75

мації, нарощування розрядності та ємності основної пам'яті. Подано типи сучасних дискових систем та обґрунтування використання масивів магнітних дисків з над-лишковістю, а також робота шести базових типів дискових масивів RAID: RAID 0, RAID 1, ... , RAID 5 та дискових масивів, створених на їх основі. Описано роботу оптичної пам'яті та пам'яті на магнітних стрічках.

Виходячи з принципу ієрархічної організації пам'яті, в десятому розділі описано організацію взаємодії між рівнями ієрархічної пам'яті. Зокрема, наведено принци­пи обміну інформацією між рівнями ієрархічної пам'яті, характеристики, які ви­користовуються для оцінки ефективності ієрархічної пам'яті, пояснено місце кеш пам'яті в складі комп'ютера, призначення і логіку роботи кеш пам'яті, описано переваги поділу кеш пам'яті першого рівня на кеш пам'ять даних та кеш пам'ять команд. Обгрунтовано різноманітність методів відображення основної пам'яті на кеш пам'ять, показано якими методами забезпечується узгодженість вмісту осно­вної і кеш пам'яті, чим обумовлене введення додаткових рівнів кеш пам'яті й які чинники впливають на вибір ємності кеш пам'яті і розміру блоку. Введено поняття статичного і динамічного розподілу пам'яті, поняття віртуальної пам'яті та сто­рінкової організації пам'яті. Описано алгоритми заміщення, які використовуються при завантаженні в основну пам'ять вмісту зовнішньої пам'яті, призначення буфера швидкого перетворення адреси. Розглянуто сегментну організацію пам'яті та пи­тання захисту пам'яті.

В одинадцятому розділі наведено пояснення способів розпізнавання пристроїв введення-виведення з використанням шини введення-виведення, лінії активації та прихованого пам'яттю введення-виведення. Наведено схему та описано функції ін-терфейсної схеми пристроїв введення-виведення. Наведено чотири загальних мето­ди керування введенням-виведенням і пояснено суть, переваги та недоліки програмно керованого введення-виведення. Введено основні поняття та характеристики сис­теми переривання програм. Наведено опис прямого доступу до пам'яті, його пере­ваги і недоліки, описано організацію введення-виведення під керуванням периферійних процесорів.

У дванадцятому розділі розглянуто питання подальшого підвищення продуктив­ності обробки інформації шляхом створення паралельних комп'ютерних систем. На­ведено основні положення класифікації комп'ютерних систем, запропоновані Шором та Фліном, і відповідні класифікаціям структури комп'ютерних систем, зокрема з спільною та з розподіленою пам'яттю, з однорідним доступом до пам'яті та з нео­днорідним доступом до пам'яті, а також лише з кеш пам'яттю. Наведено типи ко­мунікаційних мереж багатопроцесорних систем.

Головною ідеєю книги є концентроване викладення та пояснення базових концепцій побудови сучасних комп'ютерів без заглиблення в роботу конкретних комп'ютерних систем, що дає змогу зорієнтуватися у взаємозалежностях та зв'язках елементів ар­хітектури комп'ютера з метою забезпечення її цілісного бачення і розуміння, та за-

---

Матеріал підручника написано на основі курсів лекцій, прочитаних автором в Національному університеті "Львівська політехніка" та в кількох закордонних уні­верситетах, та на основі його багаторічної наукової діяльності. Хотів би виразити щиру подяку багатьом колегам і друзям за підтримку та допомогу в цій моїй діяльнос­ті. Окрема подяка доцентам кафедри ЕОМ Національного університету "Львівська політехніка" В. С. Глухову та В. В. Троценку за обговорення та поради, зроблені під час написання підручника. І, звичайно, велика подяка моїй дружині Тетяні та синам Віктору і Юрію за терпіння та розуміння необхідності виконання цієї роботи.

Ми з вдячністю приймемо всі зауваження та побажання.

Автор

---

^{Розділ 1}

Сучасний комп'ютер. Основні поняття

В цьому розділі розглядаються історичні аспекти розвитку комп'ютерів, подаються основні поняття, функції та основні функціональні вузли комп'ютера, їх взаємозв'язок, а також загальна організація роботи комп'ютера. Проводиться аналіз та даються по­яснення одиниць вимірювання технічних характеристик комп'ютера та аналізуються закономірності їх зміни з розвитком елементної бази. Вводиться поняття архітектури комп'ютера та виділяються особливості архітектури Джона фон Неймана та відмінні риси комп'ютерів ненейманівських архітектур. Розглядаються характерні риси та сфе­ри застосування різних типів комп'ютерів: персональних, робочих станцій, багатотер-мінальних систем, серверів, великих універсальних комп'ютерних систем, кластерів, мікроконтролерів, суперкомп'ютерів та спеціалізованих комп'ютерів. Обґрунтовується місце предмету даної книги серед суміжних дисциплін та порядок його розгляду.

1.1. Історичні аспекти розвитку комп'ютерів

В 1946 році Джон фон Нейман (John von Neumann) описав архітектуру комп'ютера, яка є найпоширенішою і в даний час. В своїй науковій роботі він назвав новий пристрій обчислювальним інструментом (computing instrument), звідки логічно появилася сучас­на назва комп'ютера. Ця архітектура дістала назву архітектури Джона фон Неймана, хоча в зарубіжній літературі частіше використовується термін "Instruction Set Architecture" ("архітектура системи команд"), що вказує як на рівень опису архітектури комп'ютера, так і на програмний принцип його роботи. До перших розробників та впроваджувачів цієї архітектури належать Чарльз Бебідж (Charles Babbedz), конструктор двох механіч­них комп'ютерів - різницевої та аналітичної машини (1822-1833 pp.), Джон Атанасов (John Atanasoff) - автор першого спеціалізованого комп'ютера ABC (1939 рік), Конрад Цузе (Konrad Cuze) (1936-1944 pp.) та Ховард Айкен (Howard Aiken) (1941-1946 pp.) кон­структори перших електромеханічних комп'ютерів відповідно Z1-Z4 та Маrk1-Марк2, Алан Тюрінг (Allan Turing) - один з розробників першого електронного комп'ютера Co­lossus (1943 рік), Преспер Екерт (Presper Eckert) та Джон Моучлі (John Mauchly) - роз­робники першого універсального комп'ютера ЕХ'ІАС (1946 рік), який був описаний в науковій роботі Джона фон Неймана, Мауріс Уілкс (М. Wilkes) - розробник проекту комп'ютера EDSAC (1946 рік).

До перших електронних комп'ютерів з програмним керуванням належить і мала електронно-лічильна машина (МЕЛМ), створена в 1951 році в Інституті електродинамі­ки Академії Наук України, м. Київ під керівництвом академіка С. А. Лєбєдєва (рис. 1.1).

---

18

Рис. 1.1. Перший в СРСР універсальний електронний комп'ютер MEJ1M (Україна, 1951)

Сучасний стан технології проектування комп'ютерів базується на теоретичних ро­ботах ряду видатних дослідників, в першу чергу С. Крея, засновника фірми Cray Resea­rch, яка випустила кілька поколінь найпотужніших в світі комп'ютерів; М. Фліна, який розробив найуживанішу класифікацію комп'ютерів, Г. Амдаля, який сформував ряд но­вітніх положень розвитку комп'ютерів, Р. Томасуло, який запропонував підхід до вирі­шення питання ефективного завантаження комп'ютера, Д. Коука, який запропонував ар­хітектуру "Америка", на основі якої збудовано комп'ютер з спрощеною системою команд RS/6000 фірми IBM (усі вони є вихідцями з цієї фірми), Д. Хеннессі (Стенфордський уні­верситет), автора архітектури комп'ютера з спрощеною системою команд MIPS, засно­вника фірми MIPS (зараз це підрозділ фірми Silicon Graphics, однієї з провідних фірм по виготовленню суперкомп'ютерів), Д. Паттерсона (Каліфорнійський університет), авто­ра архітектури комп'ютерів з спрощеною системою команд RISC І та RISC II, технології RAID збереження даних тощо. Їх ідеї були апробовані шляхом створення та практично­го використання комп'ютерів фірм Cray Research, IBM, Silicon Graphics, Intel, MIPS, SUN Microsystems, Digital Equipment Corporation, Transmeta та багатьох інших.

1.2. Функції, структура та характеристики комп'ютера

1.2.1. Функції та основні функціональні вузли комп'ютера

Комп'ютер представляє собою електронний пристрій, який містить апаратні засоби і програмне забезпечення та автоматично, відповідно до програми, виконує алгоритм вирішення заданої задачі. Під алгоритмом розуміють точний припис, що задає обчислю­вальний процес вирішення задачі, а під задачею - сформульоване намагання отримати з множини вхідних даних і початкових умов та з множини можливих вихідних даних підмножину вихідних даних, що повністю задовольняють початкові умови і вхідні дані. Алгоритм характеризується множиною параметрів вхідних, проміжних та вихідних да­них, правилом вводу даних, правилом початку, правилом обробки даних, правилом за­кінчення, правилом виводу даних. Для виконання алгоритму комп'ютер приймає вхідну

---

79

інфомацію в цифровій формі, обробляє її відповідно до вказівок команд програми ви-конання алгоритму, та видає результати обчислень.

До основних функцій, які виконує комп'ютер, належать наступні:

> сприйняття вхідної інформації - вхідних даних, які підлягають обробці, та про­
грам вирішення задач (програм обробки вхідних даних);

> зберігання інформації, тобто вхідних і проміжних даних та результатів обчис­
лень, програм вирішення задач, довідникової інформації, програм операційної системи
комп'ютера і т. д.;

• виконання арифметичних, логічних та інших операцій;

• автоматичне керування роботою складових частин комп'ютера, їх взаємодією між собою та з зовнішніми пристроями відповідно до програми;

• виведення результатів обчислень.

Для забезпечення виконання цих функцій до складу комп'ютера повинні входити такі основні функціональні вузли: пристрої введення інформації, пристрої виведення інформації, пам'ять та процесор, як це показано на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Основні функціональні вузли комп'ютера

Коротко зупинимось на функціях та складі кожного вузла комп'ютера. Пристрої введення-виведення виконують введення та виведення інформації. До чис­та пристроїв введення-виведення належать:

> пристрої введення - клавіатура, миша, сканер, відеокамера і т. д.;

> пристрої виведення - монітори (з електронно-променевою трубкою та рідкокрис-
талічні), принтер, графопобудовувач і т. д.

Пам'ять призначена для зберігання інформації. Типи пам'яті:

> кеш пам'ять (КП) - високошвидкісна пам'ять невеликої ємності, використання
якої дозволяє прискорити обмін інформацією між основною пам'яттю і процесором.

---

Смотрите также файлы

• Екологія посібник.doc

• LR3_[5405].doc

• Питання до модуля 1 з АК.doc

• Питання до 1 модуля з КЕ.doc

• ДБН В.3.2-2-2009_Жил_здания_реконст_кап_ремонт.doc