Файл: Состав и свойства вычислительных систем. Информационное и математическое обеспечение вычислительных систем (Вычислительная система).pdf

Введение

Первоначально последовательные интерфейсы применяли для подключения «медленных» устройств (простейших устройств печати низкого качества, устройств ввода и вывода знаковой и сигнальной информации, контрольных датчиков, малопроизводительных устройств связи и т. п.), а также в тех случаях, когда отсутствуют существенные ограничения по продолжительности обмена данными.
Однако с развитием техники появились новые, высокоскоростные последовательные интерфейсы, не уступающие параллельным, а нередко и превосходящие их по пропускной способности. Сегодня последовательные интерфейсы применяют для подключения к компьютеру любых типов устройств. Состав программного обеспечения вычислительной системы называют программ­ной конфигурацией . Между программами, как и между физическими узлами и блоками существует взаимосвязь — многие программы работают, опираясь на другие программы более низкого уровня, то есть мы можем говорить о межпрограммном интерфейсе . Возможность существования такого интерфейса тоже основана на существовании технических условий и протоколов взаимодействия, а на практике он обеспечивается распределением программного обеспечения на несколько взаимодействующих между собой уровней.
Уровни программного обеспечения представляют собой пирамидальную конструк­цию. Каждый следующий уровень опирается на программное обеспечение пред­шествующих уровней. Каждый вышележащий уровень повышает функциональность всей системы. Так, например, вычислительная система с про­граммным обеспечением базового уровня не способна выполнять большинство функций, но позволяет установить системное программ­ное обеспечение.

I СОСТАВ И СВОЙСТВА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Вычислительная система (ВС) - это совокупность взаимодействующих между собой программ и аппаратных средств, предназначенных для обслуживания одного рабочего участка

Состав вычислительной системы это - конфигурацией. Ввиду того, что аппаратные и программные средства рассматривают отдельно, существуют аппаратная и программная конфигурации.

Аппаратные средства ВС − это устройства и приборы. По способу расположения различают внутренние (звуковая карта, винчестер и т.д.) и внешние устройства:

1 системный блок;

---

2 внешние устройства ввода - клавиатура, манипулятор «мышь» и др.

3 монитор (дисплей);

Ниже мы рассмотрим устройство персонального компьютера более подробно.

1.Системный блок- Не является единым целым, но в нем находится целый ряд взаимосвязанных устройств. Те из них, которые необходимы для функционирования компьютера и составляют его ядро, называются комплектующими.

Корпус системного блока может иметь различную форму, например, в виде плоской (mini tower case), узкопрофильной (low profile - корпус slim) коробки либо башни (стойки - big tower case), FullTower - вертикальное напольное исполнение, а также встраиваться в монитор.

Вне зависимости от исполнения системные блоки имеют следующие органы исполнения и разъемы подключения периферийных устройств:

1 · блок питания;

2 · системную плату;

3 · платы расширения (аудиоадаптер, видеоадаптер и др.);

4 · накопитель на жестких магнитных дисках;

5 · накопитель на гибких магнитных дисках;

6 · накопитель CD-ROM;

1.1 Блок питания 

 преобразует переменное напряжение электросети в постоянное напряжение различной полярности и величины (5 В и 12 В), необходимых для питания системной платы и внутренних устройств ПК. Блоки питания содержат кулер, создающий циркулирующие потоки воздуха для охлаждения системного блока. Кроме преобразования высокого напряжения в низкое блок питания обеспечивает стабилизацию и сглаживание вы­ходного напряжения.

Современный блок питания ПК отличаются высокой надеж­ностью, но все же качество у них различно. Например, в местности, под­верженной частым летним грозам и связанным с этим флуктуациям в сети, некоторые компьютеры работают великолепно, несмотря на мигания осветительных ламп. Другие же компьютеры отключаются и производят перезагрузку даже при малейших колебаниях сети.

Блоки питания можно охарактеризовать несколькими параметрами. Однако потребителей больше всего интересует его мощность, выра­женная в Вт. Мощность в Вт представляет собой произведение напряжения и тока блока питания. Хотя современный блок питания обладает большей возможностью, чем раньше, блока питания на 200 Вт (для одноядерного процессора) достаточно практически для каждого современного персонального компьютера, благодаря применению больших интегральных схем с небольшим потреблением электроэнергии. Для двухъядерного процессора рекомендуемая мощность 400-450 Вт.

1.2 Системная плата

(mainboard, материнская плата)является основной в системном блоке. Модель стандартной системной платы любого производителя определяется набором на ней микросхем и топологией размещения элементов. В зависимости от форм стандартизированного корпуса выпускаются различные по форме, фактору (размерам, расположению компонент на плате) стандартные мат. платы компьютеров. Для персональных компьютеров наиболее распространены материнские платы форматов AT, ATX, miniATX, microATX и NLX и их разновидности. Так, например, платы с форм-факторами ATX, microATX, FlexATX имеют размер 305x244, 244x244 и 229x191 мм.

---

Корпус и материнская плата обычно принадлежат одноименному формфактору, формату, например, АТХ-корпус содержит АТХ-мат. плату. Платы спецификации FlexАТХ ориентированы на производство компьютеров с малыми системными блоками и плоских LCD-мониторов (жидкокристаллических) с встроенными в них системными блоками.

Системная плата содержит следующие основные компоненты:

· центральный процессор;

· чипсет;

· интерфейсные схемы шин;

· постоянную, оперативную и кэш-память;

· гнёзда расширения и др.

• Центральный процессор(CPU – Central Processing Unit) -основной рабочий компонент ПК. Он выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу устройств ПК.

Используемый в современном персональном компьютере процессор выпускаются в основном тремя фирмами: Intel, AMD и Cyrix (процессоры под маркой IBM по основным показателям аналогичны Cyrix). Ряд процессоров обладает расширением ММХ (MultiMedia eXtention: расширение мультимедиа). Данное расшире­ние существенно ускорит работу с мультимедийными средствами при наличии достаточного про­граммного обеспечения.

В процессе работы процессор обслуживает данные, находящиеся в его регистрах, в поле оперативной памяти, а также данные, находящиеся во внешних портах процессора. Часть данных он распознает непосредственно как данные, часть данных - как адресные данные, а часть - как команды. Совокупность всех возможных команд, которые может выполнять процессор над данными, образует  систему команд процессора. Процессоры, относящиеся к одному семейству, имеют одинаковые или близкие системы команд. Процессоры, относящиеся к различным семействам, отличаются по системе команд и взаимозаменяемость их не возможна.

В вычислительной системе могут быть несколько параллельно работающих процессоров; такие системы называются многопроцессорными. Если два процессора имеют одинаковую систему команд, то они полностью совместимы на программном уровне. Это означает, что программа, написанная для одного процессора, может исполняться и другим процессором. Процессоры, имеющие разные системы команд, обычно, несовместимы или ограниченно совместимы на программном уровне.

Топологическая норма изготовления. Обычно выполняются МП с нормами 180-, 130- и 90-нанометров (например, Intel Pentium 4 имеет 90-нанометровую технологию).

Количество транзисторов на кристалле имеет порядок 10 – 100 млн при размере 464 мм² кристалла.

---

Тактовая частота. Определяет быстродействие процессора. За несколько тактов выполняется одна команда. В основе работ процессора лежит тот же тактовый принцип, что и в обычных часах. Исполнение каждой команды занимает определенное количество тактов.

Тактовый сигнал процессор получает от материнской платы, которая, в отличие от процессора, представляет собой не кристалл кремния, а большой набор из проводников и микросхем. По физической причине материнская плата не может работать с такими же высокими частотами, как процессор.

Количество процессорных ядер на кристалле. МП могут выполняться как двух-, так и более ядерные. Например, IBM Power 4 и UltraSPAPC IV+ фирмы Sun Microsystems содержит по два процессорных ядра.

Разрядность процессора показывает, сколько бит данных он может принять и обработать в регистрах за один такт. Одни из первых процессоров х86 были 16-разрядными. Начиная с процессора 80386 они имеют 32-разрядные архитектуры. Разрядность процессора определяется не разрядностью шины данных, а разрядностью командной шины.

Адресное пространство внешней памяти. Определяют разрядностью шины данных и шины команд.

Рабочее напряжение процессора обеспечивает мат. плата, поэтому разным маркам процессоров соответствуют разные материнские платы (их надо выбирать совместно). По мере развития процессорной техники происходят постепенные понижения рабочего напряжения. Ранние модели процессоров х86 имели рабочее напряжение 5 В. С переходом к процессорам Intel Pentium оно было понижено до 3,3 В, а в настоящее время оно составляет менее 3 В.

Производительность - мера оценки эффективности работы процессора. Производительность – это способность вычислительного средства выполнить определенный объем работы по обработке данных в единицу времени. Она оценивается с помощью тестовых программ.

• Чипсет(chipset). Это главный компонент платы, отвечающий за ее функционирование, а в конечном счете и за функционирование всего ПК. Архитектура классических чипсетов представляется двумя разновидностями микросхем:

1) микросхема North Bridge (северный мост), в основном ориентирована на поддержку работы МП, оперативной памяти (ОП), периферийной магистрали и видеоадаптера;

2) микросхема South Bridge (южный мост), отвечает чаще всего за работы относительно низкоскоростных устройств (в частности, устройства с интерфейсами IDE, USB) и связь с BIOS.

• Магистраль и шины. Связь МП с внешними устройствами (например, оперативной памятью) осуществляется по магистрали, состоящей из нескольких шин. Очень часто понятие «магистраль» сопоставляют с термином «шина». Под шиной понимают наборы линий электрических проводников, собранных по функциональному признаку (например, для передачи данных либо адреса). Работа шин характеризуется частотой синхронизации передаваемых сигналов (например, МГц) и максимальной пропускной способностью (Мбит/с для последовательной передачи либо Мбайт/с для параллельной передачи).

---

Внешнее устройство механически подключается к шине через узкий щелевой разъем, называемый слотом. На аппаратном уровне обмен электрическим сигналом производится через электронный узел устройств шины, называемый порт.

Структурная организация различных магистралей материнских плат имеет много общего. Любая стандартная магистраль содержит шину данных, адресную, линию аппаратного прерывания, канал прямого доступа к DMA (Direct Memory Access), проводники для передачи служебной информации и разводки электропитания. В общем случае самостоятельно управлять шиной может не только МП, но и устройства, подключённые к ней. На время обмена оно становиться ведущим Master устройством.

Адресная шина. Разрядность шины говорит о том, что она состоит из некоторого количества параллельных линий.

Шина данных. По этой шине происходят копирования данных из оперативной памяти в регистры процессора и реверсивно.

Шина команд. Для того чтобы процессор мог обрабатывать данные, ему нужна команда. Он должен знать, что следует сделать с теми байтами, которые хранятся в регистрах. Эти команды поступают в процессор из оперативной памяти, но не из области, где хранится массив данных, а оттуда, где хранятся программы.

• Память компьютера существует для хранения в ней данных и исполняемых программ. Определяют два основных вида памяти – внутренняя и внешняя. Основной характеристи­кой памяти является объем и время доступа. Кроме того, важной характеристикой памяти является плотность записи информации. Объем машинной памяти (в байтах) определяется максимальным количеством информации, которая может быть помещена в эту память. Время доступа к памяти (в секундах) представляет собой минимальное время, достаточное для размещения в памяти едини­цы информации. Плотность записи информации (бит/см²) пред­ставляет собой количество информации, записанной на единице поверхности носителя.

  Классификация памяти вычислительной системы

Устройства внутренней памяти Оперативная память(RAM - random access memory, ОЗУ - оперативное запоминающее устройство) быстрые запоминающее устройства, содержат команды и дан­ные, с которыми в данный момент работает процессор. От размера оперативной памяти существенно зависят скорость компьютера и то, с какими программами может работать данный ПК. При недостаточном количестве оперативной памяти многие программы либо совсем не работают, либо станут работать очень медленно. Конструктивно оперативная память представляет собой массив кристаллических ячеек, способных хранить данные. Существует много различных типов оперативной памяти, но с точки зрения физического принципа действия различают на динамическую память (DRAM) и статическую (SRAM).

---