Архитектура информационных систем. Литература по теме Практические задания Тема Устройство персонального компьютера системный блок и периферия Вопросы для самопроверки Литература по теме
 Скачать 5.96 Mb.
|
 © Денисов Д.В., 2013 © Московский финансово-промышленный университет «Синергия», 2013 Содержание Тема 1. Основные характеристики и области применения информационно-вычислительных систем. Вопросы для самопроверки: Литература по теме: Практические задания: Тема 2. Устройство персонального компьютера: системный блок и периферия Вопросы для самопроверки: Литература по теме: Практические задания: Тема 3. Типы и логическое устройство материнских плат Вопросы для самопроверки: Литература по теме: Практические задания: Тема 4. Типы и логическое устройство процессоров Вопросы для самопроверки: Литература по теме: Практические задания Тема 5. Типы и логическое устройство оперативной памяти. Вопросы для самопроверки: Литература по теме: Практические задания: Тема 6. Система ввода-вывода и организация взаимодействия с периферийными устройствами Вопросы для самопроверки: Литература по теме: Практические задания: Тема 7. Сети ЭВМ, информационно-вычислительные системы и сети Вопросы для самопроверки: Литература по теме: Практические задания: Тема 8. Коммуникационные устройства Вопросы для самопроверки: Литература по теме: Практические задания: Тема 9. Архитектурные особенности параллельных, многопроцессорных и многомашинных вычислительных систем Вопросы для самопроверки: Литература по теме: Практические задания: Тема 1. Основные характеристики и области применения информационно-вычислительных систем. Цели и задачи: Цели и задачи изученияданной темы – получение знаний об основных принципах построения архитектуры Электронно-вычислительных машин (ЭВМ), сформулированных Джоном фон Нейманом и их практической реализацией в вычислительных системах различных поколений и классов. В результате успешного изучения темы Вы: Узнаете: · историю развития информационно-вычислительных систем (ИВС); · классификацию ИВС по различным признакам (принцип действия, назначение, вычислительная мощность и так далее); · этапы развития элементной базы электронных вычислительных машин (ЭВМ); · типы современных компьютеров и сферы их использования; · показатели качества информации; · понятие системы обработки данных (СОД) и их классификацию; · принципы архитектуры ЭВМ Джона фон Неймана; · принципы создания элементов структур современных ЭВМ; · типы современных компьютеров и сферы их использования. Приобретете следующие профессиональные компетенции: · умение определять тип и класс ЭВМ по ее техническим параметрам и описанию; · умение определять тип вычислительной системы по ее техническим параметрам и описанию; · умение определять принцип действия ЭВМ по ее техническим параметрам и описанию; · навыки определения поколения ЭВМ в зависимости от используемой элементной базы; · навыки определения типа ЭВМ в зависимости от ее производительности, разрядности процессора (процессоров), а также объема оперативной и внешней памяти; · способность осуществлять выбор ЭВМ по критерию вычислительной мощности в зависимости от решаемых с ее помощью задач. В процессе освоения темы акцентируйте внимание на следующих ключевых понятиях: Алгоритм - это конечный набор предписаний, определяющий решение задачи посредством определенного количества операций. Алгоритм может быть представлен в виде словесного описания, схемы, программы. Вычислительная система – это совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенных для сбора, хранения, обработки и распределения информации. Информация - это сообщение, уменьшающее незнание о чем-либо (явлении, предмете и так далее). Минимальной единицей информации считается 1 бит («0» или «1»). Программа - это упорядоченная последовательность команд, которые выполняются ЭВМ автоматически друг за другом в определенной последовательности. Каждая программа имеет свое специализированное назначение, а комплекс программ называется программным обеспечением. Электронная вычислительная система (ЭВМ) - электрическое устройство для выполнения программ по сбору, хранению, обработке и передачи информации. Изначально ЭВМ выполняли в основном программы, связанные с расчетами, поэтому и сохранилось их название «вычислительные машины», в тоже время для выполнения любой программы необходимо производить расчеты. Система – совокупность элементов имеющих общую цель или законы функционирования. В общем случае системой можно считать любой объект, который в свою очередь разделяется на подсистемы. В рамках данного курса будут рассматриваться вычислительные системы. Теоретический материал по теме Электронно-вычислительные машины (ЭВМ) как следует из названия изначально предназначались для автоматического выполнения математических расчетов, то есть обработки цифровой информации. В настоящее время функции ЭВМ значительно шире и они позволяют обрабатывать практически любую информацию. Однако для того, чтобы эта информация была понятна ЭВМ она представляется в цифровом формате. Для того, чтобы понять как устроена ЭВМ необходимо четко определить что именно она обрабатывает. Информация (лат. Information) – разъяснение, осведомление, изложение) - все те сведения, которые уменьшают степень неопределенности нашего знания о конкретном объекте, это сведения которые один реальный объект содержит о другом реальном объекте. Информация часто кодируется числовыми кодами в той или иной системе счисления. Одно и то же количество разрядов в разных системах счисления способно передать разное число (N) отображаемых состояний объекта.  В различных системах счисления один разряд имеет различный вес, и соответственно меняется единица измерения данных. Так, в двоичной системе счисления единицей измерения служит бит (bit – binary digit, двоичный разряд). В современных компьютерах наряду с минимальной единицей данных – битом, используется укрупненная единица информации – байт, равная 8 битам. · 1 Килобайт = 210 байт = 1024 байт. · 1 Мегабайт = 210 Килобайт = 1024 Килобайт. · 1 Гигабайт = 210 Мегабайт = 1024 Мегабайт. · 1 Терабайт = 210 Гигабайт = 1024 Гигабайт. · 1 Петабайт = 210 Терабайт = 1024 Терабайт. Информация характеризуется различными показателями (см. рисунок 1). Эти показатели были определены в процессе многолетнего опыта обработки информации. Их практическое применение и теоретическое изучение является предметом специальной области - информатики. Информатика как сфера обработки информации включает в себя три основных составляющие: науку, информационные технологии и индустрию информатики.  Рис. 1. Показатели качества информации Информационные технологии - система процедур преобразования информации с целью формирования, организации, обработки, распространения и использования информации. Информатика – наука, изучающая свойства, структуру и функции информационных систем, основы их проектирования, создания, использования и оценки, а также информационные процессы, в них происходящие. Поскольку понятие «информационная система» является базовым для науки информатики необходимо определить что понимается по «системой» вообще, «информационной системой» и «информационно-вычислительной системой» в частности. Система (греч. systema – целое, составленное из частей соединение) – совокупность элементов, взаимодействующих друг с другом, образующих, определенную целостность, единство. Укрупненная классификация систем представлена на рисунке 2.  Рис. 2. Укрупненная классификация систем Эргатехнические (смешанные) системы - материальные системы «человек-машина», состоящие из эргатического элемента - человека-оператора (группы операторов) и технического элемента – машины (машин). Организация системы – внутренняя упорядоченность, согласованность взаимодействия элементов системы (проявляющаяся, в частности, в ограничении разнообразия состояний элементов системы). Элемент системы – часть системы, имеющая определенное функциональное назначение. Сложные элементы систем, в свою очередь состоящие из более простых взаимосвязанных элементов, часто называют подсистемами. Структура системы – состав, порядок и принципы взаимодействия элементов системы, определяющие основные свойства системы. Архитектура системы – совокупность свойств системы, существенных для пользователя. Целостность системы – принципиальная несводимость свойств системы к сумме свойств отдельных ее элементов (эмерджентность свойств) и, в то же время, зависимость свойств каждого элемента от его места и функции внутри системы. Информационная система (ИС) – материальная система, организующая, хранящая и преобразующая информацию. Это система, основным предметом и продуктом труда в которой является информация. Классификация информационных систем представлена на рисунке 3.  Рис. 3. Классификация информационных систем Данные – информация, представленная в формализованном виде, пригодном для автоматической обработки, при возможном участии человека. Система обработки данных (СОД) - комплекс взаимосвязанных методов и средств преобразования данных, необходимых пользователю. На рисунке 4 представлена последовательность развития СОД.  Рис. 4. Последовательность развития СОД На этапе появления АСОД для обработки данных стали применяться средства вычислительной техники. Процесс создания таких средств прошел несколько этапов начиная от примитивных электро-механических устройств, до современных ЭВМ, в которых используются универсальные архитектурные принципы. Основы архитектуры Электронно-Вычислительных Машин (ЭВМ) были заложены еще в 1945 году американским ученым Джоном фон Нейманом (1903-1957). Именно он сделал описание как самой ЭВМ, так и ее логических возможностей, представил логические принципы организации компьютера независимо от его элементной базы. Итак, фон Нейманом было выделено и детально описано пять базовых компонент универсального компьютера: 1. центральное арифметико-логическое устройство (АЛУ); 2. центральное устройство управления (УУ), ответственное за функционирование всех основных компонент компьютера; 3. память, т.е. запоминающее устройство (ЗУ); 4. система ввода информации; 5. система вывода информации. В качестве основного принципа построения ЭВМ было выделено программное управление. В основе его лежит представление алгоритма решения любой задачи в виде программы вычислений. Алгоритм это конечный набор предписаний, определяющий решение задачи посредством определенного количества операций. Программа - это упорядоченная последовательность команд, которые выполняются в АЛУ автоматически друг за другом в определенной последовательности. Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Каждая команда содержит указания на конкретную выполняемую операцию, место нахождения (адрес) данных для операции и ряд служебных признаков. Информация (командная и данные: числовая, текстовая, графическая и т.п.) кодируется двоичными числами 0 и 1. Каждый тип информации имеет форматы - структурные единицы информации, закодированные двоичными цифрами 0 и 1. Обычно все форматы данных, используемые в ЭВМ, кратны байту, т.е. состоят из целого числа байтов. Стандартные элементы структур современных ЭВМ основываются на следующих принципах: модульность построения, магистральность, иерархия управления. Модульность построения предполагает в структуре ЭВМ достаточно автономных, функционально и конструктивно законченных устройств (процессор, модуль памяти, накопитель на жестком или гибком магнитном диске). Модульная конструкция ЭВМ обеспечивает ее высокую ремонтопригодность и способность модернизации, т.е. замене отдельных модулей на более производительные. Магистральность означает, что подключаемые к центральному процессору модули используют специальные шины или магистрали для обмена управляющими сигналами, адресами и данными как с процессором, так и с другими устройствами. Иерархия управления предполагает, что устройство управления главного, или центрального процессора осуществляет только централизованное управление. Оно инициализирует активность других устройств, после чего они продолжают работу по собственным программам управления. Принципы архитектуры фон Неймана легли в основу создания абсолютно всех ЭВМ от первого поколения до современных, от суперЭВМ до персональных компьютеров. Первые компьютеры (автоматические электронные вычислительные машины с программным управлением) были созданы в конце 40-х годов XX века и представляли собой гигантские вычислительные монстры, использовавшиеся только для вычислительной обработки информации. По мере развития компьютеры существенно уменьшились в размерах, но «обросли» дополнительным оборудованием, необходимым для их эффективного использования. В 70-х годах компьютеры из вычислительных машин (ВМ) сначала превратились в вычислительные системы (ВС), а затем в информационно-вычислительные системы (ИВС). Данные о поколениях ЭВМ приведены в табл. 1. Таблица 1. Этапы развития поколений ЭВМ
Вычислительная система (ВС) – совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенную для сбора, хранения, обработки и распределения информации. Создание ВС 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. Отличительной особенностью ВС по отношению к ЭВМ является наличие в ней нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработку. Параллелизмвыполнения операций существенно повышает быстродействие системы; он же может также значительно повысить и надежность (при отказе одного компонента системы его функции может взять на себя другой) и достоверность функционирования системы, если операции будут дублироваться, а результаты их выполнения сравниваться. Параллелизм в вычислениях в значительной степени усложняет управление вычислительным процессом, использование технических и программных ресурсов. Эти функции выполняет операционная система ВС. Несмотря на то, что классическим является многомашинный вариант ВС, в ВС может быть только один компьютер, но агрегированный с многофункциональным периферийным оборудованием (стоимость периферийного оборудования часто во много раз превосходит стоимость компьютера). В компьютере может быть как несколько процессоров (тогда мы имеем также классический многопроцессорный вариант ВС), так и один процессор (если не брать в расчет специализированные процессоры, входящие в состав периферийных устройств). На рисунке 5 показана блок-схема классического компьютера.  Рис. 5. Блок-схема компьютера Выделяют следующие типы вычислительных систем: · Одномашинная ВС – ВС, построенная на основе одного компьютера. · Многопроцессорная ВС – ВС, построенная на основе нескольких процессоров. · Многомашинная ВС – ВС, построенная на основе нескольких компьютеров. · Однородная ВС – ВС, построенная на основе однотипных компьютеров или процессоров. Позволяет использовать стандартные наборы программных средств, типовые протоколы (процедуры) сопряжения устройств. · Неоднородная ВС – ВС, включающая в свой состав различные типы компьютеров или процессоров. · Оперативные ВС – ВС, функционирующие в реальном масштабе времени, в них реализуется оперативный режим обмена информацией – ответы на запросы поступают незамедлительно. · Неоперативные ВС – ВС, допускающие режим «отложенного ответа», когда результаты выполнения запроса можно получить с некоторой задержкой (иногда даже в следующем сеансе работы с системой). · ВС с централизованным управлением – ВС, в которых управление выполняет выделенный компьютер или процессор. · ВС с децентрализованным управлением – ВС, в которых компоненты (компьютеры / процессоры) равноправны и каждый может брать управление на себя. · Территориально-сосредоточенные ВС – ВС, все компоненты которых размещены в непосредственной близости друг от друга. · Распределенные ВС – ВС, компоненты которых могут распологаться на значительном расстоянии, например – вычислительные сети. · Структурно одноуровневые ВС – ВС, в которых имеетсялишь один общий уровень обработки данных. · Многоуровневые (иерархические) ВС – ВС, машины или процессоры в которых распределены по разным уровням обработки информации. Некоторые машины (процессоры) могут специализироваться на выполнении определенных функций. Электронная вычислительная машина (ЭВМ), компьютер – комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач. ЭВМ можно классифицировать по ряду признаков, в частности: · по принципу действия (рис. 6); · по этапам создания и элементной базе; · по назначению (рис. 7); · по способу организации вычислительного процесса; · по размеру вычислительной мощности (рис. 8 и табл. 2); · по функциональным возможностям; · по способности к параллельному выполнению программ.  Рис. 6. Классификация ЭВМ по принципу ЦВМ – цифровые вычислительные машины, или вычислительные машины дискретного действия, работают с информацией, представленной в дискретной, а точнее, цифровой форме. Большинство современных ЭВМ являются ЦВМ. АВМ – аналоговые вычислительные машины, или вычислительные машины непрерывного действия, работают с информацией, представленной в непрерывной (аналоговой) форме, то есть в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины (чаще всего электрического напряжения). ГВМ – гибридные вычислительные машины, или вычислительные машины комбинированного действия, работают с информацией, представленной и в цифровой и в аналоговой форме. Они совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ. ГВМ целесообразно использовать для решения задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами. По этапам создания и элементной базе компьютеры условно делятся на поколения: · 1-е поколение, 50-е годы: ЭВМ на электронных вауумных лампах. · 2-е поколение, 60-е годы: ЭВМ на дискретных полупроводниковх приборах (транзисторах). · 3-е поколение, 70-е годы: ЭВМ на полупроводниковых интегральных схемах с малой и средней степенью интеграции (сотни – тысячи транзисторов в одном корпусе). · 4-е поколение, 80-90-е годы: ЭВМ на больших и сверхбольших интегральных схемах, основная из которых – микропроцессор (десятки тысяч – миллионы активных элементов на одном кристале). · 5-е поколение, настоящее время: ЭВМ с многими десятками параллельно работающих микропроцессоров, позволяющих строить эффективные системы обработки знаний; компьютеры на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной архитектурой, одновременно выполняющих десятки последовательных инструкций программы. · 6-е и последующие поколения: оптоэлектронные компьютеры с массовым параллелизмом и нейронной структурой, с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.  Рис. 7. Классификация компьютеров по назначению Универсальные компьютеры – компьютеры, предназначенные для решения самых различных инженерно-технических, экономических, математических, информационных и пр. задач, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных. Проблемно-ориентированные компьютеры – компьютеры, предназначенные для решения более узкого круга, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами, с регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных, с выполнением расчетов по относительно несложным алгоритмам. Специализированные компьютеры – компьютеры, предназначенные для решения определенного узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций. Такая узкая ориентация компьютеров позволяет четко специализировать их структуру, существенно снизить их сложность и стоимость при сохранении высокой производительности и надежности их работы.  Рис. 8. Классификация компьютеров по размерам и вычислительной мощности Таблица 2. Вычислительная мощность компьютеров
СуперЭВМ (супрекомпьютеры) – самые мощные многопроцессорные вычислительные машины. Используются для решения очень сложных задач: · прогнозирование метеобстановки; · управление сложными оборонными комплексами; · биологические исследования; · моделирование экологических систем и др. Большие компьютеры (мейнфреймы) – высокопроизводительные вычислительные машины, основное применение которых: · решение научно-технических задач; · работа в вычислительных системах с пакетной обработкой информации работа с базами данных (БД); · управление вычислительными сетямии и их ресурсами. Первая большая ЭВМ ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) была создана в 1946 году. Эта машина весила 30 тонн, имела быстродействие несколько сотен операций в секунду и оперативныю память вемкостью 20 чисел, занимала зал площадью 150 м2. Среди лучших разработок мейнфреймов за рубежом следует отметить в первую очередь американские: · IBM 360, IBM 370 - 1-е поколение, 1970-е гг.; · IBM 3090, IBM 4300 (4331, 4341,4361,4381) - 2-е поколение, 1979 г.; · IBM ES/9000 – 3-е поколение, 1990 г.; · S/390, AS/400 - 4-е поколение, 1997-1999 гг.; а также японские: · M 1800 (Fujitsu); · Millenium (Amdahl); и немецкие (Comparex Information Systems): · 8/* (8/8x, 8/9x); · 9/* (9/8xx, 9/9xx, 99/xxx); · M2000; · C2000. МиниЭВМ (малые компьютеры) – надежные, недорогие и удобные в эксплуатации компьютеры (рис. 9), обладающие несколько меньшими по сравнению с мейнфреймами возможнстями. Ориентированы на использование: · в качестве управляющих вычислительных комплексов; · в системах автоматического проектирования; · в системах моделирования несложных объектов; · в системах искуственного интеллекта.  Рис. 9. Классификация микрокомпьютеров Рабочие станции (workstation) – однопользовательские микрокомпьютеры, часто специализированные для выполнения определенного вида работ (графических, инженерных, издательских и т.д.). Серверы (server) – многопользовательские мощные микрокомпьютеры в вычислительных сетях, выделенные для обработки запросов от всех рабочих станций сети. Сетевые компьютеры (network computer) – упрощенные микрокомпьютеры, обеспечивающие работу в сети и доступ к сетевым ресурсам, часто специализированные на выполнение определенного вида работ (защита сети от несанкционированного доступа, организация просмотра сетевых ресурсов, электронной почты и т.д.). Многопользовательские микрокомпьютеры – мощные микрокомпьютеры, оборудованные несколькими видеотерминалами и функционирующие в режиме разделения времени, что позволяет эффективно работать на них сразу нескольким пользователям. Персональные компьютеры – однопользовательские микрокомпьютеры, удовлетворяющие требованиям общедоступности и универсальности применения. Для этого они выпускаются в разном исполнении как это показано на рисунке 10. и обладают такими качествами как: · малая стоимость, находящаяся в пределах доступности для индивидуального покупателя; · автономность эксплуатации без специальных требований к условиям окружающей среды; · гибкость архитектуры, обеспечивающая ее адаптируемость к разнообразным применениям в сфере управления, науки, образования и в быту; · дружественность операционной системы и прочего программного обеспечения, обуславливающая возможность работы с ней пользователя без специальной профессиональной подготовки; · высокая надежность работы (более 5000 часов на отказ).  Рис. 10. Классификация ПК по конструктивным особенностям Вопросы для самопроверки: 1. Что понимается под определением «информация»? 2. Какие вы знаете показатели качества информации? 3. В чем состоит сущность информатики как науки, технологии и индустрии? 4. Что такое система и как классифицируются системы? 5. Какие пять базовых компонент универсального компьютера были выделены и описаны Джоном фон Нейманом? 6. По каким признакам можно классифицировать ЭВМ? 7. В чем заключается принцип работы аналоговых, цифровых и гибридных ЭВМ? 8. Какие существуют поколения ЭВМ, чем они отличаются по элементной базе и производительности? 9. Какие группы ЭВМ выделяют по критерию вычислительной мощности? 10. Как ПК отличаются по критерию конструктивных особенностей? 11. На каких принципах основываются стандартные элементы структур современных ЭВМ? 12. Какие устройства входят в состав классического компьютера и в чем их назначение? Напишите небольшое эссе (объемом в 2-3 страницы) по одному из перечисленных ниже вопросов: 1. Персональные компьютеры IBM и Macintosh – сравнительный анализ. 2. Встроенные портативные компьютеры (автомобиля, самолета, банкомата и так далее). 3. Инновации в разработке средств вычислительной техники (нанокомпьютеры, молекулярные компьютеры). 4. Современные суперкомпьютеры (производители, параметры, примеры использования). 5. Современные мейнфреймы (производители, параметры, примеры использования). 6. История развития ЭВМ от первого до пятого поколения. 7. Гарвардская архитектура ЭВМ и ее отличия от архитектуры Джон фон Неймана. 8. Иерархическая архитектура ЭВМ и ее отличия от архитектуры Джон фон Неймана. 9. Магистральная архитектура ЭВМ и ее отличия от архитектуры Джон фон Неймана. 10. Современныепроблемно-ориентированные компьютеры. 11. Современныеспециализированные компьютеры. Литература по теме: Основная литература: 1. Аппаратное обеспечение вычислительных систем / Д.В. Денисов, В.А. Артюхин, М. Ф. Седненков; под ред. Д.В. Денисова. – М.: Маркет ДС, 2010 – 184 с. (Университетская серия). Дополнительная литература: 1. Вычислительная техника: учеб. пособие. – М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2007. – 608 с.: ил. – (Профессиональное образование). Глава 1, п. 1.2 (стр. 20-51), глава 2 п. п. 2.1 – 2.2 (стр. 116-137). 2. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем: учебник. – М.: ФОРУМ, 2008. – 512 с.: ил. – (Профессиональное образование). Глава 2, п. 2.1-2.3 (стр. 109-153). Видеоролики: 1. Ролик о истории ЭВМ // http://www.youtube.com/watch?v=DkxgYPcaAbo. 2. Париж. Музей информатики // http://www.youtube.com/watch?v=D6wPWyreyuI. Практические задания: Задание 1. Укажите, к какому типу (классу) относятся следующие системы?
Задание 2. Восстановите следующие определения: a) _____________ системы – системы, представляющие собой совокупность материальных объектов; b) _____________ системы – системы, являющиеся продуктом человеческого мышления. Задание 3. Сколько состояний объекта можно отобразить, если использовать два разряда для двоичной, восьмеричной, десятеричной и шестнадцатеричной систем счисления? Задание 4. Упорядочьте следующие типы систем по степени автоматизации (механизации) процедур преобразования данных (1 – минимальная, 4 - максимальная): · САОД; · МСОД; · АСОД; · СРОД. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||