Архитектура вычислительных систем. Вычислительные машины, системы и сети
Архитектура вычислительных систем. Вычислительные машины, системы и сети/ О.В. Конюхова. – Орел: ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК», 2013. – 197 с.
К 65 Учебное пособие содержит актуальную информацию об архитектуре современных вычислительных систем: принципах построения и функционирования вычислительных машин, вычислительных систем параллельной обработки и микроконтроллеров, компьютерных сетей, а также современном состоянии и перспективах развития данной отрасли компьютерной индустрии.
Рассматриваются основные понятия вычислительных машин, систем и сетей; принципы построения и функционирования вычислительных машин, систем и сетей и их компонентов.
Учебное пособие соответствует требованиям ФГОС и содержанию программ учебных дисциплин «Архитектура вычислительных систем» для студентов направлений 230400.62 «Информационные системы и технологии», 231000.62 «Программная инженерия»; «Вычислительные машины, системы и сети» для студентов специальности 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств»; «Вычислительные системы, сети и телекоммуникации» для студентов направления 230700.62 «Прикладная информатика».
Предназначено для студентов направлений 230400.62 «Информационные системы и технологии», 231000.62 «Программная инженерия», 230700.62 «Прикладная информатика», специальности 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств». Может быть полезно студентам других специальностей при изучении информатики и программирования.
© ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК», 2013
1. Основные понятия вычислительной 7
техники и принципы организации 7
1.1. Основные понятия и определения 7
1.2. Принципы организации вычислительных машин и систем 10
1.3. Основные характеристики вычислительных машин и 15
1.4. Многоуровневая организация вычислительных процессов 17
Вопросы для самопроверки 19
2. Простейшие типовые элементы 21
2.1. Комбинационные схемы 22
2.4. Проблемы и перспективы развития элементной базы 30
Вопросы для самопроверки 35
3. Функциональные узлы комбинационного и 36
последовательного типов 36
3.1. Функциональные узлы последовательного типа 36
3.1. Функциональные узлы комбинационного типа 40
Вопросы для самопроверки 45
4. Функциональная организация процессора 47
4.1. Основные характеристики и классификация процессоров 47
4.2. Физическая и функциональная структура процессора 51
4.3. Архитектурные принципы организации 57
4.4. Производительность процессоров и архитектурные 60
Вопросы для самопроверки 65
5. Организация работы процессора 66
5.1 Классификация и структура команд процессора 66
5.2. Способы адресации данных и команд 69
5.3. Поток управления и механизм прерываний 77
Вопросы для самопроверки 85
6 Современное состояние и тенденции 87
6.1. Архитектурные особенности процессоров Pentium 87
6.2. Программная модель процессоров Pentium 90
6.3. Аппаратная организация защиты в процессорах Pentium 92
6.4. Аппаратные средства поддержки многозадачности 97
6.5. Перспективы развития процессоров 99
Вопросы для самопроверки 100
7. Память. Организация памяти 102
7.1. Иерархическая организация памяти 102
7.2. Классификация запоминающих устройств 103
7.3. Структура основной памяти 107
7.4. Память с последовательным доступом 109
7.5. Ассоциативная память 112
7.6. Организация флэш-памяти 114
7.7. Архитектурные способы повышения скорости обмена между процессором и памятью 117
Вопросы для самопроверки 121
8. Управление памятью. Виртуальная память 123
8.1. Динамическое распределение памяти 123
8.2. Сегментная организация памяти 125
8.3. Страничная организация памяти 128
8.4. Сегментно-страничная организация памяти 131
Вопросы для самопроверки 132
9. Организация ввода-вывода информации. Системная шина 133
9.1. Организация шин. Системная шина 133
9.2 Организация взаимодействия между периферийными устройствами и процессором и памятью вычислительных машин 144
9.3. Внешние интерфейсы вычислительных машин 147
Вопросы для самопроверки 153
МОДУЛЬ 2. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ 154
10. Вычислительные системы параллельной обработки. Многопроцессорные и многоядерные системы 154
10.1. Параллельная обработка информации 155
10.2. Классификация систем параллельной обработки данных 157
10.3. Вычислительные системы на кристалле. Многоядерные системы 165
10.4. Тенденции развития ВС 170
Вопросы для самопроверки 171
11. Организация микроконтроллеров и микроконтроллерных систем 172
11.1. Общие сведения о системах управления 172
11.2. Организация микроконтроллеров и микроконтроллерных систем 174
11.3. Области применения и тенденции развития МК 179
Вопросы для самопроверки 180
МОДУЛЬ 3. ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ СЕТИ 181
12. Организация компьютерных сетей 181
12.1. Обобщённая структура компьютерных сетей 181
12.2. Классификация компьютерных сетей 183
Вопросы для самопроверки 188
13. Стандартизация компьютерных сетей. Эталонная модель взаимодействия открытых систем 189
13.1. Понятие «открытой системы». Взаимодействие 189
13.2. Эталонная модель взаимодействия открытых систем 191
13.3. Структура блоков информации 192
Вопросы для самопроверки 197
Вычислительные системы в своем развитии достигли высокого уровня совершенства. Они компактны, обладают большой скоростью выполнения заданий и достаточно просты в обращении. Все эти качества привели к их широкому использованию. Для полного учета всех преимуществ и ограничений, характеризующих процесс решения задачи с помощью вычислительных систем, необходимо знание принципов построения и функционирования как вычислительных систем в целом, так и отдельных их устройств. Для эффективного применения вычислительных машин также необходимо понимание возможностей и знание внутренней структуры современных персональных компьютеров. Основы организации архитектуры вычислительных систем необходимы для знания многих дисциплин.
Учебное пособие содержит актуальную информацию об архитектуре современных вычислительных систем: принципах построения и функционирования вычислительных машин, вычислительных систем параллельной обработки и микроконтроллеров, компьютерных сетей, а также современном состоянии и перспективах развития данной отрасли компьютерной индустрии.
В учебном пособии рассматриваются основные понятия вычислительных машин, систем и сетей; принципы построения и функционирования вычислительных машин, систем и сетей и их компонентов.
Учебное пособие соответствует требованиям ФГОС и содержанию программ учебных дисциплин «Архитектура вычислительных систем» для студентов направлений 230400.62 «Информационные системы и технологии», 231000.62 «Программная инженерия»; «Вычислительные машины, системы и сети» для студентов специальности 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств»; «Вычислительные системы, сети и телекоммуникации» для студентов направления 230700.62 «Прикладная информатика». Может быть полезно студентам других специальностей при изучении информатики и программирования.
МОДУЛЬ 1. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ
Курс лекций «Вычислительные машины, системы и сети»
Персональный компьютер (ПК, PC – Personal Computer) — устройство для программируемой обработки данных. PC позволяет проводить без участия человека сложные последовательности вычислительных операций.
Обычно персональные компьютеры состоят из устройств:
— системный блок (для размещения основных элементов компьютера)
— клавиатура (для ввода символов в компьютер)
— монитор (для отображения текстовой и графической информации)
Описание составных частей PC мы начинаем с конструктивного элемента, не являющегося необходимым для функционирования вычислительной системы, т. е. корпуса (системный блок), однако это первое, что бросается в глаза. Корпус PC является не только «упаковочным ящиком», но и функциональным элементом, защищающим комплектующие PC от внешнего воздействия, и служит основой для последующего расширения системы.
Известно, что можно совершенствовать PC путем добавления в него новых или замены старых комплектующих. Поэтому при выборе корпуса рекомендуется руководствоваться не только эстетическими критериями, но и принимать во внимание его функциональные возможности.
Хотя из частей компьютера корпус выглядит наименее эффектно, в нем располагаются все основные узлы компьютера
— Электронные схемы, управляющие работой компьютера (микропроцессор, оперативная память, контроллеры устройств и т. д.)
— Блок питания, преобразующий электропитание сети в постоянный ток низкого напряжения, подаваемый на электронные схемы компьютера
— Накопители (или дисководы) для гибких магнитных дисков, используемых для чтения и записи на гибкие магнитные диски (дискеты)
— Накопитель на жестком магнитном диске, предназначенный для чтения и записи на несъемный жесткий магнитный диск (винчестер)
— Через специальные гнезда (разъемы), находящиеся обычно на задней стенке корпуса к компьютеру можно подключить различные устройства.
Подключение этих устройств выполняется с помощью специальных проводов (кабелей). Для защиты от ошибок разъемы для вставки этих кабелей сделаны разными, так что кабель просто не воткнется в неподходящее гнездо.
Корпус состоит из двух изогнутых в форме буквы П жестяных или стальных листов, вставленных в друг друга. На одном из листов крепится материнская плата а другой лист является крышкой.
Обычно на передней панели корпуса размещаются несколько кнопок (кнопка включения питания и кнопка Reset — сброс для перезапуска PC) и светодиодных индикаторов (LED — Light Emiting Diod) для индикации включения питания и работы винчестера. Иногда встречаются цифровые индикаторы частоты процессора.
Внутри на фронтальной панели корпуса расположен динамик (PC Speaker), который является стандартным средством подачи акустических сигналов.
Вместе с корпусом вы приобретаете блок питания. Размер блока питания определяется конструкцией корпуса. Существует множество модификаций блоков питания разного типа. Все они различаются выходными мощностями.
Slimline — (тонкий) – по своему строению принадлежит к компактным корпусам. Они незаменимы там, где дорог каждый сантиметр рабочего стола. В таком корпусе использовано фактически все внутреннее пространство. И хотя конструкция корпуса экономит место, при необходимости замены составного элемента приходиться разбирать практически весь системный блок.
Desktop — (письменный стол) – до недавнего времени наиболее часто применяемый корпус. Самый большой недостаток – они занимаю много места на рабочем столе. Как правило ширина таких корпусов около 45 см. а высота – около 20 см.
Tower — (башня) – значительно экономит место на рабочем столе. Грубо говоря, это Desktop поставленный набок. Существует несколько модификаций таких корпусов отличающихся друг от друга по высоте: Mini-Tower (около 40 см. в высоту), Midi-Tower (около 50 см.), Big-Tower (около 60 см.).
Корпус типа АТХ — В июле 1995 г. корпорацией Intel была предложена новая спецификация на конструкцию корпуса PC (и материнской платы). В настоящее время эта спецификация принята всеми ведущими производителями PC. Появление спецификации АТХ обусловлено, с одной стороны, повышением требований к скорости работы процессора и, соответственно, теплорежиму внутри корпуса, а также увеличению количества микросхем на материнской плате (появление систем all-in-one, то есть когда на материнской карте интегрированы видео и звуковые карты, контроллеры приводов и др.). С другой стороны, появились требования более удобного и простого доступа к внутренним элементам PC. Если вы открывали крышку корпуса PC и устанавливали новые компоненты (карты расширения, винчестер и др.), то наверняка столкнулись с массой неудобств: кабели периферийных устройств перекрывают доступ к модулям памяти, CPU блокирует возможность установки полноразмерных карт в слоты расширения и пр.
Согласно стандарту АТХ материнская плата развернута на 90°, вследствие чего все слоты расширения становятся пригодными для использования полноразмерных плат, a CPU оказывается под блоком питания, и вентилятор блока питания дополнительно обдувает процессор.
Внешне корпус АТХ похож на корпус типа Desktop и Tower, однако:
— Корпус АТХ оборудован новым блоком питания, отличающимся от своих предшественников размерами, конструкцией и наличием нового разъема для подключения к материнской плате
— Все слоты расширения поддерживают полноразмерные платы
— Наличие интегрированных портов уменьшает количество кабелей и проводов внутри корпуса, что облегчает доступ к компонентам материнской платы
— Все порты ввода/вывода располагаются на одной стороне материнской платы в один ряд и выходят на заднюю стенку корпуса (здесь же могут размещаться видео, аудио и игровой порт)
— Разъемы интерфейсов дисководов и винчестеров расположены рядом с посадочными местами для 3,5″ приводов, следовательно, можно использовать более короткие кабели
В настоящее время появилось большое количество ATX-корпусов типа Desktop, Mini-Tower, Tower.