Вычислительные системы и сети в информатике

Вычислительные системы, сети и телекоммуникации

Вычислительные системы, сети и телекоммуникации — это средства для оказания разнообразных информационных и вычислительных услуг организациям и частным лицам.

Основные термины и понятия

• Электронная система – это любые электронные устройства, которые выполняют обработку информационных данных.
• Задача– это комплекс функций, которые должна исполнить электронная система.
• Быстродействие– это скоростные характеристики осуществления электронной системой её задач.
• Гибкость – это возможность системы перестраиваться для работы с разными задачами.
• Избыточность – это уровень соотношения сложности поставленной задачи и возможностей системы.
• Интерфейс – это правила обмена информационными данными, которые подразумевают электронную, структурную и логическую возможность обмена между различными блоками, принимающими участие в таком обмене.

Вычислительная или микропроцессорная система является частным случаем электронной системы, которая служит для работы с входными сигналами и отправки выходных сигналов (данных). Входными и выходными сигналами могут быть как сигналы аналогового формата, так и цифровые кодированные цепочки данных. В составе вычислительной системы имеются устройства для сохранения и передачи информационных сигналов. Ниже приведена блок-схема электронной вычислительной системы.

Рисунок 1. Блок-схема электронной вычислительной системы. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Вычислительные системы могут выполнены как программируемые или с жёсткой логической структурой. Системы с «жёсткой логикой» отличаются тем, что в них принципы работы и сохранения данных напрямую связаны с её схемной реализацией. То есть все системы, сделанные на основе «жёсткой логики», в любом случае являются специализированными, рассчитанными на узкий проблемный класс решаемых задач.

Под программируемой или универсальной системой понимается вычислительная система, способная к адаптации под любой класс задач. Она может перенастраиваться на различные алгоритмы функционирования без изменения аппаратного обеспечения. Выбор другого алгоритма работы выполняется заданием системе новой информации для управления. Главным достоинством таких систем считается возможность изменения типа решаемых задач без схемотехнических модификаций системы.

Процессор

Основой всех вычислительных систем считается процессор, то есть модуль, выполняющий обработку информационных данных в вычислительной системе. Процессор является заменителем почти всей жёсткой логики, которая потребовалась бы в этом случае. Основные функции процессора следующие:

1. Выполнение арифметических операций.
2. Выполнение логических операций.
3. Операции временного сохранения кодов команд.
4. Обмен данными среди модулей микропроцессорной системы.

Другие модули вычислительных систем служат для осуществления вспомогательных операций:

1. Сохранение информационных данных, включая управляющую программу.
2. Обеспечение обмена данными с внешними модулями.
3. Обеспечение связи с пользователями.

Следует помнить, что процессорный модуль осуществляет весь набор действий поочерёдно, то есть исполняет последовательно весь прописанный набор команд. Это и хорошо, и плохо, так как последовательное выполнение команд приводит к прямой зависимости времени выполнения алгоритма от его объёма и уровня сложности.

Команда, которая осуществляется в данный момент времени, задаётся управляющей программой. Программа является комплексом инструкций, которые составил программист. Под командой понимается кодовый набор двоичных цифр, который процессор расшифровывает и понимает, что он должен исполнить. Разные команды имеют разное время исполнения и это означает, что интервал времени, требуемый для выполнения всей программы, зависит как от числа команд, так и от типа этих команд в программе. Весь набор команд, которые способен исполнить процессор, является системой команд процессора. Система команд процессора может состоять из набора от нескольких десятков до сотен команд.

Структурная организация вычислительной системы

Типовой вариант структуры вычислительной системы состоит из следующих модулей:

1. Процессорный модуль.
2. Модули памяти, которые включают оперативную и постоянную память.
3. Модули ввода и вывода, которые служат для обмена информацией с внешними модулями.

Весь набор модулей вычислительной системы объединён общей шиной или иначе каналом, или системной магистралью. Ниже приведена общая структура вычислительной системы:

Рисунок 2. Общая структура вычислительной системы. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Системная магистраль состоит из четырёх шин более низкого уровня:

Режимы работы вычислительной системы

Гибкость работы вычислительной системы обеспечивается тем, что все операции определяются программным обеспечением. Помимо этого, гибкость в работе даёт настройка режима информационного обмена по системной шине. Почти все вычислительные системы могут работать в трёх режимах информационного обмена по системной шине:

1. Режим программного обмена данными.
2. Режим обмена по прерываниям программы.
3. Режим обмена по прямому доступу к памяти.

Многомашинные вычислительные комплексы

Чтобы реализовать распределённую обработку данных, были разработаны многомашинные структуры вычислительных систем, действующие по следующим направлениям:

1. Многомашинные вычислительные комплексы являются группой ЭВМ, которые связаны специальными коммуникационными средствами. Такие комплексы могут делится на:
   • Локальные, когда все компьютеры находятся в одном помещении.
   • Дистанционные, когда компьютеры могут находиться на большом расстоянии от головной ЭВМ и для коммуникации применяются каналы связи по телефонным линиям.
2. Полноформатная вычислительная сеть, которая объединяет большое число компьютерных терминалов и другого оборудования, объединённых коммуникационными линиями связи.

Источник

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

Источник