Ответы на билеты (1-ый семестр ВФ). 1. Определение информатики, составные части и краткая история развития 3
 Скачать 1.09 Mb.
|
|
Однокристальные микропроцессоры получаются при реализации всех аппаратных средств процессора в виде одной БИС или СБИС (сверхбольшой интегральной схемы). По мере увеличения степени интеграции элементов в кристалле и числа выводов корпуса параметры однокристальных микропроцессоров улучшаются. Однако возможности однокристальных микропроцессоров ограничены аппаратными ресурсами кристалла и корпуса. Для получения многокристального микропроцессора необходимо провести разбиение его логической структуры на функционально законченные части и реализовать их в виде БИС (СБИС). Функциональная законченность БИС многокристального микропроцессора означает, что его части выполняют заранее определенные функции и могут работать автономно. Многокристальные секционные микропроцессоры получаются в том случае, когда в виде БИС реализуются части (секции) логической структуры процессора при функциональном разбиении ее вертикальными плоскостями. Для построения многоразрядных микропроцессоров при параллельном включении секций БИС в них добавляются средства "стыковки". По назначению различают универсальные и специализированные микропроцессоры. Универсальные микропроцессоры могут быть применены для решения широкого круга разнообразных задач. При этом их эффективная производительность слабо зависит от проблемной специфики решаемых задач. Среди специализированных микропроцессоров можно выделить различные микроконтроллеры, ориентированные на выполнение сложных последовательностей логических операций, математические микропроцессоры, предназначенные для повышения производительности при выполнении арифметических операций за счет, например, матричных методов их выполнения, микропроцессоры для обработки данных в различных областях применений и т.д. С помощью специализированных микропроцессоров можно эффективно решать новые сложные задачи параллельной обработки данных. По характеру временной организации работы микропроцессоры делят на синхронные и асинхронные. Синхронные микропроцессоры – микропроцессоры, в которых начало и конец выполнения операций задаются устройством управления (время выполнения операций в этом случае не зависит от вида выполняемых команд и величин операндов). Асинхронные микропроцессоры позволяют начало выполнения каждой следующей операции определить по сигналу фактического окончания выполнения предыдущей операции. По организации структуры микропроцессорных систем различают микроЭВМ одно- и многомагистральные. В одномагистральных микроЭВМ все устройства имеют одинаковый интерфейс и подключены к единой информационной магистрали, по которой передаются коды данных, адресов и управляющих сигналов. В многомагистральных микроЭВМ устройства группами подключаются к своей информационной магистрали. Это позволяет осуществить одновременную передачу информационных сигналов по нескольким (или всем) магистралям. Такая организация систем усложняет их конструкцию, однако увеличивает производительность. По количеству выполняемых программ различают одно- и многопрограммные микропроцессоры. В однопрограммных микропроцессорах выполняется только одна программа. Переход к выполнению другой программы происходит после завершения текущей программы. В много- или мультипрограммных микропроцессорах одновременно выполняется несколько (обычно несколько десятков) программ. Организация мультипрограммной работы микропроцессорных управляющих систем позволяет осуществить контроль за состоянием и управлением большого числа источников или приемников информации. Микропроцессор характеризуется: - тактовой частотой, определяющей максимальное время выполнения переключения элементов в ЭВМ; - разрядностью, т.е. максимальным числом одновременно обрабатываемых двоичных разрядов. Разрядность МП обозначается m/n/k/ и включает: m – разрядность внутренних регистров, определяет принадлежность к тому или иному классу процессоров; n – разрядность шины данных, определяет скорость передачи информации; k – разрядность шины адреса, определяет размер адресного пространства; - архитектурой. Понятие архитектуры микропроцессора включает в себя систему команд и способы адресации, возможность совмещения выполнения команд во времени, наличие дополнительных устройств в составе микропроцессора, принципы и режимы его работы. Выделяют понятия микроархитектуры и макроархитектуры. Микроархитектура микропроцессора – это аппаратная организация и логическая структура микропроцессора, регистры, управляющие схемы, арифметико-логические устройства, запоминающие устройства и связывающие их информационные магистрали. Макроархитектура – это система команд, типы обрабатываемых данных, режимы адресации и принципы работы микропроцессора. В общем случае под архитектурой ЭВМ понимается абстрактное представление машины в терминах основных функциональных модулей, языка ЭВМ, структуры данных.
Ц  ентральный процессор (ЦП) (central processing unit-CPU) – процессор машинных инструкций, часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера, отвечающая за выполнение основной доли работ по обработке информации — вычислительный процесс. Современные ЦПУ, выполняемые в виде отдельных микросхем (чипов), реализующих все особенности, присущие данного рода устройствам, называют микропроцессорами. Микропроцессор — процессор (устройство, отвечающее за выполнение арифметических, логических и операций управления, записанных в машинном коде), реализованный в виде одной микросхемы или комплекта из нескольких специализированных микросхем. Микропроцессор является практически законченной системой управления. Он имеет сложную архитектуру и представляет собой сверхбольшую интегральную схему, выполненную, как правило, на одном полупроводниковом кристалле. Различные типы микропроцессоров отличаются типом и размером памяти, набором команд, скоростью обработки данных, количеством входных и выходных линий, разрядностью данных. Архитектура микропроцессора – это его логическая организация, рассматриваемая с точки зрения пользователя; она определяет возможности микропроцессора по аппаратной и программной реализации функций, необходимых для построения микропроцессорной системы. Понятие архитектуры микропроцессора отражает: - его структуру, т.е. совокупность компонентов, составляющих микропроцессор, и связей между ними; для пользователя достаточно ограничиться регистровой моделью микропроцессора; - способы представления и форматы данных; - способы обращения ко всем программно-доступным для пользователя элементам структуры (адресация к регистрам, ячейкам постоянной и оперативной памяти, внешним устройствам); - набор операций, выполняемых микропроцессором; - характеристики управляющих слов и сигналов, вырабатываемых микропроцессором и поступающих в него извне; - реакцию на внешние сигналы (система обработки прерываний). Конвейерная архитектура (pipelining) была введена в центральный процессор с целью повышения быстродействия. Обычно для выполнения каждой команды требуется осуществить некоторое количество однотипных операций, например: выборка команды из ОЗУ, дешифрация команды, адресация операнда в ОЗУ, выборка операнда из ОЗУ, выполнение команды, запись результата в ОЗУ. Каждую из этих операций сопоставляют одной ступени конвейера. CISC-процессоры (Complex Instruction Set Computing) – вычисления со сложным набором команд. RISC-процессоры (Reduced Instruction Set Computing) – вычисления с сокращённым набором команд. Архитектура процессоров, построенная на основе сокращённого набора команд. Характеризуется наличием команд фиксированной длины, большого количества регистров, операций типа регистр-регистр, а также отсутствием косвенной адресации. Основные характеристики ЦП: - тактовая частота; - кэш; - технология изготовления; - поддержка технологий. Для оптимизаций выполнения определенных задач производители ЦП внедряют в свои процессоры специальные наборы инструкций (SSE2, SSE3), они не вносят каких-то изменений в саму исполнительную часть ядра процессора, но позволяют описывать сложные последовательности команд более короткими командами и упрощать работу процессору; - наличие встроенного контроллера памяти. (“Процессор - Чипсет - ОЗУ". Этот путь сокращается за счет "переноса" контроллера памяти из чипсета – в ЦП. Тем самым схема упростилась до "Процессор - ОЗУ".) По прогнозам аналитиков, к 2012 году число транзисторов в микропроцессоре достигнет 1 млрд., тактовая частота возрастет до 10 ГГц, а производительность достигнет 100 млрд.оп/с. Основные направления развития микропроцессоров: 1. Повышение тактовой частоты. Для повышения тактовой частоты при выбранных материалах используются: более совершенный технологический процесс с меньшими проектными нормами; увеличение числа слоев металлизации; более совершенная схемотехника меньшей каскадности и с более совершенными транзисторами, а также более плотная компоновка функциональных блоков кристалла. 2. Увеличение объема и пропускной способности подсистемы памяти. Возможные решения по увеличению пропускной способности подсистемы памяти включают создание кэш-памяти одного или нескольких уровней, а также увеличение пропускной способности интерфейсов между процессором и кэш-памятью. 3. Увеличение количества параллельно работающих исполнительных устройств. 4. Системы на одном кристалле и новые технологии (нанотехнологии).
Архитектура ПК определятся системой шин, с помощью которых ЦП связан с ОП и периферийными устройствами. ПК изначально также строились на основе одной системной шины ISA (Industry Standard Architecture), EISA (Extended ISA) или MCA (Micro Channel Architecture). Необходимость сохранения баланса производительности по мере роста быстродействия микропроцессоров привело к двухуровневой организации шин ПК, а затем и к трехуровневой. ISA — промышленный стандарт, для архитектуры первых моделей ПК (PC, PC/XT, PC/AT 286,386) характеризуется относительно невысокими скоростями обмена информации по шине и невысокой стоимостью, совместима с фирменными шинами IBM — XT-bus и AT-bus. EISA — расширенный промышленный стандарт, предложенный для реализации большого объема адресуемой ОП и ускорения вычислительных и обменных операций ПК с микропроцессорами 80386, 80486, является значительно более дорогостоящим расширением шины ISA, поэтому при многошинной организации, как правило, не применяется. MCA — стандарт фирмы IBM, разработанный для моделей семейства PS/2. Характеризуется значительным ускорением обмена данными между отдельными устройствами ПК (особенно с ОП), однако совершенно не совместима с ISA и EISA. VL-bus — локальная шина, предложенная ассоциацией VESA (Video Electronics Standard Association). Предназначена для увеличения быстродействия видеоадаптеров и контроллеров дисковых накопителей (локальной шиной называется шина, электрически выходящая непосредственно на контакты микропроцессора). Шина ориентирована на процессор 80486. ШинаPCI (Peripheral Component Interconnect) так же, как и VL-bus поддерживает канал передачи между ЦП и периферийными устройствами. В отличие от последней шина не зависима от процессора, подключается к нему через специальный адаптер. Эта шина получила очень широкое распространение и применяется не только в ПК, но и в рабочих станциях и серверах. Шина SCSI (Small Computer System Interface — интерфейс малых вычислительных систем), которая располагается между системной шиной компьютера и периферийными устройствами. Эта шина обеспечивает подключение нескольких внешних устройств (дисковых накопителей), обеспечивая высокую скорость передачи. Для малых систем применяются диски со встроенными интерфейсами IDE (Integrated Drive Electronics) и пришедшие им на смену SATA(Serial ATA). USB (Universal Serial Bus — универсальная последовательная шина) — последовательный интерфейс передачи данных для среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств. На базе шины PCI разработан новый стандарт подключения графических адаптеров — AGP (Accelerated Graphic Port), представляющий собой 32-разрядную шину с тактовой частотой 66 МГц. Она значительно ускоряет обмен с видеоадаптером, не перегружая системную шину PCI.
В развитии персональных компьютеров можно выделить 3 этапа: 1. Этап «самодеятельности» - середина 70-х. 2. Apple-этап. 1977 год. Основание целой отрасли производства ПК. Начинается выпуск систем блочно-модульной конструкции. 3. IBM-этап. Основа удачной конструкции IBM ПК – концепция открытой архитектуры и использование микропроцессоров Intel. Именно третий этап положил начало массовому производству ПК, совместимых с оригинальными моделями IBM, и. комплексным разработкам в сфере аппаратного обеспечения, периферийных устройств, а также с повышением их быстродействия. Результат этой деятельности мы можем наблюдать в наши дни. Архитектура ПК в общем определяется системой шин, с помощью которых ЦП связан с ОП и периферийными устройствами. Изначально ПК строились на одной системной шине, но необходимость сохранения баланса производимости по мере роста микропроцессоров привела к двухуровневой организации шин ПК, а затем и к трёхуровневой. На данный момент широкое распространение среди ПК и серверов получила шина PCI, поддерживающая канал передачи данных между ЦП и периферийными устройствами. В отличие от своей предшественницы, шины VL-bus, она не зависима от процессора, подключается к нему через специальный адаптер. А в связи с широким распространением мультимедийных приложений и значительным увеличением потоков данных разработан новый стандарт подключения графических адаптеров – AGP, получивший широкое распространение, т.к. он значительно ускоряет обмен с видеоадаптером, не перегружая системную шину PCI. Сейчас шину PCI вытесняет новая разработка Intel – шина PCI-express, имеющая более высокую пропускную способность. Значительное развитие получили интерфейсы периферийного оборудования. В рабочих станциях и серверах большую популярность приобрёл интерфейс ввода-вывода (SCSI), который располагается между системной шиной компьютера и периферийным устройством. Он обеспечивает подключение нескольких внешних устройств, обеспечивая высокую скорость передачи. Для малый систем применяется встроенный интерфейс IDE. Стоит отметить, что значительное развитие в последнее время получил последовательный интерфейс USB, а использование параллельных интерфейсов значительно сократилось. Нельзя не отметить значительную долю самих периферийных устройств. К примеру, временные запоминающие устройства, основу которых составляют жёсткие диски. К началу 2010 года их ёмкость увеличилась до тысячи гигабайт (с нескольких десятков гигабайт в недавнем прошлом), и продолжает неуклонно расти. Вместе с ними эволюционируют компактные оптические ВЗУ, известные нам как CD и DVD форматы. В новом десятилетии постепенно входит в обиход Blu-ray формат, имеющий на своём носителе ёмкость от 30 гигабайт и более.
Рабочая станция – абонентская система, работающая в составе компьютерной сети и специализированная на выполнение задач инженеров, экономистов, программистов и других специалистов. Она создается на базе достаточно мощного компьютера. Сервер – программный компонент вычислительной системы, выполняющий сервисные (обслуживающие) функции по запросу клиента, предоставляя ему доступ к определённым ресурсам или услугам. Общее: использование классических RISC–процессоров собственной разработки, централизация. Различия: цель назначения.
Сервер – компьютер, обеспечивающий обслуживание пользователей сети: разделяемый доступ к процессорам, дискам, файлам, принтеру, системе электронной почты и т.д. Этот класс компьютеров имеет ряд специфических особенностей. Прежде всего, это связано с необходимостью обеспечения высокоэффективного многопользовательского и многозадачного режима: высокая производительность, надежность, дублирование, резервирование дисков, их повышенная емкость и т.д. Серверы и рабочие станции производились одними и теми же фирмами. Стремительное увеличение ресурсов массовых ПК, появление 64-разрядных процессоров привели к появлению серверов так называемого младшего уровня: 2-4 процессорные модели. Серверы младшего уровня присутствуют в модельных рядах всех крупнейших компаний Dell, HP, IBM, Sun. Фирма HP под торговой маркой Proliant выпустила к 2005 г. 10 млн 2-4-процессорных серверов на базе МП как Intel, так и AMD. Фирма IBM поставляет серверы нижнего уровня под маркой Server x Series. Однопроцессорные серверы используют МП Pentium 4, двух- и четырехпроцессорные модели используют МП Xeon. Sun поставляет подобные серверы под маркой Sun Fire на базе МП AMD Operton – 2-х и четырехпроцессорные модели, иногда применяются для таких серверов и фирменные МП Sun.
Компьютерная сеть – это система, состоящая из двух и более разнесенных в пространстве компьютеров, объединенных каналами связи и обеспечивающая распределенную обработку данных. Компьютерные сети представляют собой распределенные системы, позволяющие объединить информационные ресурсы входящих в их состав компьютеров. Общепринятой классификацией компьютерных сетей является их разделение на локальные (LAN – Local Area Network), глобальные (WAN – World Area Network) и корпоративные сети. Простейшая сеть образуется соединением двух рядом расположенных компьютеров через последовательные (СОМ) или параллельные (LPT) порты с помощью специальных кабелей. Такое соединение часто применяют при подключении ноутбука к другому компьютеру с целью передачи данных. В последние годы в практику входит использование инфракрасных портов для соединения компьютеров в пределах прямой видимости (без применения кабелей). Локальная вычислительная сеть (ЛВС) – распределенная на небольшой территории вычислительная система, не требующая специальных устройств (за исключением сетевых карт и в более сложных конфигурациях – концентраторов) для передачи данных. В связи с ослаблением сигналов в соединяющих компьютеры электрических кабелях протяженность всей системы не должна превышать нескольких километров, что ограничивает ее распространение рядом близко расположенных зданий. Глобальная компьютерная сеть (ГКС) связывает информационные ресурсы компьютеров, находящихся на любом удалении, что предполагает использование различных специализированных устройств и каналов связи для высокоскоростной и надежной передачи данных. Общедоступные глобальные сети ориентированы на обслуживание любых пользователей. Корпоративная компьютерная сеть (ККС) создается для обеспечения деятельности различного рода корпоративных структур (например, банков со своими филиалами), имеющих территориально удаленные подразделения. В общем случае корпоративная сеть является объединением ряда сетей, в каждой из которых могут быть использованы различные технические решения. По функциональному назначению корпоративная сеть ближе к локальным сетям, по особенностям используемых для передачи данных технических решений и характеру размещения информационных ресурсов -- к глобальным сетям. В отличие от глобальных сетей как локальные, так и корпоративные сети являются, как правило, сетями закрытого типа, политика доступа в которые определяется их владельцами (как правило, для свободного доступа открыты небольшие сегменты сетей, ориентированные на рекламу, взаимодействие с клиентами и др.). Общие принципы построения вычислительных сетей, их иерархия, архитектура: |