данные из оперативной памяти, необходимые процессору для последующих операций;

Генератор тактовой частоты - генерирует электрические импульсы, синхронизирующие работу всех узлов компьютера.

Центральный процессор выполняет различные операции с данными при помощи специализированных ячеек для хранения ключевых переменных и временных результатов - внутренних регистров. Регистры подразделяются на два вида (рис.2.):

Регистры общего назначения - используются для временного хранения ключевых локальных переменных и промежуточных результатов вычислений, включают регистры данных и регистры-указатели; основная функция состоит в обеспечении быстрого доступа к часто используемым данным (обычно без обращений к памяти).

Специализированные регистры - используются для контроля работы процессора, наиболее важные из них: регистр команд, указатель стека, регистр флагов и регистр, содержащий информацию о состоянии программы.

Регистры данных программист может использовать по своему усмотрению для временного хранения любых объектов (данных или адресов) и выполнения над ними требуемых операций. Индексные регистры так же, как и регистры данных, могут использоваться произвольным образом; их основное назначение - хранить индексы или смещения данных и команд от начала базового адреса (при выборке операндов из памяти). Адрес базы при этом может находиться в базовых регистрах.

Сегментные регистры являются важнейшим элементом архитектуры процессора, обеспечивая адресацию 20-разрядного адресного пространства с помощью 16-разрядных операндов. Основные сегментные регистры: CS - регистр сегмента кода; DS - регистр сегмента данных; SS - регистр сегмента стека, ES - дополнительный сегментальный регистр. Обращение к памяти осуществляется посредством сегментов - логических образований, накладываемых на любые участки физического адресного пространства. Начальный адрес сегмента, деленный на 16 (без младшей шестнадцатеричной цифры) заносится в один из сегментных регистров; после чего предоставляется доступ к участку памяти, начинающегося с заданного сегментного адреса.

Адрес любой ячейки памяти состоит из двух слов, одно из которых определяет расположение в памяти соответствующего сегмента, а другое - смещение в пределах этого сегмента. Размер сегмента определяется объемом содержащихся в нем данных, но никогда не может превышать величину 64 Кбайт, что определяется максимально возможной величиной смещения. Сегментный адрес сегмента команд хранится в регистре CS, а смещение к адресуемому байту - в регистре указателе команд IP.

Рис.2. Регистры 32-х разрядного процессора

После загрузки программы в IP заносится смещение первой команды программы. Процессор, считав ее из памяти, увеличивает содержимое IP точно на длину этой команды (команды процессоров Intel могут иметь длину от 1 до 6 байт), в результате чего IP указывает на вторую команду программы. Выполнив первую команду, процессор считывает из памяти вторую, опять увеличивая значение IP. В результате в IP всегда находится смещение очередной команды - команды, следующей за выполняемой. Описанный алгоритм нарушается только при выполнении команд переходов, вызовов подпрограмм и обслуживания прерываний.

Сегментный адрес сегмента данных хранится в регистре DS, смещение может находиться в одном из регистров общего назначения. Дополнительный сегментный регистр ES используется для обращения к полям данных, не входящим в программу, например к видеобуферу или системным ячейкам. Однако при необходимости его можно настроить и на один из сегментов программы. Например, если программа работает с большим объемом данных, для них можно предусмотреть два сегмента и обращаться к одному из них через регистр DS, а к другому - через регистр ES.

Регистр-указатель стека SP используется как указатель вершины стека. Стеком называют область программы для временного хранения произвольных данных. Удобство стека заключается в том, что его область используется многократно, причем сохранение в стеке данных и выборка их оттуда выполняется с помощью команд push и pop без указания имен. Стек традиционно используется для сохранения содержимого регистров, используемых программой, перед вызовом подпрограммы, которая, в свою очередь, будет использовать регистры процессора в своих личных целях. Исходное содержимое регистров извлекается из стека после возврата из подпрограммы. Другой распространенный прием - передача подпрограмме требуемых ею параметров через стек. Подпрограмма, зная, в каком порядке помещены в стек параметры, может забрать их оттуда и использовать при своем выполнении.

Отличительной особенностью стека является своеобразный порядок выборки содержащихся в нем данных: в любой момент времени в стеке доступен только верхний элемент, то есть элемент, загруженный в стек последним. Выгрузка из стека верхнего элемента делает доступным следующий элемент. Элементы стека располагаются в области памяти, отведенной под стек, начиная со дна стека (с его максимального адреса) по последовательно уменьшающимся адресам. Адрес верхнего, доступного элемента хранится в регистре-указателе стека SP.

Специальные регистры доступны только в привилегированном режиме и используются операционной системой. Они контролируют различные блоки кэш-памяти, основную память, устройства ввода-вывода и другие устройства вычислительной системы.

Существует один регистр, который доступен как в привилегированном, так и в пользовательском режимах. Это регистр PSW (Program State Word - слово состояния программы), который называют флаговым. Флаговый регистр содержит различные биты, необходимые центральному процессору, самые важные - коды условий, которые используются при сравнениях и условных переходах Они устанавливаются в каждом цикле арифметико-логического устройства процессора и отражают состояние результата предыдущей операции. Содержимое флагового регистра зависит от типа вычислительной системы и может включать дополнительные поля, которые указывают: режим машины (например, пользовательский или привилегированный); бит трассировки (который используется для отладки); уровень приоритета процессора; статус разрешения прерываний. Флаговый регистр обычно читается в пользовательском режиме, но некоторые поля могут записываться только в привилегированном режиме (например, бит, который указывает режим).

Регистр указатель команд содержит адрес следующей, стоящей в очереди на выполнение команды. После выбора команды из памяти регистр команд корректируется, и указатель переходит к следующей команде. Указатель команд следит за ходом выполнения программы, указывая в каждый момент относительный адрес команды, следующей за исполняемой. Регистр программно недоступен; наращивание адреса в нем выполняет микропроцессор, учитывая при этом длину текущей команды. Команды переходов, прерываний, вызова подпрограмм и возврата из них изменяют содержимое указателя, осуществляя тем самым переходы в требуемые точки программы.

Регистр аккумулятор используется в подавляющем числе команд. Часто применяемые команды, использующие данный регистр, имеют укороченный формат.

Для обработки информации обычно организовывается передача данных из ячеек памяти в регистры общего назначения, выполнение операции центральным процессором и передача результатов в основную память. Программы хранятся в виде последовательности машинных команд, которые должен выполнять центральный процессор. Каждая команда состоит из поля операции и полей операндов - данных, над которыми выполняется данная операция. Набор машинных команд называется машинным языком. Выполнение программ осуществляется следующим образом. Машинная команда, на которую указывает программный счетчик, считывается из памяти и копируется в регистр команд, где она декодируется, после чего исполняется. После ее выполнения программный счетчик указывает на следующую команду и т.д. Эти действия называются машинным циклом.

Большинство центральных процессоров имеют два режима работы: режим ядра и пользовательский, который задается битом слова состояния процессора (флагового регистра). Если процессор запущен в режиме ядра, он может выполнять все команды из набора инструкций и использовать все возможности аппаратуры. Операционная система работает в режиме ядра и предоставляет доступ ко всему оборудованию. Программы пользователей работают в пользовательском режиме, который разрешает выполнение множества команд, но делает доступным только часть аппаратных средств.

Для связи с операционной системой пользовательская программа должна сформировать системный вызов, который обеспечивает переход в режим ядра и активизирует функции операционной системы. Команда trap (эмулированное прерывание) переключает режим работы процессора из пользовательского в режим ядра и передает управление операционной системе. После завершения работы управление возвращается к пользовательской программе, к команде, следующей за системным вызовом.

В компьютерах, помимо инструкций для выполнения системных вызовов имеются прерывания, которые вызываются аппаратно для предупреждения об исключительных ситуациях, например, попытка деления на ноль или переполнение при операциях с плавающей точкой. Во всех подобных случаях управление переходит к операционной систем, которая должная решить, что делать дальше. Иногда нужно завершить программу с сообщением об ошибке, иногда можно проигнорировать (например, при потере значимости числа его можно принять равным нулю) или передать управление самой программе для обработки некоторых видов условий.

По способу расположения устройств относительно центрального процессора различают внутренние и внешние устройства. Внешними, как правило, являются большинство устройств ввода-вывода данных (их также называют периферийными устройствами) и некоторые устройства, предназначенные для длительного хранения данных.

Согласование между отдельными узлами и блоками выполняют с помощью переходных аппаратно-логических устройств, называемых аппаратными интерфейсами. Стандарты на аппаратные интерфейсы в вычислительной технике называют протоколами - совокупностью технических условий, которые должны быть обеспечены разработчиками устройств для успешного согласования их работы с другими устройствами.

Многочисленные интерфейсы, присутствующие в архитектуре любой вычислительной системы, можно условно разделить на две большие группы: последовательные и параллельные. Через последовательный интерфейс данные передаются последовательно, бит за битом, а через параллельный - одновременно группами битов. Количество битов, участвующих в одной посылке, определяется разрядностью интерфейса, например, восьмиразрядные параллельные интерфейсы передают один байт (8 бит) за один цикл.

Параллельные интерфейсы обычно имеют более сложное устройство, чем последовательные, но обеспечивают более высокую производительность. Их применяют там, где важна скорость передачи данных: для подключения печатающих устройств, устройств ввода графической информации, устройств записи данных на внешний носитель и т.п. Производительность параллельных интерфейсов измеряют байтами в секунду (байт/с; Кбайт/с; Мбайт/с).

Устройство последовательных интерфейсов проще; как правило, для них не надо синхронизировать работу передающего и принимающего устройства (поэтому их часто называют асинхронными интерфейсами), но пропускная способность их меньше и коэффициент полезного действия ниже. Поскольку обмен данными через последовательные устройства производится не байтами, а битами, их производительность измеряют битами в секунду (бит/с, Кбит/с, Мбит/с). Несмотря на кажущуюся простоту перевода единиц измерения скорости последовательной передачи в единицы измерения скорости параллельной передачи данных путем механического деления на 8, такой пересчет не выполняют, поскольку он не корректен из-за наличия служебных данных. В крайнем случае, с поправкой на служебные данные, иногда скорость последовательных устройств выражают в знаках в секунду или в символах в секунду (с/с), но эта величина имеет не технический, а справочный, потребительский характер.

Последовательные интерфейсы применяют для подключения медленных устройств (простейших устройств печати низкого качества: устройств ввода и вывода знаковой и сигнальной информации, контрольных датчиков, малопроизводительных устройств связи и т.п.), а также в тех случаях, когда нет существенных ограничений по продолжительности обмена данными (цифровые фотокамеры).

Второй основной составляющей компьютера является память. Система памяти конструируется в виде иерархии слоев (рис.3.). Верхний слой состоит из внутренних регистров центрального процессора. Внутренние регистры предоставляют возможность для хранения 32 х 32 бит на 32-разрядном процессоре и 64 х 64 бит на 64-разрядном процессоре, что составляет меньше одного килобайта в обоих случаях. Программы сами могут управлять регистрами (то есть решать, что в них хранить) без вмешательства аппаратуры.

Рис.3. Типичная иерархическая структура памяти

В следующем слое находится кэш-память, в основном контролируемая оборудованием. Оперативная память разделена на кэш-строки, обычно по 64 байт, с адресацией от 0 до 63 в нулевой строке, от 64 до 127 в первой строке и т.д. Наиболее часто используемые строки кэша хранятся в высокоскоростной кэш-памяти, расположенной внутри центрального процессора или очень близко к нему. Когда программа должна прочитать слово из памяти, кэш-микросхема проверяет, есть ли нужная строка в кэше. Если это так, то происходит результативное обращение к кэш-памяти, запрос удовлетворяется целиком из кэша и запрос к памяти на шину не выставляется. Удачное обращение к кэшу, как правило, по времени занимает около двух тактов, а неудачное приводит к обращению к памяти с существенной потерей времени. Кэш-память ограничена в размере, что обусловлено ее высокой стоимостью. В некоторых машинах есть два или даже три уровня кэша, причем каждый последующий медленнее и больше предыдущего.

Далее следует оперативная память (ОЗУ - оперативное запоминающее устройство, англ. RAM, Random Access Memory - память с произвольным доступом). Это главная рабочая область запоминающего устройства вычислительной системы. Все запросы центрального процессора, которые не могут быть выполнены кэш-памятью, поступают для обработки в основную память. При работе нескольких программ на компьютере желательно сложные программы помещать в оперативную память. Защита программ друг от друга и их перемещение в памяти реализуется посредством оборудования компьютера двумя специализированными регистрами: базовым регистром и предельным регистром.

В простейшем случае (рис.4.а), когда программа начинает работать, в базовый регистр загружается адрес начала исполняемого модуля программы, а предельный регистр говорит о том, сколько занимает исполняемый модуль программы вместе с данными. При выборке команды из памяти аппаратура проверяет счетчик команд, и если он меньше, чем предельный регистр, то добавляет к нему значение базового регистра, а сумму передает памяти. Когда программа хочет прочитать слово данных (например, из адреса 10000), аппаратура автоматически добавляет к этому адресу содержимое базового регистра (например, 50000) и передает сумму (60000) памяти. Базовый регистр дает возможность программе ссылаться на любую часть памяти, следующую за хранящимся в нем адресом. Кроме того, предельный регистр запрещает программе обращение к любой части памяти после программы. Таким образом, с помощью этой схемы решаются обе задачи: защиты и перемещения программ.

В результате проверки и преобразования данных, адрес, сформированный программой и называемый виртуальным адресом, переводится в адрес, используемый памятью и называемый физическим адресом. Устройство, которое выполняет проверку и преобразование, называется устройством управления памятью или диспетчером памяти (MMU, Memory Management Unit). Диспетчер памяти располагается или в схеме процессора, или близко к ней, но логически находится между процессором и памятью.

Более сложный диспетчер памяти состоит из двух пар базовых и предельных регистров. Одна пара предназначена для текста программы, другая пара - для данных. Командный регистр и все ссылки на текст программы работают с первой парой регистров, ссылки на данные используют вторую пару регистров. Благодаря такому механизму появляется возможность делить одну программу между несколькими пользователями при хранении в ОЗУ только одной копии программы, что исключено в простой схеме. При работе программы №1 четыре регистра располагаются так, как показано на рис.4 (б) слева, при работе программы №2 - справа. Управление диспетчером памяти является функцией операционной системы.

Следующим в структуре памяти идет магнитный диск (жесткий диск). Дисковая память на два порядка дешевле ОЗУ в пересчете на бит и больше по величине, но доступ к данным, размещенным на диске, занимает примерно на три порядка больше времени. Причиной низкой скорости жесткого диска является тот факт, что диск представляет собой механическую конструкцию. Жесткий диск состоит из одной или нескольких металлических пластин, вращающихся со скоростью 5400, 7200 или 10800 оборотов в минуту (рис.5.). Информация записывается на пластины в виде концентрических окружностей. Головки чтения/записи в каждой заданной позиции могут прочитать кольцо на пластине, называемое дорожкой. Все вместе дорожки для заданной позиции вилки формируют цилиндр.

Каждая дорожка разделена на некоторое количество секторов, обычно по 512 байт на сектор. На современных дисках внешние цилиндры содержат большее количество секторов, чем внутренние. Перемещение головки от одного цилиндра к другому занимает около 1 мс, а перемещение к произвольному цилиндру требует от 5 до 10 мс, в зависимости от диска. Когда головка располагается над нужной дорожкой, нужно ждать, пока двигатель повернет диск так, чтобы под головкой стал требуемый сектор. Это занимает дополнительно от 5 до 10 мс, в зависимости от скорости вращения диска. Когда сектор находится под головкой, процесс чтения или записи происходит со скоростью от 5 Мбайт/с (для низкоскоростных дисков) до 160 Мбайт/с (для высокоскоростных дисков).

Последний слой занимает магнитная лента. Этот носитель часто использовался для создания резервных копий пространства жесткого диска или для хранения больших наборов данных. Для доступа к информации ленту помещали в устройство для чтения магнитных лент, затем ее перематывали до запрашиваемого блока с информацией. Весь процесс длился минуты. Описанная иерархия памяти типична, но в некоторых вариантах могут присутствовать не все уровни или другие их виды (например, оптический диск). В любом случае при движении по иерархии сверху вниз время произвольного доступа значительно увеличивается от устройства к устройству, и вместимость растет эквивалентно времени доступа.

Кроме описанных выше видов во многих компьютерах есть постоянная память с произвольным доступом (ПЗУ - постоянное запоминающее устройство, ROM, Read Only Memory - память только для чтения), которая не теряет свое содержимое при выключении питания вычислительной системы. ПЗУ программируется в процессе производства и после этого его содержимое нельзя изменить. На некоторых компьютерах в ПЗУ находятся программы начальной загрузки, используемые при запуске компьютера, и некоторые карты ввода-вывода для управления низкоуровневыми устройствами.

Электрически стираемое ПЗУ (EEPROM, Electrically Erasable ROM) и флэш-ОЗУ (flash RAM) также энергонезависимы, но в отличие от ПЗУ их содержимое можно стереть и переписать. Однако запись данных на них требует намного больше времени, чем запись в оперативную память. Поэтому они используются точно так же, как и ПЗУ.

Существует еще один вид памяти - CMOS-память, которая является энергозависимой и используется для хранения текущей даты и текущего времени. Память получает питание от аккумулятора, встроенного в компьютер, может содержать конфигурационные параметры (например, указание, с какого жесткого диска производить загрузку).

3. Устройства ввода-вывода

Другими устройствами, тесно взаимодействующими с операционной системой, являются устройства ввода-вывода, которые состоят из двух частей: контроллера и самого устройства. Контроллер представляет собой микросхему (набор микросхем) на вставляемой в разъем плате, которая принимает и выполняет команды операционной системы.

Например, контроллер принимает команду чтения определенного сектора с диска. Для выполнения команды контроллер преобразовывает линейный номер сектора диска в номер цилиндра, сектора и головки. Операция преобразования усложняется тем, что внешние цилиндры могут иметь больше секторов, чем внутренние. Затем контроллер определяет, над каким цилиндром находится в данный момент головка, и дает последовательность импульсов, чтобы переместить головку на необходимое количество цилиндров. После чего контроллер ждет, пока повернется диск, поместив требуемый сектор под головку. Затем последовательно выполняются процессы чтения и сохранения битов по мере поступления их с диска, процессы удаления заголовка и вычисления контрольной суммы. Далее контроллер собирает полученные биты в слова и сохраняет их в памяти. Для осуществления этой работы контроллеры содержат встроенные микропрограммы.

Само устройство ввода-вывода имеет простой интерфейс, который должен соответствовать единому стандарту IDE (IDE, Integrated Drive Electronics - встроенный интерфейс накопителей). Так как интерфейс устройства скрыт контроллером, то операционная система видит только интерфейс контроллера, который может отличаться от интерфейса устройства.

Так как контроллеры для разных устройств ввода-вывода отличаются друг от друга, то для управления ими требуется соответствующее программное обеспечение - драйверы. Поэтому каждый производитель контроллеров должен поставлять драйверы для поддерживаемых им операционных систем. Чтобы установить драйвер в операционную систему существует три способа:

Заново скомпоновать ядро вместе с новым драйвером и затем перезагрузить систему, так работает множество систем UNIX;

Создать запись во входящем в операционную систему файле о том, что требуется драйвер и перезагрузить систему, во время начальной загрузки операционная система найдет нужный драйвер и загрузит его; так работает операционная система Windows;

Принять новые драйверы и оперативно их установить средствами операционной система во время ее работы; способ используется съемными шинами USB и IEEE 1394, которые всегда нуждаются в динамически загружаемых драйверах.

Для связи с каждым контроллером существуют определенные регистры. Например, минимальный контроллер диска может иметь регистры для определения адреса на диске, адреса в памяти, номер сектора и направления операции (чтение или запись). Чтобы активизировать контроллер, драйвер получает команду от операционной системы, затем транслирует ее в величины, подходящие для записи в регистры устройства.

На некоторых компьютерах регистры устройств ввода-вывода отображаются в адресное пространство операционной системы, поэтому их можно читать или записывать как обычные слова в памяти. Адреса регистров помещаются в ОЗУ за пределами досягаемости программ пользователей, чтобы программы пользователей оградить от аппаратуры (например, с помощью базового и предельного регистров).

На других компьютерах регистры устройств располагаются в специальных портах ввода-вывода, и каждый регистр имеет свой адрес порта. На таких машинах в привилегированном режиме доступны команды IN и OUT, которые позволяют драйверам считывать и записывать регистры. Первая схема устраняет необходимость специальных команд ввода-вывода, но использует некоторое количество адресного пространства. Вторая схема не затрагивает адресное пространство, но требует наличие специальных команд. Обе схемы широко используются. Ввод и вывод данных осуществляется тремя способами.

1.Пользовательская программа выдает системный запрос, который ядро транслирует в вызов процедуры соответствующего драйвеpa. Затем драйвер начинает процесс ввода-вывода. В это время драйвер выполняет очень короткий программный цикл, постоянно опрашивая готовность устройства, с которым он работает (обычно есть некий бит, который указывает на то, что устройство все еще занято). По завершении операции ввода-вывода драйвер помещает данные туда, куда требуется, и возвращается в исходное состояние. Затем операционная система возвращает управление программе, осуществлявшей вызов. Этот метод называется ожиданием готовности или активным ожиданием и имеет один недостаток: процессор должен опрашивать устройство до тех пор, пока оно не завершит свою работу.

2.Драйвер запускает устройство и просит его выдать прерывание по окончании ввода-вывода. После этого драйвер возвращает данные, операционная система блокирует программу вызова, если это нужно, и начинает выполнять другие задания. Когда контроллер обнаруживает окончание передачи данных, он генерирует прерывание, чтобы сигнализировать о завершении операции. Механизм реализации ввода-вывода происходит следующим образом (рис.6.а):

Шаг 1: драйвер передает команду контроллеру, записывая информацию в регистры устройства; контроллер запускает устройство ввода-вывода.

Шаг 2: после окончания чтения или записи контроллер посылает сигнал микросхеме контроллера прерываний.

Шаг З: если контроллер прерываний готов к приему прерывания, то он подает сигнал на определенный контакт центрального процессора.

Шаг 4: контроллер прерываний выставляет номер устройства ввода-вывода на шину так, чтобы центральный процессор мог прочесть его и узнать, какое устройство завершило работу. При приеме центральным процессором прерывания, содержимое счетчика команд (PC) и слова состояния процессора (PSW) помещается в текущий стек, а процессор переключается в привилегированный режим работы (режим работы ядра операционной системы). Номер устройства ввода-вывода может использоваться как индекс части памяти, служащий для поиска адреса обработчика прерываний данного устройства. Эта часть памяти называется вектором прерываний. Когда обработчик прерываний (часть драйвера устройства, пославшего прерывание) начинает свою работу, он удаляет расположенные в стеке счетчик команд и слово состояния процессора, сохраняет их и запрашивает устройство, чтобы получить информацию о его состоянии. После того как обработка прерывания завершена, управление возвращается к работавшей до этого программе пользователя, к той команде, выполнение которой еще не было закончено (рис. 6 б).

3.Для ввода-вывода информации используется контроллер прямого доступа к памяти (DMA, Direct Memory Access), который управляет потоком битов между оперативной памятью и некоторыми контроллерами без постоянного вмешательства центрального процессора. Процессор вызывает микросхему DMA, говорит ей, сколько байтов нужно передать, сообщает адреса устройства и памяти, а также направление передачи данных и позволяет микросхеме действовать самой. По завершении работы DMA инициирует прерывание, которое обрабатывается соответствующим образом.

Прерывания могут происходить в неподходящие моменты, например, во время обработки другого прерывания. По этой причине центральный процессор обладает возможностью запрещать прерывания и разрешать их позже. Пока прерывания запрещены, все устройства, завершившие работу, продолжают посылать свои сигналы, но работа процессора не прерывается до тех пор, пока прерывания не будут разрешены. Если заканчивают работу сразу несколько устройств в то время, когда прерывания запрещены, контроллер прерываний решает, какое из них должно быть обработано первым, обычно основываясь на статических приоритетах, назначенных для каждого устройства.

Вычислительная система Pentium имеет восемь шин (шина кэша, локальная шина, шина памяти, PCI, SCSI, USB, IDE и ISA). Каждая шина имеет свою скорость передачи данных и свои функции. В операционной системе для управления компьютером и его конфигурации должны находиться сведения обо всех шинах.

Шина ISA (Industry Standard Architecture, промышленная стандартная архитектура) - впервые появилась на компьютерах IBM PC/AT, работает на частоте 8,33 МГц и может передавать два байта за такт с максимальной скоростью 16,67 Мбайт/с.; она включена в систему для обратной совместимости со старыми медленными платами ввода-вывода.

Шина PCI (Peripheral Component Interconnect, интерфейс периферийных устройств) - создана компанией Intel в качестве преемницы шины ISA, может работать на частоте 66 МГц и передавать по 8 байт за такт со скоростью 528 Мбайт/с. В настоящее время шины PCI используют большинство высокоскоростных устройств ввода-вывода, а так же компьютеры с процессорами, отличными от Intel, так как с ней совместимо много плат ввода-вывода.

Локальная шина в системе Pentium используется для передачи центральным процессором данных микросхеме PCI-моста, который обращается к памяти по выделенной шине памяти, часто работающей на частоте 100 МГц.

Шина кэша используются для подключения внешнего кэша, так как системы Pentium имеют кэш первого уровня (кэш L1), встроенный в процессор, и большой внешний кэш второго уровня (кэш L2).

Шина IDE служит для присоединения периферийных устройств: дисков и устройств для чтения компакт-дисков. Шина является потомком интерфейса контроллера диска на PC/AT, в настоящее время входит в стандартный комплект всех систем, основанных на процессорах Pentium.

Шина USB (Universal Serial Bus, универсальная последовательная шина) предназначена для присоединения к компьютеру медленных устройств ввода-вывода (клавиатуры, мыши). Она использует маленький четырехпроводной разъем, два провода которого поставляют электропитание к USB-устройствам.

Шина USB - это централизованная шина, по которой главное устройство каждую миллисекунду опрашивает устройства ввода-вывода, чтобы узнать, есть ли у них данные. Она может управлять загрузкой данных со скоростью 1,5 Мбайт/с. Все USB-устройства используют один драйвер, поэтому их можно присоединять к системе без ее перезагрузки.

Шина SCSI (Small Computer System Interface, системный интерфейс малых компьютеров) - высокопроизводительная шина, применяемая для быстрых дисков, сканеров и других устройств, нуждающихся в значительной пропускной способности. Ее производительность достигает 160 Мбайт/с. Шина SCSI используется в системах Macintosh, популярна в UNIX-системах и других системах на базе процессоров Intel.

Шина IEEE 1394 (FireWire) - является бит-последовательной шиной и поддерживает пакетную передачу данных со скоростью, достигающей 50 Мбайт/с. Это свойство позволяет подключать к компьютеру портативные цифровые видеокамеры и другие мультимедийные устройства. В отличие от шины USB шина IEEE 1394 не имеет центрального контроллера.

Операционная система должна уметь распознавать аппаратные составляющие и уметь их настраивать. Это требование привело компании Intel и Microsoft к разработке системы персонального компьютера, называемой plug and play («включи и работай»). До появления этой системы каждая плата ввода-вывода имела фиксированные адреса регистров ввода-вывода и уровень запроса прерывания. Например, клавиатура использовала прерывание 1 и адреса в диапазоне от 0x60 до 0x64; контроллер гибкого диска использовал прерывание 6 и адреса от 0x3F0 до 0x3F7; принтер пользовался прерыванием 7 и адресами от 0x378 до 0х37А.

Если пользователь покупал звуковую карту и модем, случалось что эти устройства случайно использовали одно и тоже прерывание. Возникал конфликт, поэтому устройства не могли работать вместе. Возможным решением было встроить набор DIP-переключателей (джамперов, jumper - перемычка) в каждую плату и настроить каждую плату таким образом, чтобы адреса портов и номера прерываний различных устройств не конфликтовали друг с другом.

Plug and play позволяет операционной системе автоматически собирать информацию об устройствах ввода-вывода, централизованно назначать уровни прерывания и адреса ввода-вывода, а затем сообщать каждой плате эту информацию. Такая система работает на компьютерах Pentium. Каждый компьютер с процессором Pentium содержит материнскую плату, на которой находится программа - система BIOS (Basic Input Output System - базовая система ввода-вывода). BIOS содержит программы ввода-вывода низкого уровня, включая процедуры: для чтения с клавиатуры, для вывода информации на экран, для ввода-вывода данных с диска и пр.

При начальной загрузке компьютера стартует система BIOS, которая проверяет количество установленной в системе оперативной памяти, подключение и корректность работы клавиатуры и других основных устройств. Далее BIOS проверяет шины ISA и PCI и все устройства, присоединенные к ним. Некоторые из этих устройств являются традиционными (созданными до выхода стандарта plug and play). Они имеют фиксированные уровни прерывания и адрес порта ввода-вывода (например, заданные с помощью переключателей или перемычек на плате ввода-вывода без возможности их изменения операционной системой). Эти устройства регистрируются, далее проходят регистрации устройства plug and play. Если присутствующие устройства отличаются от тех, что были во время последней загрузки, то производится конфигурирование новых устройств.

Затем BIOS определяет устройство, с которого будет происходить загрузка, по очереди пробуя каждое из списка, хранящегося в CMOS-памяти. Пользователь может изменить этот список, войдя в конфигурационную программу BIOS сразу после загрузки. Обычно сначала делается попытка загрузиться с гибкого диска. Если это не удается, пробуется компакт-диск. Если в компьютере отсутствуют и гибкий диск, и компакт-диск, система загружается с жесткого диска. С загрузочного устройства считывается в память и выполняется первый сектор. В этом секторе находится программа, проверяющая таблицу разделов в конце загрузочного сектора, чтобы определить, который из разделов является активным. Затем из того же раздела читается вторичный загрузчик. Он считывает из активного раздела операционную систему и запускает ее.

После этого операционная система опрашивает BIOS, чтобы получить информацию о конфигурации компьютера и проверяет наличие драйвера для каждого устройства. Если драйвер отсутствует, операционная система просит пользователя вставить гибкий диск или компакт-диск, содержащий драйвер (эти диски поставляются производителем устройства). Если же все драйверы на месте, операционная система загружает их в ядро. Затем она инициализирует таблицы драйверов, создает все необходимые фоновые процессы и запускает программу ввода пароля или графический интерфейс на каждом терминале.

5. История развития средств вычислительной техники

Все IBM-совместимые персональные компьютеры укомплектованы Intel-совместимыми процессорами. История развития микропроцессоров семейства Intel вкратце такова. Первый универсальный микропроцессор фирмы Intel появился в 1970 г. Он назывался Intel 4004, был четырехразрядным и имел возможность ввода/вывода и обработки четырехбитных слов. Быстродействие его составляло 8000 операций в секунду. Микропроцессор Intel 4004 был рассчитан на применение в программируемых калькуляторах с памятью размером в 4 Кбайт.

Через три года фирма Intel выпустила процессор 8080, который мог выполнять уже 16-битные арифметические операции, имел 1б-разрядную адресную шину и, следовательно, мог адресовать до 64 Кбайт памяти (2 516 0=65536). 1978 год ознаменовался выпуском процессора 8086 с размером слова в 16 бит (два байта), 20-разрядной шиной и мог оперировать уже с 1 Мбайт памяти (2 520 0=1048576, или 1024 Кбайт), разделенной на блоки (сегменты) по 64 Кбайт каждый. Процессором 8086 комплектовались компьютеры, совместимые с IBM PC и IBM PC/XT. Следующим крупным шагом в разработке новых микропроцессоров стал появившийся в 1982 году процессор 8028б. Он обладал 24-разрядной адресной шиной, мог распоряжаться 16 мегабайтами адресного пространства и ставился на компьютеры, совместимые с IBM PC/AT. В октябре 1985 года был выпущен 80386DX с 32- разрядной шиной адреса (максимальное адресное пространство - 4 Гбайт), а в июне 1988 года - 80386SX, более дешевый по сравнению с 80386DX и обладавший 24-разрядной адресной шиной. Затем в апреле 1989 года появляется микропроцессор 80486DX, а в мае 1993 - первый вариант процессора Pentium (оба с 32-разрядной шиной адреса).

В мае 1995 года в Москве на международной выставке Комтек-95 фирма Intel представила новый процессор - P6.

Одной из важнейших целей, поставленных при разработке P6, было удвоение производительности по сравнению с процессором Pentium. При этом производство первых версий P6 будет осуществляться по уже отлаженной "Intel" и используемой при производстве последних версий Pentium полупроводниковой технологии (О,6 мкм, З,З В).

Использование того же самого процесса производства дает гарантию того, что массовое производство P6 будет налажено без серьезных проблем. Вместе с тем это означает, что удвоение производительности достигается только за счет всестороннего улучшения микроархитектуры процессора. При разработке микроархитектуры P6 использовалась тщательно продуманная и настроенная комбинация различных архитектурных методов. Часть из них была ранее опробована в процессорах "больших" компьютеров, часть предложена академическими институтами, оставшиеся разработаны инженерами фирмы "Intel". Эта уникальная комбинация архитектурных особенностей, которую в "Intel" определяют словами "динамическое выполнение", позволила первым кристаллам P6 превзойти первоначально планировавшийся уровень производительности.

При сравнении с альтернативными "Intel" процессорами семейства х86 выясняется, что микроархитектура Р6 имеет много общего с микроархитектурой процессоров Nx586 фирмы NexGen и K5 фирмы AMD, и, хотя и в меньшей степени, с M1 фирмы "Cyrix". Эта общность объясняется тем, что инженеры четырех компаний решали одну и ту же задачу: внедрение элементов RISC-технологии при сохранении совместимости с CISC-архитектурой Intel х86.

Два кристалла в одном корпусе

Главное преимущество и уникальная особенность Р6 - размещенная в одном корпусе с процессором вторичная статическая кэш-память размером 256 кб, соединенная с процессором специально выделенной шиной. Такая конструкция должна существенно упростить проектирование систем на базе Р6. Р6 - первый предназначенный для массового производства микропроцессор, содержащий два чипа в одном корпусе.

Кристалл ЦПУ в Р6 содержит 5,5 миллионов транзисторов; кристалл кэш-памяти второго уровня - 15,5 миллионов. Для сравнения, последняя модель Pentium включала около 3,3 миллиона транзисторов, а кэш-память второго уровня реализовывалась с помощью внешнего набора кристаллов памяти.

Столь большое число транзисторов в кэше объясняется его статической природой. Статическая память в P6 использует шесть транзисторов для запоминания одного бита, в то время как динамической памяти было бы достаточно одного транзистора на бит. Статическая память быстрее, но дороже. Хотя число транзисторов на кристалле с вторичным кэшем втрое больше, чем на кристалле процессора, физические размеры кэша меньше: 202 квадратных миллиметра против 306 у процессора. Оба кристалла вместе заключены в керамический корпус с 387 контактами ("dual cavity pin-drid array"). Оба кристалла производятся с применением одной и той же технологии (0,6 мкм, 4- слойная металл-БиКМОП, 2,9 В). Предполагаемое максимальное потребление энергии: 20 Вт при частоте 133 МГц.

Первая причина объединения процессора и вторичного кэша в одном корпусе - облегчение проектирования и производства высокопроизводительных систем на базе Р6. Производительность вычислительной системы, построенной на быстром процессоре, очень сильно зависит от точной настройки микросхем окружения процессора, в частности вторичного кэша. Далеко не все фирмы-производители компьютеров могут позволить себе соответствующие исследования. В Р6 вторичный кэш уже настроен на процессор оптимальным образом, что облегчает проектирование материнской платы.

Вторая причина объединения - повышение производительности. Кзш второго уровня связан с процессором специально выделенной шиной шириной 64 бита и работает на той же тактовой частоте, что и процессор.

Первые процессоры Рentium с тактовой частотой 60 и 66 МГц обращались к вторичному кэшу по 64-разрядной шине с той же тактовой частотой. Однако с ростом тактовой частоты Pentium для проектировщиков стало слишком сложно и дорого поддерживать такую частоту на материнской плате. Поэтому стали применяться делители частоты. Например, у 100 МГц Pentium внешняя шина работает на частоте 66 МГц (у 90 МГц Pentium - соответственно 60 МГц). Pentium использует эту шину как для обращений к вторичному кэшу, так и для обращения к основной памяти и другим устройствам, например к набору чипов PCI.

Использование специально выделенной шины для доступа к вторичному кэшу улучшает производительность вычислительной системы. Во-первых, при этом достигается полная синхронизация скоростей процессора и шины; во-вторых, исключается конкуренция с другими операциями ввода-вывода и связанные с этим задержки. Шина кэша второго уровня полностью отделена от внешней шины, через которую происходит доступ к памяти и внешним устройствам. 64-битовая внешняя шина может работать со скоростью, равной половине, одной третьей или одной четвертой от скорости процессора, при этом шина вторичного кэша работает независимо на полной скорости.

Объединение процессора и вторичного кэша в одном корпусе и их связь через выделенную шину является шагом по направлению к методам повышения производительности, используемым в наиболее мощных RISC-процессорах. Так, в процессоре Alpha 21164 фирмы "Digital" кэш второго уровня размером 96 кб размещен в ядре процессора, как и первичный кэш. Это обеспечивает очень высокую производительность кэша за счет увеличения числа транзисторов на кристалле до 9,3 миллиона. Производительность Alpha 21164 составляет 330 SPECint92 при тактовой частоте 300 МГц. Производительность Р6 ниже (по оценкам "Intel" - 200 SPECint92 при тактовой частоте 133 МГц), однако Р6 обеспечивает лучшее соотношение стоимость/производительность для своего потенциального рынка.

При оценке соотношения стоимость/производительность следует учитывать, что, хотя Р6 может оказаться дороже своих конкурентов, большая часть других процессоров должна быть окружена дополнительным набором чипов памяти и контроллером кэша. Кроме того, для достижения сравнимой производительности работы с кэшом, другие процессоры должны будут использовать кэш большего, чем 256 кб размера.

"Intel", как правило, предлагает многочисленные вариации своих процессоров. Это делается с целью удовлетворить разнообразным требованиям проектировщиков систем и оставить меньше пространства для моделей конкурентов. Поэтому можно предположить, что вскоре после начала выпуска Р6 появятся как модификации с увеличенным объемом вторичной кэш-памяти, так и более дешевые модификации с внешним расположением вторичного кэша, но при сохраненной выделенной шине между вторичным кэшом и процессором.

Pentium как точка отсчета

Процессор Pentium со своей конвейерной и суперскалярной архитектурой достиг впечатляющего уровня производительности. Pentium содержит два 5-стадийных конвейера, которые могут работать параллельно и выполнять две целочисленные команды за машинный такт. При этом параллельно может выполняться только пара команд, следующих в программе друг за другом и удовлетворяющих определенным правилам, например, отсутствие регистровых зависимостей типа "запись после чтения".

В P6 для увеличения пропускной способности осуществлен переход к одному 12-стадийному конвейеру. Увеличение числа стадий приводит к уменьшению выполняемой на каждой стадии работы и, как следствие, к уменьшению времени нахождения команды на каждой стадии на 33 процента по сравнению с Pentium. Это означает, что использование при производстве P6 той же технологии, что и при производстве 100 МГц Pentium, приведет к получению P6 с тактовой частотой 133 МГц.

Возможности суперскалярной архитектуры Pentium, с ее способностью к выполнению двух команд за такт, было бы трудно превзойти без совершенно нового подхода. Примененный в P6 новый подход устраняет жесткую зависимость между традиционными фазами "выборки" и "выполнения", когда последовательность прохождения команд через эти две фазы соответствует последовательности команд в программе.

Новый подход связан с использованием так называемого пула команд и с новыми эффективными методами предвидения будущего поведения программы. При этом традиционная фаза "выполнение" заменяется на две: "диспетчирование/ выполнение" и "откат". В результате команды могут начинать выполняться в произвольном порядке, но завершают свое выполнение всегда в соответствии с их исходным порядком в программе. Ядро P6 реализовано как три независимых устройства, взаимодействующих через пул команд (рис. 1).

Основная проблема на пути повышения производительности

Решение об организации P6 как трех независимых и взаимодействующих через пул команд устройств было принято после тщательного анализа факторов, ограничивающих производительность современных микропроцессоров. Фундаментальный факт, справедливый для Pentium и многих других процессоров, состоит в том, что при выполнении реальных программ мощность процессора не используется в полной мере.

В то время как скорость процессоров за последние 10 лет выросла по меньшей мере в 10 раз, время доступа к основной памяти уменьшилось только на 60 процентов. Это увеличивающееся отставание скорости работы с памятью по отношению к скорости процессора и было той фундаментальной проблемой, которую пришлось решать при проектировании P6.

Один из возможных подходов к решению этой проблемы - перенос ее центра тяжести на разработку высокопроизводительных компонентов, окружающих процессор. Однако массовый выпуск систем, включающих и высокопроизводительный процессор, и высокоскоростные специализированные микросхемы окружения, был бы слишком дорогостоящим.

Можно было попытаться решить проблему с использованием грубой силы, а именно увеличить размер кэша второго уровня, чтобы уменьшить процент случаев отсутствия необходимых данных в кэше.

Это решение эффективное, но тоже чрезвычайно дорогостоящее, особенно учитывая сегодняшние скоростные требования к компонентам кэша второго уровня. P6 проектировался с точки зрения эффективной реализации целостной вычислительной системы, и требовалось, чтобы высокая производительность системы в целом достигалась с использованием дешевой подсистемы памяти.

Таким образом, реализованная в P6 комбинация таких архитектурных методов, как улучшенное предсказание переходов (почти всегда правильно определяется предстоящая последовательность команд), анализ потоков данных (определяется оптимальный порядок выполнения команд) и опережающее выполнение (предвиденная последовательность команд выполняется без простоев в оптимальном порядке), позволила удвоить производительность по отношению к Pentium при использовании той же самой технологии производства. Эта комбинация методов называется динамическим выполнением.

В настоящее время "Intel" ведет разработку новой 0,35 мкм технологии производства, что даст возможность выпускать процессоры P6 с тактовой частотой ядра свыше 200 МГц.

Р6 как платформа для построения мощных серверов

Среди наиболее значимых тенденций развития компьютеров в последние годы можно выделить как все возрастающее использование систем на основе процессоров семейства х86 в качестве серверов приложений, так и растущую роль "Intel" как поставщика непроцессорных технологий, таких как шины, сетевые технологии, сжатие видеоизображений, флэш-память и средства системного администрирования.

Выпуск процессора Р6 продолжает проводимую "Intel" политику переноса возможностей, которыми ранее обладали лишь более дорогие компьютеры, на массовый рынок. Для внутренних регистров Р6 предусмотрен контроль по четности, а соединяющая ядро процессора и кэш второго уровня 64-битовая шина оснащена средствами обнаружения и исправления ошибок. Встроенные в Р6 новые возможности диагностики позволяют производителям проектировать более надежные системы. В Р6 предусмотрена возможность получения через контакты процессора или с помощью программного обеспечения информации о более чем 100 переменных процессора или происходящих в нем событиях, таких как отсутствие данных в кэше, содержимое регистров, появление самомодифицирующего кода и так далее. Операционная система и другие программы могут считывать эту информацию для определения состояния процессора. В Р6 также реализована улучшенная поддержка контрольных точек, то есть обеспечивается возможность отката компьютера в зафиксированное ранее состояние в случае возникновения ошибки.

Подобные документы

Средства вычислительной техники появились давно, так как потребность в различного рода расчетах существовала еще на заре развития цивилизации. Бурное развитие вычислительной техники. Создание первых ПК, мини-компьютеров начиная с 80-х годов ХХ века.

реферат , добавлен 25.09.2008


Характеристика систем технического и профилактического обслуживания средств вычислительной техники. Диагностические программы операционных систем. Взаимосвязь систем автоматизированного контроля. Защита компьютера от внешних неблагоприятных воздействий.

реферат , добавлен 25.03.2015


Разработка информационно-аналитической системы анализа и оптимизации конфигурации вычислительной техники. Структура автоматизированного управления средствами вычислительной техники. Программное обеспечение, обоснование экономической эффективности проекта.

дипломная работа , добавлен 20.05.2013


Ручной этап развития вычислительной техники. Позиционная система счисления. Развитие механики в XVII веке. Электромеханический этап развития вычислительной техники. Компьютеры пятого поколения. Параметры и отличительные особенности суперкомпьютера.

курсовая работа , добавлен 18.04.2012


Устройство и принцип работы персонального компьютера (ПК). Диагностика работоспособности ПК и определение неисправностей. Задачи технического обслуживания средств вычислительной техники. Разработка методик поддержания техники в работоспособном состоянии.

курсовая работа , добавлен 13.07.2011


Изучение зарубежной, отечественной практики развития вычислительной техники, а также перспективы развития ЭВМ в ближайшее будущее. Технологии использования компьютеров. Этапы развития вычислительной индустрии в нашей стране. Слияние ПК и средств связи.

курсовая работа , добавлен 27.04.2013


Классификация проектных процедур. История синтеза вычислительной техники и инженерного проектирования. Функции систем автоматизированного проектирования, их программное обеспечение. Особенности применения трехмерных сканеров, манипуляторов и принтеров.

реферат , добавлен 25.12.2012


Автоматизация обработки данных. Информатика и ее практические результаты. История создания средств цифровой вычислительной техники. Электромеханические вычислительные машины. Использование электронных ламп и ЭВМ первого, третьего и четвертого поколения.

дипломная работа , добавлен 23.06.2009


Понятие и характеристика персонального компьютера, его основные части и их предназначение. Средства обучения информатики и особенности организации работы в кабинете вычислительной техники. Оборудование рабочих мест и применение программного обеспечения.

реферат , добавлен 09.07.2012


Состав вычислительной системы - конфигурация компьютера, его аппаратные и программные средства. Устройства и приборы, образующие аппаратную конфигурацию персонального компьютера. Основная память, порты ввода-вывода, адаптер периферийного устройства.