Файл: Состав и свойства вычислительных систем (Математическое обеспечение вычислительной системы).pdf
Добавлен: 17.05.2023
Просмотров: 44
Скачиваний: 3
Важной особенностью этой архитектуры является ее открытость, то есть возможность включения в компьютер дополнительных устройств, как системных устройств, так и различных плат расширения. Открытость также подразумевает возможность простого встраивания пользовательских программ на любом уровне компьютерного программного обеспечения[19,С. 188].
Первый компьютер семейства, широко распространенный, IBM PC XT был сделан на основе оригинальной системной магистрали ПК XT-Bus. Позже (начиная с IBM PC / AT) он был доработан до основной линии, которая стала стандартом и получила название ISA (архитектура промышленного стандарта). До недавнего времени ISA оставалась основой компьютера.
Однако с появлением процессоров i486 (в 1989 году) он перестал отвечать требованиям к производительности и стал дублироваться более быстрыми шинами: VLB (VESA Local Bus) и PCI (Peripheral Component Interconnect bus) - или заменен совместимым ISA магистральный EISA (расширенный ISA). Постепенно шина PCI вытеснила конкурентов и стала стандартом де-факто, а с 1999 года новым компьютерам рекомендуется полностью отказаться от магистрали ISA, оставив только PCI. Однако в этом случае вам придется отказаться от использования карт расширения, разработанных в течение многих лет для подключения к магистрали ISA.
Еще одно направление совершенствования архитектуры персонального компьютера связано с максимальным ускорением обмена информацией с системной памятью. Именно из системной памяти компьютер считывает все исполняемые команды и сохраняет данные в системной памяти. То есть процессор делает большинство попаданий в память. Ускорение обмена с памятью приводит к значительному ускорению всей системы в целом.
Но при использовании для обмена с памятью системной шины необходимо учитывать ограничения скорости магистрали. Магистраль системы должна взаимодействовать с большим количеством устройств, поэтому она должна иметь довольно большую длину; это требует использования входных и выходных буферов для выравнивания с магистральными линиями. Циклы обмена на магистрали системы сложны и не могут быть ускорены. В результате значительного ускорения обмена процессора с памятью на транке достичь невозможно.
Разработчики предложили следующий подход. Системная память подключена не к системной шине, а к специальной высокоскоростной шине, расположенной «ближе» к процессору, которая не требует сложных буферов и больших расстояний. В этом случае обмен с памятью идет как можно быстрее для процессора, а системная магистраль не замедляет его. Это особенно актуально в связи с увеличением скорости процессора.
Таким образом, структура персонального компьютера с одной шиной, используемая только в первых компьютерах, становится трехшиной (рис. 1.3).
Рис. 1.3. Организация связей в трехшинной структуре
Назначение шин следующее:
• центральный процессор и кэш-память (быстрая буферная память) подключены к локальной шине;
• оперативная и постоянная память компьютера и контроллер системной шины подключены к шине памяти;
• все остальные компьютерные устройства подключены к системной шине (транкам).
Все три шины имеют адресные линии, линии передачи данных и управляющие сигналы. Но состав и назначение линий этих шин не совпадают друг с другом, хотя они выполняют одну и ту же функцию. С точки зрения процессора, системная шина (транк) в системе только одна; он получает данные и команды от него и передает данные как в память, так и на устройства ввода / вывода.
В этом случае временные задержки между системной памятью и процессором минимальны, поскольку локальная шина и шина памяти соединяются только простейшими высокоскоростными буферами. Между процессором и кеш-памятью задержка еще меньше, что напрямую связано с локальной шиной процессора и служит для ускорения обмена процессором с системной памятью.
Если компьютер использует две системные шины, например, 13A и PC1, то у каждой из них есть собственный контроллер шины, и они работают параллельно, не влияя друг на друга.
В наиболее распространенных настольных компьютерах класса Desktop используется материнская плата (материнская плата) в качестве конструктивной основы, на которой расположены все основные системные узлы компьютера, а также несколько разъемов (слотов) системной шины для подключения дочерние карты - карты расширения (интерфейсные модули, контроллеры-адаптеры). Как правило, современные материнские платы позволяют производить замену процессора, выбор его тактовой частоты, замену и расширение оперативной памяти, выбор режимов работы других узлов.
Развитие вычислительной техники сопровождается совершенствованием центральных процессоров. При разработке новых моделей процессоров разработчики основывались на принципах совместимости, то есть разные модели процессоров, отличающиеся по производительности, должны были выполнять одни и те же команды. Новое семейство процессоров должно иметь единую архитектуру, т.е. новая модель процессора разработана на основе любой существующей архитектуры.
Термин «архитектура процессора» относится к совокупности и способу объединения компонентов процессора, а также его совместимости с конкретным набором команд.
Знание этих двух моментов позволяет грамотно организовать интерфейс аппаратного и программного обеспечения вычислительной системы. Например, с точки зрения программиста, архитектура процессора - это способность процессора выполнять набор компьютерных кодов, а с точки зрения проектирования компьютерных компонентов архитектура процессора является отражением основных принципов внутренняя организация отдельных типов процессоров.
Но даже процессоры с одинаковой архитектурой могут значительно отличаться друг от друга. Эти различия обусловлены разнообразием процессорных ядер, которые имеют определенный набор характеристик. Наиболее частые различия - это разные частоты системной шины, а также размер кэша второго уровня и технологические характеристики, для которых создаются процессоры. Очень часто замена ядра в процессорах того же семейства также требует замены процессорного сокета, что влечет за собой проблемы совместимости с материнскими платами. Но производители постоянно совершенствуют ядро и вносят постоянные, но незначительные изменения в ядро. Такие нововведения называются ревизиями ядра и, как правило, обозначаются буквенно-цифровыми комбинациями.
2. Информационное обеспечение вычислительных систем
Информационное обеспечение вычислительных систем включает в себя, то, что если в нашем примере заменить радиопередачу телевизионной трансляцией, ведущейся на незнакомом языке, то мы увидим, что наряду с данными мы все-таки получаем определенную (хотя и не полную) информацию.
Это связано с тем, что люди, те, у кого нет визуальных дефектов, априори обладают адекватным способом восприятия данных, передаваемых электромагнитным сигналом в полосе частот видимого спектра с интенсивностью, превышающей порог чувствительности глаза. В таких случаях говорят, что способ известен по контексту, то есть данным, составляющим информацию.
(Для сравнения скажем, что слепой «зрительский» контекст метод неизвестен и оказывается в положении радиослушателя, пример с которым был рассмотрен выше) Понятие объективности информации относительно. Это понятно, если учесть, что методы субъективны.
Более объективной считается информация, в которой методы внести меньший субъективный элемент. Так, например, считается, что в результате наблюдения фотографии естественного объекта или явления формируется больше объективной информации, чем в результате наблюдения рисунка того же объекта, сделанного человеком. В ходе информационного процесса степень объективности информации всегда снижается. Это свойство учитывается, например, в юридических дисциплинах, где показания лиц, непосредственно наблюдающих за событиями или получающих информацию косвенно (посредством рассуждений или со слов третьих лиц), обрабатываются по-разному. Не менее объективна информация, принятая во внимание в исторических дисциплинах. Одни и теже события, записанные в исторических документах разных стран и народов, выглядят совершенно по-разному. Историки имеют свои собственные методы для проверки объективности исторических данных и создания новых, более надежных данных путем сравнения, фильтрации и выбора исходных данных. Обратите внимание, что речь идет не об увеличении объективности данных, а о повышении их надежности (это совершенно другое свойство).
3 Математическое обеспечение вычислительной системы
Набор программ и программных комплексов, с помощью которых происходит преобразование алгоритмов пользовательской программы, написанных в алгоритмическом порядке. Языки высокого уровня, в последовательности команд, понятных компьютерной электронике, организованы автоматически. Передача пользовательских задач на компьютер, обеспечивает эффективное использование оборудования.
Компьютеры (см. [1] - [4]). Появление было вызвано необходимостью повышения производительности труда программистов и специалистов, эксплуатирующих компьютеры. Действительно, компьютерные команды, с точки зрения возможности написания алгоритма, являются очень элементарными операциями, и написание алгоритма (программирования) в виде последовательности этих команд является трудоемкой задачей. Это стимулировало создание программного обеспечения для автоматизации. Произошло расширение операций, понимаемых электроникой машины, но это не решило проблему. Даже в современных компьютерах команды, как правило, являются элементарными операциями. Значительно больший успех был достигнут на пути создания программных средств, облегчающих программирование. Первым шагом стало создание программы для программирования на автокоде. Программа с автокодом фактически представляет собой ту же последовательность компьютерных команд, но записана с символическими символами - в мнемонической форме.
Преобразование программного кода в машинные команды осуществляется специальными программами - ассемблерами.
Затем появились макро-ассемблеры, которые позволили использовать программные макро-операторы в текстах, обеспечивающих выполнение группы машинных команд.
Первым широко распространенным стал язык фортран. Затем появились языки Алгол, Алгамс, а в СССР и Альфа-язык, предназначенный главным образом для научно-технических исследований. расчеты.
Параллельно с развитием языковых средств проводилась работа по созданию библиотеки стандартных программ.
Наряду с пополнением библиотеки стандартных подпрограмм становится все более распространенной практика создания пакетов приложений, предназначенных для решения не одной задачи, а целого класса проблем. Программный пакет представляет собой набор подпрограмм, выполняющих основанную на голове программу.
Современные компьютеры наряду с инструментами, облегчающими написание и отладку программ, также оснащены программными системами, которые обеспечивают эффективное использование самих компьютеров за счет их автоматической организации. прохождение задач (управление задачами), управление данными, динамика. распределение памяти, внешние устройства (управление ресурсами). Комбинация этих программ называется. операционная система (ОС) компьютера (см. [1] - [4], [6]). OG стали неотъемлемой частью вычислительных систем. Без операционной системы невозможно функционирование компьютера, поскольку работа внешних устройств, обмен информацией и организация взаимодействия отдельных элементов компьютера в значительной степени контролируются с помощью программ, включенных в операционную систему. Под управлением ОС работают трансляторы с алгоритмическими функциями. языки, системы программ, облегчающие программирование и отладку (в том числе в интерактивном режиме), а также обеспечивающие работу с графикой.
Операционные системы предоставляют инструменты для работы с большими массивами данных, для ведения файлов (последовательность групп данных, как правило, одной и той же структуры), создания баз данных и различных информационно-поисковых систем.
ОС предусматривает использование компьютеров в составе многокомпонентных комплексов в компьютерных сетях.
Помимо языковых инструментов, облегчающих программирование, пользователю также предоставляется возможность управлять операционной системой через управляющих операторов (перфокарты), которые вводятся в компьютер вместе с программой.