Файл: Состав и свойства вычислительных систем. Информационное и математическое обеспечение вычислительных систем(Понятие и свойства вычислительной системы ).pdf
Добавлен: 31.03.2023
Просмотров: 116
Скачиваний: 2
Введение
Термин вычислительная система появился в начале - середине 60-х годов XX века при появлении ЭВМ III поколения. Это время знаменовалось переходом на новую элементную базу - интегральные схемы. Следствием этого явилось появление новых технических решений: разделение процессов обработки информации и ее ввода-вывода, множественный доступ и коллективное использование вычислительных ресурсов в пространстве и во времени. Появились сложные режимы работы ЭВМ – многопользовательская и многопрограммная обработка.
Под вычислительной системой понимают совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенную для сбора, хранения, обработки и распределения информации.
Создание вычислительной системы преследует следующие основные цели: повышение производительности системы за счет ускорения процессов обработки данных, повышение надежности и достоверности вычислений, предоставление пользователям дополнительных сервисных услуг и т.д.
Цель курсовой работы – рассмотреть вычислительные системы.
Задачи курсовой работы:
- рассмотреть свойства вычислительных систем;
- изучить состав вычислительные системы;
- выполнить обзор информационного и математического обеспечения вычислительных систем.
-
Понятие и свойства вычислительной системы
Электронная система – это любой электронный узел, блок, прибор или комплекс, производящий обработку информации.
Вычислительная система (или микропроцессорная система) может рассматриваться как частный случай электронной системы, предназначенной для обработки входных сигналов и выдачи выходных сигналов (рис. 1).
В качестве входных и выходных сигналов использоваться аналоговые сигналы, одиночные цифровые сигналы, цифровые коды, последовательности цифровых кодов. Внутри системы производиться хранение, накопление сигналов или информации.
Рисунок 1 – Электронная система
Ядром любой вычислительной системы является процессор.
Процессор – это тот узел, блок, который производит обработку информации внутри вычислительной системы.
Процессор выполняет:
- арифметические функции (сложение, умножение и т.д.);
- логические функции (сдвиг, сравнение, маскирование кодов и т.д.);
- временное хранение кодов (во внутренних регистрах);
- пересылку кодов между узлами микропроцессорной системы и многое другое.
Количество элементарных операций, выполняемых процессором, может достигать нескольких сотен.
Остальные узлы вычислительной системы выполняют вспомогательные функции:
- хранение информации (в том числе и управляющей информации, то есть программы);
- связь с внешними устройствами;
- связь с пользователем и т.д.
Все операции процессор выполняет последовательно, то есть одну за другой, по очереди. С одной стороны, это достоинство, так как позволяет с помощью всего одного процессора выполнять любые, самые сложные алгоритмы обработки информации. С другой стороны, последовательное выполнение операций приводит к тому, что время выполнения алгоритма зависит от его сложности.
Вычислительная система способна сделать все, но работает она не слишком быстро, поскольку все информационные потоки приходится пропускать через один узел – микропроцессор (рис. 2). В традиционной цифровой системе можно легко организовать параллельную обработку всех потоков информации, за счет усложнения схемы обработки потоков.
Рисунок 2 – Информационные потоки в вычислительной системе
Выполняемая в конкретный момент времени операция определяется управляющей информацией, программой.
Программа представляет собой набор команд (инструкций), составленный человеком (программистом).
Команда (инструкция) – цифровой код, расшифровав который, процессор узнает, что ему надо делать.
Каждая команда имеет свое время выполнения, поэтому время выполнения всей программы зависит не только от количества команд в программе, но и от того, какие именно команды используются.
Все команды, выполняемые процессором, образуют систему команд процессора. Структура и объем системы команд процессора определяют его быстродействие, гибкость, удобство использования.
Система команд может быть рассчитана на узкий круг решаемых задач (у специализированных процессоров) или на максимально широкий круг задач (у универсальных процессоров). Коды команд могут иметь различное количество разрядов (занимать от одного до нескольких байт).
Для выполнения команд в структуру процессора входят: внутренние регистры, арифметико-логическое устройство (АЛУ), мультиплексоры буферы, регистры и другие узлы.
Работа всех узлов процессора синхронизируется общим внешним тактовым сигналом – синхроимпульсом. Процессор представляет собой довольно сложное цифровое устройство (рис. 3).
Рисунок 3 – Пример структуры простейшего процессора
Для достижения максимальной универсальности и упрощения протоколов обмена информацией в вычислительных системах применяется так называемая шинная структура связей между отдельными устройствами, входящими в систему.
При классической структуре связей (рис. 4) все сигналы и коды между устройствами передаются по отдельным линиям связи. Каждое устройство, входящее в систему, передает свои сигналы и коды независимо от других устройств. При этом в системе получается много линий связи и разных протоколов обмена информацией.
Рисунок 4 – Классическая структура связей
При шинной структуре связей (рис. 5) все сигналы между устройствами передаются по одним и тем же линиям связи, но в разное время (мультиплексированная передача). Причем передача по всем линиям связи может осуществляться в обоих направлениях (двунаправленная передача).
В результате количество линий связи существенно сокращается, а правила обмена (протоколы) упрощаются.
Рисунок 5 – Шинная структура связей
Группа линий связи, по которым передаются сигналы или коды как называется шиной.
Достоинства шинной структуры связей:
- простота пересылки всех информационных потоков в нужном направлении;
- все устройства, подключенные к шине, должны принимать и передавать информацию по одним и тем же правилам (протоколам обмена информацией по шине), полэтому все узлы, отвечающие за обмен с шиной в этих устройствах, должны быть единообразны и унифицированы.
Недостатки шинной структуры связей:
- вся информация передается по линиям связи последовательно во времени, по очереди, что снижает быстродействие системы по сравнению с классической структурой связей;
- все устройства подключаются к каждой линии связи параллельно, поэтому любая неисправность любого устройства может вывести из строя всю систему, если она портит линию связи;
- отладка системы с шинной структурой связей довольно сложна и обычно требует специального оборудования.
- Состав вычислительной системы
Состав вычислительной системы называется конфигурацией. Аппаратные и программные средства вычислительной техники принято рассматривать отдельно.
К аппаратному обеспечению вычислительных систем относят устройства и приборы, реализующие аппаратную конфигурацию. Современные компьютеры и вычислительные комплексы имеют блочно-модульную аппаратную конфигурацию, ориентированную на выполнение конкретных видов работ, и собираются из готовых узлов и блоков.
Типичная аппаратная конфигурация вычислительной системы включает в себя три основных типа устройств (рис. 6):
- процессор;
- внутренняя память, которая служит для хранения данных и программ;
- устройства ввода/вывода, служащие для связи микропроцессорной системы с внешними устройствами, для приема (ввода, чтения) входных сигналов и выдачи (вывода, записи) выходных сигналов.
Рисунок 6 – Структура вычислительной системы
Под внутренней памятью вычислительной системы понимают все виды запоминающих устройств, расположенные на материнской плате. К ним относятся:
- оперативная память (RAM) – это массив кристаллических ячеек, способных сохранять данные. Она используется для оперативного обмена информацией между процессором, внешней памятью и периферийными системами. Из нее процессор берет программы и данные для обработки, в нее записываются полученные результаты. Название «оперативная» происходит оттого, что эта память работает очень быстро и процессору не нужно ждать при считывании и записи данных. Однако данные в ней сохраняются лишь временно при включенном компьютере. Основными характеристиками оперативной памяти являются объем памяти и время доступа.
- постоянная память (ROM) – в момент включения компьютера в его оперативной памяти отсутствуют любые данные, поскольку оперативная память не может сохранять данные при отключенном компьютере. Но процессору необходимы команды, в том числе и сразу после включения. Поэтому процессор обращается по специальному стартовому адресу, который ему всегда известен, за своей первой командой. Этот адрес указывает на память, которую принято называть постоянной памятью ROM или постоянным запоминающим устройством (ПЗУ). Микросхема ПЗУ способна продолжительное время сохранять информацию, даже при отключенном компьютере. Программы, находящиеся в ПЗУ, записываются туда на этапе изготовления микросхемы. Комплект программ, находящийся в ПЗУ образовывает базовую систему ввода/вывода BIOS (Basic Input Output System). Основное назначение этих программ состоит в том, чтобы проверить состав и трудоспособность системы и обеспечить взаимодействие с клавиатурой, монитором, жесткими и гибкими дисками.
- энергонезависимая память (CMOS) – для своей работы программы BIOS требуют всю информацию о текущей конфигурации системы. Эту информацию нельзя сохранять в оперативной или постоянной памяти. Специально для этих целей на материнской плате есть микросхема энергонезависимой памяти, которая называется CMOS. От оперативной памяти она отличается тем, что ее содержимое не исчезает при отключении компьютера, а от постоянной – тем, что данные можно заносить туда и изменять самостоятельно, в соответствии с тем, какое оборудование входит в состав системы. Микросхема памяти CMOS постоянно питается от небольшой батарейки, расположенной на материнской плате. Таким образом, программы BIOS считывают данные о составе компьютерной системы из микросхемы CMOS, после чего они могут осуществлять обращение к жесткому диску и другим устройствам.
Устройства вычислительной системы по способу расположения относительно центрального процессорного устройства делятся на внутренние и внешние. Внешними, как правило, являются большинство устройств ввода-вывода данных (периферийные устройства) и некоторые устройства, предназначенные для длительного хранения данных.
Согласование между отдельными узлами и блоками выполняют с помощью аппаратных интерфейсов. Стандарты на аппаратные интерфейсы в вычислительной технике называют протоколами.
Многочисленные интерфейсы, присутствующие в архитектуре любой вычислительной системы, можно условно разделить на две большие группы: последовательные и параллельные. Через последовательный интерфейс данные передаются последовательно, бит за битом, а через параллельный – одновременно группами битов.
Все устройства вычислительной системы объединяются общей системной шиной (системной магистралью или каналом).
Системная магистраль включает в себя четыре основные шины нижнего уровня:
- шина адреса (Address Bus);
- шина данных (Data Bus);
- шина управления (Control Bus);
- шина питания (Power Bus).
Шина адреса служит для определения адреса (номера) устройства, с которым процессор обменивается информацией в данный момент. Каждому устройству (кроме процессора), каждой ячейке памяти в микропроцессорной системе присваивается собственный адрес. Когда код какого-то адреса выставляется процессором на шине адреса, устройство, которому этот адрес приписан, понимает, что ему предстоит обмен информацией. Шина адреса может быть однонаправленной или двунаправленной.
Шина данных – это основная шина, которая используется для передачи информационных кодов между всеми устройствами микропроцессорной системы. Обычно в пересылке информации участвует процессор, который передает код данных в какое-то устройство или в ячейку памяти или же принимает код данных из какого-то устройства или из ячейки памяти. Но возможна также и передача информации между устройствами без участия процессора. Шина данных всегда двунаправленная.
Шина управления отличие от шины адреса и шины данных состоит из отдельных управляющих сигналов, каждый из которых имеет свою функцию. Некоторые сигналы служат для стробирования передаваемых или принимаемых данных (то есть определяют моменты времени, когда информационный код выставлен на шину данных). Другие управляющие сигналы могут использоваться для подтверждения приема данных, для сброса всех устройств в исходное состояние, для тактирования всех устройств и т.д. Линии шины управления могут быть однонаправленными или двунаправленными.