Skip to content

Instantly share code, notes, and snippets.

Show Gist options
  • Star 0 You must be signed in to star a gist
  • Fork 0 You must be signed in to fork a gist
  • Save anonymous/b73dc72c0750a0034caf4f34c4717931 to your computer and use it in GitHub Desktop.
Save anonymous/b73dc72c0750a0034caf4f34c4717931 to your computer and use it in GitHub Desktop.
Классическая схема компьютера

Классическая схема компьютера


= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =
Файл: >>>>>> Скачать Классическая схема компьютера
= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =


Классическая архитектура ПК. Основные особенности архитектуры современных ПК
Классическая обобщенная структурная схема компьютера
Лекция 4. Структурная схема ЭВМ


























Информационные и коммуникационные технологи ИКТ: Технические средства обработки информации - средства вычислительной техники. Технические средства передачи информации - коммуникационные технические. Вычислительная система ВС - совокупность нескольких взаимосвязанных и. Глобальная сеть WAN - охватывает большие географически районы и состоит из множества локальные сетей. Локальные сети LAN - обладает замкнутой инфраструктурой до выхода на поставщиков. Вычислительные сети создаются для эффективного предоставления информационно-. Корпоративные сети - сети отдельных организаций независимо от занимаемых территорий. IT инфраструктура - это комплекс взаимосвязанных информационных систем и сервисов,. В аналоговых вычислительных машинах обработка информации происходит с помощью специально подобранного физического процесса, моделирующего некоторую вычисляющую закономерность. Дифференциальные уравнения, интегралы, производные. Машина Тьюринга - автоматическое устройство, способное. Среди всех состояний выделяют начальное и конечное. Был создан программируемый вычислитель, названный Z1. Американцы разработали модель электронного вычислительного устройства. Была разработана ЭНИАК на электронных лампах. Любая система представляет собой набор модулей с известными. Обмен данными между модулями происходит по единым магистралям. Подразумевает возможность создания микроарограмм. Одна и та же идеология средств ВТ имеет различные модели,. Модель более высокого уровня может обрабатывать микропрограммы. Архитектура ЭВМ - совокупность основных функциональных блоков и схем их. Четыре уровня описания вычислительной машины. ЦП, ОП, шины, УВВ. Шины, УУ, АЛУ, регистры, БЗП. Логика программной последовательности, шины, регистры УУ, память УУ, логика. Классификационные признаки ЭВМ и ВС: Б Проблемно-ориентированные Промышленные компьютеры со специальным. В Специализированные Контроллеры, управляющие несложными техническими. Цифровой компьютер — это вычислительная машина, оперирующая информацией, представленной в дискретном виде. В настоящее время разработаны методы численного решения многих видов уравнений, что дало возможность решать на цифровых вычислительных машинах различные уравнения и задачи с помощью набора простых арифметических и логических операций. Поэтому если аналоговые вычислительные машины обычно предназначены для решения определенного класса задач, то есть являются специализированными, то цифровой компьютер, как правило, универсальное вычислительное средство. Наибольшее распространение получили электронные вычислительные машины, выполненные с использованием новейших достижений электроники. Аналоговый компьютер — это вычислительная машина, оперирующая информацией, представленной в виде непрерывных изменений некоторых физических величин. При этом в качестве физических переменных выступают сила тока электрической цепи, угол поворота вала, скорость и ускорение движения тела и т. Используя тот факт, что многие явления в природе математически описываются одними и теми же уравнениями, аналоговые вычислительные машины позволяют с помощью одного физического процесса моделировать различные другие процессы. Гибридная вычислительная машина, аналого-цифровая система — вид гибридной вычислительной системы ГВС , сочетающий в себе свойства аналоговых и цифровых вычислительных устройств. Специализированная вычислительная машина — вычислительная машина, предназначенная для решения одной задачи или узкого круга задач. Специализация такой машины повышает эффективность средств вычислительной техники, поскольку структурная и аппаратная интерпретация программ способствует повышению точности и быстродействия устройств, упрощает математическое обеспечение, снижает аппаратные затраты[1]. Специализированные компьютеры отличаются постоянством структуры, определяемой классом решаемых задач, что позволяет существенно упростить коммутационные устройства. Как и другие вычислительные машины, специализированные можно разделить на группы. Универсальные вычислительные машины предназначены для решения широкого круга самых разнообразных математических задач. Универсальные вычислительные машины имеют сумматоры, построенные по тем же арифметическим основам, что и счетчики электронных перфорационных вычислительных машин. Универсальная вычислительная машина состоит из ряда устройств - блоков, каждый из которых имеет специальное назначение. Проблемно-ориентированные ВМ служат для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами; регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных; выполнением расчетов по относительно несложным алгоритмам; они обладают ограниченными по сравнению с универсальными ЭВМ аппаратными и программными ресурсами. К проблемно-ориентированным ЭВМ можно отнести, в частности, всевозможные управляющие вычислительные комплексы. Single Instruction Single Data stream - " один поток команд , один поток данных ",. Multiple Data Stream Processing - "один поток команд, много потоков данных", архитектура. Подразумевает исполнение одной команды несколькими процессорами. Multiple Instruction Single Data stream - " много потоков команд , один поток данных ",. В этой архитектуре данные подаются на набор процессоров,. Считается, что такая архитектура. Multiple Instructions - Multiple Data stream - " много потоков команд , много потоков данных ",. В этой параллельной архитектуре набор процессоров. Системы в архитектуре MIMD делятся на: Системы с распределенной памятью слабосвязанные системы. Зависимость числа транзисторов на кристалле микропроцессора от времени. Обратите внимание, что вертикальная ось имеет логарифмическую шкалу, то есть кривая соответствует экспоненциальному закону — количество транзисторов удваивается примерно каждые 2 года. Мур высказал предположение, что число транзисторов на кристалле будет удваиваться каждые 24 месяца. При анализе графика роста производительности запоминающих микросхем им была обнаружена закономерность: Гордон Мур пришел к выводу, что при сохранении этой тенденции мощность вычислительных устройств за относительно короткий промежуток времени может вырасти экспоненциально. Это наблюдение получило название закон Мура. Так, стоимость фабрики, на которой корпорация Intel производила микросхемы динамической памяти ёмкостью 1 Кбит, составляла 4 млн. Стоимость же Fab32, завода по производству процессоров на базе нм техпроцесса, составила 3 млрд. В году Мур заявил, что закон, очевидно, скоро перестанет действовать из-за атомарной природы вещества и ограничения скорости света. Одним из физических ограничений на миниатюризацию электронных схем является также Принцип Ландауэра, согласно которому логические схемы, не являющиеся обратимыми, должны выделять теплоту в количестве, пропорциональном количеству стираемых безвозвратно потерянных данных. Возможности по отводу теплоты физически ограничены. В таких машинах есть только один поток команд, все команды обрабатываются последовательно друг за другом и каждая команда инициирует одну операцию с одним потоком данных. Не имеет значения тот факт, что для увеличения скорости обработки команд и скорости выполнения арифметических операций может применяться конвейерная обработка - как машина CDC со скалярными функциональными устройствами, так и CDC с конвейерными попадают в этот класс. Большинство персональных ЭВМ до последнего времени, например, попадает именно в эту категорию. Иногда сюда относят и некоторые типы векторных компьютеров, это зависит от того, что понимать под потоком данных. После загрузки программы алгоритма и данных для обработки в запоминающее устройство, машина фон-Неймана может работать автоматически, без вмешательства оператора. Каждая ячейка памяти машины имеет уникальный номер - адрес, а специальный механизм, чаще всего - счетчик команд - обеспечивает автоматическое выполнение необходимой последовательности команд, и определяет на каждом этапе адрес ячейки, из которой необходимо загрузить следующую команду. Перед началом выполнения программы в счетчик записывается адрес ее первой команды. Определение адреса следующей команды происходит по одному из следующих сценариев: Принципы Джона фон Неймана и Сергея Алексеевича Лебедева. ВМ - цифровое устройство, в котором определенным образом закодированные команды хранятся в памяти и выбираются из нее в момент исполнения. Для представления данных и команд используется двоичная система счисления. Как программы команды , так и данные хранятся в одной и той же памяти и кодируются в одной и той же системе счисления — чаще всего двоичной. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Принцип последовательного программного управления. Все команды располагаются в памяти и выполняются последовательно, одна после завершения другой. Команды из программы не всегда выполняются одна за другой. Возможно присутствие в программе команд условного перехода, которые изменяют последовательность выполнения команд в зависимости от значений данных. Алгоритм - конечный набор предписаний, определяющий решение задачи посредством конечного количества операций: Архитектура ЭВM фон Неймана - классическая однопроцессорная архитектура. SISD - один поток команд, один поток данных. ЦП - центральный процессор. ОП - оперативная память или оперативное запоминающее устройства - ОЗУ. Устройство управления УУ с интерфейсом процессора. Устройство управления УУ - организует автоматическое выполнение программ и обеспечивает функционирование ВМ как единого вычислительного модуля. Арифметико-логическое устройство АЛУ - часть процессора, выполняющая арифметические и логические операции над данными. АЛУ состоит из регистров, сумматора с соответствующими логическими схемами и блока управления выполняемым процессом. В х годах прошлого века военное ведомство США поручило Гарвардскому и Принстонскому университетам разработать электромеханическую вычислительную систему для военно-морской артиллерии. Результатом усилий этих университетов стали две концепции построения вычислительных систем, которые определили развитие мировой вычислительной техники почти на лет вперед. Мы знаем их как гарвардская и принстонская более известная как фон-неймановская архитектуры. Их основное отличие заключалось в том, что архитектура фон Неймана использовала единую память общую шину данных , а гарвардская предполагала наличие нескольких шин в оригинале две: Преимущества машины фон Неймана оценили сразу, поскольку в ней содержалось значительно меньше проводников между арифметико-логическим устройством АЛУ и областью памяти, и на долгие годы она стала эталоном для создания ВС. Именно фон-неймановская архитектура с подачи Джона Кока являлась прародителем процессоров RISC Reduced Instruction Set Computer — вычисления с сокращенным набором команд. Время шло, и в х годах прошлого века появились полупроводники, в которых можно было создавать сотни микроскопических проводников. Проблема множества контактов была снята, и наступила эра гарвардской архитектуры. Действительно, если процессор имеет несколько шин, он может одновременно выполнить несколько действий. В этом случае за один такт гарвардский процессор может выполнить несколько операций, существенно опередив по производительности аналогичный фон-неймановский процессор. Чтобы это понять, достаточно посмотреть на схемы двух архитектур. Появление процессоров на гарвардской архитектуре мировое сообщество восприняло прохладно, поскольку в начале х годов не было программного обеспечения, способного реализовать его потенциал. Но все изменилось после появления персонального компьютера Apple I, в основе которого был восьмиразрядный процессор MOS на гарвардской архитектуре с операционной системой Apple DOS. Простота ОС компенсировалась достаточно сложным процессором, названным впоследствии CISC Complex Instruction Set Computer — вычисления с комплексным набором команд , с отдельной разрядной адресной шиной ивозможностью произвольного манипулирования регистрами. Монолитная однопользовательская ОС позволила выжать из него небывалую по тем временам производительность при решении отдельных задачах. Через несколько лет корпорация IBM бросилась догонять Apple, практически повторив ее идею. В основе созданного ею персонального компьютера более известного нам как IBM-PC были гарвардский процессор фирмы Intel и ОС Microsoft DOS. Впоследствии такие комплексы получили общеизвестную аббревиатуру — Wintel. Выходом из этой ситуации стало появление многоядерных процессоров, в которых частота работы каждого вычислительного ядра была понижена, но суммарная производительность превышала даже показатели разогнанного одноядерного. Для наглядности на рис. Массовый переход на многоядерные вычислительные системы ознаменовался тем, что эра классического программирования закончилась. Многопоточные вычисления потребовали изменения алгоритмов программирования, иклассические, построенные на блок-схемах, алгоритмы практически перестали работать. Образовался серьезный разрыв между возможностями вычислительной техники и возможностями вычислительной математики. Закон Амдала только усугубил проблему, поскольку согласно ему создать полностью распараллеленный вычислительный алгоритм невозможно. Алгоритмов без определенной доли последовательных операций просто не существует. Практически это означает, что для каждой задачи есть предельное количество вычислительных ядер, превышение которого не приведет к увеличению скорости вычисления. Следствием закона Амдала является утверждение, что при любом типе вычислений одно из вычислительных ядер процессора всегда загружено больше остальных. Опираясь на эти выводы, можно было предположить, что будут созданы многоядерные системы, содержащие различные типы вычислительных ядер. Архитектура ARM — Advanced RISC Machine в оригинале — Acorn RISC Machine , усовершенствованная RISC-машина — была построена на базе фон-неймановской архитектуры, но включала особенности процессоров CISC, что логично, поскольку в его основе лежал MOS В частности, машина ARM предполагала чрезвычайно простую реализацию вычислительного ядра, управляемого через контролируемый ввод. Именно технология, разработанная консорциумом ARM, позволила собрать на одном кристалле несколько различных вычислительных ядер, каждое из которых могло выполнять определенные функции. Такая сборка получила название Soc System on chip , поскольку к общей шине данных подключались не только вычислительные ядра процессора, но и видеоадаптер и контроллер памяти. Всевозможные сочетания вычислительных ядер в Soc позволяли получать широкий спектр устройств, каждое из которых могло обладать своими уникальными особенностями. На базе Soc легко формировались телефоны, планшеты, телевизоры, плееры, видеокамеры и т. Но, чтобы реализовать эти возможности, требовалась специальная программная среда, легко модифицируемая под ту или иную сборку Soc. Первой такой средой стала операционная система компании Apple — iPhone OS впоследствии — Apple iOS , построенная на базе ядра Darwin урезанного ядра BSD. Небольшое монолитное ядро, настроенное под конкретную Soc, как и вслучае с Apple DOS, позволяло получить максимальную отдачу от оборудования, а простота реализации вычислительных ядер обеспечивала существенную экономию энергопотребления. А потом все заново повторилось, как 30 лет назад. Корпорация Google современная IBM решила обыграть идею Apple. Надо сказать, что в отличие от Apple, которая сама формировала оборудование, Google сразу замахнулась на широкий спектр возможных комбинаций Soc. Операционные системы Android и iOS. Корневым отличием ОС Android OS от Apple iOS стало ядро, построенное на базе урезанного модульного ядра Linux. Подгружаемые по требованию модули позволяют переносить Android OS на широкий спектр оборудования, не пересобирая его каждый раз под новое устройство. Безусловно, при такой архитектуре Android имеет не только положительные, но и отрицательные характеристики. Операционная система Android OS медленнее Apple iOS при вводе-выводе, потребность в оперативной памяти у нее выше, а также она менее эффективно работает с Soc. Но, сделав ставку на закон Мура, как в свое время это поступила корпорация IBM, Google выиграла, поскольку технические средства фирм — лицензиатов ARM развиваются быстрее аналогичных устройств Apple, а спектр возможных комбинаций Soc существенно шире возможностей Apple. Именно это сочетание мы скорее всего встретим сначала в бытовых приборах, а потом в медицине. Безусловно, эра Wintel не закончилась и не закончится в ближайшее время, поскольку это основной мировой вычислительный инструмент. Стоимость вычислений на базе Wintel самая низкая в мире. И это несмотря на большую стоимость программных продуктов, разрабатываемых для этой платформы. Но и Armand ждет не менее блестящее будущее. Эта платформа может стать основным инструментом в медицине. Последние сборки Soc, построенные на совмещении мощных и энергоэкономичных вычислительных ядер, позволяют предполагать появление устройств, существенно облегчающих жизнь больных людей. Такие устройства будут экономичны в режиме ожидания и высокоэффективны в режиме активной работы. Управление экзоскелетами пожилых людей, браслеты с лекарством для диабетиков, речевые импланты — вот те немногие направления, в которых участие Armand очевидно. Алгоритм - точное предписание исполнителю совеpшить определенную последовательность действий для достижения поставленной цели за конечное число шагов. Каждое действие, предусмотренное алгоритмом, исполняется только после того, как закончилось исполнение предыдущего. Благодаря этому свойству выполнение алгоритма носит механический характер и не требует никаких дополнительных указаний или сведений о решаемой задаче. При этом исходные данные могут выбираться из некоторой области, которая называется областью применимости алгоритма. На основании этих свойств иногда дается определение алгоритма, например: Во-первых, неверно связывать алгоритм с решением какой-либо задачи. Алгоритм вообще может не решать никакой задачи. Решение поставленных практикой задач математическими методами основано на абстрагировании — мы выделяем ряд существенных признаков, характерных для некоторого круга явлений, и строим на основании этих признаков математическую модель, отбрасывая несущественные признаки каждого конкретного явления. В этом смысле любая математическая модель обладает свойством массовости. Помимо результат операции АЛУ формирует ряд признаков результат флагов. Регистры специальные ячейки памяти, расположенные внутри процессора, доступ к которым осуществляется не по адресам , как к основной памяти, а по именам. Они предназначены для временного хранения данных ограниченного размера. В состав устройства управления входят следующие блоки: Он получает на вход адрес с блока генерации адреса инструкции, передаёт его на УВВ, получает с него данные по переданному адресу, и выдаёт на блок декодирования интсрукций. Получает функциональные коды переходов и ветвлений, признаки результатов операций с функциональных устройств, проверяет истинность условия перехода, и передаёт сигнал на изменение программного счётчика. Принимает извне сигналы исключительных ситуаций прерывания, ошибки узлов микропроцессора, нарушение привилегий, команды-ловушки и пр. Служит для упрощения отладки программ. Доступ к блоку может быть как программный через специальные инструкции , так и аппартный через физический отладочный интерфейс. Сейчас применяются три основных вида ОЗУ: Регистры - специальные ячейки памяти , расположенные физически внутри процессора. Доступ к ним осуществляется не по адресам , а по именам. Физический регистр - это узел ЭВМ , предназначенный для хранения двоичных слов и выполнения над ними некоторых логических операций. Регистр представляет собой совокупность триггеров , число которых соответствует числу разрядов в слове и дополнительных схем , выполняющих: Регистры общего назначение РОН. Регистры сверхоперативной памяти или регистровый файл. Общее название для регистров , которые временно содержат данные , передаваемые в память или принимаемые из нее. Регистр команд служит для размещения текущей команды. Она находится в нем в течении текущего цикла процессора. Регистр РАК , счетчик СЧАК адреса команды - регистр , содержащий адрес текущей команды , регистр адреса числа - содержит адрес операнда выполняемой команды , регистр числа РЧ - содержит операнд , регистр результата - хранит результат выполнения команды , сумматор - регистр , осуществляющий операции логического и двоичного сложения чисел или битовых строк , индексный регистр - используется для автоматического изменения адреса операнда во время исполнения программы , часто для косвенной адресации , исполняемый адрес может формироваться как сумма базового , индексного и относительного адресов , аккумулятор - хранит промежуточные данные , регистр флагов и состояний - типичным содержимым является информация об особых результатах вычисления команд , УУ - использует информацию из регистра состояния для исполнения условных переходов. В основу положен модульно-магистральный принцип. Модульный принцип позволяет комплектовать нужную конфигурацию, модернизировать ее. Модульная организация опирается на магистральный шинный принцип обмена информацией. Обмен информацией между устройствами производится по трем многоразрядным шинам многопроводные линии связи. Шина данных двунаправленная от процессора к устройству и наоборот. Код адреса формируется процессором и передается по шине адреса. Шина однонаправленная от процессора к устройству. Разрядность определяет объем адресуемой памяти и может не совпадать с разрядностью шины данных. Существуют различные стандарты системной шины, которые сложились по мере развития техники: MCA, ISA, VESA, EISA, PCI и SCSI. Подключение отдельных модулей ЭВМ к магистрали на физическом уровне осуществляется с помощью контроллеров, адаптеров, а на программном обеспечивается драйверами. Их совокупность называется интерфейсом. Опционально южный мост также может включать в себя контроллер Ethernet , RAID -контроллеры, контроллеры USB , контроллеры FireWire и аудио-кодек. В состав микропроцессора входят следующие устройства: Арифметико-логическое устройство предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией. Устройство управления координирует взаимодействие различных частей компьютера. Выполняет следующие основные функции: Микропроцессорная память предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, используемой в вычислениях непосредственно в ближайшие такты работы машины. Микропроцессорная память строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия компьютера, так как основная память не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора. Интерфейсная система микропроцессора предназначена для связи с другими устройствами компьютера. К ним относятся математический сопроцессор, контроллер прямого доступа к памяти, сопроцессор ввода-вывода, контроллер прерываний и др. Математический сопроцессор используется для ускорения выполнения операций над двоичными числами с плавающей запятой, над двоично-кодированными десятичными числами, для вычисления тригонометрических функций. Математический сопроцессор имеет свою систему команд и работает параллельно с основным микропроцессором, но под управлением последнего. В результате происходит ускорение выполнения операций в десятки раз. Модели микропроцессора, начиная с МП DX, включают математический сопроцессор в свою структуру. Контроллер прямого доступа к памяти освобождает микропроцессор от прямого управления накопителями на магнитных дисках, что существенно повышает эффективное быстродействие компьютера. Сопроцессор ввода-вывода за счет параллельной работы с микропроцессором значительно ускоряет выполнение процедур ввода-вывода при обслуживании нескольких внешних устройств, освобождает микропроцессор от обработки процедур ввода-вывода, в том числе реализует режим прямого доступа к памяти. Количество считываемых инструкций обусловлено количеством блоков декодирования , так как необходимо при каждом такте работы максимально загрузить блоки декодирования. Работа с прерываниями - одна из важнейших задач процессора , позволяющая ему своевременно реагировать на события , прерывать ход работы программы и выполнять требуемые от него действия. Набор микрокод прошит в ПЗУ , встроенном в процессоре. Для реализации последнее способа необходимо чтобы единицы данных располагались последовательно и имели один и тот же тип. Массив однородных элементов , мультимедиа файлы. Под SIMD расширением понимается программно - аппаратное решение , представляющее собой совокупность дополнительных регистров и наборов инструкций процессора , предназначенных для групповой обработки данных. Так же необходимо наличие соответствующих компиляторов. ММХ - год. ММХ ориентирована на обработку больших массивов данных целого типа. Основа аппаратных компонентов - 8 регистров по 64 бита 8 байт каждый. ММХ поддерживает данные размером в 1, 2, 4 или 8 байт. То есть один ММХ регистр может содержать. ММХ использует регистр со - процессора. Оперирует данными вещественного типа , которые используются в геометрических расчетах. Оперируют битными регистрами. Появился в Pentium 4. Работает не только с четверками чисел одинарной точности , но и с любыми данными которые умещаются в бит. Используется для уменьшения погрешностей в вычислениях. Появилась горизонтальная и вертикальная арифметика. Начиналось с 21 команды. Узкая специальность , предназначенная для расчетов 3 D графики. Последовательный доступ к памяти. Буферизация ЗУ, работающее со скоростью, обеспечивающей функционирование ЦП без режимов запоминания. Выход из строя одного из узлов не приводит к краху системы. В случае сбоя ПО на одном из узлов, приложение продолжает функционировать. Профилактические работы и реконфигурация проводится без необходимости остановки системы. Принципы построения отказоустойчивых систем: Конкретная технология может сочетать данные принципы в любой комбинации. Виртуализируется физический сервер на уровне ОС. Пользователь имеет возможность запускать изолированные и безопасные виртуальные на одном физическом сервере. Окружение для гостевой ОС инициализируется как аппаратное. Каждая отдельная часть физического сервера отображается у пользователя как отдельный сервер. Процесс использования приложения преобразованного из требующего установки в операционную систему в не требующий требуется только запустить. Достоинства и недостатки технологии виртуализации. Преимущества использования виртуальных машин: Недостатки использования виртуальных машин: Гипервизор также обеспечивает изоляцию ОС друг от друга, защиту и безопасность, разделение ресурсов между различными запущенными ОС и управление ресурсами. SaaS - конечные пользователи. Программное обеспечение как услуга. PaaS - разработчики приложений. IaaS - архитекторы приложений. Sign in Recent Site Activity Report Abuse Print Page Powered By Google Sites. Оглавление 1 Аппаратная основа ИКТ 2 Вычислительная машина 3 Вычислительная система как компонент IT-инфраструктуры 4 Предпосылки создания электронных вычислительных устройств 5 Основополагающие структурные принципы построения современных средств ВТ 6 Архитектура ЭВМ 7 Разновидности архитектур ВМ и устройств 8 Технико-эксплуатационные характеристики ЭВМ 9 Основные классификационные признаки ВМ 10 Цифровые ВМ 11 Аналоговые ВМ 12 Гибридные ВМ 13 Специализированные ВМ 14 Универсальные ВМ 15 Проблемно-ориентированные ВМ 16 Классификация Флинна 17 Перспективы эволюции архитектуры ЭВМ и ВС два пути развития 18 Закон Мура 19 Класс SISD 20 Архитектура ЭВМ фон Неймана 21 Принципы построения ЭВМ с хранимой в памяти программой 22 Принстонская архитектура фон Неймановская 23 Гарвардская архитектура 24 Алгоритм. Хост Области применения виртуализации. Достоинства и недостатки Гипервизор Облачные технологии. Перспективы развития ВС и IT-технологий. Машина фон Неймана, как и практически каждый современный ЭВМ общего назначения, состоит из четырех основных компонентов: РК - регистр команд. СчАК - счетчик адреса команд. А1, А2 и т. КОП - код операции. Центральное устройство ЦУ представляет основную компоненту ЭВМ и, в свою очередь, включает ЦП — центральный процессор и ОП — оперативную главную память или оперативное запоминающее устройство ОЗУ. В основе работы запоминающего устройства может лежать любой физический эффект, обеспечивающий приведение системы к двум или более устойчивым состояниям. ОЗУ Энергозависимая часть системы компьютерной памяти, в которой во время работы компьютера хранится выполняемый машинный код программы , а также входные, выходные и промежуточные данные, обрабатываемые процессором. Обмен данными между процессором и оперативной памятью производится: Через сверхбыструю память 0-го уровня — регистры в АЛУ, либо при наличии аппаратного кэша процессора — через кэш. ПЗУ Энергонезависимая память, используется для хранения массива неизменяемых данных. Регистры общего назначение РОН Регистры сверхоперативной памяти или регистровый файл. В отличие от оперативной памяти, где к памяти обращение идет по адресу, то к регистрам обращаются по имени, присвоенному каждому регистру. Структура простейшего центрального устройства ЭВМ Структура процессора, позволяющая реализовать его функции, включает в себя: Файл Именованная область данных на носителе информации. Работа с файлами реализуется средствами операционных систем. Многие операционные системы приравнивают к файлам и обрабатывают сходным образом и другие ресурсы: Внешние устройства в ВМ различного типа специализированных, универсальных В состав специализированной вычислительной машины могут входить: ЦУ соединено с периферийными процессорами, управляющими в свою очередь контроллерами, к которым подключены группы ВУ. История появления ПК 1 Паскаль. Машина Тьюринга - автоматическое устройство, способное находиться в конечном числе внутренних состояний и снабженное бесконечной внутренней памятью. Персональные компьютеры обычно проектируются на основе принципа открытой архитектуры. Принцип открытой архитектуры заключается в следующем: Регламентируются и стандартизируются только описание принципа действия компьютера и его конфигурация определённая совокупность аппаратных средств и соединений между ними. Таким образом компьютер можно собирать из отдельных узлов и деталей, разработанных и изготовленных независимыми фирмами-производителями. Компьютер легко расширяется и модернизируется за счёт наличия внутренних расширительных гнёзд, в которые пользователь может вставлять разнообразные устройства, и, тем самым устанавливать конфигурацию своей машины в соответствии со своими личными предпочтениями. Для того чтобы соединить друг с другом различные устройства компьютера они должны иметь одинаковый интерфейс Интерфейс — это средство сопряжения двух устройств, в котором все физические и логические параметры согласуются между собой. Если интерфейс является общепринятым, например, утверждённым на уровне международных соглашений, то он называется стандартным. Каждый из функциональных элементов память, монитор или другое устройство связан с шиной определённого типа — адресной, управляющей или шиной данных. Для согласования интерфейсов переферийные устройства подключаются к шине не напрямую, а через свои контроллёры адаптеры и порты примерно по такой схеме: Блочно-модульная компоновка ВМ Компьютер собирается из отдельных унифицированных блоков. Существует некий базовый состав блоков, необходимый для работы ПК, а открытая система позволяет пользователю самостоятельно дополнять и изменять блочный состав компьютера, при этом, конечно же, функциональная завершенность системы не должна быть нарушена. Для взаимодействия блоков между собой и с центральным процессором организуется приемно-передающий канал - системная шина. Для состыковки блоков между собой имеются специальные системные разъемы, к контактам которых подводятся сигналы системной шины. Такой комплект разъемов размещается на системной материнской плате. Остальные элементы, подключаемые к системным разъемам материнской платы, имеют ответные части для их установки в разъемы. Chipset Graphics and Memory Controller Hub. Название можно объяснить представлением архитектуры чипсета в виде карты. В результате контроллер-концентратор памяти будет располагаться на вершине карты, на севере. Исходя из назначения, северный мост определяет параметры возможный тип, частоту, пропускную способность: Во многих случаях именно параметры и быстродействие северного моста определяют выбор реализованных на материнской плате шин расширения PCI, PCI Express системы. В свою очередь, северный мост соединён с остальной частью материнской платы через согласующий интерфейс и южный мост. В современных системах, начиная от Intel Nehalem и AMD Sledgehammer отсутствует северный мост в виде отдельного контроллера чипа. Южный мост Южный мост от англ. Функционально южный мост включает в себя: Порт ввода-вывода — это аппаратура сопряжения, позволяющая подключить к микропроцессору , другое устройство. Характеристики микропроцессора Тип микроархитектуры ; Т актовая частота ; Н абор выполняемых команд ; К оличество уровней КЭШ - памяти и их объем ; Тип и скорость системной шины ; Р азмер обрабатываемых слов ; Н аличие встроенного контроллера памяти ; О бъем адресуемой памяти ; Н аличие встроенного графического ядра ; Э нергопотребление ; Разрядность шины данных микропроцессора определяет количество разрядов, над которыми одновременно могут выполняться операции; разрядность шины адреса МП определяет его адресное пространство. Адресное пространство — это максимальное количество ячеек основной памяти, которое может быть непосредственно адресовано микропроцессором. Быстродействие производительность ПК зависит также и от тактовой частоты шины системной платы, с которой работает может работать МП. Кэш-память, устанавливаемая на плате МП, имеет два уровня: L1 — память 1-го уровня, находящаяся внутри основной микросхемы ядра МП и работающая всегда на полной частоте МП впервые кэш L1 был введен в МП i и в МП iSLC ; L2 — память 2-го уровня, кристалл, размещаемый на плате МП и связанный с ядром внутренней микропроцессорной шиной впервые введен в МП Pentium II. Память L2 может работать на полной или половинной частоте МП. Эффективность этой кэш-памяти зависит и от пропускной способности микропроцессорной шины. Состав инструкций — перечень, вид и тип команд, автоматически исполняемых МП. От типа команд зависит классификационная группа МП CISC, RISC, VLIW и т. Конструктив подразумевает те физические разъемные соединения, в которые устанавливается МП и которые определяют пригодность материнской платы для установки МП. Рабочее напряжение также является фактором пригодности материнской платы для установки МП. Первый микропроцессор был выпущен в году фирмой Intel США — МП В настоящее время разными фирмами выпускается много десятков различных микропроцессоров, но наиболее популярными и распространенными являются микропроцессоры фирмы Intel и Intel-подобные. Все микропроцессоры можно разделить на группы: Многоядерные процессоры имеют несколько ядер и поэтому способны осуществлять независимое параллельное выполнение нескольких потоков команд одновременно. Ядро микропроцессора обычно имеет собственное кодовое обозначение например, K7 или имя например, Deschutes. Расширения набора инструкций SIMD-расширения архитектуры IA Расширенные инструкции процессора Уменьшение времени на решение задачи. Увеличить тактовую частоту Увеличить количество исполняемых за такт команд Увеличить количество данных , обрабатываемых каждой командой Для реализации последнее способа необходимо чтобы единицы данных располагались последовательно и имели один и тот же тип. ММХ использует регистр со - процессора Расширение SS Е. Оперируют битными регистрами SSE 2. Суперскалярность Суперскалярность - архитектура вычислительного ядра, при которой наиболее нагруженные блоки могут входить в процессор в нескольких экземплярах. Например, в ядре процессора блок выборки инструкций может нагружать сразу несколько блоков декодирования. Планирование исполнения потока команд является динамическим и осуществляется самим вычислительным ядром. Если в процессе работы команды, обрабатываемые конвейером, не противоречат друг другу, и одна не зависит от результата другой, то такое устройство ядро может осуществить параллельное выполнение команд. В суперскалярных системах решение о запуске инструкции на исполнение принимает сам вычислительный модуль, что требует много ресурсов. В более поздних системах, таких как Эльбрус-3 и Itanium, используется статпланирование, то есть параллельные инструкции объединяются компилятором в длинную команду, в которой все инструкции заведомо параллельные архитектура VLIW. Существует спор относительно того, какую ЭВМ можно считать первой суперскалярной. В иностранной литературе чаще всего указывается CDC разработанная Сеймуром Крэем. Основным структурным отличием Эльбруса от CDC кроме, естественно, совершенно другой видимой программисту системы команд — стекового типа являлось то, что все модули исполнения в нём были конвейеризованы, как в современных суперскалярных микропроцессорах. На основании этого факта Б. Бабаян заявлял о приоритете советских ЭВМ в вопросе построения суперскалярных вычислительных машин, однако уже следующая за CDC машина фирмы Control Data, CDC года имела конвейеризацию исполнительных устройств. Первым же коммерчески широкодоступным суперскалярным микропроцессором стал i, вышедший в году. В е годы основным производителем суперскалярных микропроцессоров стал Intel. Параллельная обработка данных Проблемы с приростом производительности: Бесконечно повышать производительность процессоров, за счет увеличения тактовой частоты, невозможно. Увеличение тактовой частоты влечет за собой увеличение тепловыделения, уменьшение срока службы и надежности работы процессоров, да и задержки от обращения к памяти сильно снижают эффект от увеличения тактовой частоты. Действительно, сейчас практически не встретишь процессоры с тактовой частотой выше 3. Связанные с увеличением тактовой частоты проблемы заставляют разработчиков искать иные пути повышения производительности процессоров. Один из наиболее популярных способов — параллельные вычисления. Подавляющее большинство современных процессоров имеют два и более ядра. Топовые модели могут содержать и 8, и даже 12 ядер, причем с поддержкой технологии hyper-threading. Преимущества от ввода дополнительных ядер вполне понятны, мы практически получаем несколько процессоров, способных независимо решать каждый свои задачи, при этом, естественно, возрастает производительность. Однако прирост производительности далеко не всегда оправдывает ожидания. Во-первых, далеко не все программы поддерживают распределение вычислений на несколько ядер. Естественно, можно программы разделять между ядрами, чтобы на каждом ядре работал свой набор независимых программ. Например, на одном ядре работает операционная система с набором служебных программ, на другом пользовательские программы и так далее. Но это дает выигрыш в производительности до тех пор, пока не появляется программа, требующая ресурсов больше, чем может дать одно ядро. Хорошо, если она поддерживает распределение нагрузки между несколькими ядрами. Я, конечно, утрирую, существуют программы, оптимизированные для многопоточных вычислений, но большинству простых пользователей они не нужны. Во-вторых, усложняется работа с памятью, так как ядер — много, и всем им требуется доступ к ОЗУ. Требуется сложный механизм, определяющий очередность доступа ядер процессора к памяти и к другим ресурсам ЭВМ. В-третьих, возрастает энергопотребление, а, следовательно, увеличивается тепловыделение и требуется мощная система охлаждения. Несмотря на все недостатки, применение процессоров с ядрами, несомненно, дает значительный прирост производительности. Однако, на данный момент, применение процессоров с количеством ядер больше четырех не всегда оправдывает ожидание. Однако, в ближайшем будущем, ситуация должна кардинально измениться. Обязательно появится множество программ с поддержкой многопоточности, производительность отдельных ядер возрастет, а их цена снизится. Каждая инструкция, выполняемая процессором, последовательно проходит все блоки ядра, в каждом из которых совершается своя часть действий, необходимых для выполнения инструкции. Если приступать к обработке новой инструкции только после завершения работы над первой инструкцией, то большая часть блоков ядра процессора в каждый момент времени будет простаивать, а, следовательно, возможности процессора будут использоваться не полностью. Рассмотрим пример, в котором процессор будет выполнять программу, состоящую из пяти инструкций К1—К5 , без использования принципа конвейеризации. Для упрощения примера примем, что каждый блок ядра процессора выполняет инструкцию за 1 такт. Технология Hyper-Threading Свободные ресурсы ядра: Технология Intel Hyper-threading позволяет каждому ядру процессора выполнять две задачи одновременно, по сути, делая из одного реального ядра два виртуальных. Это возможно из-за того, что в таких ядрах сохраняется состояние сразу двух потоков, так как у ядра есть свой набор регистров, свой счетчик команд и свой блок работы с прерываниями для каждого потока. В результате, операционная система видит такое ядро, как два отдельных ядра, и будет с ними работать так же, как работала бы с двуядерным процессором. Однако остальные элементы ядра для обоих потоков — общие, и делятся между ними. Кроме этого, когда по какой-либо причине один из потоков освобождает элементы конвейера, другой поток использует свободные блоки. Элементы конвейера могут быть не задействованы, если, например, произошел промах при обращении в КЭШ-память, и необходимо считать данные из ОЗУ, или неверно был предсказан переход, или ожидаются результаты обработки текущей инструкции, или какие-то блоки вообще не используются при обработке данной инструкции и т. Большинство программ не могут полностью нагрузить процессор, так как некоторые, в основном, используют несложные целочисленные вычисления, практически не задействуя блок FPU. Другие же программы, например 3D-студия, требуют массу расчетов с использованием чисел с плавающей точкой, но при этом освобождая некоторые другие исполнительные блоки и так далее. К тому же практически во всех программах — много условных переходов и зависимых переменных. В результате, использование технологии Hyper-threading может дать существенный прирост производительности, способствуя максимальной загрузке конвейера ядра. Но не все так просто. Естественно, прирост производительности будет меньше, чем от использования нескольких физических ядер, так как все-таки потоки используют общие блоки одного конвейера и часто вынуждены ждать освобождения требуемого блока. К тому же большинство процессоров уже имеют несколько физических ядер, и при использовании технологии Hyper-threading виртуальных ядер может стать слишком много, особенно, если процессор содержит четыре и больше физических ядра. Так как на данный момент программ, способных распределять вычисления на большое количество ядер, — крайне мало, то в этом случае результат может разочаровать пользователей. Есть еще одна серьезная проблема технологии Hyper-Threading — это конфликты, возникающие, когда инструкции разных потоков нуждаются в однотипных блоках. Может сложиться ситуация, когда параллельно будут работать два схожих потока, часто использующие одни и те же блоки. В таком случае прирост производительности будет минимален. В результате, технология Hyper-Threading очень зависима от типа нагрузки на процессор и может дать хороший прирост производительности, а может быть практически бесполезной. Применение этой технологии позволяет значительно поднять производительность процессора, особенно, при работе с однопоточными приложениями. Производительность большинства современных процессоров в домашних условиях можно немного поднять, попросту говоря разогнать — заставить работать на частотах, превышающих номинальную, то есть заявленную производителем. Частота процессора рассчитывается, как частота системной шины, умноженная на некий коэффициент, называемый множителем. Например, процессор Core i работает с системной шиной DMI на базовой частоте — МГц, и имеет множитель — Таким образом, тактовая частота ядра процессора составит: Если в настройках BIOS увеличить множитель или поднять тактовую частоту системной шины, то тактовая частота процессора увеличится, а, соответственно, увеличится и его производительность. Однако процесс этот — далеко небезопасный. Из-за разгона процессор может работать нестабильно или вообще выйти из строя. Поэтому к разгону нужно подходить ответственно и тщательно контролировать параметры работы процессора. С появление технологии Turbo Boost все стало гораздо проще. Процессоры с этой технологией могут сами динамически, на короткий промежуток времени, повышать тактовую частоту, тем самым, увеличивая свою производительность. При этом процессор контролирует все параметры своей работы: Например, процессор может отключить неиспользуемые ядра, тем самым, понизив общую температуру, а взамен увеличить тактовую частоту остальных ядер. Так как на данный момент существует не очень много программ, использующих для обработки данных все процессорные ядра, особенно, если их больше четырех, то применение технологии Turbo Boost позволяет значительно поднять производительность процессора, особенно, при работе с однопоточными приложениями. Направления развития архитектур современных процессоров В зависимости от типов обрабатываемых инструкций и способа их исполнения, процессоры подразделяются на несколько групп: Процессоры RISC с сокращенным набором команд RISC Reduced Instruction Set Computer - процессоры с сокращенным набором инструкций. Процессоры MISC c минимальным набором команд MISC Minimal Instruction Set Computer — дальнейшее развитие архитектуры RISС, основанное на еще большем упрощении инструкций и уменьшении их количества. Так, в среднем, в MISC-процессорах используется простых инструкций. Такой подход позволил еще больше упростить устройство процессора, снизить энергопотребление и максимально использовать возможности параллельной обработки данных. Процессоры VLIW с набором сверхдлинных команд VLIW Very long Instruction word - архитектура процессоров, использующая инструкции большой длины, содержащие сразу несколько операций, объединенных компилятором для параллельной обработки длина инструкций может достигать бит. Архитектура VLIW является дальнейшим усовершенствованием архитектуры RISC и MISC с углубленным параллелизмом. Память ВМ Память - важнейший ресурс вычислительной системы, требующий эффективного управления. Память на любом этапе развития производства запоминающих устройств Чем меньше время доступа, тем дороже бит. Чем выше емкость, тем ниже стоимость бита. Чем выше емкость, тем больше время доступа. Иерархия запоминающих устройств Иерархия памяти. Доля попаданий hit rate -доля обращений, которые не найдены на более высоком уровне. Блок - минимальная порция информации, которая может либо извлекаться, либо перемещаться между уровнями. Время обращения при попадании hit time. Потери на промах miss penalty: Время доступа связано с задержкой памяти более низкого уровня, в то время как время пересылки связано с полосой пропускания канала между устройствами памяти двух смежных уровней. Характеристики ЗУ Характеристики ЗУ: По устойчивости записи и возможности перезаписи: Постоянные ПЗУ , содержание которых не может быть изменено конечным пользователем например, BIOS. ПЗУ в рабочем режиме допускает только считывание информации. Записываемые ППЗУ , в которые конечный пользователь может записать информацию только один раз например, CD-R. Многократно перезаписываемые ПППЗУ например, CD-RW. Оперативные ОЗУ — обеспечивают режим записи, хранения и считывания информации в процессе её обработки. Быстрые, но дорогие ОЗУ SRAM строят на триггерах , более медленные, но более дешёвые разновидности ОЗУ — динамические ЗУ DRAM строят на элементах состоящих из ёмкости конденсатора и полевого транзистора, используемого в качестве ключа разрешения записи-чтения. В обоих видах ЗУ информация исчезает после отключения от источника питания например, тока. С последовательным доступом например, магнитные ленты. С произвольным доступом RAM; например, оперативная память. С прямым доступом например, жёсткие диски. С ассоциативным доступом специальные устройства, для повышения производительности баз данных. По количеству устойчивых распознаваемых состояний одного элемента памяти: Двоичные Троичные Десятичные Последовательный доступ к памяти. Последовательный доступ иногда является единственным способом обратиться к данным, как, например, к записям на магнитной ленте. Кроме того, иногда это может быть всего лишь одним из методов доступа к данным, например, мы можем предпочесть этот способ если мы хотим обработать последовательность элементов данных по порядку. По ассоциативному принципу построены некоторые блоки кэш-памяти. Основная память Это устройство для хранения информации. Она состоит из оперативного запоминающего устройства ОЗУ и постоянного запоминающего устройства ПЗУ. Синхронные ЗУ В синхронных ЗУ процессы чтения и записи выполняются одновременно с тактовыми импульсами контроллера памяти, что снимает неопределённость появления информации на выходе ЗУ. Асинхронные ЗУ Асинхронный принцип предполагает, что момент начала очередного действия определяется моментом завершения предыдущей операции. Однако контроллер памяти работает синхронно, и цикл чтения начинается только по его запросу. Если память не успевает выдать информацию в такте запроса, то контроллер сможет прочитать её лишь в следующем такте. Это приводит к задержкам, которых не бывает в синхронных ЗУ благодаря точной синхронизации. Физически DRAM состоит из ячеек, созданных в полупроводниковом материале, в каждой из которых можно хранить определённый объём данных, строку от 1 до 4 бит. Весь набор ячеек условно делится на несколько областей. Низкая себестоимость; Высокая степень упаковки, позволяющая создавать чипы памяти большого объема. Высокая скорость работы; Н ет необходимости регенерации ячеек. Высокая цена; Низкая плотность упаковки; Небольшой объем; Высокое энергопотребление. Во втором режиме ВВ инициируется не процессором, а внешним устройством, генерирующим специальный сигнал прерывания. Реагируя на этот сигнал готовности устройства к передаче данных, процессор передает управление подпрограмме обслуживания устройства, вызвавшего прерывание. Действия, выполняемые этой подпрограммой, определяются пользователем, а непосредственными операциями ВВ управляет процессор. Наконец, в режиме прямого доступа к памяти, который используется, когда пропускной способности процессора недостаточно, действия процессора приостанавливаются, он отключается от системной шины и не участвует в передачах данных между основной памятью и быстродействующим ВУ. Заметим, что во всех вышеуказанных случаях основные действия, выполняемые на системной магистрали ЭВМ, подчиняются двум основным принципам. В процессе взаимодействия любых двух устройств ЭВМ одно из них обязательно выполняет активную, управляющую роль и является задатчиком, второе оказывается управляемым, исполнителем. Чаще всего задатчиком является процессор. Другим важным принципом, заложенным в структуру интерфейса, является принцип квитирования запроса - ответа: При отсутствии ответного сигнала исполнителя в течение заданного интервала времени формируется так называемый тайм-аут, задатчик фиксирует ошибку обмена и прекращает данную операцию. Внутренние и внешние каналы передачи информации в ВМ Под внутренними шинами подразумеваются каналы передачи данных, расположенные непосредственно на материнской плате и связывающие ее компоненты. PCI, PCI-E, SATA, ISA. Внешние шины служат для подключения периферийных устройств и выхода в Интернет. USB, LAN порт, параллельные LPT и последовательные порты COM. Внешние интерфейсные соединения USB 2. Силой тока увеличилась с мА USB 2. Кабели обновлённого стандарта физически и функционально совместимы с USB 2. В последнее время редко используется, всвязи с переходом на USB. DVI - предназначен для передачи видеоизображения на цифровые устройства отображения, такие как жидкокристаллические мониторы и проекторы. DVI-A — только аналоговая передача, DVI-I — аналоговая и цифровая передача, DVI-D — только цифровая передача. Видеокарты с DVI-A не поддерживают стандартные мониторы с DVI-D. Не ошибитесь при выборе монитора!!! VGA D-SUB - стандарт аналоговой передачи видеоизображения, постепенно вытесняется DVI. HDMI - интерфейс для мультимедиа высокой чёткости, позволяющий передавать цифровые видеоданные высокого разрешения и многоканальные цифровые аудиосигналы. Распространённый разъём для передачи аудиосигнала. IEEE - последовательная высокоскоростная шина, предназначенная для обмена цифровой информацией между компьютером и другими электронными устройствами видеокамеры, внешние жесткие диски и т. Используется для внешней реализации интерфейса SATA. Может быть использован для горячего подключения жесткого диска в BIOS необходим режим AHCI. RJ LAN - интерфейс для подключения локальной сети интернет, интранет. Здесь можно еще много что написать, проявите смекалку и вспомните, чем вы обычно пользуетесь. Прерывания аппаратные и программные Прерывание - сигнал, сообщающий процессору о наступление какого-либо события. При этом выполнение текущей последовательности команд приостанавливается и управление передается обработчику прерываний, который выполняет работу по обработке события и возвращает управление в прерванный код. Аппаратное прерывание - событие, генерируемое внешним по отношению к процессору устройством. Программное прерывание — синхронное прерывание, которое может осуществить программы с помощью специальной инструкции. Программные прерывания не являются "истинными" прерываниями. Они возникают при выполнении определенной команды процессора и применяются в том случае, когда необходимо выполнить некоторые привилегированные действия например обратится к порту компьютера. Прямой доступ к памяти Direct Memory Access — DMA Прямой доступ к памяти Direct Memory Access, DMA — режим обмена данными между устройствами компьютера или же между устройством и основной памятью без участия центрального процессора ЦП. В результате скорость передачи увеличивается, так как данные не пересылаются в ЦП и обратно. Кроме того, данные пересылаются сразу для многих слов, расположенных по подряд идущим адресам, что позволяет использование т. Аналогичная оптимизация работы ЦП с памятью крайне затруднена. Захват шины bus mastering В шинах MicroChannel, SBus, разработанной под их большим влиянием PCI и её концептуальных производных AGP и PCI-X, используется иная реализация DMA. Эти шины позволяют любому устройству заявить о возникновении потребности к захвату шины, таковая потребность удовлетворяется т. Устройство, успешно осуществившее захват шины, самостоятельно выставляет на шину сигналы адреса и управления и исполняет в течение какого-то времени ту же ведущую роль на шине, что и ЦП. Доступ ЦП к шине при этом кратковременно блокируется. Технология Plug and Play Plug and Play сокр. Изначальная технология называлась NuBus и была разработана Western Digital. Шина NuBus позволяла добавлять устройства и настраивать их программными средствами. Технология PnP основана на использовании объектно-ориентированной архитектуры, ее объектами являются внешние устройства и программы. Операционная система автоматически распознает объекты и вносит изменения в конфигурацию абонентской системы. Класс SIMD SIMD Single Instruction, Multiple Data множество процессоров, которые синхронно, как правило, выполняют одну и ту же команду над разными данными. SIMD подход может уменьшить сложность как аппаратного, так и программного обеспечения, но он подходит только для специализированных проблем, характеризующихся высокой степенью регулярности, например, обработка изображения и некоторые числовые моделирования. Конвейер команд и конвейер операций В конвейере команд при исполнении одной команды готовится к исполнению несколько следующих команд, например, производится предвыборка команда извлекается из КЭШ-памяти и размещается в одном из регистров арифметико-логического устройства системы , декодирование команды и т. Векторно-параллельные ВС Как и векторно-конвейерные системы, векторно-параллельная вычислительная система обычно имеет иерархическую структуру. На нижнем уровне иерархии находятся векторно-параллельные процессоры, представляющие собой совокупность скалярных процессоров процессорных элементов , которые объединены некоторой коммуникационной сетью и в каждом такте синхронно выполняют одну и ту же команду над разными данными. На верхнем уровне иерархии векторно-параллельные процессоры объединяются общей памятью или коммуникационной сетью, образуя NUMA-систему либо MPP систему. Векторно-параллельные процессоры имеют в своих системах команд специальные векторные матричные операции, такие, как векторное и матричное сложение, умножение вектора на матрицу, умножение матрицы на константу, вычисление скалярного произведения, свертки и т. При выполнении векторных операций различные компоненты векторов и матриц обрабатываются параллельно на различных процессорных элементах. Класс МIMD MIMD Multiple Instruction, Multiple Data. Мультикомпьютер Вычислительная система без общей памяти, состоящая из большого числа взаимосвязанных компьютеров, у каждого из которых имеется собственная память. Процессоры мультикомпьютера отправляют друг другу сообщения используется сетевая топология двух-, трехмерной решетки или деревья и кольца. Причина разработки — техническая сложность создания мультипроцессоров. ВС с распределенной памятью. ВС с общей памятью. С модульной избыточностью Конкретная технология может сочетать данные принципы в любой комбинации. Кластеры с балансировкой нагрузки Load balancing clusters Кластеры балансировки нагрузки load-balancing clusters служат для распределения запросов от клиентов по нескольким серверам, образующим кластер. Центры обработки данных ЦОД Центр обработки данных ЦОД — это отказоустойчивая комплексная централизованная система, обеспечивающая автоматизацию бизнес-процессов с высоким уровнем производительности и качеством предоставляемых сервисов. Назначение ЦОД — обеспечение гарантированной безотказной работы информационной системы предприятия с заданными уровнями доступности, надежности, безопасности и управляемости. Использование технологии создания центров обработки данных позволяет создавать резервные штаб-квартиры предприятий с сохранением максимально возможной функциональности информационной системы при чрезвычайных обстоятельствах. Центры обработки данных включают: В рамках решения обеспечивается комплексная безопасность центров обработки данных, которая включает защиту от следующих угроз: Необходимо создать модульную вычислительную среду. Большой мощности с большими массивами хранения данных. Есть необходимость часто развертывать новые сервера. Рабочие приложения нуждаются в нескольких серверах. Система хранения данных СХД Это комплексное программно-аппаратное решение по организации надежного хранения информационных ресурсов и предоставления гарантированного доступа к ним. Это файловый сервер, устройство подключенное в локальную сеть и предоставляющее доступ к своим дискам. NAS работает поверх локальной сети, используя обычное сетевое оборудование. Работает преимущественно с файлами. Позволяет коллективно использовать информацию на дисках. SAN Storage Area Networks — сеть хранения данных. Работает на уровне блоков данных, это могут быть как файлы, так и базы данных. Коллективное использование информации не всегда возможно. Дисковые RAID-массивы RAID — технология виртуализации данных, которая объединяет несколько дисков в логический элемент для избыточности и повышения производительности. Именно так был представлен RAID его создателями Петтерсоном David A. Patterson , Гибсоном Garth A. Gibson и Катцом Randy H. Katz в году. Калифорнийский университет в Беркли представил следующие уровни спецификации RAID, которые были приняты как стандарт де-факто: Аппаратный RAID-контроллер может поддерживать несколько разных RAID-массивов одновременно, суммарное количество жёстких дисков которых не превышает количество разъёмов для них. При этом контроллер, встроенный в материнскую плату, в настройках BIOS имеет всего два состояния включён или отключён , поэтому новый жёсткий диск, подключённый в незадействованный разъём контроллера при активированном режиме RAID, может игнорироваться системой, пока он не будет ассоциирован как ещё один RAID-массив типа JBOD spanned , состоящий из одного диска. Хост Виртуализация — предоставление набора вычислительных ресурсов или их логических объединений, абстрагированных от аппаратной реализации и обеспечивающее при этом логическую изоляцию вычислительных процессов, выполняемых на одном физическом ресурсе. Виртуальная машина — программная или аппаратная система, эмулирующая аппаратное обеспечение некоторой платформы и исполняющая программы для гостевой платформы. Хост — физическая машина, на которую установлен гипервизор с работающими виртуальными машинами. Достоинства и недостатки Области применения: Частное облако private cloud — инфраструктура, предназначенная для использования одной организацией, включающей несколько потребителей например, подразделений одной организации , возможно также клиентами и подрядчиками данной организации. Частное облако может находиться в собственности, управлении и эксплуатации как самой организации, так и третьей стороны или какой-либо их комбинации , и оно может физически существовать как внутри, так и вне юрисдикции владельца. Публичное облако public cloud — инфраструктура, предназначенная для свободного использования широкой публикой. Публичное облако может находиться в собственности, управлении и эксплуатации коммерческих, научных и правительственных организаций или какой-либо их комбинации. Публичное облако физически существует в юрисдикции владельца— поставщика услуг. Общественное облако community cloud — вид инфраструктуры, предназначенный для использования конкретным сообществом потребителей из организаций, имеющих общие задачи например, миссии, требований безопасности, политики, и соответствия различным требованиям. Общественное облако может находиться в кооперативной совместной собственности, управлении и эксплуатации одной или более из организаций сообщества или третьей стороны или какой-либо их комбинации , и оно может физически существовать как внутри, так и вне юрисдикции владельца. Гибридное облако hybrid cloud — это комбинация из двух или более различных облачных инфраструктур частных, публичных или общественных , остающихся уникальными объектами, но связанных между собой стандартизованными или частными технологиями передачи данных и приложений например, кратковременное использование ресурсов публичных облаков для балансировки нагрузки между облаками. Программное обеспечение как услуга SaaS , Softare-as-a-Service - модель, в которой потребителю предоставляется возможность использования прикладного программного обеспечения провайдера, работающего в облачной инфраструктуре и доступного из различных клиентских устройств или посредством тонкого клиента , например, из браузера например, веб-почта или посредством интерфейса программы. Контроль и управление основной физической и виртуальной инфраструктурой облака, в том числе сети, серверов, операционных систем, хранения, или даже индивидуальных возможностей приложения за исключением ограниченного набора пользовательских настроек конфигурации приложения осуществляется облачным провайдером. Платформа как услуга PaaS, Platform-as-a-Service — модель, когда потребителю предоставляется возможность использования облачной инфраструктуры для размещения базового программного обеспечения для последующего размещения на нём новых или существующих приложений собственных, разработанных на заказ или приобретённых тиражируемых приложений. В состав таких платформ входят инструментальные средства создания, тестирования и выполнения прикладного программного обеспечения— системы управления базами данных , связующее программное обеспечение , среды исполнения языков программирования— предоставляемые облачным провайдером. Контроль и управление основной физической и виртуальной инфраструктурой облака, в том числе сети, серверов, операционных систем, хранения осуществляется облачным провайдером, за исключением разработанных или установленных приложений, а также, по возможности, параметров конфигурации среды платформы. Вопросы к экзамену ИТС 2 курс Оглавление 1 Аппаратная основа ИКТ 2 Вычислительная машина 3 Вычислительная система как компонент IT-инфраструктуры 4 Предпосылки создания электронных вычислительных устройств 5 Основополагающие структурные принципы построения современных средств ВТ 6 Архитектура ЭВМ 7 Разновидности архитектур ВМ и устройств 8 Технико-эксплуатационные характеристики ЭВМ 9 Основные классификационные признаки ВМ 10 Цифровые ВМ 11 Аналоговые ВМ 12 Гибридные ВМ 13 Специализированные ВМ 14 Универсальные ВМ 15 Проблемно-ориентированные ВМ 16 Классификация Флинна 17 Перспективы эволюции архитектуры ЭВМ и ВС два пути развития 18 Закон Мура 19 Класс SISD 20 Архитектура ЭВМ фон Неймана 21 Принципы построения ЭВМ с хранимой в памяти программой 22 Принстонская архитектура фон Неймановская 23 Гарвардская архитектура 24 Алгоритм. Перспективы развития ВС и IT-технологий Аппаратная основа ИКТ Информационные и коммуникационные технологи ИКТ: Технические средства обработки информации - средства вычислительной техники Технические средства передачи информации - коммуникационные технические средства. ГОСТ Вычислительная система как компонент IT-инфраструктуры Вычислительная система ВС - совокупность нескольких взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или вычислительных машин компьютеров , организованная для совместного выполнения процессов обработки информации. Локальные сети LAN - обладает замкнутой инфраструктурой до выхода на поставщиков услуг интернета. Вычислительные сети создаются для эффективного предоставления информационно- вычислительных услуг быстрый и надежный доступ к информационным ресурсам, аппаратам и программам. IT инфраструктура - это комплекс взаимосвязанных информационных систем и сервисов, обеспечивающих функционирование и развитие средств информационного предприятия. Основополагающие структурные принципы построения современных средств ВТ Модульность. Любая система представляет собой набор модулей с известными параметрами и известными связями, что позволяет увеличить скорость разработки средств ВТ, используя готовые модули. Обмен данными между модулями происходит по единым магистралям с использованием наиболее быстрого алгоритма. Подразумевает возможность создания микроарограмм управления для блоков управления, использующих идеологию управляющих автоматов с хранимой или программируемой логикой. Одна и та же идеология средств ВТ имеет различные модели, различные по производительности, но имеющие одну и ту же целевую значимость для пользователя. Модель более высокого уровня может обрабатывать микропрограммы моделей более низкого уровня, что обеспечивает преемственность в развитии. Архитектура ЭВМ Архитектура ЭВМ - совокупность основных функциональных блоков и схем их взаимодействия, определяющих функционально-логическую и структурную организацию вычислительной машины. ЦП, ОП, шины, УВВ 3 уровень описания компонентов, отдельных систем, составляющих общую архитектуру ЦП Шины, УУ, АЛУ, регистры, БЗП 4 Уровень детального описания компонентов Логика программной последовательности, шины, регистры УУ, память УУ, логика формирования управления. Технико-эксплуатационные характеристики ЭВМ 1 Быстродействие 2 Разрядность 3 Форма представления чисел 4 Номенклатура и характеристики запоминающего устройства 5 Номенклатура и характеристики устройства ввода-вывода 6 Типы и характеристики внутреннего и внешних интерфейсов 7 Наличие многопользовательских режимов и поддержка многозадачности 8 Архитектура системы команд 9 Состав и объем профилактических работ 10 Программная совместимость с другими ЭВМ 11 Начальная стоимость 12 Условия эксплуатации Основные классификационные признаки ВМ Классификационные признаки ЭВМ и ВС: А Цифровые Б Аналоговые В Гибридные 2 Используемая элементная база 3 Назначение: А Универсальные Б Проблемно-ориентированные Промышленные компьютеры со специальным конструктивным исполнением В Специализированные Контроллеры, управляющие несложными техническими устройствами и процессами, микропроцессоры специального назначения 4 Размеры и вычислительная мощность 5 Особенность архитектуры Цифровые ВМ Цифровой компьютер — это вычислительная машина, оперирующая информацией, представленной в дискретном виде. Аналоговые ВМ Аналоговый компьютер — это вычислительная машина, оперирующая информацией, представленной в виде непрерывных изменений некоторых физических величин. Гибридные ВМ Гибридная вычислительная машина, аналого-цифровая система — вид гибридной вычислительной системы ГВС , сочетающий в себе свойства аналоговых и цифровых вычислительных устройств Специализированные ВМ Специализированная вычислительная машина — вычислительная машина, предназначенная для решения одной задачи или узкого круга задач. Как и другие вычислительные машины, специализированные можно разделить на группы Универсальные ВМ Универсальные вычислительные машины предназначены для решения широкого круга самых разнообразных математических задач Универсальные вычислительные машины имеют сумматоры, построенные по тем же арифметическим основам, что и счетчики электронных перфорационных вычислительных машин. Проблемно-ориентированные ВМ Проблемно-ориентированные ВМ служат для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами; регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных; выполнением расчетов по относительно несложным алгоритмам; они обладают ограниченными по сравнению с универсальными ЭВМ аппаратными и программными ресурсами. Классификация Флинна Классификация Флинна: Multiple Data Stream Processing - "один поток команд, много потоков данных", архитектура SIMD ОКМД. Multiple Instruction Single Data stream - " много потоков команд , один поток данных ", архитектура MISD МКОД. В этой архитектуре данные подаются на набор процессоров, каждый из которых исполняет определенную программу. Считается, что такая архитектура еще не была реализована. Multiple Instructions - Multiple Data stream - " много потоков команд , много потоков данных ", архитектура MIMD МКМД. В этой параллельной архитектуре набор процессоров независимо выполняет различные наборы команд, обрабатывающих различные наборы данных. Системы с совместноиспользуемой памятью симметричные системы Single Multiple Single SISD SIMD Multiple MISD MIMD Перспективы эволюции архитектуры ЭВМ и ВС два пути развития Путь развития средств ВТ заключается в совершенствовании архитектуры ВМ и систем: Обратите внимание, что вертикальная ось имеет логарифмическую шкалу, то есть кривая соответствует экспоненциальному закону — количество транзисторов удваивается примерно каждые 2 года Мур высказал предположение, что число транзисторов на кристалле будет удваиваться каждые 24 месяца. Следствия и ограничения Одним из физических ограничений на миниатюризацию электронных схем является также Принцип Ландауэра, согласно которому логические схемы, не являющиеся обратимыми, должны выделять теплоту в количестве, пропорциональном количеству стираемых безвозвратно потерянных данных.


Схема классической архитектуры компьютера («фон-неймановская архитектура»)


Архитектура ПК — это описание совокупности устройств и блоков компьютера, а также связей между ними. Кроме того, архитектура — это описание принципа действия ПК. Исторически компьютер появился как машина для вычислений и назывался электронной вычислительной машиной — ЭВМ. Структура такого устройства была описана знаменитым математиком Джоном фон Нейманом в г. Фон Нейман выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ и предложил ее структуру, которая воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ. Основными блоками по Нейману являются устройства управления УУ , арифметико-логическое устройство АЛУ , оперативная память, внешняя память, устройства ввода и вывода. Так, накопитель на магнитных дисках относится к внешней памяти, а клавиатура — устройство ввода, дисплей и печать — устройства вывода. Устройство управления и арифметико-логическое устройство в компьютерах объединены в один блок — процессор, являющийся преобразователем информации, поступающей из памяти и внешних устройств выборка команд из памяти, кодирование и декодирование, выполнение арифметических и логических операций, согласование работы узлов компьютера. ОЗУ — оперативное запоминающее устройство или память, хранит данные, адреса и команды, обладает высокой скоростью записи и чтения чисел. Состоит из некоторого количества пронумерованных ячеек, в каждой из которых могут находиться или обрабатываемые данные, или инструкции программ. В построенной по описанной схеме ЭВМ происходит последовательное считывание команд из памяти и их выполнение. Номер адрес очередной ячейки памяти, из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специальным устройством — счетчиком команд в УУ. Его наличие также является одним из характерных признаков рассматриваемой архитектуры. Структурная схема вычислительного устройства Устройство управления и арифметико-логическое устройство в компьютерах объединены в один блок — процессор, являющийся преобразователем информации, поступающей из памяти и внешних устройств выборка команд из памяти, кодирование и декодирование, выполнение арифметических и логических операций, согласование работы узлов компьютера.


Нет звукав интернете причина вопрос
Главная новости спб
Лучевая схема диаметр трубы
Нужно ли стерилизовать вазелиновое масло для новорожденных
Характеристика устройств станции
Sign up for free to join this conversation on GitHub. Already have an account? Sign in to comment