Каква е целта на компютърните технологии. Историята на развитието на компютърните технологии. Класификация на компютрите. Съставът на изчислителната система. Хардуер и софтуер. Класификация на сервизния и приложен софтуер. По етапи

3. Компютри 1

3.1 История на развитието на компютърните технологии 1

3.2 Методи за компютърна класификация 3

3.3 Други класификации на компютрите 5

3.4 Състав на компютърната система 7

3.4.1 Хардуер 7

3.4.2 Софтуер 7

3.5 Класификация на прилаганите софтуерни инструменти 9

3.6 Класификация на помощния софтуер 12

3.7 Концепцията за информационна и математическа поддръжка на изчислителните системи 13

3.8 Дебрифинг 13

1. Компютърно инженерство

   1. История на развитието на компютърните технологии

Изчислителна система, компютър

Намирането на средства и методи за механизация и автоматизация на труда е една от основните задачи на техническите дисциплини. Автоматизацията на работа с данни има свои собствени характеристики и разлики от автоматизацията на други видове работа. За този клас задачи се използват специални видове устройства, повечето от които са електронни устройства. Нарича се набор от устройства, предназначени за автоматична или автоматизирана обработка на данни компютърна технология,Извиква се специфичен набор от взаимодействащи устройства и програми, предназначени да обслужват една работна зона изчислителна система.Сърцето на повечето изчислителни системи е компютър.

Компютърът е електронно устройство, предназначено да автоматизира създаването, съхранението, обработката и транспортирането на данни.

Принципът на работа на компютъра

В дефиницията на компютъра като устройство посочихме определяща характеристика - електронен.Автоматичните изчисления обаче не винаги се извършват от електронни устройства. Известни и механични устройства, способни да извършват изчисления автоматично.

Анализирайки ранната история на компютърните технологии, някои чуждестранни изследователи често се позовават на механично устройство за броене като древен предшественик на компютъра. Абак.Подходът „от абака“ показва дълбока методологическа грешка, тъй като абакусът няма свойството да извършва автоматично изчисления, а за компютъра това е решаващо.

Абакусът е най-ранното механично устройство за изчисление, първоначално глинена плоча с жлебове, в които са били подредени камъни, представляващи числа. Появата на абака се отдава на четвъртото хилядолетие пр.н.е. д. Мястото на произход е Азия. През Средновековието в Европа сметалото е заменено от графични таблици. Изчисленията с тяхна помощ бяха наречени сметка на линиите, ив Русия през 16-17 век се появява много по-напреднало изобретение, което се използва и до днес - Руско сметало.

В същото време ние добре знаем за друго устройство, което може автоматично да извършва изчисления - това е часовник. Независимо от принципа на действие, всички видове часовници (пясъчни, водни, механични, електрически, електронни и др.) имат способността да генерират движения или сигнали на редовни интервали и да регистрират произтичащите промени, тоест да извършват автоматично сумиране на сигналите или движения. Този принцип може да бъде проследен дори в слънчевите часовници, съдържащи само записващо устройство (ролята на генератор се изпълнява от системата Земя-Слънце).

Механичният часовник е устройство, състоящо се от устройство, което автоматично извършва движения на редовни интервали и устройство за записване на тези движения. Произходът на първия механичен часовник е неизвестен. Най-ранните примери датират от 14 век и принадлежат на манастири (кулен часовник).

В сърцето на всеки съвременен компютър, както и в електронните часовници, е тактов генератор,генериране на редовни интервали от време на електрически сигнали, които се използват за захранване на всички устройства в компютърна система. Управлението на компютъра всъщност се свежда до управление на разпределението на сигналите между устройствата. Такъв контрол може да се извършва автоматично (в този случай се говори за контрол на програмата)или ръчно чрез външни контроли - бутони, превключватели, джъмпери и т.н. (в ранните модели). В съвременните компютри външното управление е до голяма степен автоматизирано с помощта на специални хардуерно-логически интерфейси, към които са свързани устройства за управление и въвеждане на данни (клавиатура, мишка, джойстик и други). За разлика от програмното управление, такова управление се нарича интерактивен.

Механични първични източници

На базата на механичен часовник е създадено първото в света автоматично устройство за извършване на операцията по добавяне. През 1623 г. е разработен от Вилхелм Шикард, професор по ориенталски езици в университета в Тюбинген (Германия). В днешно време работещ моделУстройството беше възпроизведено според чертежите и потвърди неговата работоспособност. Самият изобретател в писмата си нарича машината "сумиращ часовник".

През 1642 г. френският механик Блез Паскал (1623-1662) разработва по-компактно събирателно устройство, което става първият в света масово произвеждан механичен калкулатор (главно за нуждите на парижките лихвари и обменници). През 1673 г. немският математик и философ Г. В. Лайбниц (1646-1717) създава механичен калкулатор, който може да извършва операции за умножение и деление чрез многократно повтаряне на операциите събиране и изваждане.

През 18 век, известен като епохата на Просвещението, се появяват нови, по-напреднали модели, но принципът на механично управление на изчислителните операции остава същият. Идеята за програмиране на изчислителни операции идва от същата часовникарска индустрия. Древните монашески кулови часовници са били настроени по такъв начин, че да включват механизма, свързан с камбанната система в даден момент. Такова програмиране беше труден -същата операция е извършена по едно и също време.

Идеята за гъвкаво програмиране на механични устройства с помощта на перфорирана хартиена лента е реализирана за първи път през 1804 г. в жакардовия стан, след което остава само една стъпка до програмен контролизчислителни операции.

Тази стъпка е направена от изключителния английски математик и изобретател Чарлз Бабидж (1792-1871) в неговата Аналитична машина, която, за съжаление, никога не е била напълно изградена от изобретателя през живота му, но днес е възпроизведена според неговите чертежи, така че днес имаме право да говорим за аналитичния двигател като за устройство от реалния живот. Характеристика на аналитичната машина беше, че тя беше внедрена за първи път тук принципът на разделяне на информацията на команди и данни.Аналитичният двигател съдържаше два големи възела - "склад" и "мелница". Данните бяха въведени в механичната памет на „склада“ чрез инсталиране на блокове от зъбни колела и след това обработени в „мелницата“ с помощта на команди, които бяха въведени от перфорирани карти (както в жакардов стан).

Изследователите на работата на Чарлз Бабидж със сигурност отбелязват специалната роля в развитието на проекта за аналитична машина на графиня Августа Ада Лавлейс (1815-1852), дъщеря на известния поет лорд Байрон. Именно тя излезе с идеята за използване на перфорирани карти за програмиране на изчислителни операции (1843 г.). По-конкретно, в едно от писмата си тя пише: „Аналитичната машина тъче алгебрични модели по същия начин, както станът възпроизвежда цветя и листа.“ Лейди Аду с право може да се нарече първият програмист в света. Днес един от известните езици за програмиране е кръстен на нея.

Идеята на Чарлз Бабидж за отделно разглеждане командии даннисе оказаха изключително плодотворни. През ХХ век. тя е разработена в принципите на Джон фон Нойман (1941), а днес в изчисленията принципът на отделно разглеждане програмии даннимного е важно. Той се взема предвид както при разработването на съвременни компютърни архитектури, така и при разработването на компютърни програми.

Математически източници

Ако се замислим с какви обекти са работили първите механични предшественици на съвременния електронен компютър, трябва да признаем, че числата са били представени или като линейни движения на верижни и зъбни механизми, или като ъглови движения на зъбни колела и лостови механизми. И в двата случая това бяха движения, които нямаше как да не се отразят на размерите на устройствата и скоростта на тяхната работа. Само преходът от записване на движения към записване на сигнали направи възможно значително намаляване на размерите и увеличаване на скоростта. По пътя към това постижение обаче беше необходимо да се въведат още няколко важни принципа и концепции.

Двоична система на Лайбниц.В механичните устройства зъбните колела могат да имат доста фиксирани и, важно е, различни междупровизии. Броят на тези позиции е най-малко равен на броя на зъбите на зъбното колело. При електрическите и електронните устройства не става въпрос за регистрация провизииконструктивни елементи, но относно регистрацията държавиелементи на устройството. толкова стабилен и различимима само две състояния: включено - изключено; отворено - затворено; заредено - разредено и т.н. Следователно традиционната десетична система, използвана в механичните калкулатори, е неудобна за електронните изчислителни устройства.

Възможността за представяне на всякакви числа (и не само числа) с двоични цифри е предложена за първи път от Готфрид Вилхелм Лайбниц през 1666 г. Той стига до двоичната бройна система, докато изследва философската концепция за единството и борбата на противоположностите. Опитът да се представи Вселената като непрекъснато взаимодействие на два принципа („черно“ и „бяло“, мъжко и женско, добро и зло) и да се приложат методите на „чистата“ математика към нейното изследване, подтикна Лайбниц да изследва свойствата на двоичната система представяне на данни. Трябва да се каже, че Лайбниц още тогава излезе с идеята за възможността за използване на двоичната система в изчислително устройство, но тъй като нямаше нужда от това за механични устройства, той не използваше принципите на двоична система в своя калкулатор (1673).

Математическата логика на Джордж БулГоворейки за работата на Джордж Бул, изследователите в историята на компютърните технологии със сигурност подчертават, че този изключителен английски учен от първата половина на 19 век е самоук. Може би именно поради липсата на „класическо“ (в тогавашните разбирания) образование Джордж Бул внася революционни промени в логиката като наука.

Занимавайки се с изучаването на законите на мисленето, той прилага в логиката система от формални обозначения и правила, близки до математическите. Впоследствие тази система наречена логическа алгебраили булева алгебра.Правилата на тази система са приложими за голямо разнообразие от обекти и техните групи. (комплекти,според терминологията на автора). Основната цел на системата, както е замислена от J. Boole, е да кодира логически твърдения и да намали структурите на логическите изводи до прости изрази, близки по форма до математически формули. Резултатът от формалната оценка на логически израз е една от двете логически стойности: вярноили Невярно.

Значението на логическата алгебра беше игнорирано дълго време, тъй като нейните техники и методи не съдържаха практически ползи за науката и технологиите от онова време. Въпреки това, когато по принцип стана възможно създаването на компютърни съоръжения на електронна основа, операциите, въведени от Boole, се оказаха много полезни. Първоначално те са фокусирани върху работата само с два обекта: вярнои Невярно.Лесно е да се види как те са били полезни за работа с двоичен код, който в съвременните компютри също е представен само от два сигнала: нулаи мерна единица.

Не цялата система на Джордж Бул (както и не всички предложени от него логически операции) са използвани при създаването на електронни компютри, а четири основни операции: И (пресичане),ИЛИ (асоциация),НЕ (обжалване)и ИЗКЛЮЧИТЕЛНО ИЛИ - са в основата на работата на всички видове процесори на съвременните компютри.

Ориз. 3.1. Основни операции на булевата алгебра

Електронните компютри обикновено се класифицират според редица характеристики, по-специално: според функционалността и характера на задачите, които се решават, според метода на организиране на изчислителния процес, според архитектурните характеристики и изчислителната мощност.

Според функционалността и естеството на задачите, които трябва да се решат, биват:

Универсални компютри (с общо предназначение);

Проблемно ориентирани компютри;

специализирани компютри.

Мейнфреймиса предназначени за решаване на различни инженерни и технически проблеми, характеризиращи се със сложност на алгоритмите и голямо количество обработвани данни.

Проблемно ориентирани компютрипредназначени за решаване на по-тесен кръг от задачи, свързани с регистриране, натрупване и обработка на малки количества данни.

Специализирани компютрисе използват за решаване на тесен кръг от задачи (микропроцесори и контролери, които изпълняват функциите за управление на технически устройства).

Според метода на организиране на изчислителния процесКомпютрите се делят на еднопроцесорни и многопроцесорни, както и на последователни и паралелни.

Еднопроцесорна.Компютърът има един централен процесор и всички изчислителни операции и операции за управление на входно-изходни устройства се извършват на този процесор.

Мултипроцесор.Компютърът има няколко процесора, между които се преразпределят функциите за организиране на изчислителния процес и управление на входно-изходни устройства за информация.

Последователен.Те работят в еднопрограмен режим, когато компютърът е проектиран по такъв начин, че да може да изпълнява само една програма и всичките му ресурси се използват само в интерес на изпълнимата програма.

Паралелен.Те работят в многопрограмен режим, когато в компютъра се изпълняват няколко потребителски програми и ресурсите се споделят между тези програми, осигурявайки тяхното паралелно изпълнение.

Според архитектурните характеристики и изчислителната мощност има:

Нека разгледаме схемата за класификация на компютрите според този признак (фиг. 1).

Фиг. 1.Класификация на компютрите по архитектурни характеристики

и изчислителна мощност.

Суперкомпютри- Това са най-мощните компютри като скорост и производителност. Суперкомпютрите включват "Cray" и "IBM SP2" (САЩ). Те се използват за решаване на мащабни изчислителни задачи и симулации, за сложни изчисления в аеродинамиката, метеорологията, физиката на високите енергии, а също така намират приложение във финансовия сектор.

големи колиили мейнфрейми (Mainframe).Мейнфреймите се използват във финансовия сектор, отбранителната промишленост и се използват за оборудване на ведомствени, териториални и регионални компютърни центрове.

Средни компютрис общо предназначение се използват за управление на сложни технологични производствени процеси.

миникомпютърса ориентирани да се използват като управляващи изчислителни комплекси, като мрежови сървъри.

Микрокомпютърса компютри, които използват микропроцесор като централен процесор. Те включват вградени микрокомпютри (вградени в различни съоръжения, апарати или устройства) и персонални компютри PC.

Персонални компютри.Бързо развитие придоби през последните 20 години. Персоналният компютър (PC) е проектиран да обслужва едно работно място и е в състояние да отговори на нуждите на малки предприятия и физически лица. С навлизането на интернет популярността на компютъра се увеличи значително, тъй като с помощта на персонален компютърМожете да използвате научна, справочна, образователна и развлекателна информация.

Персоналните компютри включват настолни и преносими компютри. Преносимите компютри включват преносими компютри (преносим компютър или преносим компютър) и персонални цифрови асистенти (Personal Computers Handheld - Handheld PC, Personal Digital Assistants - PDA и Palmtop).

Вградени компютри.Компютрите, използвани в различни устройстваах, системи, комплекси за изпълнение на специфични функции. Например диагностика на автомобили.

От 1999 г. международен стандарт за сертифициране, спецификацията RS99, се използва за класифициране на компютри. Според тази спецификация компютрите се разделят на следните групи:

Масови компютри (потребителски компютри);

Бизнес компютри (офис компютри);

преносими компютри (мобилни компютри);

работни станции (WorkStation);

Компютри за забавление (компютри за забавление).

Повечето компютри са масивнаи включват стандартен (минимално необходим) набор от хардуер. Този комплект включва: системен блок, дисплей, клавиатура, мишка. Ако е необходимо, този комплект може лесно да бъде допълнен с други устройства по желание на потребителя, например принтер.

Бизнес компютривключват минимални средства за възпроизвеждане на графики и звук.

Преносими компютрисе различават по наличието на средства за комуникация за отдалечен достъп.

Работни станцииотговарят на повишените изисквания към паметта на устройствата за съхранение.

Компютри за забавлениефокусиран върху висококачествено възпроизвеждане на графики и звук.

По дизайнерски характеристикиКомпютрите се разделят на:

стационарен (десктоп, Desktop);

преносим:

Преносим (лаптоп);

бележници (тетрадка);

джоб (Palmtop).

Основните характеристики на компютърната технология включват нейните оперативни и технически характеристики, като скорост, капацитет на паметта, точност на изчисленията и др.

Скорост на компютъра разглеждани в два аспекта. От една страна се характеризира с броя на извършените елементарни операции централен процесорза секунда. Елементарна операция се разбира като всяка проста операция като добавяне, прехвърляне, сравнение и т.н. От друга страна, изпълнението

Компютърът по същество зависи от организацията на неговата памет. Времето, прекарано в търсене на необходимата информация в паметта, значително влияе върху скоростта на компютъра.

В зависимост от областта на приложение компютрите се произвеждат със скорост от няколкостотин хиляди до милиарди операции в секунда. За решаване на сложни проблеми е възможно да се комбинират няколко компютъра в един изчислителен комплекс с необходимата обща скорост.

Наред със скоростта често се използва понятието производителност . Ако първото се дължи главно на системата от елементи, използвани в компютъра, то второто е свързано с неговата архитектура и видовете задачи, които се решават. Дори за един "компютър такава характеристика като скоростта не е постоянна стойност. В тази връзка има:

върхова производителност,определя се от тактовата честота на процесора, без да се взема предвид достъпът до оперативна памет;

номинална скорост, определенаотчитане на времето за достъп до RAM;

скорост на системата,определени, като се вземат предвид системните разходи за организация на изчислителния процес;

оперативен,определени, като се вземе предвид естеството на задачите, които се решават (състав, операции или тяхната "смес").

Капацитет, или размер на паметта се определя от максималното количество информация, което може да бъде поставено в паметта на компютъра. Капацитетът на паметта обикновено се измерва в байтове. Както вече беше отбелязано, компютърната памет е разделена на вътрешна и външна. Вътрешната, или паметта с произволен достъп, варира по размер за различните класове машини и се определя от адресната система на компютъра. Капацитетът на външната памет, дължащ се на блоковата структура и сменяемите конструкции за съхранение, е практически неограничен.

Точност на изчислението зависи от броя на цифрите, използвани за представяне на едно число. Съвременните компютри са оборудвани с 32- или 64-битови микропроцесори, което е напълно достатъчно, за да се осигури висока точност на изчисленията в голямо разнообразие от приложения. Ако обаче това не е достатъчно, може да се използва двойна или тройна битова мрежа.

Командна система е списък с инструкции, които компютърният процесор може да изпълни. Системата с инструкции установява какви конкретни операции може да изпълнява процесорът, колко операнда трябва да бъдат посочени в инструкцията, каква форма (формат) трябва да има инструкцията, за да я разпознае. Броят на основните типове команди е малък, с тяхна помощ компютрите могат да извършват събиране, изваждане, умножение, деление, сравнение, запис в паметта, прехвърляне на число от регистър в регистър, преобразуване от една бройна система в друга и др. Ако е необходимо, модифицирайте командите, като вземете предвид спецификата на изчисленията. Обикновено компютърът използва от десетки до стотици инструкции (като се вземе предвид тяхната модификация). На съвременния етап от развитието на компютърните технологии се използват два основни подхода при формирането на набор от инструкции на процесора. От една страна, това е традиционен подход, свързан с разработването на процесори с пълен набор от инструкции - архитектурата ОНД(Complete Instruction Set Computer - компютър с пълен набор от команди). От друга страна, това е внедряването в компютъра на намален набор от най-простите, но често използвани команди, което позволява да се опрости хардуера на процесора и да се увеличи неговата скорост - архитектура RISC(Reduced Instruction Set Computer - компютър с намален набор от команди).

Цена на компютъра зависи от много фактори, по-специално скорост, капацитет на паметта, набор от инструкции и т.н. Голямо влияниецената се влияе от специфичната конфигурация на компютъра и на първо място от външните устройства, които са част от машината. И накрая, цената на софтуера значително влияе върху цената на компютрите.

Надеждност на компютъра - това е способността на машината да поддържа свойствата си при определени условия на работа за определен период от време. Следните показатели могат да служат като количествена оценка на надеждността на компютър, съдържащ елементи, чиято повреда води до повреда на цялата машина:

вероятността за безотказна работа за определено време при дадени условия на работа;

компютърно време до отказ;

средно време за възстановяване на машината и др.

За по-сложни структури, като компютърен комплекс или система, понятието „отказ“ няма смисъл. В такива системи отказите на отделни елементи водят до известно намаляване на ефективността на функциониране, а не до пълна загуба на ефективност като цяло.

Други характеристики на компютърната технология също са важни, например: гъвкавост, софтуерна съвместимост, тегло, размери, консумация на енергия и др. Те се вземат предвид при оценката на специфични области на компютърното приложение.

Методите за организиране на софтуер и хардуер в AWS комплекси трябва да се определят в общия контекст на разглежданите процеси на оперативно управление на производството (OUP) на промишлени предприятия, чиято целева функция е да минимизира разходите за всички видове ресурси за производството на установената номенклатура на предметите на труда.

Методите за организиране на софтуер и хардуер в AWS комплекси трябва да се определят в общия контекст на разглежданите процеси на оперативно управление на производството (OUP) на промишлени предприятия, чиято целева функция е да минимизира разходите за всички видове ресурси за производството на установената номенклатура на предметите на труда.

Синтезът на методите и моделите за организация на софтуера и хардуера при представяне на AS OUP като AWS комплекси от самоподдържащи се производствени екипи трябва да премине през два етапа: етап на определяне на рационалния състав на инструментите на CT и етап на решаване на проблема с разпределение на ресурсите на компютърната система на AWS комплексите до нейните крайни потребители.

Техническа (хардуерна) съвместимост на нови VT съоръжения по отношение на съществуващия VT парк на клиента и към VT парка, предвиден за придобиване в бъдеще. Практиката показва, че този показател е един от най-важните, взети предвид при избора на VT. Тенденцията за придобиване на VT хардуер, съвместим със съществуващите, е свързана с много обективни и субективни причини, където психологията на клиента, чувството му за увереност в успеха на използването на този конкретен клас хардуер, заема не последно място. Софтуерна съвместимост, която се определя от съвместимостта на хардуерно реализираната командна система, съвместимост на форматите за представяне на данни, съвместимост на транслатори, СУБД и др. Значителното влияние на този показател върху потреблението на ресурси може да се обясни с наличието на големи обеми предварително подготвени регулаторни, архивни и статистически данни, както и със специализацията на обучен персонал в предприятието с опит в работата с конкретни основни софтуерни инструменти.

Оперативна съвместимост в рамките на закупения комплекс от VT инструменти, което позволява, в случай на повреда на отделни модули на работната станция, или бързо да се замени повреденият модул, или да се пренасочат устройствата, използвани между конкретни работни станции в рамките на изчислителните ресурси на всички комплекси (вътре цеховият комплекс, в рамките на междуцеховия комплекс, в системата на всяко предприятие).

Надеждност на VT оборудването според техническите спецификации и съответствието му с конкретни условия на работа: вибрации, окисление, прах, газове, пренапрежения на напрежението и др. изисква допълнителна защита.

Общата скорост на решаване на функционални проблеми по видове работни станции на комплекса е скоростта на обработка на съществуващи обеми от данни в различни режими на работа. Обикновено, за да се определят стойностите на този индикатор, не е достатъчно да се знаят само обемите информационна базаспецифични работни станции и паспортни характеристики и предоставени изчислителни ресурси.

Следователно, за приблизителна (порядъчна) оценка на стойностите на този показател е от съществено значение или експлоатационният опит в съоръжения за VT от близък клас, или резултатите, получени върху симулационни модели, където базите данни съответстват по обем и структура на данните към истинските. Приближаването на данните, получени от тестови примери, може да доведе до грешка в резултатите, които се различават с порядък от реалните оценки, получени по-късно по време на работа на системата. Източникът на грешката най-често е двусмислеността на алгоритмите за работа, помощните програми на операционната система, комуникационните протоколи, драйверите и основните езикови инструменти, когато операционните системи работят в многозадачен режим на много потребители при ограничаващите ресурси на изчислителните системи или за техните обеми. В този случай възможностите за директно изчисление с помощта на характеристиките на производителността на процесорите, вътрешномашинните комуникационни канали, мрежовите комуникационни канали, скоростите на достъп до данни по видове външни устройства не могат да бъдат използвани неефективно. Понастоящем капацитетът на много процесори и внедрените езикови инструменти, ориентирани към тях, не позволяват да се осигури целият потенциален набор от задачи на системата за управление на PPP с необходимата изчислителна точност. Ето защо при определяне на стойностите на този показател е необходимо да се въведе детайлизиране по класове задачи на конкретни видове работни станции с позоваване на разглежданата комбинация от CT инструменти и основен софтуер.

Цената за внедряване на "приятелски интерфейс" включва както програми за обучение, така и възможност за получаване на справки в процеса на работа на работната станция за това как да продължите или прекратите диалога.

Възможността за промяна на състава и съдържанието на функциите, изпълнявани на конкретни работни станции, включително преразпределение между персонала.

Осигуряване на изискванията за защита срещу неоторизиран достъп за бази от знания и бази данни, както и осигуряване на тяхната "прозрачност" при необходимост.

Класификация на компютърната техника

1. Хардуер

Съставът на компютърна система се нарича конфигурация. Компютърният хардуер и софтуер се разглеждат отделно. Съответно хардуерната конфигурация на изчислителните системи и тяхната софтуерна конфигурация се разглеждат отделно. Този принцип на разделяне е от особено значение за компютърните науки, тъй като много често решението на едни и същи проблеми може да бъде осигурено както от хардуер, така и от софтуер. Критериите за избор на хардуерно или софтуерно решение са производителност и ефективност. Общоприето е, че хардуерните решения са средно по-скъпи, но внедряването на софтуерните решения изисква повече висококвалифициран персонал.

Хардуерът на изчислителните системи включва устройства и устройства, които формират хардуерна конфигурация. Съвременните компютри и изчислителни системи имат блоково-модулен дизайн - хардуерна конфигурация, необходима за изпълнението на специфични видове работа, която може да бъде сглобена от готови възли и блокове.

Основните хардуерни компоненти на изчислителната система са: памет, централен процесор и периферни устройства, които са свързани помежду си чрез системна магистрала (фиг. 1.) Основната памет е предназначена да съхранява програми и данни в двоична форма и е организирана като подредена масив от клетки, всяка от които има уникален цифров адрес. Обикновено размерът на клетката е 1 байт. Типични операции върху основната памет: четене и запис на съдържанието на клетка с определен адрес.

2. Централен процесор

Централният процесор е централното устройство на компютъра, което извършва операции по обработка на данни и управлява периферните устройства на компютъра. Съставът на централния процесор включва:

Устройство за управление - организира процеса на изпълнение на програми и координира взаимодействието на всички устройства на изчислителната система по време на нейната работа;

Аритметично логическо устройство - извършва аритметични и логически операции с данни: събиране, изваждане, умножение, деление, сравнение и др.;

Устройство с памет - е вътрешна памет на процесора, която се състои от регистри, при използване на които процесорът извършва изчисления и съхранява междинни резултати; за ускоряване на работата с RAM се използва кеш памет, в която предварително се изпомпват команди и данни от RAM, които са необходими на процесора за последващи операции;

Тактов генератор - генерира електрически импулси, които синхронизират работата на всички компютърни възли.

Централният процесор извършва различни операции с данни, използвайки специализирани клетки за съхранение на ключови променливи и временни резултати - вътрешни регистри. Регистрите са разделени на два вида (фиг. 2.):

Регистри с общо предназначение - използват се за временно съхранение на ключови локални променливи и междинни резултати от изчисления, включват регистри на данни и регистри на указатели; основната функция е да предоставя бърз достъпкъм често използвани данни (обикновено без достъп до паметта).

Специализирани регистри – служат за управление на работата на процесора, като най-важните от тях са: регистърът на инструкциите, указателят на стека, флаговият регистър и регистърът, съдържащ информация за състоянието на програмата.

Програмистът може да използва регистри на данни по свое усмотрение, за да съхранява временно всякакви обекти (данни или адреси) и да извършва необходимите операции върху тях. Индексните регистри, подобно на регистрите на данни, могат да се използват произволно; тяхната основна цел е да съхраняват индекси или отмествания на данни и инструкции от началото на основния адрес (при извличане на операнди от паметта). Базовият адрес може да е в базовите регистри.

Сегментните регистри са критичен елемент от архитектурата на процесора, осигурявайки 20-битово адресно пространство с 16-битови операнди. Основни сегментни регистри: CS - кодов сегментен регистър; DS - регистър на сегменти от данни; SS - стеков сегментен регистър, ES - допълнителен сегментен регистър. Достъпът до паметта се осъществява чрез сегменти - логически образувания, насложени върху всяка част от физическото адресно пространство. Началният адрес на сегмента, разделен на 16 (без най-малката шестнадесетична цифра) се въвежда в един от сегментните регистри; след което се предоставя достъп до част от паметта, започваща от даден сегментен адрес.

Адресът на всяка клетка от паметта се състои от две думи, едната от които определя местоположението в паметта на съответния сегмент, а другата - отместването в този сегмент. Размерът на сегмента се определя от количеството данни, които съдържа, но никога не може да надвишава 64 KB, което се определя от максималната възможна стойност на отместване. Адресът на сегмента на сегмента с инструкции се съхранява в CS регистъра, а отместването към адресирания байт се съхранява в регистъра на указателя на IP инструкции.

Фиг.2. 32-битови процесорни регистри

След зареждане на програмата, отместването на първата команда на програмата се въвежда в IP. Процесорът, който го чете от паметта, увеличава съдържанието на IP точно с дължината на тази инструкция (инструкциите на процесора на Intel могат да бъдат с дължина от 1 до 6 байта), в резултат на което IP сочи към втората инструкция на програмата. След изпълнение на първата команда, процесорът чете втората от паметта, като отново увеличава стойността на IP. В резултат IP винаги съдържа отместването на следващата команда - командата, следваща тази, която се изпълнява. Описаният алгоритъм се нарушава само при изпълнение на команди за прескачане, извикване на подпрограми и обслужване на прекъсвания.

Сегментният адрес на сегмента с данни се съхранява в DS регистъра, отместването може да бъде в един от регистрите с общо предназначение. Допълнителен ES сегментен регистър се използва за достъп до полета с данни, които не са част от програмата, като видео буфер или системни клетки. Въпреки това, ако е необходимо, той може да бъде конфигуриран за един от сегментите на програмата. Например, ако програмата работи с голямо количество данни, можете да предоставите два сегмента за тях и да получите достъп до единия от тях през DS регистъра, а другия през ES регистъра.

Регистърът на указателя на стека SP се използва като горен указател на стека. Стекът е програмна област за временно съхранение на произволни данни. Удобството на стека се крие във факта, че неговата област се използва повторно, а съхраняването на данни в стека и извличането им от там се извършва с помощта на команди push и pop без да се уточняват имена. Стекът традиционно се използва за съхраняване на съдържанието на регистрите, използвани от програмата, преди да извика подпрограмата, която от своя страна ще използва регистрите на процесора за свои собствени цели. Оригиналното съдържание на регистрите се изважда от стека при връщане от подпрограмата. Друга често срещана техника е да се предадат необходимите параметри на подпрограма чрез стека. Подпрограмата, знаейки в какъв ред са поставени параметрите в стека, може да ги вземе от там и да ги използва при своето изпълнение.

Отличителна черта на стека е особеният ред на вземане на проби от данните, съдържащи се в него: във всеки даден момент само най-горният елемент е достъпен в стека, тоест елементът, зареден в стека последен. Изваждането на горния елемент от стека прави достъпен следващия елемент. Елементите на стека са разположени в областта на паметта, разпределена за стека, като се започне от дъното на стека (от неговия максимален адрес) до последователно намаляващи адреси. Адресът на горния достъпен елемент се съхранява в регистъра на указателя на стека SP.

Специалните регистри са достъпни само в привилегирован режим и се използват от операционната система. Те контролират различни кеш блокове, основна памет, I/O устройства и други устройства в изчислителната система.

Има един регистър, който е наличен както в привилегирован, така и в потребителски режим. Това е регистърът PSW (Program State Word), който се нарича флагов регистър. Регистърът на флага съдържа различни битове, необходими на процесора, като най-важните са кодовете на условието, които се използват при сравнения и условни скокове.Те се задават във всеки цикъл на аритметичното логическо устройство на процесора и отразяват състоянието на резултата от предишната операция . Съдържанието на флаговия регистър зависи от вида на изчислителната система и може да включва допълнителни полета, които показват: машинен режим (например потребителски или привилегирован); бит за проследяване (който се използва за отстраняване на грешки); ниво на приоритет на процесора; състояние на разрешаване на прекъсване. Флаговият регистър обикновено се чете в потребителски режим, но някои полета могат да се записват само в привилегирован режим (например битът, който определя режима).

Регистърът на указателя на инструкциите съдържа адреса на следващата инструкция в опашката за изпълнение. След като дадена инструкция бъде избрана от паметта, регистърът на инструкциите се актуализира и показалецът се премества към следващата инструкция. Указателят на инструкцията следи изпълнението на програмата, като във всеки момент показва относителния адрес на инструкцията, следваща тази, която се изпълнява. Регистърът е програмно недостъпен; адресът се увеличава от микропроцесора, като се взема предвид дължината на текущата инструкция. Инструкциите за скокове, прекъсвания, извикване на подпрограми и връщане от тях променят съдържанието на показалеца, като по този начин правят скокове до необходимите точки в програмата.

Акумулиращият регистър се използва в по-голямата част от командите. Често използваните команди, които използват този регистър, имат съкратен формат.

За обработка на информация данните обикновено се прехвърлят от клетките на паметта в регистрите с общо предназначение, операцията се извършва от централния процесор, а резултатите се прехвърлят в основната памет. Програмите се съхраняват като последователност от машинни инструкции, които трябва да бъдат изпълнени от процесора. Всяка команда се състои от поле за операция и полета за операнд - данните, върху които се извършва тази операция. Наборът от машинни инструкции се нарича машинен език. Изпълнението на програмата се извършва по следния начин. Машинната инструкция, посочена от програмния брояч, се чете от паметта и се копира в регистъра на инструкциите, където се декодира и след това се изпълнява. След като се изпълни, програмният брояч сочи към следващата инструкция и т.н. Тези действия се наричат ​​машинен цикъл.

Повечето процесори имат два режима на работа: режим на ядрото и потребителски режим, който се определя от бит в думата за статус на процесора (флаг регистър). Когато процесорът работи в режим на ядрото, той може да изпълни всички инструкции в набора от инструкции и да използва всички възможности на хардуера. Операционната система работи в режим на ядрото и осигурява достъп до целия хардуер. Потребителските програми се изпълняват в потребителски режим, което позволява изпълнението на много инструкции, но прави наличен само част от хардуера.

За да комуникира с операционната система, потребителската програма трябва да издаде системно повикване, което осигурява преход към режим на ядрото и активира функциите на операционната система. Инструкцията за прихващане (емулирано прекъсване) превключва режима на процесора от потребителски режим към режим на ядрото и прехвърля контрола към операционната система. След приключване на работата контролът се връща към потребителската програма, към инструкцията, следваща системното извикване.

В компютрите, в допълнение към инструкциите за извършване на системни повиквания, има прекъсвания, които се извикват от хардуера, за да предупредят за изключителни ситуации, например опит за разделяне на нула или препълване по време на операции с плаваща запетая. Във всички подобни случаи контролът преминава към операционната система, която трябва да реши какво да прави по-нататък. Понякога трябва да прекратите програмата със съобщение за грешка, понякога можете да го игнорирате (например, ако числото загуби своята значимост, можете да го приемете равно на нула) или да прехвърлите управлението на самата програма, за да се справи с определени типове условия.

Според начина, по който устройствата са разположени спрямо централния процесор, се разграничават вътрешни и външни устройства. Външните устройства обикновено включват повечето I/O устройства (наричани също периферни устройства) и някои устройства, предназначени за дългосрочно съхранение на данни.

Координацията между отделните възли и блокове се извършва с помощта на преходни хардуерно-логически устройства, наречени хардуерни интерфейси. Стандартите за хардуерни интерфейси в изчислителната техника се наричат ​​протоколи - набор от технически условия, които трябва да бъдат предоставени от разработчиците на устройства, за да могат успешно да координират работата си с други устройства.

Многобройните интерфейси, присъстващи в архитектурата на всяка компютърна система, могат условно да бъдат разделени на две големи групи: последователни и паралелни. Чрез сериен интерфейс данните се предават последователно, бит по бит, и през паралелен интерфейс, едновременно в групи от битове. Броят на битовете, включени в един пакет, се определя от битовата ширина на интерфейса, например осем-битовите паралелни интерфейси предават един байт (8 бита) на цикъл.

Паралелните интерфейси обикновено са по-сложни от серийните, но осигуряват по-добра производителност. Използват се там, където скоростта на пренос на данни е важна: за свързване на печатащи устройства, входни устройства графична информация, устройства за запис на данни на външен носител и др. Производителността на паралелните интерфейси се измерва в байтове в секунда (байтове/сек; Кбайт/сек; Мбайтове/секунду).

устройство серийни интерфейсипо-лесно; като правило те не се нуждаят от синхронизиране на работата на предавателното и приемащото устройство (поради което често се наричат ​​асинхронни интерфейси), но тяхната честотна лента е по-малка и коеф. полезно действиеПо-долу. Тъй като серийните устройства комуникират в битове, а не в байтове, тяхната производителност се измерва в битове в секунда (bps, kbps, Mbps). Въпреки очевидната простота на преобразуване на мерни единици на скоростта на серийния трансфер в мерни единици на скоростта на паралелен трансфер на данни чрез механично деление на 8, такова преобразуване не се извършва, тъй като не е правилно поради наличието на сервизни данни. В краен случай, коригирана за сервизни данни, понякога скоростта на серийните устройства се изразява в символи в секунда или символи в секунда (s / s), но тази стойност не е техническа, а референтна, потребителска.

Серийните интерфейси се използват за свързване на бавни устройства (най-простите нискокачествени печатащи устройства: входни и изходни устройства за знакова и сигнална информация, контролни сензори, нископроизводителни комуникационни устройства и др.), Както и в случаите, когато няма значителни ограничения за продължителността на обмен на данни (цифрови камери).

Вторият основен компонент на компютъра е паметта. Системата за памет е проектирана като йерархия от слоеве (фиг. 3.). Най-горният слой се състои от вътрешните регистри на процесора. Вътрешните регистри предоставят възможност за съхраняване на 32 x 32 бита на 32-битов процесор и 64 x 64 бита на 64-битов процесор, което е по-малко от един килобайт и в двата случая. Самите програми могат да управляват регистри (т.е. да решават какво да съхраняват в тях) без хардуерна намеса.

Фиг.3. Типична йерархична структура на паметта

Следващият слой е кеш паметта, контролирана предимно от хардуера. RAM е разделена на кеш линии, обикновено по 64 байта всеки, адресиращи 0 до 63 на линия 0, 64 до 127 на линия 1 и т.н. Най-често използваните кеш линии се съхраняват във високоскоростен кеш, разположен в или много близо до процесора. Когато една програма трябва да прочете дума от паметта, кеш чипът проверява дали има желания низв кеша. Ако е така, тогава има ефективен достъп до кеша, заявката се удовлетворява изцяло от кеша и заявката за памет не се поставя в шината. Успешният достъп до кеша обикновено отнема около два такта, а неуспешният води до достъп до паметта със значителна загуба на време. Кеш паметта е ограничена по размер поради високата си цена. Някои машини имат две или дори три нива на кеш, всяко по-бавно и по-голямо от предишното.

Следва RAM (RAM - памет с произволен достъп, английски RAM, Random Access Memory - памет с произволен достъп). Това е основната работна зона на устройството за съхранение на изчислителната система. Всички заявки на процесора, които не могат да бъдат изпълнени от кеша, отиват в основната памет за обработка. При стартиране на няколко програми на компютър е желателно да се поставят сложни програми в RAM. Защитата на програмите една от друга и тяхното движение в паметта се осъществява с помощта на компютърно оборудване с два специализирани регистъра: основен регистър и лимит.

В най-простия случай (фиг. 4.а), когато програмата започне да работи, адресът на началото на изпълнимия програмен модул се зарежда в основния регистър, а лимитният регистър показва колко отнема изпълнимият програмен модул заедно с данните. Когато дадена инструкция бъде извлечена от паметта, хардуерът проверява брояча на инструкции и ако е по-малък от граничния регистър, той добавя стойността на основния регистър към него и прехвърля сумата в паметта. Когато програмата иска да прочете дума от данни (например от адрес 10 000), хардуерът автоматично добавя съдържанието на основния регистър (например 50 000) към този адрес и прехвърля сумата (60 000) памет. Базовият регистър позволява на програмата да се позовава на която и да е част от паметта след адреса, записан в нея. В допълнение, ограничителният регистър не позволява на програмата да има достъп до която и да е част от паметта след програмата. Така с помощта на тази схема се решават и двата проблема: защита и движение на програми.

В резултат на проверка и преобразуване на данни, адресът, генериран от програмата и наречен виртуален адрес, се транслира в адреса, използван от паметта и наречен физически адрес. Устройството, което извършва проверката и преобразуването, се нарича модул за управление на паметта (MMU). Мениджърът на паметта се намира или във веригата на процесора, или близо до него, но логично седи между процесора и паметта.

По-сложен мениджър на паметта се състои от две двойки основни и гранични регистри. Едната двойка е за програмен текст, другата двойка е за данни. Командният регистър и всички препратки към текста на програмата работят с първата двойка регистри, препратките към данни използват втората двойка регистри. Благодарение на този механизъм става възможно споделянето на една програма между няколко потребители, като същевременно се съхранява само едно копие на програмата в RAM, което е изключено в проста схема. При изпълнение на програма № 1 вляво са разположени четири регистъра, както е показано на фиг. 4 (b), а при изпълнение на програма № 2 - вдясно. Управлението на мениджъра на паметта е функция на операционната система.

Следващият в структурата на паметта е магнитният диск (хард диск). Дисковата памет е с два порядъка по-евтина от RAM по отношение на битове и по-голяма като размер, но достъпът до данни, намиращи се на диска, отнема около три порядъка повече време. Причина за ниска скорост харддиске фактът, че дискът е механична структура. Твърдият диск се състои от една или повече метални пластини, въртящи се с 5400, 7200 или 10800 rpm (фиг. 5.). Информацията се записва върху плочите под формата на концентрични кръгове. Четящите/записващите глави на всяка дадена позиция могат да четат пръстен върху плочата, наречен писта. Заедно релсите за дадена позиция на вилицата образуват цилиндър.

Всяка песен е разделена на определен брой сектори, обикновено 512 байта на сектор. На съвременните дискове външните цилиндри съдържат повече сектори от вътрешните. Преместването на главата от един цилиндър в друг отнема около 1 ms, а преместването към произволен цилиндър отнема от 5 до 10 ms, в зависимост от диска. Когато главата е разположена над желаната песен, трябва да изчакате, докато двигателят завърти диска, така че необходимият сектор да стане под главата. Това отнема допълнителни 5 до 10 ms, в зависимост от скоростта на въртене на диска. Когато секторът е под главата, процесът на четене или запис се извършва със скорост от 5 MB / s (за нискоскоростни дискове) до 160 MB / s (за високоскоростни дискове).

Последният слой е зает от магнитна лента. Този носител често се използва за създаване на резервни копия на пространството на твърдия диск или за съхраняване на големи набори от данни. За достъп до информацията лентата се поставя в четец на магнитни ленти, след което се пренавива до искания блок с информация. Целият процес отне минути. Описаната йерархия на паметта е типична, но в някои изпълнения може да не присъстват всички нива или други техни типове (например оптичен диск). Във всеки случай, когато се движите надолу по йерархията, времето за произволен достъп се увеличава значително от устройство на устройство, а капацитетът нараства еквивалентно на времето за достъп.

В допълнение към типовете, описани по-горе, много компютри имат памет само за четене с произволен достъп (ROM - памет само за четене, ROM, Read Only Memory - памет само за четене), която не губи съдържанието си, когато компютърната система се включи изключено. ROM се програмира по време на производствения процес и съдържанието му не може да бъде променено след това. На някои компютри ROM съдържа програмите за стартиране, използвани за стартиране на компютъра и някои I/O карти за управление на устройства от ниско ниво.

Електрически изтриваемият ROM (EEPROM, Electrically Erasable ROM) и флаш RAM (флаш RAM) също са енергонезависими, но за разлика от ROM, тяхното съдържание може да бъде изтрито и пренаписано. Записването на данни в тях обаче отнема много повече време, отколкото записването в RAM. Следователно те се използват по същия начин като ROM.

Има и друг вид памет - CMOS памет, която е енергонезависима и се използва за съхраняване на текущата дата и текущото време. Паметта се захранва от батерия, вградена в компютъра, и може да съдържа конфигурационни параметри (например индикация от кой твърд диск да се стартира).

3. I/O устройства

Други устройства, които взаимодействат тясно с операционната система, са I/O устройства, които се състоят от две части: контролер и самото устройство. Контролерът е микрочип (чипсет) на платка за добавяне, която получава и изпълнява команди от операционната система.

Например, контролерът получава команда да прочете определен сектор от диска. За да изпълни командата, контролерът преобразува линейния секторен номер на диска в номер на цилиндър, сектор и глава. Операцията по преобразуване се усложнява от факта, че външните цилиндри могат да имат повече сектори от вътрешните. След това контролерът определя над кой цилиндър главата е в момента и дава поредица от импулси, за да премести главата необходимия брой цилиндри. След това контролерът изчаква дискът да се завърти, поставяйки необходимия сектор под главата. След това процесите на четене и съхраняване на битове, когато пристигнат от диска, процесите на премахване на заглавката и изчисляване контролна сума. След това контролерът събира получените битове в думи и ги съхранява в паметта. За да извършат тази работа, контролерите съдържат вграден фърмуер.

Самото I / O устройство има прост интерфейс, който трябва да отговаря на един IDE стандарт (IDE, Integrated Drive Electronics - вграден интерфейс на устройството). Тъй като интерфейсът на устройството е скрит от контролера, операционната система вижда само интерфейса на контролера, който може да е различен от интерфейса на устройството.

Тъй като контролерите за различните I/O устройства са различни един от друг, те изискват подходящ софтуер - драйвери за тяхното управление. Следователно всеки производител на контролер трябва да предостави драйвери за операционните системи, които поддържа. Има три начина за инсталиране на драйвера в операционната система:

Свържете отново ядрото с новия драйвер и след това рестартирайте системата, така работят много UNIX системи;

Създайте запис във файла, включен в операционната система, че е необходим драйвер и рестартирайте системата, по време на първоначалното зареждане операционната система ще намери необходимия драйвер и ще го зареди; така работи операционната система Windows;

Приемайте нови драйвери и бързо ги инсталирайте с помощта на операционната система, докато работи; методът се използва от подвижни USB и IEEE 1394 шини, които винаги се нуждаят от динамично заредени драйвери.

Има специфични регистри за комуникация с всеки контролер. Например, минимален дисков контролер може да има регистри за указване на адреса на диска, адреса на паметта, номера на сектора и посоката на операцията (четене или запис). За да активира контролера, драйверът получава команда от операционната система, след което я превежда в стойности, подходящи за запис в регистрите на устройството.

На някои компютри регистрите на входно/изходните устройства са съпоставени с адресното пространство на операционната система, така че могат да се четат или записват като обикновени думи в паметта. Адресите на регистрите се поставят в RAM извън обсега на потребителските програми, за да се защитят потребителските програми от хардуера (например чрез използване на базови и лимитни регистри).

На други компютри регистрите на устройствата се намират в специални I/O портове и всеки регистър има свой собствен адрес на порт. На такива машини инструкциите IN и OUT са налични в привилегирован режим, което позволява на драйверите да четат и записват регистри. Първата схема елиминира необходимостта от специални I/O команди, но използва малко адресно пространство. Втората схема не засяга адресното пространство, но изисква наличието на специални инструкции. И двете схеми са широко използвани. Въвеждането и извеждането на данни се извършва по три начина.

1. Потребителската програма издава системна заявка, която ядрото преобразува в извикване на процедура към съответния драйвер. След това драйверът стартира I/O процеса. През това време драйверът изпълнява много кратък програмен цикъл, като непрекъснато проверява готовността на устройството, с което работи (обикновено има някакъв бит, който показва, че устройството все още е заето). Когато I/O операцията приключи, драйверът поставя данните там, където са необходими, и се връща в първоначалното си състояние. След това операционната система връща контрола на програмата, която е направила повикването. Този метод се нарича готовност за изчакване или активно изчакване и има един недостатък: процесорът трябва да анкетира устройството, докато не приключи работата си.

2. Драйверът стартира устройството и го моли да издаде прекъсване в края на I / O. След това драйверът връща данните, операционната система блокира повикващия, ако е необходимо, и започва да изпълнява други задачи. Когато контролерът открие края на трансфер на данни, той генерира прекъсване, за да сигнализира завършването на операцията. Механизмът за внедряване на I/O е както следва (фиг. 6.a):

Стъпка 1: драйверът изпраща команда до контролера, записвайки информация в регистрите на устройството; контролерът стартира I/O устройството.

Стъпка 2: След приключване на четенето или записването, контролерът изпраща сигнал към чипа на контролера за прекъсване.

Стъпка 3: Ако контролерът за прекъсване е готов да получи прекъсване, тогава той изпраща сигнал до определен щифт на процесора.

Стъпка 4: Контролерът за прекъсване поставя номера на I/O устройството в шината, така че процесорът да може да го прочете и да знае кое устройство е завършило. Когато процесорът получи прекъсване, съдържанието на програмния брояч (PC) и думата за състоянието на процесора (PSW) се изтласкват в текущия стек и процесорът преминава в привилегирован режим на работа (режим на ядрото на операционната система). Номерът на I/O устройството може да се използва като индекс на част от паметта, използвана за търсене на адреса на манипулатор на прекъсвания. това устройство. Тази част от паметта се нарича вектор на прекъсване. Когато манипулаторът на прекъсвания (част от драйвера на устройството, изпратил прекъсването) се стартира, той премахва програмния брояч и думата за състоянието на процесора от стека, запазва ги и отправя запитване към устройството за информация относно неговото състояние. След приключване на обработката на прекъсването, управлението се връща към стартираната преди това потребителска програма, към командата, чието изпълнение все още не е завършено (фиг. 6 b).

3. За I/O информация се използва контролер за директен достъп до паметта (DMA, Direct Memory Access), който контролира потока от битове между RAM и някои контролери без постоянната намеса на централния процесор. Процесорът извиква DMA чипа, казва му колко байта да прехвърли, казва му адресите на устройството и паметта и посоката на трансфера на данни и оставя чипа да се грижи сам за себе си. След завършване DMA инициира прекъсване, което се обработва по подходящ начин.

Прекъсванията могат да възникнат в неподходящи моменти, като например при обработка на друго прекъсване. Поради тази причина процесорът има способността да деактивира прекъсванията и да ги активира по-късно. Докато прекъсванията са забранени, всички устройства, които са завършили своята работа, продължават да изпращат своите сигнали, но процесорът не се прекъсва, докато прекъсванията не бъдат активирани. Ако няколко устройства прекратят работа наведнъж, докато прекъсванията са забранени, контролерът на прекъсванията решава кое трябва да се обработи първо, обикновено въз основа на статичните приоритети, присвоени на всяко устройство.

Компютърната система Pentium има осем шини (кеш шина, локална шина, шина на паметта, PCI, SCSI, USB, IDE и ISA). Всяка шина има своя собствена скорост на данни и свои собствени функции. Операционната система трябва да има информация за всички шини, за да управлява компютъра и неговата конфигурация.

ISA шина (Industry Standard Architecture, индустриална стандартна архитектура) - появява се за първи път на IBM PC / AT компютри, работи на честота от 8,33 MHz и може да прехвърля два байта на часовник с максимална скорост 16,67 MB/s; включен е за обратна съвместимост с по-стари бавни I/O карти.

PCI шина (Peripheral Component Interconnect, интерфейс периферни устройства) - създаден от Intel като наследник на шината ISA, може да работи на честота от 66 MHz и да прехвърля 8 байта на такт със скорост от 528 MB / s. Понастоящем PCI шинаизползвайте повечето високоскоростни I/O устройства, както и компютри с процесори, различни от Intel, тъй като много I/O карти са съвместими с него.

Локалната шина на системата Pentium се използва от процесора за изпращане на данни към PCI мостовия чип, който има достъп до паметта през специална шина на паметта, често работеща на 100 MHz.

Кеш шината се използва за свързване на външен кеш, тъй като системите Pentium имат кеш от първо ниво (L1 кеш), вграден в процесора, и голям външен кеш от второ ниво (L2 кеш).

Шината IDE се използва за свързване на периферни устройства: дискове и CD-ROM устройства. Шината е наследник на PC/AT интерфейса на дисковия контролер и сега е стандартна за всички системи, базирани на Pentium.

USB шината (Universal Serial Bus, Universal Serial Bus) е предназначена за свързване на бавни I/O устройства (клавиатури, мишки) към компютър. Той използва малък четирижилен конектор, два от които захранват USB устройствата.

USB шината е централизирана шина, при която хостът проверява I/O устройствата на всяка милисекунда, за да види дали имат данни. Той може да управлява изтегляне на данни със скорост 1,5 MB/s. Всички USB устройства използват един и същ драйвер, така че могат да бъдат свързани към системата без рестартиране на системата.

SCSI шината (Small Computer System Interface, системен интерфейс на малки компютри) е високопроизводителна шина, използвана за бързи устройства, скенери и други устройства, които изискват значителна честотна лента. Производителността му достига 160 MB / s. SCSI шината се използва в системи Macintosh и е популярна в UNIX системи и други системи, базирани на Intel.

Шината IEEE 1394 (FireWire) е битово-серийна шина и поддържа скорост на пакетен трансфер на данни до 50 MB/s. Тази функция ви позволява да свързвате преносими цифрови видеокамери и други мултимедийни устройства към вашия компютър. За разлика от USB шината, шината IEEE 1394 няма централен контролер.

Операционната система трябва да може да разпознава хардуерните компоненти и да може да ги конфигурира. Това изискване е довело от Intelи Microsoft за разработване на персонална компютърна система, наречена plug and play. Преди тази система всяка I/O платка имаше фиксирани адреси на I/O регистър и ниво на заявка за прекъсване. Например, клавиатурата използва прекъсване 1 и адреси в диапазона 0x60 до 0x64; контролерът на флопи диска използва прекъсване 6 и адреси 0x3F0 до 0x3F7; принтерът използва прекъсване 7 и адреси от 0x378 до 0x37A.

Ако потребителят е закупил звукова картаи модема се е случвало тези устройства случайно да използват едно и също прекъсване. Имаше конфликт, така че устройствата не можаха да работят заедно. Възможно решение беше да се изгради набор от DIP превключватели (джъмпери, джъмпер - джъмпер) във всяка платка и да се конфигурира всяка платка така, че адресите на портовете и номерата на прекъсванията на различни устройства да не са в конфликт помежду си.

Plug and play позволява на операционната система автоматично да събира информация за I/O устройства, централно да задава нива на прекъсване и I/O адреси и след това да докладва тази информация на всяка платка. Такава система работи на компютри Pentium. Всеки компютър с процесор Pentium съдържа дънна платка, която съдържа програма - BIOS (Basic Input Output System - основна входно-изходна система). BIOS съдържа I/O програми от ниско ниво, включително процедури за четене от клавиатурата, за показване на информация на екрана, за въвеждане/извеждане на данни от диска и т.н.

Когато компютърът се стартира, стартира системата BIOS, която проверява количеството RAM, инсталирана в системата, връзката и правилната работа на клавиатурата и други основни устройства. След това BIOS проверява ISA и PCI шините и всички устройства, свързани към тях. Някои от тези устройства са традиционни (предварително включете и пуснете). Те имат фиксирани нива на прекъсване и адрес на входно/изходен порт (например зададен с помощта на превключватели или джъмпери на входно/изходната платка, които не могат да бъдат променяни от операционната система). Тези устройства се записват, след което преминават регистрациите на устройства с включване и пускане. Ако наличните устройства са различни от тези по време на последното зареждане, новите устройства се конфигурират.

След това BIOS определя от кое устройство да стартира, като изпробва всяко едно от тях от списъка, съхранен в CMOS паметта. Потребителят може да промени този списък, като влезе в програмата за конфигуриране на BIOS веднага след зареждане. Обикновено първо се прави опит за зареждане от флопи диск. Ако това не успее, CD се опитва. Ако компютърът няма едновременно дискета и компактдиск, системата се зарежда от твърдия диск. От устройството за стартиране първият сектор се чете в паметта и се изпълнява. Този сектор съдържа програма, която проверява таблицата на дяловете в края на сектора за зареждане, за да определи кой дял е активен. След това вторичният буутлоудър се чете от същия дял. Той чете от активен дялоперационна система и я стартира.

След това операционната система запитва BIOS за информация относно конфигурацията на компютъра и проверява за драйвер за всяко устройство. Ако драйверът не е наличен, операционната система подканва потребителя да постави дискета или компактдиск, съдържащ драйвера (тези дискове се доставят от производителя на устройството). Ако всички драйвери са на мястото си, операционната система ги зарежда в ядрото. След това инициализира таблиците на драйверите, създава всички необходими фонови процеси и стартира програмата за въвеждане на парола или GUIна всеки терминал.

5. История на развитието на компютърните технологии

Всички IBM-съвместими персонални компютри са оборудвани с Intel-съвместими процесори. Историята на развитието на микропроцесорите от семейството на Intel е накратко следната. Първият универсален микропроцесор на Intel се появи през 1970 г. Наричаше се Intel 4004, беше четири-битов и имаше способността да въвежда/извежда и обработва четири-битови думи. Скоростта му беше 8000 операции в секунда. Микропроцесорът Intel 4004 е проектиран за използване в програмируеми калкулатори с размер на паметта 4 KB.

Три години по-късно Intel пусна процесора 8080, който вече можеше да изпълнява 16-битови аритметични операции, имаше 1b-битова адресна шина и следователно можеше да адресира до 64 KB памет (2516 0 = 65536). 1978 г. беше белязана от пускането на процесора 8086 с размер на думата 16 бита (два байта), 20-битова шина и вече можеше да работи с 1 MB памет (2520 0 = 1048576 или 1024 KB), разделена на блокове (сегменти) по 64 KB всеки. Процесорът 8086 беше оборудван с компютри, съвместими с IBM PC и IBM PC / XT. Следващата голяма стъпка в развитието на нови микропроцесори е процесорът 8028b, който се появява през 1982 г. Имаше 24-битова адресна шина, можеше да управлява 16 мегабайта адресно пространство и беше инсталиран на компютри, съвместими с IBM PC/AT. През октомври 1985 г. беше пуснат 80386DX с 32-битова адресна шина (максималното адресно пространство е 4 GB), а през юни 1988 г. беше пуснат 80386SX, който беше по-евтин от 80386DX и имаше 24-битова адресна шина. След това през април 1989 г. се появява микропроцесорът 80486DX, а през май 1993 г. - първата версия на процесора Pentium (и двата с 32-битова адресна шина).

През май 1995 г. на международното изложение Comtek-95 в Москва Intel представи нов процесор - P6.

Една от най-важните цели на дизайна на P6 беше да се удвои производителността на процесора Pentium. В същото време производството на първите версии на P6 ще се извършва според вече дебъгвания "Intel" и ще се използва в производството. най-новите версииПолупроводникова технология Pentium (0,6 µm, Z, Z V).

Използването на същия производствен процес гарантира, че масовото производство на P6 може да бъде постигнато без големи проблеми. Това обаче означава, че удвояването на производителността се постига само чрез цялостни подобрения в микроархитектурата на процесора. Микроархитектурата P6 е разработена чрез внимателно обмислена и настроена комбинация от различни архитектурни методи. Някои от тях са тествани преди това в процесорите на "големи" компютри, някои са предложени от академични институции, останалите са разработени от инженери от компанията Intel. Тази уникална комбинация от архитектурни характеристики, която Intel нарича "динамично изпълнение", позволи на първите P6 чипове да надвишат първоначално планираните нива на производителност.

При сравнение с алтернативните процесори на "Intel" от семейството x86 се оказва, че микроархитектурата P6 има много общо с микроархитектурата на процесорите Nx586 от NexGen и K5 от AMD и, макар и в по-малка степен, с M1 от Кирикс. Тази прилика се обяснява с факта, че инженерите на четирите компании решават един и същ проблем: въвеждане на елементи от RISC технологията, като същевременно поддържат съвместимост с архитектурата Intel x86 CISC.

Два кристала в една кутия

Основното предимство и уникална характеристика на P6 е поставениятв същия пакет с процесора, вторична статична кеш памет с размер 256 KB, свързана към процесора чрез специална шина. Този дизайн трябва значително да опрости дизайна на системи, базирани на P6. P6 е първият масово произвеждан микропроцесор, съдържащ два чипа в една опаковка.

Процесорната матрица в P6 съдържа 5,5 милиона транзистора; кеш кристал от второ ниво - 15,5 милиона. За сравнение, най-новият модел Pentium включваше около 3,3 милиона транзистора, а L2 кешът беше реализиран с помощта на външен набор от чипове памет.

Така голямо числотранзистори в кеша се дължи на неговия статичен характер. Статичната памет в P6 използва шест транзистора за съхраняване на един бит, докато динамичната памет ще използва един транзистор на бит. Статичната памет е по-бърза, но по-скъпа. Въпреки че броят на транзисторите на чип с вторичен кеш е три пъти по-голям от този на процесорен чип, физическите размери на кеша са по-малки: 202 квадратни милиметра срещу 306 за процесора. И двата матрици са поставени заедно в 387-пинов керамичен пакет („двойна кухина pin-drid array“). И двете матрици са произведени по една и съща технология (0,6 µm, 4-слоен метал-BiCMOS, 2,9 V). Очаквана максимална консумация на енергия: 20 W при 133 MHz.

Първата причина за комбиниране на процесора и вторичния кеш в един пакет е да се улесни проектирането и производството на високопроизводителни системи, базирани на P6. Производителността на компютърна система, изградена върху бърз процесор, зависи много от фината настройка на микросхемите на процесорната среда, по-специално на вторичния кеш. Не всички производители на компютри могат да си позволят съответните изследвания. В P6 вторичният кеш вече е оптимално настроен към процесора, което улеснява проектирането на дънната платка.

Втората причина за комбинирането е подобряване на производителността. Kzsh от второ ниво е свързан към процесора чрез специално предназначена 64-битова широка шина и работи на същата тактова честота като процесора.

Първите 60 и 66 MHz процесори Pentium имаха достъп до вторичния кеш през 64-битова шина при същата тактова честота. Въпреки това, тъй като тактовите честоти на Pentium се увеличават, за дизайнерите става твърде трудно и скъпо да поддържат тази честота на дънната платка. Затова започнаха да се използват честотни делители. Например за 100 MHz Pentium външната шина работи на честота 66 MHz (за 90 MHz Pentium - съответно 60 MHz). Pentium използва тази шина както за вторичен достъп до кеша, така и за достъп до основната памет и други устройства като PCI чипсета.

Използването на специална шина за достъп до вторичния кеш подобрява производителността на изчислителната система. Първо, това постига пълна синхронизация на скоростите на процесора и шината; второ, конкуренцията с други входно-изходни операции и свързаните с тях забавяния са изключени. L2 кеш-шината е напълно отделена от външната шина, през която се осъществява достъп до паметта и външните устройства. 64-битовата външна шина може да работи на половината, една трета или една четвърт от скоростта на процесора, като вторичната кеш шина работи независимо на пълна скорост.

Комбинирането на процесора и вторичния кеш в един пакет и комуникацията чрез специална шина е стъпка към техниките за подобряване на производителността, използвани в най-мощните RISC процесори. И така, в процесора Alpha 21164 от "Digital" кешът от второ ниво от 96 kb се намира в ядрото на процесора, подобно на първичния кеш. Това осигурява много висока производителност на кеша чрез увеличаване на броя на транзисторите на чип до 9,3 милиона. Производителността на Alpha 21164 е 330 SPECint92 при 300 MHz. Производителността на P6 е по-ниска (Intel оценява 200 SPECint92 при 133 MHz), но P6 осигурява най-доброто съотношениецена/производителност за неговия потенциален пазар.

Когато оценявате съотношението цена/производителност, трябва да вземете предвид, че докато P6 може да е по-скъп от своите конкуренти, повечето други процесори трябва да бъдат заобиколени от допълнителен набор от чипове памет и кеш контролер. Освен това, за да постигнат сравнима производителност на кеша, други процесори ще трябва да използват кеш, по-голям от 256 KB.

"Intel" обикновено предлага многобройни варианти на своите процесори. Това се прави, за да се отговори на разнообразните изисквания на системните дизайнери и да се остави по-малко място за конкурентни модели. Следователно може да се предположи, че скоро след пускането на P6, както модификациите с увеличен обем вторична кеш памет, така и по-евтините модификации с външно местоположениевторичен кеш, но със специална шина между вторичния кеш и процесора.

Pentium като отправна точка

Процесорът Pentium с неговите конвейерни и суперскаларниархитектурата е достигнала впечатляващо ниво на производителност. Pentium съдържа два 5-степенни конвейера, които могат да работят паралелно и да изпълняват две цели числа на машинен часовник. В този случай само двойка команди могат да бъдат изпълнени паралелно, следващи една след друга в програмата и отговарящи на определени правила, например липсата на зависимости на регистъра от типа "запис след четене".

В P6, за да се увеличи пропускателната способност, беше направен преход към един 12-степенен тръбопровод. Увеличаването на броя на етапите води до намаляване на извършената работа на всеки етап и в резултат на това до намаляване на времето, което екипът прекарва на всеки етап с 33 процента в сравнение с Pentium. Това означава, че използването на същата технология при производството на P6, както при производството на 100 MHz Pentium, ще доведе до P6 с тактова честота 133 MHz.

Възможностите на суперскаларната архитектура на Pentium, със способността й да изпълнява две инструкции на такт, биха били трудни за победа без напълно нов подход. Новият подход, приложен в P6, елиминира строгата зависимост между традиционните фази "fetch" и "execute", когато последователността от команди, преминаващи през тези две фази, съответства на последователността от команди в програмата.

Новият подход е свързан с използването на така наречения команден пул и с нов ефективни методипредвиждане на бъдещото поведение на програмата. В този случай традиционната фаза на "изпълнение" се заменя с две: "изпращане/изпълнение" и "връщане назад". В резултат на това командите могат да започнат да се изпълняват в произволен ред, но винаги завършват изпълнението си в съответствие с първоначалния им ред в програмата. Ядрото P6 е реализирано като три независими устройства, взаимодействащи чрез набор от инструкции (фиг. 1).

Основният проблем по пътя към подобряване на производителността

Решението за организиране на P6 като три независими устройства, взаимодействащи чрез набор от команди, беше взето след задълбочен анализ на факторите, които ограничават производителността на съвременните микропроцесори. Основният факт, който е верен за Pentium и много други процесори, е, че реалните програми не използват пълната мощност на процесора.

Докато скоростите на процесора са се увеличили поне 10 пъти през последните 10 години, времето за достъп до основната памет е намаляло само с 60 процента. Това нарастващо изоставане в производителността на паметта спрямо скоростта на процесора беше основният проблем, който трябваше да бъде решен при проектирането на P6.

Един възможен подход за решаване на този проблем е да се премести фокусът му върху разработването на високопроизводителни компоненти около процесора. Въпреки това масовото производство на системи, които включват както високопроизводителен процесор, така и високоскоростни чипове за специална среда, би било твърде скъпо.

Човек може да се опита да реши проблема с груба сила, а именно да увеличи размера на кеша от второ ниво, за да намали процента на случаите, когато необходимите данни не са в кеша.

Това решение е ефективно, но и изключително скъпо, особено като се имат предвид днешните изисквания за скорост на L2 кеш компонентите. P6 е проектиран от гледна точка на ефективно внедряване на цялостна изчислителна система и се изисква високата производителност на системата като цяло да бъде постигната с помощта на евтина подсистема с памет.

По този начин,Комбинацията от архитектурни техники на P6, като подобрено предсказване на разклонения (почти винаги правилно определя следващата последователност от инструкции), анализ на потока от данни (определя оптималния ред на изпълнение на инструкциите) и превантивно изпълнение (очакваната последователност от инструкции се изпълнява без бездействие време в оптималния ред), ни позволи да удвоим производителността спрямо Pentium, използвайки същата производствена технология. Тази комбинация от методи се нарича динамично изпълнение.

В момента Intel разработва нова производствена технология от 0,35 микрона, която ще позволи производството на процесори P6 с тактова честота на ядрото над 200 MHz.

P6 като платформа за изграждане на мощни сървъри

Сред най-значимитекомпютърни тенденции през последните години, както нарастващото използване на x86-базирани системи като сървъри за приложения, така и нарастващата роля на Intel като доставчик на непроцесорни технологии като шини, мрежи, видео компресия, флаш памет и системна администрация.

Пускането на процесора P6 продължава политиката на Intel за предоставяне на възможности, които преди са били запазени за по-скъпите компютри, на масовия пазар. Паритетът е осигурен за вътрешните регистри P6, а 64-битовата шина, свързваща ядрото на процесора и кеша от второ ниво, е оборудвана с инструменти за откриване и коригиране на грешки. Новите диагностични възможности, вградени в P6, позволяват на производителите да проектират по-надеждни системи. P6 предоставя възможност за получаване на информация за повече от 100 процесорни променливи или събития, случващи се в процесора, като липса на данни в кеша, съдържанието на регистрите, появата на самопроменящ се код и т.н., чрез контактите на процесора или с помощта на софтуер. Операционната система и другите програми могат да четат тази информация, за да определят състоянието на процесора. P6 също има подобрена поддръжка за контролни точки, тоест предоставя възможност за връщане на компютъра към предварително фиксирано състояние в случай на грешка.

Подобни документи

Компютърните технологии се появиха отдавна, тъй като необходимостта от различни видове изчисления съществуваше в зората на развитието на цивилизацията. Бързото развитие на компютърните технологии. Създаване на първите персонални компютри, мини компютри от 80-те години на ХХ век.

резюме, добавено на 25.09.2008 г


Характеристики на системи за техническа и профилактична поддръжка на компютърна техника. Програми за диагностика на операционни системи. Връзката на автоматизираните системи за управление. Защита на вашия компютър от външни неблагоприятни влияния.

резюме, добавено на 25.03.2015 г


Разработване на информационно-аналитична система за анализ и оптимизиране на конфигурацията на компютърната техника. Структурата на автоматизираното управление на компютърната техника. Софтуер, обосновка на икономическата ефективност на проекта.

дисертация, добавена на 20.05.2013 г


Ръчен етап на развитие на компютърните технологии. Позиционна бройна система. Развитието на механиката през 17 век. Електромеханичен етап в развитието на изчислителната техника. Компютри пето поколение. Параметри и отличителни характеристики на суперкомпютъра.

курсова работа, добавена на 18.04.2012 г


Устройството и принципът на работа на персонален компютър (PC). Диагностика на здравето на компютъра и отстраняване на неизправности. Задачи Поддръжкакомпютърни съоръжения. Разработване на методи за поддържане на оборудването в работно състояние.

курсова работа, добавена на 13.07.2011 г


Изучаването на чуждестранна, местна практика в развитието на компютърните технологии, както и перспективите за развитие на компютрите в близко бъдеще. Компютърни технологии. Етапи на развитие на компютърната индустрия у нас. Сливането на компютър и комуникации.

курсова работа, добавена на 27.04.2013 г


Класификация на проектните процедури. История на синтеза на компютърните технологии и инженерния дизайн. Функции на системите за автоматизирано проектиране, тяхното програмно осигуряване. Характеристики на използването на триизмерни скенери, манипулатори и принтери.

резюме, добавено на 25.12.2012 г


Автоматизация на обработката на данни. Информатиката и нейните практически резултати. Историята на създаването на цифровите компютърни технологии. Електромеханични компютри. Използването на електронни тръби и компютри от първо, трето и четвърто поколение.

дисертация, добавена на 23.06.2009 г


Концепцията и характеристиките на персоналния компютър, неговите основни части и тяхното предназначение. Средства за обучение по информатика и особености на организацията на работа в кабинета по компютърна техника. Оборудване на работното място и софтуерно приложение.

резюме, добавено на 09.07.2012 г


Съставът на компютърната система - конфигурацията на компютъра, неговия хардуер и софтуер. Устройства и устройства, които формират хардуерната конфигурация на персонален компютър. Основна памет, I/O портове, адаптер за периферно устройство.