Файл: Локальные и глобальные сети эвм основы компьютерной коммуникации. Принципы построения сетей. Компьютерная сеть.pdf

93 соответственно увеличения плотности расположения элементов в микросхеме процессора является уменьшение толщины проводников. В современных процессорах нормы толщины проводников снижены до 0,18 -
0,09 мкм. Чем меньше размер одного электронного элемента, тем выше тактовая частота процессора.
Многоядерность.
История развития центральных процессоров довольно интересна. Если проследить за ней с появления первых настольных компьютеров, то становится, очевидно, что основным двигателем производительности было повышение тактовой частоты. Но всё в природе имеет придел. С увеличением частоты тепловыделение процессоров нелинейно растёт, что в конечном итоге приводит к слишком высоким значениям. Не помогает даже использование более тонких технических процессов, при создании транзисторов выход нашли в использование нескольких ядер в одном кристалле. Многоядерность сродни использованию нескольких отдельных процессоров в одном компьютере. Только находятся они в одном кристалле и не полностью независимы (например, использование общей кэш-памяти). При использовании уже имеющегося программного обеспечения, созданного для работы только с одним ядром, это даёт определённый плюс. Так, можно запустить одновременно две ресурсоёмкие задачи без какого-либо дискомфорта. А вот ускорение одного процесса – задача для таких систем непосильная. Таким образом, мы получаем практически тот же самый одноядерный процессор с небольшим бонусом в виде возможности использования нескольких требовательных программ одновременно. Выход из данной ситуации очевиден – разработка нового поколения
ПО, способного задействовать несколько ядер одновременно. Этот процесс можно назвать распараллеливанием процессов.
На деле всё оказалось довольно сложно. Переход к многоядерным процессорам может дать заметный толчок развитию индустрии виртуализации. Виртуализация ресурсов процессоров позволит осуществлять параллельную обработку разных приложений и потоков данных.

94
Многоядерность, многопоточность, виртуализация и энергосбережение становятся ключевыми направлениями развития процессорной индустрии.
Для увеличения производительности процессора в компьютерах используют сопроцессор.
Сопроцессор
- процессор, выполняющий операции определенной направленности.
Математический
сопроцессор - это процессор, выполняющий операции над числами с плавающей запятой.
Основные направления совершенствования процессоров:

уменьшение размеров и увеличение плотности элементов;

увеличение разрядности;

параллельное исполнение команд;

развитие системы команд;

оптимизация кэш-памяти.
Изучив'>Оперативная
память компьютера
Изучив
материал, студент должен знать:

виды памяти компьютера;

внешние запоминающие устройства;

основные характеристики запоминающих устройств.
Изучив
материал, студент должен уметь:

использовать различные запоминающие устройства для хранения информации.
Оперативная память или Оперативное Запоминающее Устройство
(ОЗУ) или Random Access Memory (RAM) – это внутренняя память компьютера, которая допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения команд процессором, т.е. в ходе выполнения программ.
Оперативная память служит для того, чтобы хранить всю информацию, поступающую в компьютер во время его работы. Любая программа, с которой мы собираемся работать, записывается или как говорят "загружается" в оперативную память, и в памяти хранятся все данные и

95 результаты вычислений, которые производятся процессором во время выполнения программы.
Объем оперативной памяти влияет на скорость работы компьютера.
Если объем памяти невелик, то для хранения промежуточных данных при работе программы, процессор удаляет некоторые, не нужные при данной операции, модули программы из оперативной памяти, затем удаленные модули вновь записываются в память. Все эти операции увеличивают время выполнения программ. Если оперативная память имеет достаточный объем, то никаких лишних операций процессор не производит и компьютер работает быстрее.
Объем адресуемой памяти зависит от типа процессора, в частности от разрядности адресной шины.
Информация в оперативной памяти сохраняется, пока включен компьютер. Плата оперативной памяти приведена на рисунке 26.
Рисунок 26 – Плата оперативной памяти
Оперативная память Random Access Memory (RAM) – это массив кристаллических ячеек, способных хранить данные.
С точки зрения физического принципа действия различают
динамическую память (DRAM) и статическую память (SRAM).
Динамическая память (DRAM) - динамический тип памяти с произвольной выборкой и матричной реализацией. Каждый бит такой памяти представляется в наличии или отсутствии разряда на конденсаторе. Для
реализации одного запоминающего элемента динамической памяти
требуется
1-2
транзистора.
Это наиболее распространенный и экономически доступный тип памяти. Недостатки этого типа связаны, во-

96 первых, с тем, что как при разряде конденсаторов неизбежны переходные
процессы, то есть запись данных происходит сравнительно медленно.
Второй важный недостаток связан с тем, что заряды ячеек имеют свойство
рассеиваться в пространстве (разряжаться), причем весьма быстро. Если оперативную память постоянно не подзаряжать, утрата данных происходит через несколько сотых долей секунды. Для борьбы с этим явлением в компьютере происходит постоянная регенерация (освежение, подзарядка) ячеек оперативной памяти. Регенерация осуществляется несколько десятков раз в секунду и вызывает непроизводительный расход ресурсов вычислительной системы.
Статический тип оперативной памяти (SRAM) - ячейки этого типа памяти можно представить как электронные микроэлементы - статические триггеры. В триггере храниться не заряд, а состояние (включен/выключен), поэтому этот тип памяти обеспечивает более высокое быстродействие, хотя технически он сложнее и дороже. Для реализации одного запоминающего элемента такого типа оперативной памяти необходимо 4-6 транзисторов.
Микросхемы динамической памяти используются в качестве основной
оперативной памяти компьютера. Микросхемы статической памяти используются в качестве вспомогательной памяти (например, для кэш- памяти), предназначенной для оптимизации работы процессора.
Максимальное количество оперативной определяется микропроцессорным комплектом (чипсетом) материнской платы.
Оперативная память компьютера размещается на стандартных панельках, называемых модулями. Модули оперативной памяти вставляют в соответствующие разъемы на материнской плате.
В видеопамяти также используется динамическая оперативная память, работа которой имеет ряд особенностей, которые будут рассмотрены в разделе видеоподсистема.
Появилась магнитная память MRAM в интегральном исполнении.
Сочетая скорость SRAM и возможность хранения информации при

97 отключённом питании,
MRAM является перспективной заменой используемым ныне типам ROM и RAM. Однако она на сегодняшний день приблизительно вдвое дороже микросхем SRAM (при той же ёмкости и габаритах).
Шинные
интерфейсы и контроллеры
Связь между всеми собственными и подключаемыми устройствами материнской платы выполняют ее шины и логические устройства, размещенные в микросхемах микропроцессорного комплекта (чипсета). От архитектуры этих элементов во многом зависит производительность компьютера.
Обмен информацией между внешними устройствами и внутренней памятью компьютера осуществляется через два промежуточных звена. Во- первых, для каждого внешнего устройства в компьютере имеется электрическая схема, которая им управляет. Эта схема называется
контроллером
, или адаптером. Некоторые контроллеры могут управлять сразу несколькими устройствами. Во-вторых, все контроллеры и адаптеры взаимодействуют с микропроцессором и оперативной памятью через магистраль передачи данных, которую называют шиной.
Шина
- совокупность проводов и разъемов, обеспечивающих взаимодействие устройств компьютера.
Подсоединение периферийных устройств (мышь, внешние модемы, сканеры, цифровые фотокамеры, принтеры и т.п.) производится через специальные интерфейсы, называемые портами ввода-вывода.
Порт
(канал ввода-вывода) - путь, по которому происходит обмен данными между микропроцессором и микросхемами внешних устройств.
Последовательный порт передает информацию побитно, а параллельный – побайтно.
Обычно в
ПК имеются один параллельный и два последовательных порта.

98
Ранее последовательные порты использовались для подключения мыши и внешних модемов, а параллельные – для подключения принтеров, сканеров и ключей защиты программ. В настоящее время последовательные и параллельные порты вытеснены шиной USВ (Universal Serial Bus), которая является обязательным элементом современного ПК.
Шина USB представляет собой последовательный интерфейс передачи данных для средне - и низкоскоростных периферийных устройств. Она рассчитана па подключение до 127 устройств, поддерживает их автоопределение Plug and play, а также подключение к работающему компьютеру без его перезагрузки.
Платы расширения предназначены для подключения к шине ПК дополнительных устройств. Они устанавливаются в разъемы расширения на материнской плате.
Основные типы дочерних плат:

видеоадаптеры;

звуковые платы;

внутренние модемы и факс-модемы;

адаптеры локальной сети;

SCSI-адаптеры.
Устройства
хранения информации.
Внешняя
память компьютера. Накопители
Устройства хранения информации называют накопителями. В основе их работы лежат разные принципы (в основном это магнитные или оптические устройства), но используются они для одной цели – хранения информации и последующего многократного ее использования. Этот вид памяти, в отличие от оперативной памяти, является энергонезависимым.
Объем носителей внешней памяти значительно превосходит объем оперативной памяти. Стоимость хранения единицы информации значительно

99 ниже. Сам накопитель рассматривают как совокупность носителя и соответствующего привода.
Накопители бывают:
−
внешними, имеющими свой корпус и источник питания;
−
внутренними, встраиваемыми в корпус компьютера.
Внутренние накопители размещаются внутри системного блока ПК и подключаются через интерфейсы IDE и SCSI, а внешние – вне системного блока и подключаются через шины USB и Fire Wire.
Кроме того, различают накопители со сменными носителями и
несменными носителями.
В зависимости от типа носителя подразделяют на накопители на магнитной ленте и накопители на диске.
Накопители на магнитной ленте называют устройствами последовательного доступа к информации. Дисковые накопители называют устройствами прямого доступа к информации.
Накопители имеют следующие характеристики: максимально возможный объем хранимой информации; время доступа к данным; надежность работы Немаловажное значение имеет стоимость хранения информации.
Жесткие
диски (винчестеры)
Накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД), жесткий диск – основное устройство для долговременного хранения больших объемов программ и данных.
На самом деле это не один диск, а группа соосных дисков, имеющих магнитное покрытие и вращающихся с огромной скоростью. Жесткий диск современного компьютера и жесткий диск со снятой крышкой показаны на рисунках 3 и 4.

100
Рисунок 3 - Жесткий диск (винчестер)
Рисунок 4 - Жесткий диск со снятой крышкой
Таким образом, этот диск имеет не две поверхности, как должно быть у обычного плоского диска, а 2n-2 поверхностей для записи и чтения, где n – число отдельных дисков в пакете. Над каждой поверхностью располагается головка для чтения-записи данных. При высоких скоростях вращения дисков в зазоре между головкой и поверхностью образуется аэродинамическая подушка. При изменении силы тока, протекающего через головку, происходит изменение напряженности динамического магнитного поля в зазоре, что вызывает изменения в стационарном магнитном поле ферромагнитных частиц, образующих покрытие диска. Так осуществляется запись данных на магнитный диск. Операция считывания происходит в обратном порядке. Намагниченные частицы покрытия, проносящиеся с огромной скоростью близи головки, наводят в ней ЭДС самоиндукции.
Электромагнитные сигналы, возникающие при этом, усиливаются и передаются на обработку.
Магнитная головка (их несколько в специальном позиционере) является одной из наиболее важных частей устройства. Конструкция магнитных головок постоянно совершенствуется.
К основным параметрам жесткого диска относятся емкость и
производительность. Емкость дисков зависит от технологии изготовления. В настоящее время большинство производителей используют изобретенную

101 компанией
IBM технологию с использованием гигантского магниторезистивного эффекта. (GMR – технологию).
Производительность жестких дисков в первую очередь зависит от характеристик интерфейса, с помощью которого они связаны с материнской платой (т.е. от типа контроллера и шины передачи данных).
Современные НЖМД обладают достаточно большой надежностью, а их скорость обычно достаточна для решения любых стандартных задач.
Исключение составляют задачи, требующие записи/считывания с диска большого потока данных, например при записи на диск видеоданных с высоким разрешением. Высокопроизводительные НЖМД требуются также для использования в серверах.
Кроме скорости передачи данных с производительностью диска напрямую связан параметр среднего времени доступа. Он определяет интервал времени, необходимый для поиска нужных данных, и зависит от скорости вращения диска.
Надежная работа жесткого диска обеспечивается как производителем, так и потребителем.
Производитель обеспечивает надежность конструктивными и технологическими мероприятиями и подтверждает их эффективность высокими значениями среднего времени наработки на отказ.
Конкретный подход к надежности на уровне отдельного диска, предусматривает SMART (Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology)
– система контроля за некоторыми критическими узлами, интегрируемая во все жесткие диски. На основе информации, предоставляемой SMART, пользователь в случае необходимости может принять соответствующие меры по устранению неисправностей, вплоть до замены жесткого диска. Фирма
Western Digital начала встраивать в свои жесткие диски специальную систему
Data Lifeguard, основанную на SMART. Она действует полностью автоматически и через определенные промежутки времени производит сканирование поверхности носителей, проверяя целостность данных.

102
Проблемные участки заново переписываются, либо информация переносится на другие участки носителя.
Потребитель, чтобы обеспечить надежную работу диска, в большинстве случаев просто должен соблюдать нормальные условия эксплуатации. Проблемы могут возникать с температурным режимом, причем для дисков с высокой скоростью вращения. В некоторых случаях важным фактором становиться устойчивость диска к внешним воздействиям, т.е. ударные и вибрационные нагрузки должны быть минимальны. Установка жесткого диска должна производиться опытным персоналом. По статистике
80% возвратов вызвано неквалифицированной установкой.