 ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ Сила воли ведет к действию, а позитивные действия формируют позитивное отношение Как определить диапазон голоса - ваш вокал Игровые автоматы с быстрым выводом Как самому избавиться от обидчивости Противоречивые взгляды на качества, присущие мужчинам Вкуснейший "Салат из свеклы с чесноком" Натюрморт и его изобразительные возможности Применение, как принимать мумие? Мумие для волос, лица, при переломах, при кровотечении и т.д. Как научиться брать на себя ответственность Зачем нужны границы в отношениях с детьми? Световозвращающие элементы на детской одежде Как победить свой возраст? Восемь уникальных способов, которые помогут достичь долголетия Классификация ожирения по ИМТ (ВОЗ) Глава 3. Завет мужчины с женщиной
Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.
| Раздел 1. Общее представление о принципе действия, функциональном составе и архитектуре цифровых вычислительных систем.
Содержание дисциплины Перечень основных разделов и тем дисциплины Раздел 1. Общее представление о принципе действия, функциональном составе и архитектуре цифровых вычислительных систем. Тема 1.1.Классификация вычислительных устройств. Тема 1.2. Магистральный интерфейс и структура ЭВМ на его основе. Основные компоненты ЭВМ Тема1.3. Разновидности магистральных интерфейсов и примеры их использования в вычислительных, управляющих и измерительных системах. Раздел 2. Функциональные узлы комбинаторного типа Тема 2.1.. Основные положения алгебры логики. Тема2.2.Схемотехническая реализация логических операций. Тема2.3.Арифметические устройства Раздел 3. Функциональные узлы последовательного типа Тема 3.1. Триггерные устройства. Классификация. Основные сведения Тема3.2. Регистры и регистровые файлы Тема3.3. Двоичные счетчики Раздел 4. Запоминающие устройства. Тема4.1. Основные структуры адресных запоминающих устройств. Тема4.2. Статические оперативные запоминающие устройства. Тема4.3. Динамические оперативные запоминающие устройства. Тема4.4. Постоянные и репрограммируемые запоминающие устройства. Раздел 5. Микропроцессоры: архитектура и структурное построение Тема5.1. Функционально-структурные особенности микропроцессоров Тема5.2. Формат команд центрального процессора. Режимы адресации. Тема5.3. Процессоры со сложным набором команд (CISC-процессоры). Раздел 6. Микропроцессорные системы. Тема6.1. Взаимодействие центрального процессора с памятью МП-системы и устройствами ввода/вывода. Тема6.2. Магистрально-модульная структура микропроцессорных систем. Тема6.3. Подсистема ввода/вывода в системах с магистрально-модульным интерфейсом. Тема6.4.Архитектура интерфейса и режимы обмена данными с устройствами ввода/вывода.. Раздел 7. Обзор микропроцессорных систем и средств вычислительной техники. Тема7.1. Универсальные процессоры.Область применения.. Тема7.2. Микроконтроллеры.. Тема7.3. Цифровые процессоры сигналов.. Тема7.4. Матричные процессоры и параллельные ЭВМ.. Тема7.5. Сети процессоров. Транспьютерные сети. Краткое описание содержания теоретической части разделов и тем дисциплины Лекции Раздел 1. Общее представление о принципе действия, функциональном составе и архитектуре цифровых вычислительных систем. Тема 1.1.Классификация вычислительных устройств. Классификация ЭВМ по принципу действия. Классификация ЭВМ по этапам создания. Классификация ЭВМ по назначению Классификация ЭВМ по размерам и функциональным возможностям
1 СуперЭВМ 2 Большие ЭВМ 3 Мини 4 МикроЭВМ 4.1 Универсальные 4.2 Специализированные 4.2.1 Серверы 4.2.2 Рабочая станция
1.Классификация ЭВМ по принципу действия. Компьютер – комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач. По принципу действия вычислительные машины делятся на три больших класса: аналоговые (АВМ), цифровые (ЦВМ) и гибридные (ГВМ). Критерием деления вычислительных машин на эти три класса являются форма представления информации, с которой они работают. ЦВМ – вычислительные машины дискретного действия, работают с информацией, представленной в дискретной, а точнее, в цифровой форме. АВМ - вычислительные машины непрерывного действия, работают с информацией, представленной в непрерывной (аналоговой) форме, то есть в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины (чаще всего электрического напряжения). ГВМ – вычислительные машины комбинированного действия работают с информацией, представленной и в цифровой, и в аналоговой форме; они совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ. ГВМ целесообразно использовать для решения задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами. Две формы представления информации в машинах: а – аналоговая; б – цифровая импульсная Аналоговые вычислительные машины весьма просты и удобны в эксплуатации; программирование задач для решения на них, как правило, нетрудоемкое; скорость решения задач изменяется по желанию оператора и может быть сделана сколь угодно большой (больше, чем у ЦВМ), но точность решения задач очень низкая (относительная погрешность 2-5 %). На АВМ наиболее эффективно решать математические задачи, содержащие дифференциальные уравнения, не требующие сложной логики. Наиболее широкое распространение получили ЦВМ с электрическим представлением дискретной информации – электронные цифровые вычислительные машины, обычно называемые просто электронными вычислительными машинами. 2.Классификация ЭВМ по этапам создания. По этапам создания и используемой элементной базе ЭВМ условно делятся на поколения: Первое поколение, 50-е годы; ЭВМ на электронных вакуумных лампах. Второе поколение, 60-е годы; ЭВМ на дискретных полупроводниковых приборах (транзисторах). Третье поколение, 70-е годы; ЭВМ на полупроводниковых интегральных схемах с малой и средней степенью интеграции (сотни – тысячи транзисторов в одном корпусе). Четвертое поколение, 80-е годы; ЭВМ на больших и сверхбольших интегральных схемах – микропроцессорах (десятки тысяч – миллионы транзисторов в одном Пятое поколение, 90-е годы; ЭВМ с многими десятками параллельно работающих микропроцессоров, позволяющих строить эффективные системы обработки знаний; ЭВМ на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных команд программы; Шестое и последующие поколения; оптоэлектронные ЭВМ с массовым параллелизмом и нейтронной структурой – с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейтронных биологических систем. Каждое следующее поколение ЭВМ имеет по сравнению с предыдущими существенно лучшие характеристики. Так, производительность ЭВМ и емкость всех запоминающих устройств увеличивается, как правило, больше чем на порядок. 3.Классификация ЭВМ по назначению По назначению ЭВМ можно разделить на три группы: универсальные (общего назначения), проблемно-ориентированные и специализированные. Универсальные ЭВМ предназначены для решения самых различных инженерно-технических задач: экономических, математических, информационных и других задач, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных. Они широко используются в вычислительных центрах коллективного пользования и в других мощных вычислительных комплексах. Характерными чертами универсальных ЭВМ является: высокая производительность; разнообразие форм обрабатываемых данных: двоичных, десятиричных, символьных, при большом диапазоне их изменения и высокой степени их представления; обширная номенклатура выполняемых операций, как арифметических, логических, так и специальных; большая емкость оперативной памяти; развитая организация системы ввода-вывода информации, обеспечивающая подключение разнообразных видов внешних устройств. Проблемно-ориентированные ЭВМ 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. Специализированные ЭВМ используются для решения узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций. Такая узкая ориентация ЭВМ позволяет четко специализировать их структуру, существенно снизить их сложность и стоимость при сохранении высокой производительности и надежности их работы. К специализированным ЭВМ можно отнести, например, программируемые микропроцессоры специального назначения; адептеры и контроллеры, выполняющие логические функции управления отдельными несложными техническими устройствами согласования и сопряжения работы узлов вычислительных систем.К таким компьютерам также относятся, например, бортовые компьютеры автомобилей, судов, самолетов, космических аппаратов. Бортовые компьютеры управляют средствами ориентации и навигации, осуществляют контроль за состоянием бортовых систем, выполняют некоторые функции автоматического управления и связи, а также большинство функций оптимизации параметров работы объекта (например, оптимизацию расхода топлива объекта в зависимости от конкретных условий движения). Специализированные мини-ЭВМ, ориентированные на работу с графикой, называют графическими станциями. Специализированные компьютеры, объединяющие компьютеры предприятия в одну сеть, называют файловыми серверами. Компьютеры, обеспечивающие передачу информации между различными участниками всемирной компьютерной сети, называют сетевыми серверами. Во многих случаях с задачами специализированных компьютерных систем могут справляться и обычные универсальные компьютеры, но считается, что использование специализированных систем все-таки эффективнее. Критерием оценки эффективности выступает отношение производительности оборудования к величине его стоимости. 4.Классификация ЭВМ по размерам и функциональным возможностям По размерам и функциональным возможностям ЭВМ можно разделить на сверхбольшие, большие, малые, сверхмалые (микроЭВМ). Функциональные возможности ЭВМ обусловливают важнейшие технико-эксплуатационные характеристики: · быстродействие, измеряемое усредненным количеством операций, выполняемых машиной за единицу времени; · разрядность и формы представления чисел, с которыми оперирует ЭВМ; · номенклатура, емкость и быстродействие всех запоминающих устройств; · номенклатура и технико-экономические характеристики внешних устройств хранения, обмена и ввода-вывода информации; · типы и пропускная способность устройств связи и сопряжения узлов ЭВМ между собой (внутримашинного интерфейса); · способность ЭВМ одновременно работать с несколькими пользователями и выполнять одновременно несколько программ (многопрограммность); · типы и технико-эксплутационные характеристики операционных систем, используемых в машине; · наличие и функциональные возможности программного обеспечения; · способность выполнять программы, написанные для других типов ЭВМ (программная совместимость с другими типами ЭВМ); · система и структура машинных команд; · возможность подключения к каналам связи и к вычислительной сети; · эксплуатационная надежность ЭВМ; · коэффициент полезного использования ЭВМ во времени, определяемый соотношением времени полезной работы и времени профилактики. Схема классификации ЭВМ, исходя из их вычислительной мощности и габаритов. Исторически первыми появились большие ЭВМ, элементная база которых прошла путь от электронных ламп до интегральных схем со сверхвысокой степенью интеграции. Первая большая ЭВМ ЭНИАК была создана в 1946 году. Эта машина имела массу более 50 т., быстродействие несколько сотен операций в секунду, оперативную память емкостью 20 чисел; занимала огромный зал площадью 100 кв.м. Производительность больших ЭВМ оказалась недостаточной для ряда задач: прогнозирования метеообстановки, управления сложными оборонными комплексами, моделирования экологических систем и др. Это явилось предпосылкой для разработки и создания суперЭВМ, самых мощных вычислительных систем, интенсивно развивающихся и в настоящее время. Появление в 70-х годах малых ЭВМ обусловлено, с одной стороны, прогрессом в области электронной элементной базы, а с другой – избыточностью ресурсов больших ЭВМ для ряда приложений. Малые ЭВМ используются чаще всего для управления технологическими процессами. Они более компактны и значительно дешевле больших ЭВМ. Дальнейшие успехи в области элементной базы и архитектурных решений привели к возникновению супермини-ЭВМ – вычислительной машины, относящейся по архитектуре, размерам и стоимости к классу малых ЭВМ, но по производительности сравнимой с большой ЭВМ. Изобретение в 1969 году микропроцессора привело к появлению в 70-х годах еще одного класса ЭВМ – микроЭВМ. Именно наличие микропроцессора служило первоначально определяющим признаком микроЭВМ. Сейчас микропроцессоры используются во всех без исключения классах ЭВМ. 4.1.СуперЭВМ К СуперЭВМ относятся мощные многопроцессорные вычислительные машины с быстродействием сотни миллионов – десятки миллиардов операций в секунду. Типовая модель суперЭВМ 2000 г. по прогнозу будет иметь следующие характеристики: · высокопараллельная многопроцессорная вычислительная система с быстродействием примерно 100000 MFLOPS; · емкость: оперативной памяти 10 Гбайт, дисковой памяти 1 – 10 Тбайт (или 1000 Гбайт); · разрядность 64; 128 бит. · Фирма Cray Research намерена в 2000 г. создать суперЭВМ производительностью 1 TFLOPS = 1000000 MFLOPS. Создать такую высокопроизводительную ЭВМ по современной технологии на одном микропроцессоре не представляется возможным в виду ограничения, обусловленного конечным значением скорости распространения электромагнитных волн (300000 км/с), ибо время распространения сигнала на расстояние несколько миллиметров (линейный размер стороны микропроцессора) при быстродействии 100 млрд. оп/с становится соизмеримым с временем выполнения одной операции. Поятому суперЭВМ создаются в виде высокопараллельных многопроцессорных вычислительных систем (МПВС). Высокопараллельные МПВС имеют несколько разновидностей: магистральные (конвейерные) МПВС, в которых процессоры одновременно выполняют разные операции над последовательным потоком обрабатываемых данных; по принятой классификации такие МПВС относятся к системам с многократным потоком команд и однократным потоком данных (МКОД или MISD) векторные МПВС, в которых все процессоры одновременно выполняют одну команду над различными данными – однократный поток команд с многократным потоком данных (ОКМД или SIMD). матричные МПВС, в которых микропроцессоры одновременно выполняют разные операции над несколькими последовательными потоками обрабатываемых данных (МКМД или MIMD). В суперЭВМ используются все три варианта архитектуры МПВС: структура MIMD в классическом ее варианте (например, в суперкомпьютере BSP фирмы Burroughs параллельно-конвейерная модификация, иначе, MMISD, т.е. многопроцессорная MISD- архитектура (например, в суперкомпьютере «Эльбрус 3»). параллельно-векторная модификация, иначе, MSIMD, т.е. многопроцессорная SIMD-архитектура (например, в суперкомпьтере Cray 2). Наибольшую эффективность показала MSIMD-архитектура, поэтому в современных суперЭВМ чаще всего используется именно она (суперкомпьютеры фирм Cray, Fujistu, NEC, Hitachi и др.) 4.2.Большие ЭВМ Это самые мощные компьютеры. Их применяют для обслуживания очень крупных организаций и даже целых отраслей народного хозяйства. За рубежом компьютеры этого класса называют мэйнфреймами (mainframe). В России за ними закрепился термин большие ЭВМ. Штат обслуживания большой ЭВМ составляет до многих десятков человек. На базе таких суперкомпьютеров создают вычислительные центры, включающие в себя несколько отделов или групп: Центральный Процессор — основной блок ЭВМ, в котором непосредственно и происходит обработка данных и вычисление результатов. Обычно центральный процессор представляет собой несколько стоек аппаратуры и размещается в отдельном помещении, в котором соблюдаются повышенные требования по температуре, влажности, защищенности от электромагнитных помех, пыли и дыма. Группа системного программирования занимается разработкой, отладкой и внедрением программного обеспечения, необходимого для функционирования самой вычислительной системы. Работников этой группы называют системными программистами. Они должны хорошо знать техническое устройство всех компонентов ЭВМ, поскольку их программы предназначены в первую очередь для управления физическими устройствами. Системные программы обеспечивают взаимодействие программ более высокого уровня с оборудованием, то есть группа системного программирования обеспечивает программно-аппаратный интерфейс вычислительной системы. Группа прикладного программирования занимается созданием программ для выполнения конкретных операций с данными. Работников этой группы называют прикладными программистами. В отличие от системных программистов им не надо знать техническое устройство компонентов ЭВМ, поскольку их программы работают не с устройствами, а с программами, подготовленными системными программистами. С другой стороны, с их программами работают пользователи, то есть конкретные исполнители работ. Поэтому можно говорить о том, что группа прикладного программирования обеспечивает пользовательский интерфейс вычислительной системы. Группа подготовки данных занимается подготовкой данных, с которыми будут работать программы, созданные прикладными программистами. Во многих случаях сотрудники этой группы сами вводят данные с помощью клавиатуры, но они могут выполнять и преобразование готовых данных из одного вида в другой. Так, например, они могут получать иллюстрации, нарисованные художниками на бумаге, и преобразовывать их в электронный вид с помощью специальных устройств, называемых сканерами. Группа технического обеспечения занимается техническим обслуживанием всей вычислительной системы, ремонтом и наладкой устройств, а также подключением новых устройств, необходимых для работы прочих подразделений. Группа информационного обеспечения обеспечивает технической информацией все прочие подразделения вычислительного центра по их заказу. Эта же группа создает и хранит архивы ранее разработанных программ и накопленных данных. Такие архивы называют библиотеками программ или банками данных. Отдел выдачи данных получает данные от центрального процессора и преобразует их в форму, удобную для заказчика. Здесь информация распечатывается на печатающих устройствах (принтерах) или отображается на экранах дисплеев. К мейнфреймам относятся, как правило, компьютеры, имеющие следующие характеристики: производительность не менее 10 MIPS; основную память емкостью от 64 до 10000 MIPS; внешнюю память не менее 50 Гбайт; многопользовательский режим работы (обслуживают одновременно от 16 до 1000 пользователей). Основные направления эффективного применения мейнфреймов – это решение научно-технических задач, работа в вычислительных системах с пакетной обработкой информации, работа с большими базами данных, управление вычислительными сетями и их ресурсами. Последнее направление – использование мейнфреймов в качестве больших серверов вычислительных сетей часто отмечается специалистами среди наиболее актуальных.
Большие ЭВМ отличаются высокой стоимостью оборудования и обслуживания, поэтому работа таких суперкомпьютеров организована по непрерывному циклу. Наиболее трудоемкие и продолжительные вычисления планируют на ночные часы, когда количество обслуживающего персонала минимально. В дневное время ЭВМ исполняет менее трудоемкие, но более многочисленные задачи. При этом для повышения эффективности компьютер работает одновременно с несколькими задачами и, соответственно, с несколькими пользователями. Он поочередно переключается с одной задачи на другую и делает это настолько быстро и часто, что у каждого пользователя создается впечатление, будто компьютер работает только с ним. Такое распределение ресурсов вычислительной системы носит название принципа разделения времени. Родоначальником современных больших ЭВМ, по стандартам которой в последние несколько десятилетий развивались ЭВМ этого класса в большинстве стран мира, является фирма IBM. Среди лучших современных разработок мейнфреймов за рубежом в первую очередь следует отметить: американский IBM 390, IBM 4300, (4331, 4341, 4361, 4381), пришедшие на смену IBM 380 в 1979 году, и IBM ES/9000, созданные в 1990 году, а также японские компьютеры M 1800 фирмы Fujitsu. 4.3.Мини Надежные, недорогие и удобные в эксплуатации компьютеры, обладающие несколько более низкими по сравнению с мейнфреймами возможностями и, соответственно меньшей стоймостью. Такие компьютеры используются крупными предприятиями, научными учреждениями и некоторыми высшими учебными заведениями, сочетающими учебную деятельность с научной. Мини-ЭВМ (и наиболее мощные из них супермини-ЭВМ) обладают следующими характеристиками: производительность до 100 MIPS; емкость основной памяти – 4-512 Мбайт; емкость дисковой памяти - 2-100 Гбайт; число поддерживаемых пользователей – 16-512. Все модели мини-ЭВМ разрабатываются на основе микропроцессорных наборов интегральных микросхем, 16-, 32-, 64-разрядных микропроцессоров. Основные их особенности: широкий диапазон производительности в конкретных условиях применения, аппаративная реализация большинства системных функций ввода-вывода информации, простая реализация микропроцессорных и многомашинных систем, высокая скорость обработки прерываний, возможность работы с форматами данных различной длины. К достоинствам мини-ЭВМ можно отнести: специфичную архитектуру с большой модульностью, лучше, чем у мейнфреймов, соотношение производительность/цена, повышенная точность вычислений. Мини-ЭВМ ориентированы на использование в качестве управляющих вычислительных комплексов. Традиционная для подобных комплексов широкая номенклатура периферийных устройств дополняется блоками межпроцессорной связи, благодаря чему обеспечивается реализация вычислительных систем с изменяемой структурой. Мини-ЭВМ часто применяют для управления производственными процессами. Например, в механическом цехе компьютер может поддерживать ритмичность подачи заготовок, узлов и комплектующих на рабочие места, управлять гибкими автоматизированными линиями и промышленными роботами, собирать информацию с инструментальных постов технического контроля и сигнализировать о необходимости замены изношенных инструментов и приспособлений, готовить данные для станков с числовым программным управлением, а также своевременно информировать цеховые и заводские службы о необходимости выполнения мероприятий по переналадке оборудования. Например, он может помогать экономистам в осуществлении контроля за себестоимостью продукции, нормировщикам в оптимизации времени технологических операций, конструкторам в автоматизации проектирования станочных приспособлений, бухгалтерии в осуществлении учета первичных документов и подготовки регулярных отчетов для налоговых органов. Для организации работы с мини-ЭВМ тоже требуется специальный вычислительный центр, хотя и не такой многочисленный, как для больших ЭВМ. Наряду с использованием для управления технологическими процессами мини-ЭВМ успешно применяется для вычислений в многопользовательских вычислительных системах, в системах автоматизированного проектирования, в системах моделирования несложных объектов, в системах искусственного интеллекта. 4.4.МикроЭВМ Компьютеры данного класса доступны многим предприятиям. Организации, использующие микро-ЭВМ, обычно не создают вычислительные центры. Для обслуживания такого компьютера им достаточно небольшой вычислительной лаборатории в составе нескольких человек. В число сотрудников вычислительной лаборатории обязательно входят программисты, хотя напрямую разработкой программ они не занимаются. Необходимые системные программы обычно покупают вместе с микроЭВМ, а разработку нужных прикладных программ заказывают более крупным вычислительным центрам или специализированным организациям. Программисты вычислительной лаборатории занимаются внедрением приобретенного или заказанного программного обеспечения, выполняют его доводку и настройку, согласовывают его работу с другими программами и устройствами компьютера. Хотя программисты этой категории и не разрабатывают системные и прикладные программы, они могут вносить в них изменения, создавать или изменять отдельные фрагменты. Это требует высокой квалификации и универсальных знаний. Программисты, обслуживающие микро-ЭВМ, часто сочетают в себе качества системных и прикладных программистов одновременно. Можно привести следующую классификацию микроЭВМ: Универсальные Многопользовательские микроЭВМ – это мощные микроЭВМ, оборудованные несколькими видеотерминалами и функционирующие в режиме разделения времени, что позволяет эффективно работать на них сразу нескольким пользователям. Персональные компьютеры(ПК) – однопользовательские микроЭВМ удовлетворяющие требованиям общедоступности и универсальности применения, рассчитанные на одного пользователя и управляемые одним человеком. Пеpсональный компьютеp должен удовлетворять следующим требованиям: стоимость от нескольких сотен до 5-10 тысяч доллаpов; наличие внешних ЗУ на магнитных дисках; объём оперативной памяти не менее 4 Мбайт; наличие операционной системы; способность работать с программами на языках высокого уровня; ориентация на пользователя-непрофессионала (в простых моделях). Портативные компьютеры обычно нужны руководителям предприятий, менеджерам, учёным, журналистам, которым приходится работать вне офиса — дома, на презентациях или во время командировок. Основные разновидности портативных компьютеров: Laptop (наколенник, от lap — колено и top — поверх). По размерам близок к обычному портфелю. По основным характеристикам (быстродействие, память) примерно соответствует настольным ПК. Сейчас компьютеры этого типа уступают место ещё меньшим. Notebook (блокнот, записная книжка). По размерам он ближе к книге крупного формата. Имеет вес около 3 кг. Помещается в портфель-дипломат. Для связи с офисом его обычно комплектуют модемом. Ноутбуки зачастую снабжают приводами CD-ROM. Многие современные ноутбуки включают взаимозаменяемые блоки со стандартными разъёмами. Такие модули предназначены для очень разных функций. В одно и то же гнездо можно по мере надобности вставлять привод компакт-дисков, накопитель на магнитных дисках, запасную батарею или съёмный винчестер. Ноутбук устойчив к сбоям в энергопитании. Даже если он получает энергию от обычной электросети, в случае какого-либо сбоя он мгновенно переходит на питание от аккумуляторов. Palmtop (наладонник) — самые маленькие современные персональные компьютеры. Умещаются на ладони. Магнитные диски в них заменяет энергонезависимая электронная память. Нет и накопителей на дисках — обмен информацией с обычными компьютерами идет линиям связи. Если Palmtop дополнить набором деловых программ, записанных в его постоянную память, получится персональный цифровой помощник (Personal Digital Assistant). Специализированные Рабочие станции представляют собой однопользовательские мощные микроЭВМ, специализированные для выполнения определенного вида работ (графических, инженерных, издательских и др.) Несмотря на относительно невысокую производительность по сравнению с большими ЭВМ, микро-ЭВМ находят применение и в крупных вычислительных центрах. Там им поручают вспомогательные операции, для которых нет смысла использовать дорогие суперкомпьютеры. К таким задачам, например, относится предварительная подготовка данных. Серверы Серверы – многопользовательские мощные микроЭВМ в вычислительных сетях, выделенные для обработки запросов от всех станций сети. Серверы обычно относят к микроЭВМ, но по своим характеристикам мощные серверы скорее можно отнести к малым ЭВМ и даже к мэйнфреймам, а суперсерверы приближаются к суперЭВМ. Сервер – выделенный для обработки запросов от всех станций вычислительной сети компьютер, предоставляющий этим станциям доступ к общим системным ресурсам (вычислительным мощностям, базам данных, библиотекам программ, принтерам, факсам и др.) и распределяющий эти ресурсы. Такой универсальный сервер часто называют сервером приложений. Серверы в сети часто специализируются. Специализированные серверы используются для устранения наиболее "узких" мест в работе сети: создание и управление базами данных и архивами данных, поддержка многоадресной факсимильной связи и электронной почты, управление многопользовательскими терминалами (принтеры, плоттеры) и др. Файл-сервер ( File Server ) используется для работы с файлами данных, имеет объемные дисковые запоминающие устройства, часто на отказоустойчивых дисковых массивах RAID емкостью до 1 Тбайта. Архивационный сервер (сервер резервного копирования, Storage Express System ) служит для резервного копирования информации в крупных многосерверных сетях, использует накопители на магнитной ленте (стриммеры) со сменными картриджами емкостью до 5 Гбайт; обычно выполняет ежедневное автоматическое архивирование со сжатием информации от серверов и рабочих станций по сценарию, заданному администратором сети (естественно, с составлением каталога архива). Факс-сервер ( Net SatisFaxion ) – выделенная рабочая станция для организации эффективной многоадресной факсимильной связи с несколькими факс-модемными платами, со специальной защитой информации от несанкционированного доступа в процессе передачи, с системой хранения электронных факсов. Почтовый сервер ( Mail Server ) – то же, что и факс-сервер, но для организации электронной почты, с электронными почтовыми ящиками. Сервер печати ( Print Server , Net Port ) предназначен для эффективного использования системных принтеров. Сервер телеконференций имеет систему автоматической обработки видеоизображений и др. Рабочая станция Рабочей станцией называется совокупность аппаратных и программных средств, предназначенных для решения профессиональных задач. Это специализированный высокопроизводительный компьютер для тех, кому необходима надежная и производительная система, гарантирующая стабильную и эффективную работу приложений. Использование рабочих станций позволяет вывести ваше предприятие на новый профессиональный уровень вне зависимости от того, в какой области вы развиваетесь. Рабочие станции решают широкий спектр задач: Инженерно-технические задачи – 3D-проектирование и конструирование, расчетные работы. Профессиональная работа с трехмерной графикой – визуализация, 3D-моделирование, мультипликация, спецэффекты. Цифровая обработка фото и видео материала - верстка, монтаж, дизайн. Работа с большими объемами данных – статистика, аналитика, прогнозирование. Основные приемущества: Эффективность Решения, использующие последние технологии, позволяют рабочим станциям более эффективно справиться с высокими вычислительными нагрузками. Рабочие станции адаптированы на решение профессиональных задач за счет оптимизации как аппаратной части, так и драйверов. Надежность Повышенная надежность достигается за счет использования только высококачественной компонентной базы, длительному стресс-тестированию на этапе разработки и тотальному контролю качества при производстве изделия. Специализация Отдельным сегментом в линейке рабочих станций являются графические станции, оснащаемые профессиональными видеоадаптерами, созданными специально для решения профессиональных задач, связанных со сложной визуализацией, конструированием и 3D-моделированием, разработкой и производством, созданием медиа контента и научной деятельностью. Адаптация к программному обеспечению Графические станции проходят тестирование и сертифицирование на совместимость и эффективную работу с приложениями от ведущих разработчиков профессионального профильного программного обеспечения, таких как Catia и SolidWorks от Dassault Systemes, AutoCAD и Inventor от Autodesk, Компас 3D от Аскон, ProEngineer от ProTechnologies, NX от Siemens PLM Software, с продуктами компаний ANSYS, Adobe и многих других. Возможности расширения Платформы рабочих станций предоставляют большую гибкость в модернизации. Большее количество слотов PCI и PCI-E дает возможность установки профильных плат расширения. Большее количество слотов памяти и возможность установки второго процессора в двухпроцессорных системах увеличивает диапазон выбора производительности. Конечно, вышеприведенная классификация весьма условна, ибо мощный современный персональный компьютер, оснащенные проблемно-ориентированным программным и аппаратным обеспечением, может использоваться и как полноправная рабочая станция, и как многопользовательная микроЭВМ, и как хороший сервер, но по своим характеристикам почти не уступающий малым ЭВМ.
Тема 1.2. Магистральный интерфейс и структура ЭВМ на его основе. Основные компоненты ЭВМ Структуры ЭВМ Модульное умножение. Модульное произведение может быть реализовано двумя способами: 1. Параллельный модульный умножитель (на примере схемы К588ВР2).
На структуре МД - формирователь магистрали данных, СС - сигналы синхронизации, БС - блок синхронизации, РА, РВ - шестнадцатиразрядные регистры сомножители, МУ - блок модульного умножения, РП1, РП2 -шестнадцатиразрядные регистры произведения, БФП - блок формирования признаков. Алгоритм работы. 1. Внешнее устройство - процессор выставляет первый сомножитель на линии Д (разрядность магистрали данных 16) и синхросигналы записывают его в регистр А. 2. Процессор выставляет второй сомножитель, и синхросигналы записывают его в регистр В. 3. После чего блок модульного умножения получает операнды, и после завершения процедуры умножения записывает тридцатидвухразрядный результат в пару регистров РП1, РП2, а также в блок формирования признаков, который оснащён собственным регистром, хранящий флаги особых ситуаций (например, равенство результата 0, арифметическое или знаковое переполнение). 4. Процессор через магистраль данных читает информацию БФП. 5. По результатам анализа данных на предыдущем шаге читается или не читается информация из РП1 и РП2 (последовательно). 2. Последовательное модульное умножение. Для осуществления последовательного модульного умножения один из сомножителей представляется в параллельном коде, а второй - в последовательном. Это бывает полезно для реализации операции умножения значения изменяющегося сигнала на константу. Данные, приходящие с блока аналога цифрового преобразователя, как правило, идут в последовательном коде, поэтому в последнем умножителе можно совместить два процесса: получение данных и умножение. Основой модульного умножения является "дерево сумматоров". Здесь действует принцип дихотомии - делим на два. В полученном результирующем сумматоре будет последовательный код.
Структура одного элемента "дерево сумматоров". В качестве ядра элементов используется полный сумматор, входы которого оснащены триггерами защелками, срабатывающими в конце каждого временного интервала.
Произведение выполняется в 16 тактов Шаг 1: регистры А и B обнуляются. Шаг 2: в регистр А1 заносится разряд А1, в триггер В1 старший бит числаВ. Шаг 3: получаем произведение двухразрядных чисел с помощью логического "и". Шаг 4: формируем тактовый импульс для обеспечения работы "дерево сумматоров". Шаг 5: записываем А2 и сдвигаем В. Шаг 6: выполняем 8 тактов работы схемы со сдвигом регистра В. На освобождающиеся разряды записываем нолики. Кроме аппаратных способов реализации процедуры умножения, часто используется микропрограммные процедуры, основанные на методе сложения и сдвигов (умножения столбиком). Структуры ЭВМ Форматы команд. Команды в ЭВМ бывают: 1. Безадресные. В качестве операнда данных команд используется 2. Одноадресные (многоадресные).
Алгоритм исполнения трёхадреснои команды: 1. По адресу расположения команды процессор считывает код операции. 2. Процессор анализирует код операции (определяет состав операндов и 3. По следующему адресу процессор считывает адрес первого операнда. 4. Процессор читает значение операнда по адресу 1. 5. Процессор считывает адрес 2. 6. Процессор читает операнд по адресу 2. 7.Процессор выполняет указанную в COP операцию над считанными 8. Процессор считывает адрес 3. 9. Процессор записывает результат операции по адресу 3. CISC и RISC архитектуры процессора. (FRISC). CISC - процессоры с полной (сложной) системой команд (Complex interaction set computer). В данных процессора операции производятся над числами, хранящимися в АЗУ. RISC - процессоры с сокращенным набором команд. Особенности: операции выполняются над числами, записанными во внутренних регистрах процессора, объединенных в так называемый регистровый файл, при этом адреса операндов располагаются в поле COP. R1=R1+R2 COP=R1+R2 Это возможно за счет сокращения объема адресуемой памяти операндов. В RISC компьютеров все команды безадресные. 1MHZ=1MIPS (миллион операций в секунду). Недостатки: 1. За каждый такт выполняется одна инструкция 2. Ограничение по длине команды и по количеству команд. FRISC - это RISC процессоры, оперирующие не с регистровым файлом, а со стеком. Стек работает по принципу FILO - первый вошел - последний вышел.
Данная архитектура также называется нольоперандной архитектурой или Forth RISC. В настоящее время CISC и RISC архитектуры подвергаются процессу конвергенции (взаимослияния). Элементы с третьим состоянием выхода или трёх стабильный элемент Высокоимпедансное состояние - высокоомное состояние, оно же z-состояние, либо третье состояние. Это состояние характеризуется отключение выхода элемента от всех внутренних цепей микросхемы.
1. Если ключ SW1 замкнут, тогда на выходе будет напряжение питания 2. Если SW1 разомкнут, SW2 замкнут, то на выходе 0. 3. Если SW2 и SW1 замкнуты, то короткое замыкание. 4. Если SW2 и SW1 разомкнуты, то на выходе третье состояние. У элемента с третьим состояние выхода или буферного состояния, как правило два входа: информационный и разрешения.
Если на входе E логический ноль, это означает переключение элемента в высоко импедансное состояние. На выходах элементов E будет всегда 0. Оба ключа разомкнуты. В случае если E=1, управляющая единица появляется на выходе только одного элемента.
Высоковольтное состояние соответствует 0. Двунаправленный элемент. Предназначен для организации магистралей, способных как принимать, так и передавать информацию. Элемент имеет 3 входа: 1.Вход - выход данных. 2. Линия, определяющая направление передачи. 3. Линия разрешения и один выход (двунаправленный).
BF - шинный формирователь. Е=0: передачи не ведется, линии А и В разомкнуты. Е=1: сигнал Т выбирает, какой из шинных формирователей будет открыт. Если Т=1, откроется первый, передача от А к В. Если Т=0, откроется второй, передача от В к А.
Микросхемы шифраторов и дешифраторов. Наиболее распространенный дешифратор выполняет преобразование двоичного числа (числа в двоичной системе счисления) в число в унарном коде. Унарный код - это такой код, в котором активный уровень сигнала присутствует только на одной линии. В зависимости от активного уровня различают прямой и инверсный унарные коды. Пример чисел в унарном коде: 0 - 0001 1 - 0010
н-1^ - инверсный код - вход выбор кристалла. Данный сигнал присутствует у большинства периферийных микросхем. В том случае, если сигнал CS равен 0, микросхема исполняет свой функции, иначе, если CS равен 1, микросхема полностью отключается от входных и выходных цепей (если есть третье состояние выходы переходят в третье состояние, если нет, тогда в пассивное). Шифратор Шифратор преобразует унарный код в двоичный. Выделяют два вида: приоритетный и неприоритетный. Для неприоритетного шифратора в качестве входного разрешается строго унарный код. Для приоритетного разряды входного числа имеют приоритет, то есть выходное число будет преобразовано, только самая младшая единица.
Значение выхода определяет значение первого входа. На входы АО и А1 подается число определяющая номер входа, информация с которого будет передана на выход.
Сигнал W предназначен для записи числа, пришедшего на входы регистра, во внутренние триггеры, после чего данное число выдается на выходы. Если сигнал W не активен, регистр хранит предыдущее в него записанное число. Магистрали ЭВМ. Как правило, магистраль ЭВМ состоит из трех шин: шина данных, шина адреса, шина управления. Шина - это совокупность проводников, предназначенных для передачи двоичных разрядов, объединенных общим функциональным назначением. Магистраль ЭВМ может быть организована двумя способами: 1. Магистраль с разделенными шинами адреса и данных. 2. Магистраль с совмещенными шинами адреса и данных. Магистраль с разделенными шинами адреса и данных. В состав данной магистрали входит шина данных, шина адреса, шина управления. В шине управления, как правило, присутствуют следующие сигналы: 1. Готовность адреса (выдается процессором) 2. Готовность данных (выдается приемником - передатчиком 3. Запись данных. 4. Чтение данных. Алгоритм записи по магистрали с разделенными шинами. 1. Процессор выставляет на шину адреса адрес приемника. 2. Процессор выдает сигнал готовность адреса. 3. Процессор выдает на шину данных информацию. 4. Процессор выдает сигнал записи. 5. Процессор ожидает определенное время, либо дожидается прихода сигнала готовность данных от приемника. 6. Конец алгоритма: процессор снимает адрес, данные, переводит данные шины в третье состояние. Алгоритм чтения. 1. Процессор выдает адрес на шину адреса. 2. Процессор выдает сигнал готовность адреса. 3. Процессор выдает сигнал чтения. 4. Процессор ожидает некоторое время или ожидает сигнал готовность 5. Процессор читает переданное источником число на шину данных. 6. Процессор убирает адрес и сигналы управления. Конец. Структура подключения нескольких источников, приемников информации к магистрали с разделёнными шинами адреса и данных.
Магистраль с мультиплексированными (совмещенными) шинами адреса и данных. Магистраль состоит из двух шин: 1. Совмещенная шина адреса и данных. 2. Шина управления. Преимущества совмещения: меньше аппаратных затрат. Алгоритм записи по данной магистрали. 1. Процессор выставляет адрес на шину адреса данных. 2. Процессор выдает готовность адреса. 3. Процессор ожидает некоторое время, необходимое для заполнения приемником адреса. 4. Процессор убирает сигнал готовность адреса. 5. Процессор убирает адрес с шины адреса данных и выдает на неё записываемые данные. 6. Процессор выдает сигнал записи. 7. Процессор ожидает некоторое время или ожидает приход сигнала готовность данных от приемника информации. 8. Процессор освобождает магистраль. Алгоритм чтения. 1. Выдача адреса. 2. Выдача готовности адреса. 3. Ожидание. 4. Перевод ШАД в состояние ввода сигнала (на чтение). 5. Выдача сигнала чтения. 6. Ожидание готовности данных. 7. Чтение числа с ШАД выданного источником информации. 8. Отключение магистрали. Способ реализации магистрали с совмещенными шинами адреса - данных.
Данные с ШД приходят одновременно на информационные входы обоих регистров. Также на входы записи регистров приходит сигнал записи от процессора. Запись в регистр будет осуществлена по приходу сигнала записи только в том случае, если вход CS равен 0. Сигналы CS подаются с дешифратора адреса, на вход которого подается (как правило, часть) Подключение нескольких приемников информации к системноймагистрали.
Выходы всех источников информации должны быть трех стабильные, то есть иметь возможность переключения в высокоимпедансное состояние, для того чтобы неактивные источники информации не мешали единственному активному. Так как в данной структуре объединены адресные линии обеих ПЗУ, то информация, с какой ПЗУ будет выдана на ШД, определяется дешифратором адреса, которая включается в момент прихода сигнала чтения. Состав внутренних функциональных устройств микропроцессора. 1. Арифметически - логическое устройство. Предназначено для выполнения арифметических (+-*/) и логических (и, или, не, исключающее или, сдвиги) операций. Выбор конкретной операции выполняемой АЛУ осуществляется в момент анализа кода операции (смотри лекцию форматы команд). 2.Основой микропроцессора является аккумулятор - регистр подключенный непосредственно к выходу АЛУ. Используется как регистр источника и приемника данных (CISC). 3. Группа регистров общего назначения. Регистровый файл в RISC машинах - это набор регистров, которые программист может использовать по своему усмотрению. 4. Счетчик команд - это регистр, предназначенный для хранения адреса команды (в этом регистре лежит адрес, по которому расположен код текущей операции). 5. Регистр команды предназначен для хранения кода операции 6. Регистр состояния содержит биты флагов состояния (примеры флагов: равенство 0 результата операции, отрицательный результат, переполнение и тому подобное). 7. Регистр адреса предназначен для хранения адресов операндов или результата, который выдается на ША. 8. Устройство управления предназначено для организации совместной работы всех других блоков.
2. Структура ЭВМ с общей магистралью. Для передачи информации используется одна единственная магистраль.
ОМ - общая магистраль. Особенность: в каждый момент времени по общей магистрали может передаваться информация только от одного источника. Все остальные источники для передачи своей информации вынуждены ожидать, когда общая магистраль будет освобождена. Преимущества: простота аппаратной реализации. Недостаток: сравнительно низкая скорость обмена данными. 3. Структура ЭВМ с разделенными магистралями.
КВВ - контролер ввода вывода. В данной структуре работа магистрали может осуществляться параллельно, в том числе без участия процессора. Преимущества: высокая скорость. Недостаток: сложность аппаратной и программной реализации. Внешнее устройство (периферийное). 1. Адаптер - это собирательное название модулей или устройств ЭВМ Адаптер магистрали (мост или репитор - повторитель) предназначен для физического сопряжения (репитор - усиление мощности сигнала) или логического сопряжения (мост - преобразование протоколов) двух магистралей. 2. Интерфейс - это совокупность аппаратных и программных средств Протокол - это документ, в котором описывается алгоритм работы интерфейса. 3. Таймеры. В ЭВМ существует несколько типов таймеров: а) часы реального времени, которые реализуются как обычные б) таймеры - счетчики могут быть использованы для подсчета в) сетевой таймер. Его работа основана на контроле напряжения питания
Интеграл синусоидального шума равен за его период равен 0.
К шине процессора подключается Северный Мост, ОЗУ и контролер AGP. К шине PCI подключается Южный Мост, который обслуживает IDE (до 4 жестких дисков), как правило, два последовательных интерфейса USB и часы реального времени RTS. К шине ISA подключается устройство информационного обмена Super I/O, которое позволяет подключать последовательные интерфейсы COM, параллельный порт для подключения принтера LPT и накопители на гибких дисках FDD, клавиатура, мышь и микросхема ПЗУ - BIOS. Виды технологий производства интегральных микросхем. Все технологии производства делятся на биполярные и полевые. 1. В биполярных технологиях в качестве основного элемента используется биполярный транзистор. Биполярные транзисторы бывают двух типов n-p-n и p-n-p.
Транзистор управляется с помощью тока. В силу этого у него высокое быстродействие, в силу малой емкости базового перехода, но высокое потребление электроэнергии. На основе этой технологии изготовляется статическая оперативная память компьютера, КЭШ память. Транзистор изготовляется на основе проводников, что приводит к низкой плотности элементов на кристалле, то есть КЭШ очень быстродействующая, но дорогая и электропотребляемая. Топология биполярного транзистора.
Si - легированный (отравленный) кремний - полупроводник. 2. Полевые технологии основаны на использовании полевых транзисторов, которые управляются, в отличии от биполярных транзисторов, полем или напряжением. Полевые транзисторы более технологичны, плотность элементов на кристалле с их использование гораздо выше, чем у биполярных технологий. Существует большой выбор различных типов полярных транзисторов, однако высокая емкость управляющего электрода снижает быстродействие полевого транзистора. Полевые транзисторы используются для построения процессора чаще, чем биполярные. 1. Полевой транзистор с управляющим p-n переходом. Данный тип транзистора изготавливается, так же как и биполярные транзисторы в объеме полупроводника. Большинство полевых транзисторов имеют следующие выводы: а) затвор - вывод напряжения, на котором управляет работой б) в) сток и исток - выводы сопротивления, между которыми зависит Для транзистора с управляющим p-n переходом затвор не является изолированным.
В зависимости от запирающего напряжения приложенного к затвору вокруг p-областей затвора возникают зоны, обедненные основными носителями в области сток - исток. Площадь перехода сток - исток будет уменьшаться в зависимости от величины приложенного к затвору напряжения. Площадь уменьшается - сопротивление растет. Преимущество: низкая емкость затвора, высокое быстродействие. Недостаток: низкая технологичность изготовления. Используется редко. 2. МДП-транзисторы (металл - диэлектрик - полупроводник) МОП транзисторы (металл - окисел - полупроводник) Затвор данного типа транзистора выполнен в виде изолированной металлической пластины, расположенной над проводящим каналом в полупроводниковой пластине. В зависимости от напряжения приложенного к затвору основные носители этого канала или привлекаются или оттесняются в массив полупроводника, стало быть, изменяется сопротивление между стоком и истоком. Преимущество: весьма технологическая вещь. Недостаток: между затвором и полупроводником образуется "паразитная емкость" в силу чего процесс переключения транзистора замедляется.
Факторы, учитываемые при выборе микропроцессорной техники. Все факторы можно разделить на 3 группы: 1. Факторы функциональности, характеризующие функциональные 2. Эксплуатуционые факторы, характеризующие удобство использования микропроцессора. 3. Производственные факторы, характеризующие процесс производства и приобретения микропроцессорной техники. 1. Первая группа включает в себя факторы: а) время выполнения простейших операций, может характеризоваться б) число команд. в) количество регистров общего назначения или объем регистрового г) разрядность: АЛУ, шины данных, шины адреса. д) наличие блоков АЗУ или энергонезависимой памяти в составе е) наличие КЭШ памяти. ж) наличие встроенных преобразователей, таймеров, счетчиков и так далее. з) длина команды. и) возможность аппаратных прерываний и их количество. 2. Вторая группа факторов включает в себя: а) количество напряжения питания б) потребляемая мощность. в) температурные ранги кристалла. г) наличие необходимого инструментального программного д) наличие наборов "быстрого старта". е) наличие эмулятора процессора. Эмулятор процессора - это ж) наличие систем питания з) наличие операционной системы. и) количество необходимых микросхем сопровождения или объем 3. Третья группа факторов включает в себя: а) технология производства. б) стоимость кристалла (чипсета). в) сроки поставки. г) деловая репутация фирмы поставщика. д) наличие необходимого инструментария для монтажа, демонтажа и е) простота архитектура вычислительной системы. Алгоритм работы микропроцессора. 1. Определяет область применения микропроцессора (требования к нему). 2. Определяет необходимые факторы выбора 3. Определяется список фирм поставщиков микропроцессорной 4. Анализ общего списка на соответствие общим требованиям. 5. Производится детальный анализ конкретных типов микропроцессора Критерии выбора. 1. Выбор микропроцессора по критерию производительности. а) PDR - скорость обработки данных, которая вычисляется PDR=n*v, f0 - анализ по тактовой частоте.
а i - вес алгоритмического действия (i например количество выполнений данной команды за один проход алгоритма с учетом цикла). б) метод смесей команд. Данный метод учитывает время выполнения
Выбирается тот процессор, у которого значение P больше. Недостаток и ограничение использования метода: необходимость уже готового алгоритма обработки данных. 3. Выбор микропроцессора по критерию критического уровня. Технический уровень - это относительная характеристика качества изделия, основанная на сопоставление значения показателей, характеризующих техническое совершенство оцениваемого изделия с соответствующими базовыми значениями. Значение данного критерия это евклидово расстояние между эталоном и анализируемым устройством. Критерий вычисляется по следующей формуле:
Способ определения весовых коэффициентов. 1. Как правило, весовые характеристики определяются с помощью метода экспертных оценок, при котором собирается коллегия экспертов, которая назначает вес фактора, либо согласованным решением, либо с помощью определения среднего веса фактора, в последующем значения весовых характеристик нормализуются.
2. Метод косвенных экспертных оценок. Метод основан на анализе технической литературы, на мотив определения частоты упоминания назв |
ТГ - тактовый генератор. СМ - системная магистраль. РГ - регистр.
