Поиск

Полнотекстовый поиск:
Где искать:
везде
только в названии
только в тексте
Выводить:
описание
слова в тексте
только заголовок

Рекомендуем ознакомиться

'Реферат'
МОСКИТЫ (лат. Phlebotominae) — подсемейство длинноусых двукрылых насекомых комплекса гнуса. Распространены преимущественно в тропиках и субтропиках. ...полностью>>
'Исследование'
Публикация представляет собой фрагмент неопубликованной статьи: «Астахов М.В. "Мыльные оперы" российско-советской историографии. к дискусси...полностью>>
'Документ'
Файлы HTML — это обычные текстовые файлы, имеющие расширение НТМ. Будем использовать для создания и редактирования файлов HTML стандартную программу ...полностью>>
'Руководство'
Онучак Л.А., Арутюнов Ю.И., Курбатова С.В., Кудряшов С.Ю. Практикум по газовой хроматографии. Учебное пособие. Самара: Самарский университет, 1 . 160...полностью>>

Учебное пособие предназначено для студентов очной и заочной форм обучения специальности 351400 «Прикладная информатика ( в сфере сервиса )»

Главная > Учебное пособие
Сохрани ссылку в одной из сетей:

Предисловие

Учебное пособие предназначено для студентов очной и заочной форм обучения специальности 351400 «Прикладная информатика (в сфере сервиса)», изучающих дисциплину «Вычислительные системы, сети и телекоммуникации», и разработано с целью обеспечения обучающихся и преподавателей систематизированным учебным материалом по теоретическим и практическим основам аппаратного обеспечения вычислительной техники и телекоммуникационных технологий.

Дисциплина «Вычислительные системы, сети и телекоммуникации» является одной из ключевых при подготовке специалистов в области информационных технологий. Это связано с тем, что предметами изучения указанной дисциплины являются способы и технические средства автоматической (или автоматизированной) обработки, хранения и транспортировки (передачи) информации, без которых информационные процессы были бы практически не реализуемы. Полнота знаний о классах, видах, параметрах, характеристиках, а также основах построения и функционирования технических средств способствует созданию работоспособных, рациональных и эффективных информационно-коммуникационных систем для различных приложений.

В учебном пособии представлены сведения о структурной организации, классификации, хронологии разработки и характеристиках вычислительных машин и систем, рассмотрены принципы работы, конструктивное исполнение и важнейшие параметры основных функциональных устройств вычислительной техники, приведена классификация вычислительных сетей по различным признакам, изложены базовые понятия стандартизованных моделей сетевого взаимодействия, описаны виды и характеристики физических телекоммуникационных сред, методы и способы передачи информации по линиям связи. Существенное внимание уделено рассмотрению новых технических решений в сферах разработки и внедрения микропроцессоров, запоминающих устройств, высокопроизводительных многопроцессорных и многомашинных вычислительных комплексов, беспроводных технологий связи, способов удаленных и глобальных сетевых соединений.

Освоение представленного учебного материала позволит получить базовые фундаментальные знания в динамично развивающихся областях вычислительной техники и информационно-коммуникационных технологий.

Изложенные в учебном пособии сведения могут найти применение при изучении ряда смежных дисциплин специальности 351400 «Прикладная информатика (в сфере сервиса)», а также соответствующих разделов в дисциплинах «Информатика», «Информационные технологии», «Информационные системы» других специальностей.

Учебное пособие подготовлено кандидатом технических наук, доцентом, проректором ОГИС по информационным технологиям С. Ф. Храпским.

Автор

Введение

Важнейшее направление современного мирового развития – интенсивное внедрение и широкое практическое использование информационных и коммуникационных технологий (ИКТ) во всех сферах жизнедеятельности человеческого общества. Аппаратной основой (платформой) ИКТ являются технические средства (ТС) обработки и передачи информации. ТС обработки информации традиционно именуются средствами вычислительной техники. ТС передачи (транспортировки) информации носят название коммуникационных технических средств (или технических средств связи). ТС на профессиональном жаргоне называют Hardware (дословно с англ. – «твердое изделие») в отличие от сущности Software (дословно с англ. – «мягкое изделие»), представляющую собой программное обеспечение (ПО) ИКТ. В общем случае ТС не могут функционировать без ПО, а программное обеспечение реализует свои функции только посредством ТС. Поэтому фактическая реализация ИКТ предполагает совместное использование и взаимодействие ТС и ПО, что находит свое отражение в объединенном термине Hard&Soft (дословно с англ. – «твердое и мягкое»). Настоящее учебное пособие ограничено рамками рассмотрения именно технических средств (Hardware).

Главнейшим и наиболее значимым техническим средством ИКТ (а точнее – целой совокупностью технических средств) безусловно является так называемая вычислительная машина (ВМ). В словосочетании «вычислительная машина» термин «машина» сохраняет свое традиционное толкование как некоторое техническое устройство, облегчающее трудовую деятельность человека (в данном случае – умственную деятельность) по обеспечению его жизненных потребностей. Прилагательное «вычислительная» уже давно переросло свое дословное толкование и к настоящему времени под обработкой информации понимают не только «вычисления» (в узком смысле этого слова), а гораздо более широкий спектр операций с (или над) информацией, таких как сбор, ввод, формализация, фильтрация, сортировка, хранение, накопление, защита, преобразование, выдача информации (и этот список типовых операций может быть продолжен). Поэтому современная трактовка указанного прилагательного предполагает именно такое его широкое толкование. Существует несколько близких по определению формулировок понятия «вычислительная машина». В дальнейшем изложении будем иметь ввиду наиболее общее определение этого понятия, представленное в специальном стандарте терминов и определений в области систем обработки информации (ГОСТ 15971-90): «вычислительная машина – это комплекс технических средств, создающих возможность автоматизации обработки информации по заданному алгоритму и получения результата в необходимой форме». Поня­тие алгоритма согласно формулировке стандарта ISO 2382/1-84 Международной организации стандартов (ISO – International Standards Organization) представляет собой «конечный набор предписаний, определяющий решение задачи посредством конечного количества операций». Алгоритм решения той или иной задачи на ВМ имеет вид некоторой программы последовательных действий (вычислений). В соответствии с тем же стандартом ISO 2382/1-84, программа для ВМ – это «упорядоченная последовательность команд, подлежащая обработке». В результате реализации программы на ВМ порождается вычислительный процесс. Синонимом русскоязычного термина «вычислительная машина» является распространенный иноязычный термин «компьютер» (от «computer» – вычислитель). В утратившей в последнее время популярность аббревиатуре «ЭВМ» (электронная вычислительная машина) подчеркивался факт построения основных функциональных устройств ВМ на базе электронных компонентов, что для современных машин очевидно.

Понятие «вычислительная система» (ВС) имеет множество существенно различных толкований, например: «набор устройств автоматической или автоматизированной обработки информации», «одиночная вычислительная машина (компьютер) с ее программным обеспечением и внешним (периферийным) оборудованием», «совокупность нескольких взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или вычислительных машин (компьютеров), организованная для совместного выполнения процессов обработки информации». В соответствии с наиболее распространенным определением (последним из представленных выше) формальное отличие ВС от ВМ выражается в количестве процессоров или машин. Такая множественность позволяет реализовать в ВС эффективную параллельную обработку информации. Однако современные ВМ даже с одним процессором также обладают определенными средствами распараллеливания вычислительного процесса. Более того, разработанные в последнее время двухъядерные процессоры еще больше стирают грань между ВМ и ВС согласно упомянутому определению. В связи с этим представляется более четким определение вычислительной системы как некоторой совокупности вычислительных машин, организованной путем объединения их коммуникационной средой. Таким образом, в состав ВС наряду с ВМ входят коммуникационные технические средства.

При относительно удаленном размещении ВМ, входящих в состав ВС (например, от размещения в пределах одной комнаты до размещения на разных континентах), вычислительную систему классифицируют как распределенную ВС. За таким типом ВС исторически закрепился более распространенный термин – вычислительная сеть (синоним – компьютерная сеть). Вычислительные сети создаются для эффективного предоставления различных информационно-вычислительных услуг пользователям сети в результате обеспечения быстрого и надежного доступа к аппаратным, программным и информационным ресурсам, распределенным в этой сети. Так как связь между компонентами вычислительной сети может, как правило, осуществляться на больших расстояниях, в названии технических средств связи это подчеркивается наличием приставки «теле» (переводится как словосочетание «на расстоянии»), то есть телекоммуникационные средства, или просто телекоммуникации – средства, обеспечивающие «связь на расстоянии». В настоящем учебном пособии предметом рассмотрения являются не все известные технические средства связи, а именно телекоммуникации вычислительных систем. Однако следует подчеркнуть, что в результате существенной эволюции и ярко выраженной конвергенции средств вычислительной техники и средств связи, вычислительные сети все чаще строятся на базе общих для всех видов связи телекоммуникационных средств.

К настоящему времени основным элементом ВС разных типов по-прежнему остается вычислительная машина. При этом, с одной стороны, ВМ можно рассматривать как вырожденную реализацию ВС. С другой стороны, вычислительные системы обычно строятся из традиционных ВМ и их компонентов. Поэтому рассмотрение организации, построения, функционирования и характеристик ВС следует начать с рассмотрения структурной организации, основ функционирования и базовых характеристик вычислительных машин и их компонентов (устройств).

  1. Общие сведения о структурной организации, классификации, хронологии разработки

и основных характеристиках вычислительных машин и систем

1.1. Теоретические и технические предпосылки разработки электронных вычислительных устройств

Предшественниками вычислительных машин были механические и электромеханические счетные устройства. Одним из первых прототипов механической счетной машины была суммирующая машина, сконструированная знаменитым французским ученым Блезом Паскалем в 1642 году. В этой машине, состоящей из движущихся дисков с прорезями, при суммировании чисел использовалась десятичная система исчисления. Известны и более ранние описания и чертежи подобных суммирующих машин. В 1673 году выдающийся немецкий математик и философ Готфрид Лейбниц усовершенствовал машину Паскаля, что позволило перемножать и делить числа. Существенным достижением стала разработка петербургским инженером Вильгодтом Однером в 1874 году так называемого механического «арифмометра», который мог производить четыре основных арифметических действия. Конструкция «арифмометров» неоднократно совершенствовалась, и эта механическая счетная машина достаточно эффективно использовалась для широкого круга практических расчетов вплоть до 70-х годов XX века.

Одной из первых технических предпосылок современных автоматически работающих вычислительных машин следует считать идею английского математика Чарльза Бэббиджа, который в 1822 году предложил проект машины для решения дифференциальных уравнений. Для повторения операций в ходе вычислений в машине Бэббиджа использовалась энергия пара, таким образом, процесс работы был автоматизирован и проходил без участия человека. В дальнейшем Бэббиджом была предложена модель так называемой «аналитической машины», которая имела много основных черт современных вычислительных машин. Эта машина включала устройство ввода информации, блок управления, запоминающее устройство и устройство вывода результатов. Аналитическая машина Бэббиджа могла выполнять набор инструкций, который был записан на «перфокартах» – прямоугольных картонных карточках с определенным набором отверстий, соответствующих выполняемой инструкции.

Практическая реализация и дальнейшее развитие идей Бэббиджа были осуществлены американским изобретателем Германом Холлеритом. В 1890 году им было сконструировано электрическое перфокарточное устройство для решения статистических задач. На перфокартах кроме инструкций хранились также данные. Вычислительная машина Холлерита была для своего времени весьма производительным устройством обработки информации. В 1896 году ее автор основал корпорацию по производству подобных электромеханических вычислительных устройств, которая после ряда преобразований превратилась в 1924 году во всемирно известную и процветающую до сих пор корпорацию по производству компьютеров IBM (International Business Machines).

Наряду с механическими и электромеханическими вычислительными машинами получило развитие направление так называемых аналоговых вычислительных машин, в которых обработка информации происходит с помощью специально подобранного физического процесса, моделирующего вычисляемую закономерность. В аналоговых вычислительных машинах обрабатываемая информация представляется в непрерывной (аналоговой) форме, то есть в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины: электрического тока, напряжения, угла поворота механизма и т. п. Простейшей аналоговой вычислительной машиной являются механические часы. Первыми аналоговыми машинами были устройства, в которых главными элементами являлись интегрирующие и дифференцирующие устройства, позволяющие практически мгновенно вычислять интеграл и производную заданной функции, отслеживая ее изменение во времени. На аналоговых машинах эффективно решаются математические задачи, содержащие несложные дифференциальные уравнения. Однако точность вычислений на этих машинах относительно низкая (с погрешностью до 1–2%), а повышение точности связано со значительным ростом стоимости вычислений. Кроме того, круг задач, которые может решать аналоговая машина, строго ограничен рамками тех физических процессов, которые она в состоянии моделировать. В настоящее время аналоговые машины обычно используются в узко специальных целях для управления сложными техническими объектами и при проведении научно-исследовательских работ, а по своему назначению могут быть отнесены к специализированному классу приборов вычислительной техники, и далее нами рассматриваться не будут.

Наибольшее распространение в науке, технике и экономике получили цифровые вычислительные машины с электрическим представлением дискретной (прерывной во времени) информации, которые получили наименование ЭЦВМ (электронная цифровая вычислительная машина) или просто ЭВМ без упоминания об их цифровом характере. В последнее время для обозначения ЭВМ чаще применяется укороченная аббревиатура ВМ (см. Введение), которую мы и будем использовать в дальнейшем изложении.

Основополагающей теоретической предпосылкой для создания вычислительных машин в их современном представлении стала работа английского математика Алана Тьюринга, который в 1936 году заложил основы теории алгоритмов. Публикация Тьюринга стимулировала возникновение абстрактной теории автоматов и во многом определила ее особенности. В своей работе Тьюринг описал абстрактную вычислительную машину, которая получила название машины Тьюринга. Машина Тьюринга представляет собой автоматическое устройство, способное находится в конечном числе внутренних состояний и снабженное бесконечной внешней памятью – лентой. Среди состояний выделяются два: начальное и конечное. Лента разделена на клетки. В каждую клетку может быть записана любая из букв некоторого алфавита. В каждый момент времени машина Тьюринга находится в одном из своих состояний и, рассматривая одну из клеток ленты, воспринимает записанный в ней символ. В неконечном состоянии машина Тьюринга совершает шаг, который определяется ее текущим состоянием и символом на ленте, воспринимаемым в данный момент. Перечисление всех возможных шагов машины Тьюринга называется программой данной машины. Конфигурация машины Тьюринга определяется конкретным заполнением клеток ленты символами и внутренним состоянием, в котором машина находится. Если зафиксировать какую-либо неконечную конфигурацию машины в качестве исходной, то работа машины будет заключаться в последовательном преобразовании исходной конфигурации в соответствии с программой машины до тех пор, пока не будет достигнуто конечное состояние. Хотя Тьюринг не преследовал цели изобретения вычислительной машины, описанные им абстрактные принципы определили ряд особенностей конструктивного исполнения и функционирования современных вычислительных машин. Например, бесконечная лента Тьюринга является явным аналогом оперативной памяти вычислительной машины.

В 1938 году немецкий инженер К. Цузе построил электромеханический цифровой программируемый вычислитель, названный автором Z1. В последнее время именно Z1 называют первым в мире компьютером.

В 1940 году американские инженеры Дж. Атанасов и К. Берри разработали модель полностью электронного вычислительного устройства, в математическую основу функционирования которого были заложены двоичная система исчисления Готфрида Лейбница и символическая логика английского математика XIX века Джорджа Буля (так называемая «Булева алгебра»). Атанасов и Берри применили эти концепции для электронных устройств, в качестве памяти была впервые использована модель Тьюринга.

С 1940 по 1946 год было разработано несколько конструкций работающих и используемых для различных практических целей вычислительных устройств. В основном это были специализированные аппараты, работающие главным образом на принципах электромеханического реле.

Чаще всего годом появления первой электронной вычислительной машины считается 1946 год, когда американцами Джоном Мочли и Преспером Эккертом была сконструирована цифровая машина ENIAC (Electronic Numeral Integrator and Computer – «электронный цифровой сумматор и вычислитель), работающая на электронных вакуумных лампах. Эта машина во многом была прообразом современных универсальных вычислительных машин.

Огромный вклад в теорию и практику создания ВМ на начальном этапе их развития внес выдающийся американский математик Джон фон Нейман, участвовавший в разработке ENIAC и опубликовавший в 1945 году отчет, в котором были изложены основные принципы построения ВМ, ставшие классическими. Совокупность знаменитых «принципов фон Неймана» породило классическую архитектуру ВМ. В нашей стране в 1947–1948 годах советским ученым С. А. Лебедевым независимо от фон Неймана были сформулированы более детальные и полные принципы построения электронных цифровых вычислительных машин, которые были применены при создании первых отечественных разработок ВМ (см. подраздел 1.3). Однако в силу засекреченности проводимых в СССР в то время работ, связанных с оборонной тематикой, соответствующих публикаций в открытой печати не последовало.

1.2. Структурная организация

и классификация вычислительных машин и систем

Под архитектурой ВМ будем понимать совокупность ее основных функциональных блоков и схем их взаимодействия, определяющих функционально-логическую и структурную организацию вычислительной машины. Понятие архитектуры охватывает наиболее существенные принципы построения и функционирования ВМ. Фундаментальные основы структурной организации ВМ базируются на классических принципах, ключевой идеей которых является хранение в памяти вычислительной машины исполняемой ею программы.

Сущность так называемой «фон-неймановской» концепции вычислительной машины может быть сведена к четырем принципам: двоичного кодирования, программного управления, однородности памяти, адресности.

Согласно принципу двоичного кодирования, вся информация (как данные, так и команды) кодиру­ются двоичными цифрами 0 и 1. Каждый тип информации представляется двоичной последовательностью и имеет свой формат. Последовательность битов в формате, имеющая определенный смысл, называется полем. В числовой информации обычно выделяют поле знака и поле значащих разрядов. В формате команды можно выделить поле кода операции и поле адресов (адресную часть). Код операции представляет собой указание, какая операция должна быть выполнена, и задается с помощью двоичной комбинации. Вид адресной части и число составляющих ее адресов зависят от типа команды: в командах преобразования данных адресная часть содержит адреса объектов обработки (операндов) и результата; в командах изменения порядка вычислений – адрес следую­щей команды программы; в командах ввода/вывода – номер устройства ввода/вывода. Адресная часть также представляется двоичной последовательностью.

В соответствии с принципом программного управления все вычисления, предусмотренные алгоритмом решения задачи, должны быть пред­ставлены в виде программы, состоящей из последовательности управляющих слов – команд. Каждая команда предписывает некоторую операцию из набора опе­раций, реализуемых вычислительной машиной. Команды программы хранятся в последовательных ячейках памяти ВМ и выполняются в естественной последовательности, то есть в порядке их расположения в программе. При необходимости, с помощью специальных команд, эта последовательность может быть изменена. Решение об изменении порядка выполнения команд принимается либо на основании анализа результатов предшествующих вычислений, либо безусловно.

Согласно принципу однородности памяти команды и данные хранятся в одной и той же памяти и внешне в памяти неразличимы. Распознать их можно только по способу использования. Это позволяет производить над командами те же операции, что и над числами, и, соответственно, предоставляет ряд важных возможностей, таких, например, как модификация команд и трансляция программы с языка высокого уровня на язык конкретной ВМ.

Необходимо отметить, что концепция вычислительной машины в изложении фон Неймана предполагает единую память для хранения команд и данных. Этот подход был принят в вычислительных машинах, создававшихся в Принстонском университете, из-за чего и получил название «принстонской архитектуры». Практически одновременно с этим в Гарвардском университете была предложена иная модель, в которой ВМ имела отдельную память команд и отдельную память данных. Такой вид архитектуры называют «гарвардской» архитектурой. Долгие годы преобладающей была и остается принстонская архитектура, однако в связи с тем, что она порождает проблемы пропускной способности тракта «процессор-память», разработчики ВМ в последнее время все чаще обращаются к гарвардской архитектуре.

В соответствии с принципом адресности основная память структурно состоит из пронумерованных ячеек, причем процессору в произвольный момент доступна любая ячейка. Двоичные коды команд и данных разделяются на единицы информации, называемые словами, и хранятся в ячейках памяти, а для доступа к ним используются номера соответствующих ячеек – адреса.

Джоном фон Нейманом были определены основные устройства ВМ, с помощью которых должны быть реализованы вышеперечисленные принципы.

Основы построения ВМ, разработанные Сергеем Алексеевичем Лебедевым, заключаются в следующем:

1) в состав ВМ должны входить устройства арифметики, памяти, ввода-вывода информации, управления;

2) программа вычислений кодируется и хранится в памяти подобно числам;

3) для кодирования чисел и команд следует использовать двоичную систему счисления;

4) вычисления должны осуществляться автоматически на основе хранимой в памяти программы и операций над командами;

5) помимо арифметических операций вводятся также логические – сравнения, условного и безусловного перехода, конъюнкции, дизъюнкции, отрицания;

6) память строится по иерархическому принципу.

Классическая ВМ (рис.1.1) содержит запоминающее устройство ЗУ (устройство памяти или, коротко, «память»), устройство управления УУ и арифметико-логическое устройствоАЛУ. В вычислительной машине имеются средства для ввода программ и данных к ним, а также вывода результирующей информации. Информа­ция поступает из подсоединенных к ВМ периферийных устройств ввода (ПУвв). Результаты вычислений выводятся на периферийные устройства вывода (ПУвыв). Связь и взаимодействие ВМ и ПУ обеспечивает аппаратура сопряжения ВМ с ПУ. При этом аппаратура ввода именуется устройством ввода (Увв), а аппаратура вывода – устройством вывода (Увыв). Совокупность устройств ввода и вывода может быть названа устройством вво­да/вывода.

Рис. 1.1. Структурная схема вычислительной машины классической

архитектуры:

информация, – сигналы управления

Устройство управления организует автоматическое выполнение программ (путем реализации функций управления) и обеспечивает функционирование ВМ как единого вычислительного модуля. УУ следует рассматривать как совокупность элементов, между которыми происходит пересылка информации, в ходе чего эта информация может подвергаться определенным видам обработки. Пересылка информации между любыми элементами ВМ инициируется своим сигналом управления, то есть управление вычислительным процессом сводится к выдаче нужного набора сигналов управления в нужной временной последовательности. Основной функцией УУ является формирование управляющих сигналов, отвечающих за извлечение команд из памяти в порядке, определяемом программой, и последующее исполнение этих команд. Кроме того, УУ формирует сигналы управления для синхронизации и координации внутренних и внешних устройств ВМ.

Арифметико-логическое устройство обеспечивает арифметическую и логическую обработку двух входных переменных, в результате которой формируется выходная переменная. Функции АЛУ обычно сводятся к простым арифметическим и логическим операциям, а также операциям сдвига. Помимо результата операции АЛУ формирует ряд признаков результата (флагов), характеризующих полученный результат и события, произошедшие в процессе его получения (равенство нулю, знак, четность, переполнение и т. д.). Флаги могут анализироваться в УУ с целью принятия решения о дальнейшей последовательности выполнения команд программы.

Так как УУ и АЛУ тесно взаимосвязаны, то их обычно рассматривают как единое устройство, называемое центральным процессором (ЦП) (CPU Central Processing Unit, «центральное процессорное устройство») или просто процессором. Помимо УУ и АЛУ в процессор входит также набор регистров общего назначения (РОН), служащих для промежуточного хранения информации в процессе ее обработки (на рис.1.1 не показаны).

Задачей запоминающего устройства является хранение программ и данных. ЗУ подразделяются на два класса – основное («первичное» или «внутреннее») ЗУ (часто называемое основной памятью) и внешнее («вторичное» или «дополнительное») ЗУ (ВЗУ или внешняя память). Команды и дан­ные записываются в память и считываются из памяти под управлением процессора. Чтобы программа могла выполняться, команды и данные должны располагаться в основной памяти, организованной таким образом, что каждое двоичное слово хранится в отдельной ячейке памяти, идентифицируемой адресом. Основная память современных ВМ обычно строится на базе электронных полупроводниковых запоминающих устройств, обеспечивающих как считывание, так и запись информации. Такие устройства «энергозависимы» (то есть хранимая информация теряется при отключении электропитания) и их называют оперативными запоминающими устройствами (ОЗУ). Если необходимо, чтобы часть основной памяти была энергонезависимой, в состав основной памяти включают так называемые «постоянные» запоминающие устройства (ПЗУ), также обеспечивающие произвольный доступ, но хранящаяся в ПЗУ информация в штатном режиме работы ВМ может только считываться (но не записываться). Размер ячейки основной памяти обычно принимается равным 8 двоичным разрядам (битам) – одному байту. Для хранения больших чисел используются 2, 4 или 8 байтов, размещаемых в ячейках с последовательными адресами. Количество битов в каждом слове обычно называют длиной машинного слова. Быстродействие основной памяти определяется скоростью работы электронных схем.

Внешняя память строится на базе менее быстродействующих, но зато более дешевых устройств, чем те, что применяются для реализации основной памяти. Кроме этого, внешняя память энер-гонезависима. Благодаря указанным характеристикам она используется для долговременного хранения больших программ и массивов данных в ВМ. Информация во внешней памяти обычно хранится в виде специальных программно поддерживаемых объектов – файлов. Согласно стандарту ISO, файл – это «идентифицированная совокупность экземпляров полностью описанного в конкретной программе типа данных, находящихся вне программы во внешней памяти и доступных программе посредством специальных операций». Внешняя память чаще всего реализуется на базе магнитных дисковых устройств.

Достоинства и недостатки архитектуры вычислительных машин изначально зависят от способа соединения базовых устройств. При самом общем подходе можно рассматривать два основных типа структурной организации вычислительных машин: с непосредственными связями и на основе общей шины. Типичным представителем первого типа может служить классическая фон-неймановская схема ВМ (см. рис. 1.1). В ней между взаимодействующими устройствами (процессор, память, устройство ввода/вывода) имеются непосредственные линии связи. Особенности линий связи (число проводников, пропускная способность и т. п.) определяются видом информации, характером и интенсивностью обмена. Достоинством архитектуры с непосредственными связями можно считать возможность увеличения пропускной способности определенных линий связи путем улучшения только их структуры и характеристик, что экономически может быть наиболее выгодным решением. У фон-неймановских ВМ такой критической линией связи является канал пересылки данных между процессором и памятью, а увеличить его пропускную способность как раз непросто. Кроме того, ВМ с непосредственными связями плохо поддаются реконфигурации.

В варианте с общей шиной все устройства вычислительной машины подключены к магистральной шине, служащей единственным трактом для потоков команд, данных и управления (рис. 1.2). Наличие общей шины существенно упрощает реализацию ВМ, позволяет легко менять состав и конфигурацию машины. Вместе с тем, именно с шиной связан и основной недостаток этой архитектуры: в каждый момент времени передавать информацию по шине может только одно устройство.

Рис. 1.2. Структурная схема вычислительной машины на базе

общей шины

Основную нагрузку на шину создают процессы обмена между процессором и памятью, связанные с извлечением из памяти команд и данных и записью в память результатов вычислений. При этом остаточных ресурсов шины может быть не достаточно для выполнения операций ввода/вывода (особенно в случае ввода или вывода больших массивов данных). С учетом вышеуказанных свойств шинная архитектура в представленном виде нашла применение лишь в малопроизводительных ВМ классов «мини» и «микро». Более эффективна архитектура с иерархией шин, где помимо магистральной шины имеется еще несколько отдельных шин. Они могут обеспечивать непосредственную связь между устройствами с наиболее интенсивным обменом. Другой вариант использования дополнительных шин – объединение однотипных устройств ввода/вывода и последующий выход с дополнительной шины на магистральную. Эти меры позволяют снизить нагрузку на общую шину и более рационально расходовать ее пропускную способность.

В зависимости от типа сигналов, передаваемых по линиям (проводникам) шины, различают группу линий (подшину) данных, адресную группу линий и управляющую группу линий шины. По линиям данных происходит обмен информацией между устройствами ВМ. Для указания адресации этого обмена служат адресные линии, по которым передаются уникальные идентификационные адреса (коды) отдельных устройств, адреса ячеек памяти, номера регистров ЦП, адреса «портов» ввода/вывода (к которым подключают периферийные устройства ввода/вывода) и т.п.



Скачать документ

Похожие документы:

  1. Учебное пособие допущен о министерством образования и науки Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Прикладная информатика (в сфере сервиса)» Омск 2005

    Учебное пособие
    Учебное пособие разработано с целью обеспечения обучающихся и преподавателей систематизированным учебным материалом по теоретическим основам операционных систем.
  2. Учебное пособие Омск 2004 удк 681. 3

    Учебное пособие
    Разработано с целью обеспечения обучающихся и преподавателей система­тизированным учебным материалом по теоретическим и практическим основам администрирования операционных систем семейства Windows 2 .
  3. Учебное пособие по курсу «Налоговый учет» выполнено в соответствии с государстве

    Учебное пособие
    Аннотированный каталог выпуска литературы содержит сведения о выпущенных в издательстве ВГУЭС за период с 2003–2005 гг. учебных пособий, методической, научной литературы, монографий и сборников.
  4. Отче т (2)

    Анализ
    Муниципальное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Муниципальный институт г. Жуковского» проходил процедуру аттестации и аккредитации в 2004 году по трехступенчатой схеме, имея статус института.
  5.  естественные науки (1)

    Учебное пособие
    Г 421 Гершель, Джон. Философия естествознания: Об общем характере, пользе и принципах исследования природы : пер. с англ. / Гершель, Джон. - Изд. 2-е.

Другие похожие документы..