Рыбаченко Олег Павлович : другие произведения.

В помощь студентов Олег Рыбаченко передает информацию о курсе программистов. Олег Рыбаченко получает сейчас четвертое высшее образование на курсе программиста

Самиздат: [Регистрация] [Найти] [Рейтинги] [Обсуждения] [Новинки] [Обзоры] [Помощь|Техвопросы]
Ссылки:
Школа кожевенного мастерства: сумки, ремни своими руками
 Ваша оценка:
  • Аннотация:
    Тут много полезной информации по программированию.
  
  
  љ Денисов Д.В., 2013
  
  љ Московский финансово-промышленный университет "Синергия", 2013
  
  Содержание
  
  
  
  Тема 1. Основные характеристики и области применения информационно-вычислительных систем.
  
  Вопросы для самопроверки:
  
  Литература по теме:
  
  Практические задания:
  
  
  
  Тема 2. Устройство персонального компьютера: системный блок и периферия
  
  Вопросы для самопроверки:
  
  Литература по теме:
  
  Практические задания:
  
  
  
  Тема 3. Типы и логическое устройство материнских плат
  
  Вопросы для самопроверки:
  
  Литература по теме:
  
  Практические задания:
  
  
  
  Тема 4. Типы и логическое устройство процессоров
  
  Вопросы для самопроверки:
  
  Литература по теме:
  
  Практические задания
  
  
  
  Тема 5. Типы и логическое устройство оперативной памяти.
  
  Вопросы для самопроверки:
  
  Литература по теме:
  
  Практические задания:
  
  
  
  Тема 6. Система ввода-вывода и организация взаимодействия с периферийными устройствами
  
  Вопросы для самопроверки:
  
  Литература по теме:
  
  Практические задания:
  
  
  
  Тема 7. Сети ЭВМ, информационно-вычислительные системы и сети
  
  Вопросы для самопроверки:
  
  Литература по теме:
  
  Практические задания:
  
  
  
  Тема 8. Коммуникационные устройства
  
  Вопросы для самопроверки:
  
  Литература по теме:
  
  Практические задания:
  
  
  
  Тема 9. Архитектурные особенности параллельных, многопроцессорных и многомашинных вычислительных систем
  
  Вопросы для самопроверки:
  
  Литература по теме:
  
  Практические задания:
  
  
  
  Тема 1. Основные характеристики и области применения информационно-вычислительных систем.
  
  
  Цели и задачи:
  
  Цели и задачи изучения данной темы - получение знаний об основных принципах построения архитектуры Электронно-вычислительных машин (ЭВМ), сформулированных Джоном фон Нейманом и их практической реализацией в вычислительных системах различных поколений и классов.
  
  
  
  В результате успешного изучения темы Вы:
  
  Узнаете:
  
  Ј историю развития информационно-вычислительных систем (ИВС);
  
  Ј классификацию ИВС по различным признакам (принцип действия, назначение, вычислительная мощность и так далее);
  
  Ј этапы развития элементной базы электронных вычислительных машин (ЭВМ);
  
  Ј типы современных компьютеров и сферы их использования;
  
  Ј показатели качества информации;
  
  Ј понятие системы обработки данных (СОД) и их классификацию;
  
  Ј принципы архитектуры ЭВМ Джона фон Неймана;
  
  Ј принципы создания элементов структур современных ЭВМ;
  
  Ј типы современных компьютеров и сферы их использования.
  
  
  
  Приобретете следующие профессиональные компетенции:
  
  Ј умение определять тип и класс ЭВМ по ее техническим параметрам и описанию;
  
  Ј умение определять тип вычислительной системы по ее техническим параметрам и описанию;
  
  Ј умение определять принцип действия ЭВМ по ее техническим параметрам и описанию;
  
  Ј навыки определения поколения ЭВМ в зависимости от используемой элементной базы;
  
  Ј навыки определения типа ЭВМ в зависимости от ее производительности, разрядности процессора (процессоров), а также объема оперативной и внешней памяти;
  
  Ј способность осуществлять выбор ЭВМ по критерию вычислительной мощности в зависимости от решаемых с ее помощью задач.
  
  
  
  В процессе освоения темы акцентируйте внимание на следующих ключевых понятиях:
  
  Алгоритм - это конечный набор предписаний, определяющий решение задачи посредством определенного количества операций. Алгоритм может быть представлен в виде словесного описания, схемы, программы.
  
  
  
  Вычислительная система - это совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенных для сбора, хранения, обработки и распределения информации.
  
  
  
  Информация - это сообщение, уменьшающее незнание о чем-либо (явлении, предмете и так далее). Минимальной единицей информации считается 1 бит ("0" или "1").
  
  
  
  Программа - это упорядоченная последовательность команд, которые выполняются ЭВМ автоматически друг за другом в определенной последовательности. Каждая программа имеет свое специализированное назначение, а комплекс программ называется программным обеспечением.
  
  
  
  Электронная вычислительная система (ЭВМ) - электрическое устройство для выполнения программ по сбору, хранению, обработке и передачи информации. Изначально ЭВМ выполняли в основном программы, связанные с расчетами, поэтому и сохранилось их название "вычислительные машины", в тоже время для выполнения любой программы необходимо производить расчеты.
  
  
  
  Система - совокупность элементов имеющих общую цель или законы функционирования. В общем случае системой можно считать любой объект, который в свою очередь разделяется на подсистемы. В рамках данного курса будут рассматриваться вычислительные системы.
  
  
  
  Теоретический материал по теме
  
  
  
  Электронно-вычислительные машины (ЭВМ) как следует из названия изначально предназначались для автоматического выполнения математических расчетов, то есть обработки цифровой информации. В настоящее время функции ЭВМ значительно шире и они позволяют обрабатывать практически любую информацию. Однако для того, чтобы эта информация была понятна ЭВМ она представляется в цифровом формате. Для того, чтобы понять как устроена ЭВМ необходимо четко определить что именно она обрабатывает.
  
  Информация (лат. Information) - разъяснение, осведомление, изложение) - все те сведения, которые уменьшают степень неопределенности нашего знания о конкретном объекте, это сведения которые один реальный объект содержит о другом реальном объекте.
  
  Информация часто кодируется числовыми кодами в той или иной системе счисления. Одно и то же количество разрядов в разных системах счисления способно передать разное число (N) отображаемых состояний объекта.
  
  
  
  
  
  
  
  В различных системах счисления один разряд имеет различный вес, и соответственно меняется единица измерения данных. Так, в двоичной системе счисления единицей измерения служит бит (bit - binary digit, двоичный разряд).
  
  В современных компьютерах наряду с минимальной единицей данных - битом, используется укрупненная единица информации - байт, равная 8 битам.
  
  Ј 1 Килобайт = 210 байт = 1024 байт.
  
  Ј 1 Мегабайт = 210 Килобайт = 1024 Килобайт.
  
  Ј 1 Гигабайт = 210 Мегабайт = 1024 Мегабайт.
  
  Ј 1 Терабайт = 210 Гигабайт = 1024 Гигабайт.
  
  Ј 1 Петабайт = 210 Терабайт = 1024 Терабайт.
  
  
  
  Информация характеризуется различными показателями (см. рисунок 1). Эти показатели были определены в процессе многолетнего опыта обработки информации. Их практическое применение и теоретическое изучение является предметом специальной области - информатики. Информатика как сфера обработки информации включает в себя три основных составляющие: науку, информационные технологии и индустрию информатики.
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 1. Показатели качества информации
  
  
  
  Информационные технологии - система процедур преобразования информации с целью формирования, организации, обработки, распространения и использования информации.
  
  Информатика - наука, изучающая свойства, структуру и функции информационных систем, основы их проектирования, создания, использования и оценки, а также информационные процессы, в них происходящие.
  
  Поскольку понятие "информационная система" является базовым для науки информатики необходимо определить что понимается по "системой" вообще, "информационной системой" и "информационно-вычислительной системой" в частности.
  
  Система (греч. systema - целое, составленное из частей соединение) - совокупность элементов, взаимодействующих друг с другом, образующих, определенную целостность, единство. Укрупненная классификация систем представлена на рисунке 2.
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 2. Укрупненная классификация систем
  
  
  
  Эргатехнические (смешанные) системы - материальные системы "человек-машина", состоящие из эргатического элемента - человека-оператора (группы операторов) и технического элемента - машины (машин).
  
  Организация системы - внутренняя упорядоченность, согласованность взаимодействия элементов системы (проявляющаяся, в частности, в ограничении разнообразия состояний элементов системы).
  
  Элемент системы - часть системы, имеющая определенное функциональное назначение. Сложные элементы систем, в свою очередь состоящие из более простых взаимосвязанных элементов, часто называют подсистемами.
  
  Структура системы - состав, порядок и принципы взаимодействия элементов системы, определяющие основные свойства системы.
  
  Архитектура системы - совокупность свойств системы, существенных для пользователя.
  
  Целостность системы - принципиальная несводимость свойств системы к сумме свойств отдельных ее элементов (эмерджентность свойств) и, в то же время, зависимость свойств каждого элемента от его места и функции внутри системы.
  
  Информационная система (ИС) - материальная система, организующая, хранящая и преобразующая информацию. Это система, основным предметом и продуктом труда в которой является информация. Классификация информационных систем представлена на рисунке 3.
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 3. Классификация информационных систем
  
  
  
  Данные - информация, представленная в формализованном виде, пригодном для автоматической обработки, при возможном участии человека.
  
  Система обработки данных (СОД) - комплекс взаимосвязанных методов и средств преобразования данных, необходимых пользователю. На рисунке 4 представлена последовательность развития СОД.
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 4. Последовательность развития СОД
  
  
  
  На этапе появления АСОД для обработки данных стали применяться средства вычислительной техники. Процесс создания таких средств прошел несколько этапов начиная от примитивных электро-механических устройств, до современных ЭВМ, в которых используются универсальные архитектурные принципы.
  
  Основы архитектуры Электронно-Вычислительных Машин (ЭВМ) были заложены еще в 1945 году американским ученым Джоном фон Нейманом (1903-1957). Именно он сделал описание как самой ЭВМ, так и ее логических возможностей, представил логические принципы организации компьютера независимо от его элементной базы.
  
  Итак, фон Нейманом было выделено и детально описано пять базовых компонент универсального компьютера:
  
  1. центральное арифметико-логическое устройство (АЛУ);
  
  2. центральное устройство управления (УУ), ответственное за функционирование всех основных компонент компьютера;
  
  3. память, т.е. запоминающее устройство (ЗУ);
  
  4. система ввода информации;
  
  5. система вывода информации.
  
  
  
  В качестве основного принципа построения ЭВМ было выделено программное управление. В основе его лежит представление алгоритма решения любой задачи в виде программы вычислений.
  
  Алгоритм это конечный набор предписаний, определяющий решение задачи посредством определенного количества операций.
  
  Программа - это упорядоченная последовательность команд, которые выполняются в АЛУ автоматически друг за другом в определенной последовательности. Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Каждая команда содержит указания на конкретную выполняемую операцию, место нахождения (адрес) данных для операции и ряд служебных признаков.
  
  Информация (командная и данные: числовая, текстовая, графическая и т.п.) кодируется двоичными числами 0 и 1. Каждый тип информации имеет форматы - структурные единицы информации, закодированные двоичными цифрами 0 и 1. Обычно все форматы данных, используемые в ЭВМ, кратны байту, т.е. состоят из целого числа байтов.
  
  Стандартные элементы структур современных ЭВМ основываются на следующих принципах: модульность построения, магистральность, иерархия управления.
  
  Модульность построения предполагает в структуре ЭВМ достаточно автономных, функционально и конструктивно законченных устройств (процессор, модуль памяти, накопитель на жестком или гибком магнитном диске). Модульная конструкция ЭВМ обеспечивает ее высокую ремонтопригодность и способность модернизации, т.е. замене отдельных модулей на более производительные.
  
  Магистральность означает, что подключаемые к центральному процессору модули используют специальные шины или магистрали для обмена управляющими сигналами, адресами и данными как с процессором, так и с другими устройствами.
  
  Иерархия управления предполагает, что устройство управления главного, или центрального процессора осуществляет только централизованное управление. Оно инициализирует активность других устройств, после чего они продолжают работу по собственным программам управления.
  
  Принципы архитектуры фон Неймана легли в основу создания абсолютно всех ЭВМ от первого поколения до современных, от суперЭВМ до персональных компьютеров.
  
  Первые компьютеры (автоматические электронные вычислительные машины с программным управлением) были созданы в конце 40-х годов XX века и представляли собой гигантские вычислительные монстры, использовавшиеся только для вычислительной обработки информации. По мере развития компьютеры существенно уменьшились в размерах, но "обросли" дополнительным оборудованием, необходимым для их эффективного использования. В 70-х годах компьютеры из вычислительных машин (ВМ) сначала превратились в вычислительные системы (ВС), а затем в информационно-вычислительные системы (ИВС). Данные о поколениях ЭВМ приведены в табл. 1.
  
  
  
  Таблица 1.
  
  
  
  Этапы развития поколений ЭВМ
  
  
  
  Параметр
  
  Этапы развития компьютерных информационных технологий
  
  50-е годы
  
  60-е годы
  
  70-е годы
  
  80-е годы
  
  Настоящее время
  
  Цель использования компьютера
  
  Научно-технические расчеты
  
  Технические и экономические расчеты
  
  Управление и экономические расчеты
  
  Управление, предоставление информации
  
  Телекоммуникации, информационное обслуживание
  
  Режим работы компьютера
  
  Однопрограммный
  
  Пакетная обработка
  
  Разделение времени
  
  Персональная работа
  
  Сетевая обработка
  
  Интеграция данных
  
  Низкая
  
  Средняя
  
  Высокая
  
  Очень высокая
  
  Сверхвысокая
  
  Расположение пользователя
  
  Машинный зал
  
  Отдельное помещение
  
  Терминальный зал
  
  Рабочий стол
  
  Произвольное, мобильное
  
  Тип пользователя
  
  Инженеры-программисты
  
  Профессиональные программисты
  
  Программисты
  
  Пользователи с общей компьютерной подготовкой
  
  Мало обученные пользователи
  
  Тип диалога
  
  Работа за пультом компьютера
  
  Обмен перфо-носителями и машинограммами
  
  Интерактивный (через клавиатуру и экран)
  
  Интерактивный с жестким меню
  
  Интерактивный экранный типа "вопрос - ответ"
  
  
  
  Вычислительная система (ВС) - совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенную для сбора, хранения, обработки и распределения информации.
  
  Создание ВС преследует следующие основные цели:
  
  Ј повышение производительности системы за счет ускорения процессов обработки данных;
  
  Ј повышение надежности и достоверности вычислений;
  
  Ј предоставление пользователям дополнительных сервисных услуг и т.д.
  
  
  
  Отличительной особенностью ВС по отношению к ЭВМ является наличие в ней нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработку.
  
  Параллелизм выполнения операций существенно повышает быстродействие системы; он же может также значительно повысить и надежность (при отказе одного компонента системы его функции может взять на себя другой) и достоверность функционирования системы, если операции будут дублироваться, а результаты их выполнения сравниваться.
  
  Параллелизм в вычислениях в значительной степени усложняет управление вычислительным процессом, использование технических и программных ресурсов. Эти функции выполняет операционная система ВС.
  
  Несмотря на то, что классическим является многомашинный вариант ВС, в ВС может быть только один компьютер, но агрегированный с многофункциональным периферийным оборудованием (стоимость периферийного оборудования часто во много раз превосходит стоимость компьютера). В компьютере может быть как несколько процессоров (тогда мы имеем также классический многопроцессорный вариант ВС), так и один процессор (если не брать в расчет специализированные процессоры, входящие в состав периферийных устройств). На рисунке 5 показана блок-схема классического компьютера.
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 5. Блок-схема компьютера
  
  
  
  Выделяют следующие типы вычислительных систем:
  
  Ј Одномашинная ВС - ВС, построенная на основе одного компьютера.
  
  Ј Многопроцессорная ВС - ВС, построенная на основе нескольких процессоров.
  
  Ј Многомашинная ВС - ВС, построенная на основе нескольких компьютеров.
  
  Ј Однородная ВС - ВС, построенная на основе однотипных компьютеров или процессоров. Позволяет использовать стандартные наборы программных средств, типовые протоколы (процедуры) сопряжения устройств.
  
  Ј Неоднородная ВС - ВС, включающая в свой состав различные типы компьютеров или процессоров.
  
  Ј Оперативные ВС - ВС, функционирующие в реальном масштабе времени, в них реализуется оперативный режим обмена информацией - ответы на запросы поступают незамедлительно.
  
  Ј Неоперативные ВС - ВС, допускающие режим "отложенного ответа", когда результаты выполнения запроса можно получить с некоторой задержкой (иногда даже в следующем сеансе работы с системой).
  
  Ј ВС с централизованным управлением - ВС, в которых управление выполняет выделенный компьютер или процессор.
  
  Ј ВС с децентрализованным управлением - ВС, в которых компоненты (компьютеры / процессоры) равноправны и каждый может брать управление на себя.
  
  Ј Территориально-сосредоточенные ВС - ВС, все компоненты которых размещены в непосредственной близости друг от друга.
  
  Ј Распределенные ВС - ВС, компоненты которых могут распологаться на значительном расстоянии, например - вычислительные сети.
  
  Ј Структурно одноуровневые ВС - ВС, в которых имеетсялишь один общий уровень обработки данных.
  
  Ј Многоуровневые (иерархические) ВС - ВС, машины или процессоры в которых распределены по разным уровням обработки информации. Некоторые машины (процессоры) могут специализироваться на выполнении определенных функций.
  
  
  
  Электронная вычислительная машина (ЭВМ), компьютер - комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач.
  
  ЭВМ можно классифицировать по ряду признаков, в частности:
  
  Ј по принципу действия (рис. 6);
  
  Ј по этапам создания и элементной базе;
  
  Ј по назначению (рис. 7);
  
  Ј по способу организации вычислительного процесса;
  
  Ј по размеру вычислительной мощности (рис. 8 и табл. 2);
  
  Ј по функциональным возможностям;
  
  Ј по способности к параллельному выполнению программ.
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 6. Классификация ЭВМ по принципу
  
  
  
  ЦВМ - цифровые вычислительные машины, или вычислительные машины дискретного действия, работают с информацией, представленной в дискретной, а точнее, цифровой форме. Большинство современных ЭВМ являются ЦВМ.
  
  АВМ - аналоговые вычислительные машины, или вычислительные машины непрерывного действия, работают с информацией, представленной в непрерывной (аналоговой) форме, то есть в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины (чаще всего электрического напряжения).
  
  ГВМ - гибридные вычислительные машины, или вычислительные машины комбинированного действия, работают с информацией, представленной и в цифровой и в аналоговой форме. Они совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ. ГВМ целесообразно использовать для решения задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами.
  
  По этапам создания и элементной базе компьютеры условно делятся на поколения:
  
  Ј 1-е поколение, 50-е годы: ЭВМ на электронных вауумных лампах.
  
  Ј 2-е поколение, 60-е годы: ЭВМ на дискретных полупроводниковх приборах (транзисторах).
  
  Ј 3-е поколение, 70-е годы: ЭВМ на полупроводниковых интегральных схемах с малой и средней степенью интеграции (сотни - тысячи транзисторов в одном корпусе).
  
  Ј 4-е поколение, 80-90-е годы: ЭВМ на больших и сверхбольших интегральных схемах, основная из которых - микропроцессор (десятки тысяч - миллионы активных элементов на одном кристале).
  
  Ј 5-е поколение, настоящее время: ЭВМ с многими десятками параллельно работающих микропроцессоров, позволяющих строить эффективные системы обработки знаний; компьютеры на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной архитектурой, одновременно выполняющих десятки последовательных инструкций программы.
  
  Ј 6-е и последующие поколения: оптоэлектронные компьютеры с массовым параллелизмом и нейронной структурой, с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 7. Классификация компьютеров по назначению
  
  
  
  Универсальные компьютеры - компьютеры, предназначенные для решения самых различных инженерно-технических, экономических, математических, информационных и пр. задач, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных.
  
  Проблемно-ориентированные компьютеры - компьютеры, предназначенные для решения более узкого круга, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами, с регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных, с выполнением расчетов по относительно несложным алгоритмам.
  
  Специализированные компьютеры - компьютеры, предназначенные для решения определенного узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций. Такая узкая ориентация компьютеров позволяет четко специализировать их структуру, существенно снизить их сложность и стоимость при сохранении высокой производительности и надежности их работы.
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 8. Классификация компьютеров по размерам и вычислительной мощности
  
  
  
  Таблица 2.
  
  
  
  Вычислительная мощность компьютеров
  
  
  
  Параметры
  
  Класс компьютера
  
  Суперкомпьютеры
  
  Большие компьютеры
  
  Малые компьютеры
  
  Микроком-пьютеры
  
  Производительность (MIPS)*
  
  1000-1000000
  
  100-10000
  
  10-1000
  
  10-100
  
  Емкость ОП (Мбайт)
  
  2000-100000
  
  512-10000
  
  128-2048
  
  32-512
  
  Емкость внешних ЗУ (Гбайт)
  
  500-50000
  
  100-10000
  
  20-500
  
  10-50
  
  Разрядность
  
  64-256
  
  64-128
  
  32-128
  
  32-128
  
  * MIPS -миллион операций в секнду (над числами с фиксированной запятой)
  
  Сравнительные характеристики классов современных компьютеров
  
  
  
  СуперЭВМ (супрекомпьютеры) - самые мощные многопроцессорные вычислительные машины. Используются для решения очень сложных задач:
  
  Ј прогнозирование метеобстановки;
  
  Ј управление сложными оборонными комплексами;
  
  Ј биологические исследования;
  
  Ј моделирование экологических систем и др.
  
  
  
  Большие компьютеры (мейнфреймы) - высокопроизводительные вычислительные машины, основное применение которых:
  
  Ј решение научно-технических задач;
  
  Ј работа в вычислительных системах с пакетной обработкой информации работа с базами данных (БД);
  
  Ј управление вычислительными сетямии и их ресурсами.
  
  
  
  Первая большая ЭВМ ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) была создана в 1946 году. Эта машина весила 30 тонн, имела быстродействие несколько сотен операций в секунду и оперативныю память вемкостью 20 чисел, занимала зал площадью 150 м2.
  
  Среди лучших разработок мейнфреймов за рубежом следует отметить в первую очередь американские:
  
  Ј IBM 360, IBM 370 - 1-е поколение, 1970-е гг.;
  
  Ј IBM 3090, IBM 4300 (4331, 4341,4361,4381) - 2-е поколение, 1979 г.;
  
  Ј IBM ES/9000 - 3-е поколение, 1990 г.;
  
  Ј S/390, AS/400 - 4-е поколение, 1997-1999 гг.;
  
  
  
  а также японские:
  
  Ј M 1800 (Fujitsu);
  
  Ј Millenium (Amdahl);
  
  
  
  и немецкие (Comparex Information Systems):
  
  Ј 8/* (8/8x, 8/9x);
  
  Ј 9/* (9/8xx, 9/9xx, 99/xxx);
  
  Ј M2000;
  
  Ј C2000.
  
  
  
  МиниЭВМ (малые компьютеры) - надежные, недорогие и удобные в эксплуатации компьютеры (рис. 9), обладающие несколько меньшими по сравнению с мейнфреймами возможнстями. Ориентированы на использование:
  
  Ј в качестве управляющих вычислительных комплексов;
  
  Ј в системах автоматического проектирования;
  
  Ј в системах моделирования несложных объектов;
  
  Ј в системах искуственного интеллекта.
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 9. Классификация микрокомпьютеров
  
  
  
  Рабочие станции (workstation) - однопользовательские микрокомпьютеры, часто специализированные для выполнения определенного вида работ (графических, инженерных, издательских и т.д.).
  
  Серверы (server) - многопользовательские мощные микрокомпьютеры в вычислительных сетях, выделенные для обработки запросов от всех рабочих станций сети.
  
  Сетевые компьютеры (network computer) - упрощенные микрокомпьютеры, обеспечивающие работу в сети и доступ к сетевым ресурсам, часто специализированные на выполнение определенного вида работ (защита сети от несанкционированного доступа, организация просмотра сетевых ресурсов, электронной почты и т.д.).
  
  Многопользовательские микрокомпьютеры - мощные микрокомпьютеры, оборудованные несколькими видеотерминалами и функционирующие в режиме разделения времени, что позволяет эффективно работать на них сразу нескольким пользователям.
  
  Персональные компьютеры - однопользовательские микрокомпьютеры, удовлетворяющие требованиям общедоступности и универсальности применения. Для этого они выпускаются в разном исполнении как это показано на рисунке 10. и обладают такими качествами как:
  
  Ј малая стоимость, находящаяся в пределах доступности для индивидуального покупателя;
  
  Ј автономность эксплуатации без специальных требований к условиям окружающей среды;
  
  Ј гибкость архитектуры, обеспечивающая ее адаптируемость к разнообразным применениям в сфере управления, науки, образования и в быту;
  
  Ј дружественность операционной системы и прочего программного обеспечения, обуславливающая возможность работы с ней пользователя без специальной профессиональной подготовки;
  
  Ј высокая надежность работы (более 5000 часов на отказ).
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 10. Классификация ПК по конструктивным особенностям
  
  
  
  Вопросы для самопроверки:
  1. Что понимается под определением "информация"?
  
  2. Какие вы знаете показатели качества информации?
  
  3. В чем состоит сущность информатики как науки, технологии и индустрии?
  
  4. Что такое система и как классифицируются системы?
  
  5. Какие пять базовых компонент универсального компьютера были выделены и описаны Джоном фон Нейманом?
  
  6. По каким признакам можно классифицировать ЭВМ?
  
  7. В чем заключается принцип работы аналоговых, цифровых и гибридных ЭВМ?
  
  8. Какие существуют поколения ЭВМ, чем они отличаются по элементной базе и производительности?
  
  9. Какие группы ЭВМ выделяют по критерию вычислительной мощности?
  
  10. Как ПК отличаются по критерию конструктивных особенностей?
  
  11. На каких принципах основываются стандартные элементы структур современных ЭВМ?
  
  12. Какие устройства входят в состав классического компьютера и в чем их назначение?
  
  
  
  Напишите небольшое эссе (объемом в 2-3 страницы) по одному из перечисленных ниже вопросов:
  
  1. Персональные компьютеры IBM и Macintosh - сравнительный анализ.
  
  2. Встроенные портативные компьютеры (автомобиля, самолета, банкомата и так далее).
  
  3. Инновации в разработке средств вычислительной техники (нанокомпьютеры, молекулярные компьютеры).
  
  4. Современные суперкомпьютеры (производители, параметры, примеры использования).
  
  5. Современные мейнфреймы (производители, параметры, примеры использования).
  
  6. История развития ЭВМ от первого до пятого поколения.
  
  7. Гарвардская архитектура ЭВМ и ее отличия от архитектуры Джон фон Неймана.
  
  8. Иерархическая архитектура ЭВМ и ее отличия от архитектуры Джон фон Неймана.
  
  9. Магистральная архитектура ЭВМ и ее отличия от архитектуры Джон фон Неймана.
  
  10. Современные проблемно-ориентированные компьютеры.
  
  11. Современные специализированные компьютеры.
  
  
  
  Литература по теме:
  
  
  Основная литература:
  
  1. Аппаратное обеспечение вычислительных систем / Д.В. Денисов, В.А. Артюхин, М. Ф. Седненков; под ред. Д.В. Денисова. - М.: Маркет ДС, 2010 - 184 с. (Университетская серия).
  
  
  
  Дополнительная литература:
  
  1. Вычислительная техника: учеб. пособие. - М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2007. - 608 с.: ил. - (Профессиональное образование). Глава 1, п. 1.2 (стр. 20-51), глава 2 п. п. 2.1 - 2.2 (стр. 116-137).
  
  2. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем: учебник. - М.: ФОРУМ, 2008. - 512 с.: ил. - (Профессиональное образование). Глава 2, п. 2.1-2.3 (стр. 109-153).
  
  
  
  Видеоролики:
  
  1. Ролик о истории ЭВМ // http://www.youtube.com/watch?v=DkxgYPcaAbo.
  
  2. Париж. Музей информатики // http://www.youtube.com/watch?v=D6wPWyreyuI.
  
  
  
  Практические задания:
  
  
  Задание 1.
  
  Укажите, к какому типу (классу) относятся следующие системы?
  
  
  
  Системы
  
  Класс (тип) систем
  
  Технические
  
  
  
  Знания
  
  
  
  Эргатические
  
  
  
  Гипотезы
  
  
  
  Эргатехнические
  
  
  
  
  
  Задание 2.
  
  Восстановите следующие определения:
  
  a) _____________ системы - системы, представляющие собой совокупность материальных объектов;
  
  b) _____________ системы - системы, являющиеся продуктом человеческого мышления.
  
  
  
  Задание 3.
  
  Сколько состояний объекта можно отобразить, если использовать два разряда для двоичной, восьмеричной, десятеричной и шестнадцатеричной систем счисления?
  
  
  
  Задание 4.
  
  Упорядочьте следующие типы систем по степени автоматизации (механизации) процедур преобразования данных (1 - минимальная, 4 - максимальная):
  
  Ј САОД;
  
  Ј МСОД;
  
  Ј АСОД;
  
  Ј СРОД.
  
  
  
  Тема 2. Устройство персонального компьютера: системный блок и периферия
  
  
  Цели и задачи:
  
  Цели и задачи изучения данной темы - получение сведений о принципах устройства IBM совместимых персональных компьютеров (ПК): основных устройствах, входящих в состав ПК, внешних устройствах, а также технических параметрах и конструктивных особенностях корпусов системных блоков и блоков питания.
  
  
  
  В результате успешного изучения темы Вы:
  
  Узнаете:
  
  Ј комплекс технических средств, входящих в состав ПК;
  
  Ј устройство, виды и технические характеристики корпусов для сборки ПК;
  
  Ј устройство, виды и технические характеристики блоков питания;
  
  Ј структурную схему архитектуры ПК;
  
  Ј назначение проводов идущих от блока питания и фронтальной панели корпуса системного блока.
  
  
  
  Приобретете следующие профессиональные компетенции:
  
  Ј умение определять тип корпуса ПК по его внешнему виду;
  
  Ј умение выбирать корпус ПК исходя из решаемых задач;
  
  Ј умение использовать конструктивные особенности корпусов системных блоков для обеспечения удобства пользователей и решения отдельных задач;
  
  Ј способность определять необходимую мощность блока питания в зависимости от решаемых задач.
  
  
  
  В процессе освоения темы акцентируйте внимание на следующих ключевых понятиях:
  
  
  
  Интерфейс - совокупность средств взаимосвязи устройств компьютера, обеспечивающее их эффективное взаимодействие. Для каждого устройства или группы устройств существует свой определенный интерфейс, определяющий порядок обмена данными между этим устройством и системной шиной.
  
  
  
  Практической реализацией принципа модульности построения вычислительной системы является концепция открытой архитектуры, т.е. возможность самостоятельно выбирать конфигурацию устройств, подключаемых к системной плате. Каждое устройство реализовано в виде функционально законченного модуля и может заменено на другое аналогичное устройство либо устройство, обладающее другими параметрами (например, большей производительностью).
  
  
  
  Системная шина - это основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой.
  
  
  
  Перезагрузка системы позволяет завершить текущий сеанс работы и повторно загрузить операционную систему без выключения системного блока. Перезагрузка системы необходима в случае ее "зависания", т.е. ситуации, когда система не реагирует на обращения пользователя. На старых моделях системных блоков для перезагрузки использовалась кнопка "RESET". В современных моделях такая возможность либо отсутствует, либо реализована через нажатие и удерживание копки "POWER", т.к. при нормальном завершении работы питание отключается автоматически. На уровне операционной системы семейства Microsoft Windows перезагрузку можно осуществить, активизировав службу "Диспетчер задач" одновременным нажатием клавиш "Alt-Ctrl-Del", далее выбрать "Завершение работы" - "Перезагрузка".
  
  
  
  Периферийные устройства - оборудование, которое подключается к корпусу системного блока через соответствующие разъемы либо по беспроводному интерфейсу.
  
  
  
  Теоретический материал по теме
  
  
  
  Персональный компьютер (ПК) - это настольная или переносная ЭВМ, удовлетворяющая требованиям общедоступности и универсальности применения. Конструктивно ПК выполняются в виде центрального системного блока, к которому через разъемы подключаются различные внешние устройства, называемые периферийными устройствами.
  
  На рисунке 11 представлена структурная схема ПК, полностью отвечающая принципам архитектуры фон Неймана.
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 11. Структурная схема ПК
  
  
  
  где
  
  АЛУ - арифметико-логическое устройство;
  
  УУ - устройство управления.
  
  
  
  Рассмотрим состав и назначение основных составляющих ПК.
  
  Микропроцессор. Это центральный блок ПК, предназначенный для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операции над информацией.
  
  Интерфейсная система микропроцессора реализует его связь с другими устройствами ПК; включает в себя внутренний интерфейс микропроцессора, буферные запоминающие регистры, схемы управления портами ввода-вывода (ПВВ) и системной шиной.
  
  Внутренний интерфейс (от англ. interface - соединять) - совокупность средств взаимосвязи устройств компьютера, обеспечивающее их эффективное взаимодействие. Все устройства, подключаемые через интерфейсную систему, называются средствами сопряжения. Их подключение осуществляется через порты ввода-вывода (I/O, Input/Output port).
  
  Системная шина - это основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой.
  
  Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:
  
  1. между микропроцессором и основной памятью;
  
  2. между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств;
  
  3. между основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств.
  
  
  
  Все блоки, а точнее их порты ввода-вывода, через соответствующие унифицированные разъемы (стыки) подключаются к шине единообразно: непосредственно или через специальные устройства - контроллеры (адаптеры). Управление системной шиной осуществляется микропроцессором либо непосредственно, либо через дополнительную микросхему - контроллер шины, формирующий основные сигналы управления.
  
  Основная память предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками машины. Основная память содержит два вида запоминающих устройств: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).
  
  ПЗУ служит для хранения неизменяемой (постоянной) программной и справочной информации, позволяет оперативно только считывать хранящуюся в нем информацию.
  
  ОЗУ предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом ПК в текущий период времени. Оперативная память характеризуется высоким быстродействием, однако при отключении ПК вся информация, находившаяся в ОЗУ, пропадает, поэтому такую память называют энергозависимой.
  
  Источник питания - это блок, содержащий системы автономного и сетевого энергопитания ПК.
  
  Таймер - это внутримашинные электронные часы, обеспечивающие при необходимости автоматический съем текущего момента времени (год, месяц, часы, минуты, секунды и доли секунд). Таймер подключается к автономному источнику питания - аккумулятору и при отключении машины от сети продолжает работать.
  
  Внешние устройства (ВУ). Это важнейшая составная часть любого вычислительного комплекса. Достаточно сказать, что по стоимости ВУ иногда составляют 50 - 80% всего ПК, От состава и характеристик ВУ во многом зависят возможность и эффективность применения ПК в системах управления и в народном хозяйстве в целом.
  
  ВУ ПК обеспечивают взаимодействие машины с окружающей средой; пользователями, объектами управления и другими ЭВМ. ВУ весьма разнообразны и могут быть классифицированы по ряду признаков. Так, по назначению можно выделить следующие виды ВУ:
  
  Ј внешние запоминающие устройства (ВЗУ) или внешняя память ПК;
  
  Ј диалоговые средства пользователя;
  
  Ј устройства ввода информации;
  
  Ј устройства вывода информации;
  
  Ј средства связи и телекоммуникации.
  
  
  
  Из вышеперечисленных видов ВУ выделяют средства мультимедиа (от англ. multimedia - использующий различные носители информации) - комплекс аппаратных средств, позволяющих человеку общаться с компьютером, используя естественные способы обмена информацией: речь, рукописный текст, рисунки и т.д.
  
  К средствам мультимедиа относятся:
  
  Ј устройства речевого ввода и вывода информации;
  
  Ј сканеры (поскольку они позволяют автоматически вводить в компьютер печатные тексты и рисунки);
  
  Ј устройства обработки звука;
  
  Ј устройства обработки видеоизображения;
  
  Ј устройства видеозахвата (videograbber), снимающие изображение с видеомагнитофона или видеокамеры и вводящие его в ПК;
  
  Ј акустические системы;
  
  Ј микрофоны;
  
  Ј видеовоспроизводящие системы с усилителями, звуковыми колонками, большими видеоэкранами;
  
  Ј видеопроекторы;
  
  Ј цифровые фотоаппараты и видеокамеры;
  
  Ј и другие.
  
  
  
  С развитием средств ВТ базовый состав ПК постепенно расширялся. В настоящее время он включает в себя следующий обязательный комплекс технических средств:
  
  1. системный блок;
  
  2. клавиатура;
  
  3. манипулятор типа "мышь";
  
  4. монитор.
  
  
  
  Все вышеперечисленное принято называть одним словом "компьютер". Остальные технические средства (например, акустическая система, принтер, сканер) значительно расширяют возможности ПК, и со временем могут войти в состав обязательных средств ПК.
  
  В настоящее время ПК, производимые фирмой IBM, фактически стали стандартом персонального компьютера. Сейчас такие компьютеры ("совместимые с IBM PC") составляют около 90% всех производимых в мире персональных компьютеров.
  
  Такая популярность обусловлена тем, что в IBM PC была заложена возможность усовершенствования отдельных частей компьютера и использования новых устройств. Фирма IBM обеспечила возможность сборки компьютера из независимо изготовленных частей.
  
  Принцип, при котором методы сопряжения различных устройств с IBM PC был стандартизован, известен и доступен всем желающим, был назван принципом открытой архитектуры.
  
  Реализация этого принципа такова: на основной электронной плате компьютера (системной, или материнской) размещены только те блоки, которые осуществляют обработку информации. Схемы, управляющие всеми другими устройствами компьютера - монитором, дисками и т.д., реализованы на отдельных платах, которые вставляются в стандартные разъемы на системной плате.
  
  При таком подходе фирмы IBM к разработке компьютеров другие фирмы получили возможность разрабатывать различные дополнительные устройства, а пользователи - самостоятельно модернизировать и расширять возможности компьютеров по своему усмотрению.
  
  Системный блок включает в себя:
  
  Ј системную плату;
  
  Ј блок питания;
  
  Ј накопители на дисках;
  
  Ј разъемы для дополнительных устройств;
  
  Ј платы расширения с контроллерами - адаптерами внешних устройств.
  
  
  
  На системной (материнской) плате размещаются:
  
  Ј адаптеры клавиатуры, НЖМД и НГМД;
  
  Ј микропроцессор;
  
  Ј системные микросхемы (чипсет);
  
  Ј генератор тактовых импульсов;
  
  Ј модули (микросхемы) ОЗУ и ПЗУ;
  
  Ј микросхема CMOS-памяти;
  
  Ј контроллер прерываний;
  
  Ј таймер;
  
  Ј и т.д.
  
  
  
  Рассмотрим взаимодействие этих устройств непосредственно с блоком питания и корпусом системного блока.
  
  Системный блок представляет собой корпус, внутри которого размещаются модули ПК. Как правило, корпуса для сборки системного блока продаются с уже установленным блоком питания, однако он также легко может быть заменен на другой в случае необходимости.
  
  Корпуса ПК характеризуются следующими параметрами:
  
  1. тип корпуса и габариты (длина × ширина × высота);
  
  2. средства управления и индикации;
  
  3. количество отсеков 5,25" и 3,5";
  
  4. количество внутренних отсеков 3,5" и 5,25";
  
  5. тип блока питания и его размещение внутри корпуса (горизонтальное или вертикальное);
  
  6. особенности конструкции.
  
  
  
  Тип корпуса.
  
  По типу корпуса для сборки системного блока (см. рисунок 12.) делятся на две большие группы: вертикальные (Tower) и горизонтальные (Desktop). В свою очередь вертикальные корпуса различаются по размерам от BigTower до MiniTower. Горизонтальные корпуса бывают всего двух видов - собственно Desktop и так называемый Slim, т.е. тонкий.
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 12. Типы корпусов системного блока
  
  
  
  Количество внешних и внутренних отсеков.
  
  Количество отсеков определяет возможность установки тех или иных устройств определенного стандартного размера: 5,25" и 3.5" для внешних отсеков и 3,5" и 5,25" для внутренних отсеков.
  
  Во внешние отсеки 5,25" устанавливаются такие устройства приводы CD-R, CD-RW, DVD-R, DVD-RW.
  
  Во внешние отсеки 3.5" устанавливаются такие устройства как кардридеры (от английского сочетания Card reader) для чтения карт типа SD, MMC и других, приводы IO Omega, Jazz и им подобные. Количество внешних отсеков 3,5", как правило, совпадает с количеством внутренних отсеков.
  
  Во внутренние отсеки 5,25" помимо вышеназванных устройств устанавливаются НЖМД.
  
  
  
  Средства управления и индикации.
  
  На передней панели корпуса кроме прорезей дисковода и приводов CD-ROM имеются обычно две кнопки, индикаторы работы системного блока и НЖМД. В некоторых моделях предусмотрены разъемы USB-портов для подключения соответствующих устройств, как правило, flash-памяти. От этих кнопок, индикаторов и разъемов внутрь системного блока идут провода, которые присоединяются к соответствующим гнездам на материнской плате (рис. 13).
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 13. Вид корпуса системного блока изнутри
  
  
  
  Первая кнопка - это кнопка "RESET", что в дословном переводе с английского означает "вновь устанавливать". Этой кнопкой следует пользоваться при сбое в работе компьютера, т.е. в случае, когда компьютер перестает откликаться на нажатие клавиш клавиатуры и другие манипуляции с периферийными устройствами. Обычно это сопровождается звуком определенной частоты, издаваемым на каждое нажатие клавиши встроенным в корпус динамиком (есть не у всех моделей корпусов).
  
  При использовании кнопки "RESET" происходит перезагрузка системы, и компьютер оказывается вновь готовым к работе. Естественно, что вся информация, содержавшаяся в ОЗУ до сбоя в работе, будет потеряна, а сохранится лишь та ее часть, которая была записана на диск винчестера.
  
  На некоторых корпусах кнопка "RESET" может вообще отсутствовать, а вместо нее имеется только кнопка "POWER" (питание), служащая для включения и выключения питания компьютера. В этом случае для перезагрузки следует нажать кнопку "POWER", т.е. выключить компьютер и, подождав не менее 30 с., включить снова. 30 секунд - это минимальное время, необходимое для остановки вращающегося диска винчестера.
  
  Также кнопка "RESET" в отдельных моделях ПК может быть совмещена с кнопкой "POWER". В этом случае перезагрузка системы происходит при легком нажатии "POWER", а выключение компьютера при нажатии кнопки "POWER" до упора.
  
  Кроме того, на передней панели расположены два индикатора (светодиода). Светодиод рядом с кнопкой "POWER" показывает обычно, включен ли компьютер, т.е. горит, когда включено питание процессорного блока. Второй светодиод зажигается в момент обращения компьютера к жесткому диску винчестера. Рядом с этим светодиодом находится надпись "H.DISK" или "H.D.D.".
  
  
  
  Тип блока питания.
  
  Блок питания характеризуется следующими параметрами:
  
  1. мощность;
  
  2. модель;
  
  3. наличие сетевых разъемов и их количество;
  
  4. наличие выключателя;
  
  5. наличие разъемов питания и их количество.
  
  
  
  Мощность блока питания.
  
  Мощность системного блока, как и любого электрического устройства, измеряется в Ваттах. Для ПК мощность системного блока варьируется в диапазоне от 180 Ватт до 1500 Ватт. Мощность определяет энергопотребление системного блока, а также возможности по подключению к блоку питания различных устройств (рис. 14). Соответственно, чем больше мощность, тем больше устройств может быть подключено. Очевидно, что в корпуса BigTower будут устанавливаться более мощные блоки питания, нежели в MidiTower.
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 14. Внешний вид блока питания
  
  
  
  Модель блока питания определят совместимость с различными типами материнских плат. В настоящее время, подавляющее большинство блоков питания являются моделью ATX 2.03. Исключение составляют, в основном, блоки питания, размещаемые снаружи системного блока (для некоторых корпусов Slim типа).
  
  
  
  Наличие сетевых разъемов и выключателя.
  
  Как вы помните, включение и выключение системного блока осуществляется нажатием кнопки "POWER" на передней панели. Кроме того, аналогичный выключатель может быть размещен на блоке питания (выключатель блока питания). Если он выключен, то нажатие кнопки "POWER" не приведет к включению системного блока, поскольку отключено его питание.
  
  Также на блоке питания могут быть размещены сетевые разъемы для подключения каких-либо устройств. Как правило, непосредственно к системному блоку подключается монитор. Это тем более целесообразно, в том случае если питание осуществляется через источник бесперебойного питания.
  
  
  
  Разъемы питания.
  
  Количество разъемов каждого типа определяет возможности подключения соответствующих устройств (рис. 15).
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 15. Разъемы питания системного блока
  
  
  
  где
  
  24 Pin (20+4-Pin) - питание материнской платы (ATX 2.03);
  
  8 Pin (6+2-Pin) - дополнительное питание плат расширения. PCI express;
  
  6-Pin - дополнительное питание плат расширения. PCI express;
  
  4-Pin CPU - питание процессора;
  
  8-Pin CPU - питание процессора;
  
  SATA Connector - питание жестких дисков, приводов CD-DVD с интерфейсом SATA.
  
  
  
  Особенности конструкции системного блока.
  
  К особенностям конструкции относятся:
  
  Ј возможность установки дополнительных вентиляторов;
  
  Ј звукоизоляция;
  
  Ј защита от несанкционированного доступа;
  
  Ј наличие USB, audio и других разъемов на передней стенке (рис. 16);
  
  Ј наличие откидных крышек (рис. 16)
  
  Ј другие.
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 16. Фронтальная панель корпуса системного блока
  
  
  
  Наличие либо отсутствие указанных особенностей позволяет максимально удовлетворить запросы покупателей в плане технических и эргономических характеристик корпуса системного блока.
  
  
  
  Вопросы для самопроверки:
  1. Чем обусловлена популярность IBM-совместимых ПК?
  
  2. В чем состоит принцип открытой архитектуры?
  
  3. Какие устройства находятся внутри системного блока?
  
  4. Какие вы знаете типы корпусов системного блока ПК?
  
  5. Какие вы знаете конструктивные особенности корпусов системного блока ПК?
  
  6. Какие критерии необходимо учитывать при определении мощности блока питания?
  
  7. Что означает понятие "перезагрузка системы"?
  
  8. Какие устройства и как подключаются к системному блоку?
  
  9. Какие устройства подключаются к блоку питания системного блока?
  
  
  
  Напишите небольшое эссе (объемом в 2-3 страницы) по одному из перечисленных ниже вопросов:
  
  1. ПК фирмы Apple (архитектурные особенности, отличие от IBM совестимых ПК).
  
  2. Ведущие производители готовых системных блоков (HP, Dell, и другие) - сравнительный анализ, преимущества и недостатки приобретения.
  
  3. Перспективы развития корпусов системных блоков.
  
  4. Тюнинг системного блока.
  
  5. Эксклюзивные модели корпусов системных блоков.
  
  6. Портативные ПК (iPad, нетбуки и др.).
  
  7. Интеграция ПК и мобильных телефонов (гибридные устройства, смартфон, iPhone и др.).
  
  
  
  Литература по теме:
  
  
  Основная литература:
  
  1. Аппаратное обеспечение вычислительных систем / Д.В. Денисов, В.А. Артюхин, М. Ф. Седненков; под ред. Д.В. Денисова. - М.: Маркет ДС, 2010 - 184 с. (Университетская серия).
  
  
  
  Дополнительная литература:
  
  1. Вычислительная техника: учеб. пособие. - М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2007. - 608 с.: ил. - (Профессиональное образование). Глава 2 п. 2.1 (стр. 126-131).
  
  2. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем: учебник. - М.: ФОРУМ, 2008. - 512 с.: ил. - (Профессиональное образование). Глава 2, п. 2.1 (стр. 122-126).
  
  
  
  Видеоролики:
  
  1. Устройство ПК // http://video.mail.ru/mail/bor-volodya/293/27.html.
  
  2. Основы работы на компьютере // http://youtu.be/zyzB9dRRXk8.
  
  
  
  Практические задания:
  
  
  Задание 1.
  
  Укажите два отличия представленных блоков питания (блок А и блок Б):
  
  1. ____________________________________________________
  
  2. ____________________________________________________
  
  
  
  
  
  
  
  Задание 2.
  
  Определите тип корпуса системного блока, представленный на рисунке.
  
  
  
  
  
  
  
  Задание 3.
  
  Определите тип корпуса системного блока, представленный на рисунке.
  
  
  
  
  
  
  
  Задание 4.
  
  Определите тип корпуса системного блока, представленный на рисунке.
  
  
  
  
  
  
  
  Задание 5.
  
  Заполните схему взаимодействия устройств ПК.
  
  
  
  
  
  
  
  Тема 3. Типы и логическое устройство материнских плат
  
  
  Цели и задачи:
  
  Цели и задачи изучения данной темы - получение сведений о принципах устройства системной (материнской) платы IBM совместимых персональных компьютеров (ПК), устройствах размещенных на материнской плате, технических параметрах материнских плат.
  
  
  
  В результате успешного изучения темы Вы:
  
  Узнаете:
  
  Ј устройство системной (материнской) платы;
  
  Ј назначение и принципы работы отдельных устройств на материнской плате: регуляторы напряжения, конденсаторы, генератор тактовых импульсов, CMOS, BIOS и RTC;
  
  Ј основные технические параметры материнских плат;
  
  Ј принципы интеграции котроллеров различных устройств непосредственно на материнской плате.
  
  
  
  Приобретете следующие профессиональные компетенции:
  
  Ј умение определять технические параметры материнской платы по ее описанию из прайс-листа;
  
  Ј умение выбирать материнскую плату исходя из решаемых задач;
  
  Ј умение устанавливать параметры пользователя в CMOS, например пароль для загрузки ПК, системные дату и время.
  
  
  
  В процессе освоения темы акцентируйте внимание на следующих ключевых понятиях:
  
  
  
  BIOS (Basic Input/Output System) - базовая система ввода-вывода. С одной стороны BIOS это чип, размещаемый на материнской плате который может иметь объем от 512Kб до 4Мб памяти. С другой стороны BIOS это загрузочная программа, которая выполняется на последнем этапе процедуры POST. Программа BIOS производит первичную инициализацию устройств, осуществляет поиск операционной системы на внешних носителях и после обнаружения передает ей управление. Если операционная система не обнаружена, то BIOS ищет программу установки операционной системы и передает управление ей. В противном случае выдается сообщение о том, что загрузочный диск не обнаружен. Современные модели ПК позволяют осуществлять загрузку с CD - DVD дисков, а ноутбуки и другие портативные устройства с накопителей flash памяти (флэшек). Для терминальных рабочих станций BIOS производит инициализацию сетевого оборудования, осуществляет поиск и загрузку операционной системы с сетевого диска.
  
  В настоящее время ведутся работы по переходу с BIOS на UEFI (Unified Extensible Firmware Interface) - универсальный загрузочный интерфейс. Дело в том, что BIOS, разработанный еще для шестнадцатиразрядных компьютеров уже не удовлетворяет современным требованиям к работе предзагрузочного окружения операционной системы.
  
  
  
  CMOS (Сomplimentary Metal Oxide Semiconductor) - интегральная схема, которая содержит особые параметры пользователя, например пароль, системные дату и время, порядок опроса устройств при поиске операционной системы. Как правило, доступ к меню настройки CMOS осуществляется нажатием клавиши "Del". Через это меню также можно изменить параметры работы оперативной памяти и процессора (например, выставить более высокую тактовую частоту, чем определенно по умолчанию). Однако следует помнить, что если параметры будут некорректными, это может привести к сбоям в работе ПК и даже выходу оборудования из строя.
  
  
  
  POST (Power-On Self-Test) - процедура тестирования устройств при включении ПК. Процедура POST проверяет наличие и работоспособность, а также определяет параметры процессора, оперативной памяти, интегрированных устройств и иного оборудования. При положительных результатах тестирования запускается программа BIOS. В противном случае на экран выдается сообщение об обнаруженном сбое или звуковой сигнал (например, в случае отсутствия или неработоспособности устройства передачи изображения).
  
  
  
  Форм-фактор - типо-размер комплектующих IBM совместимых ПК, определяющий их физические размеры и напряжение, подаваемое на те или иные разъемы питания.
  
  
  
  Чипсет - набор интегральных схем, устанавливаемых на материнской плате для обеспечения работы центрального процессора с периферийными устройствами. Также чипсет содержит весь набор параметров материнской платы (например, тактовая частота системной шины, поддерживаемая тактовая частота оперативной памяти и так далее).
  
  
  
  Теоретический материал по теме
  
  
  
  Материнская (системная) плата, в компьютерном обиходе называемая просто "мать" является основным устройством, размещаемым внутри системного блока. Если материнская плата выходит из строя, то компьютер вы даже не сможете включить, что возможно в любом другом случае (даже при поломке микропроцессора). Происходит это потому, что все устройства, в том числе и процессор, располагаются на материнской плате.
  
  Следует отметить, что материнская плата является самым уязвимым устройством компьютера и может легко пострадать от механических повреждений при сборке или сгореть от перепадов питания (не достаточных для того, чтобы вышел из строя блок питания), так как при этом основной удар материнская плата берет на себя.
  
  Тип материнской платы, определяющий возможность установки на нее различных устройств, характеризуется следующими основными параметрами:
  
  1. форм-фактор и габариты;
  
  2. тип разъема (слота, сокета) для установки микропроцессора;
  
  3. чипсет;
  
  4. тактовая частота системной шины;
  
  5. параметры контроллеров устройств;
  
  6. наличие и параметры слотов;
  
  7. наличие и параметры интегрированных устройств.
  
  
  
  Печатная плата (Printed Circuit Board - PCB) это и есть плата, на которой размещаются все компоненты. PCB обычно состоит из нескольких слоев, состоящих из плоских камедевых пластин, между которыми находятся элементы цепи - соединительные линии, которые называются "дорожки". Обычная PCB имеет четыре таких слоя, два слоя, которые находятся сверху и снизу являются сигнальными слоями.
  
  Для некоторых МП нужно шесть слоев (см. рис. 17), такими МП являются МП, разработанные для двухпроцессорных систем или же когда количество контактов процессора превышает 425 контакта. Это потому, что сигнальные дорожки должны быть расположены вдали друг от друга, чтобы предотвратить перекрестные помехи и дополнительные слои решают эту проблему.
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 17. Слои материнской платы
  
  
  
  Разметка и длина дорожек очень важна для нормальной работы системы. Основная задача снизить любое искажение сигнала из-за пересечения дорожек. Чем длинней дорожка и/или выше скорость передачи сигнала, тем больше перекрестных помех, откуда следует, что нужно увеличить расстояние между дорожками. Некоторые дорожки должны быть максимальной длины для сохранения непрерывности сигнала, например, такие, которые подходят напрямую к процессору.
  
  На материнскую плату подается напряжение от блока питания (БП)- 3.3V. Различные компоненты, установленные на МВ питаются от разного напряжения. Наиболее распространенные компоненты потребляют +5В (такие как чип BIOSа, часы реального времени, контроллер клавиатуры, DRAM чипы, логика большей части контроллеров, коннекторы) и +3.3В (L2 кэш, чипсет, SDRAM чипы, AGP). Двигатели накопителей и кулеры питаются от +12В.
  
  БП подключается к МП ATX - одним 20-контактным разъемом с ключом, исключающим возможность неправильного подсоединения к МВ, а также проводами дополнительного питания процессора (4 либо 8 контактов).
  
  
  
  Регуляторы напряжения.
  
  Различные компоненты, установленные на МП потребляют различное количество напряжения. Наиболее распространенные компоненты потребляют 5В (такие как чип BIOS-а, часы реального времени, контроллер клавиатуры, DRAM чипы) и 3.3В (L2 кэш, чипсет, SDRAM чипы). Процессор может потреблять от 2В до 8В. Скачки напряжения могут легко повредить все компоненты, и чтобы этого не произошло, на плату устанавливаются регуляторы напряжения.
  
  Модули, которые отвечают за работу регуляторов напряжения называются VRM (Voltage Regilate Module - модуль стабилизатора напряжения). На МП для процессоров Pentium, в основном требуется два регулятора напряжения - один для контроля напряжения на I/O (3.3В), а другой для самого процессора или, как еще говорят напряжение на ядре процессора.
  
  Для того, чтобы использовать как можно больше различных типов процессоров, схема должна держать определенный диапазон напряжения. Для этого обычно на плату устанавливается набор резисторов соединенных с рядом контактов. Сейчас на большинстве МП стоит так называемый автодетект (автоопределение), это значит, что схема сама определяет и распределяет напряжение, ориентируясь по контактам на процессоре, что исключает потребность в джамперах (механических переключателях, которые нужно было переставлять вручную на старых моделях).
  
  
  
  Конденсаторы.
  
  Конденсаторы обеспечивают ровный поток напряжения в схеме. Это очень важно потому, что потребление энергии процессором может меняться мгновенно от низкого к высокому и наоборот, особенно когда выполняется режим приостановки работы (HALT) или возвращение в нормальное состояние. Регуляторы напряжения не могут реагировать мгновенно на изменения, для этого и "сглаживается" напряжение.
  
  
  
  Генератор тактовых импульсов (Clock Generator Chip).
  
  Каждый компонент в компьютере работает по импульсным тактам - но не каждый компонент работает на одних и тех же тактах. PCI, PCI-E, AGP, USB и системная шина - все работают на скоростях отличных друг от друга и поэтому требуют свой собственный тактовый сигнал. Процессору тоже нужен тактовый сигнал так же как и синхронным чипам памяти, таким как SRAM и SDRAM использующимся как главная память, тоже нужен сигнал. Так вот, генератор тактовых импульсов и генерирует все эти тактовые сигналы, необходимые для синхронной работы устройств с различной скоростью.
  
  
  
  BIOS и RTC (часы реального времени).
  
  Для того чтобы компьютер запустил операционную систему, ему нужна "программа раскрутки". Эта программа загружается из специально отведенного участка памяти и дает ровно столько информации, сколько надо для того, чтобы получить доступ к компонентам необходимым для полной загрузки операционной системы. Например, программа должна загрузить информацию об устройстве для FDD и HDD, а так же для видео системы.
  
  На компьютере эта информация храниться в чипе постоянной памяти, которая называется BIOS (Basic Input/Output System). Этот чип может иметь примерно от 512Kб до 4Мб памяти, который программируется на заводе и может быть перепрограммирован только программой, которая включает специальный режим в котором память может быть перезаписана новой загрузочной программой. Эту процедуру обычно называют "Прошивкой BIOS-а".
  
  Когда компьютер включен, запускается специальный процесс, называемый Power-On Self-Test - POST (Само-Проверка-При-Включении), который определяет процессор, сколько установлено памяти и все ли зарегистрированные компоненты присутствуют и работают. После того, как эта операция выполнена, алгоритм загрузки на каждом загружаемом устройстве ищет специальный набор инструкций. Первый набор инструкций, который удовлетворяет критерию, загружается в память и извлекается. Если все настроено правильно, эти инструкции завершат процесс загрузки, загрузив операционную систему.
  
  Для того, чтобы дать BIOS-у знать какой специальный компонент должен поддерживаться, существует интегральная схема CMOS (Сomplimentary Metal Oxide Semiconductor), которая содержит особые параметры пользователя, которые считываются сразу после того, как определен процессор. Эта схема обычно встраивается в чип часов реального времени (Real Time Clock - RTC), в котором содержится информация о дате и времени. До меню параметров в CMOS можно добраться через специальное меню во время процесса POST, в основном это меню появляется в при нажатии клавиши DEL в то время как производится подсчет памяти и далее изменения вводятся в ручную. Эти изменения должны быть сохранены для того, чтобы они вступили в силу.
  
  Если приборы настроены не правильно, система может не загрузить операционную систему или компоненты будут не доступны после загрузки операционной системы. RTC и CMOS хранят информацию только тогда, когда поступает напряжение, которое подается из небольшой батареи на МП. Если эта батарея повреждается или отсоединяется, информация в CMOS теряется и должна быть введена заново во время следующей загрузке.
  
  
  
  1. Форм-фактор и габариты материнской платы.
  
  Материнская плата должна иметь тот же форм-фактор (типо-размер), что и блок питания в корпусе, в который она будет установлена. Самый распространенный на сегодняшний день форм-фактор - ATX (30,5х24 см). Существует также разновидность последнего стандарта - Micro ATX (mini-ATX, 28,4х21 см), но корпус для любого варианта используется тот же самый, хотя mATX можно поставить и "маленькие" корпуса Midi- и Mini Tower. Редко встречаются стандарты LPX и NLX, они используются только для сборок фирменных моделей компьютеров.
  
  Форм-фактор АТХ отличают следующие признаки:
  
  Ј все внешние разъемы располагаются в 2 этажа и напаяны у правого края РСВ;
  
  Ј процессор находится под блоком питания, который создает дополнительное охлаждение;
  
  Ј разъемы контролеров floppy и IDE (для подключения устройств HDD и CD-R) располагаются близко к корзине для крепления винчестера и дисководов, а модули оперативной памяти легкодоступны.
  
  
  
  2. Тип разъема (слота, сокета) для установки микропроцессора.
  
  Процессор физически и электрически должен быть совместим с МП. Компания Intel ведет политику постоянной смены типов разъемов: Socket 370 ў Socket 423 ў Socket 478 ў Socket 775 ў Socket 1155 и Socket 1156 ў Socket 2011. Материнские платы и процессоры, использующие Socket 775, выходят из употребления, и приобретаются в основном для сборки недорогих компьютеров офисного или домашнего применения. Дело в том, что данный тип слота, в отличие от более поздних решений, не позволяет устанавливать многоядерные процессоры.
  
  
  
  3. Чипсет.
  
  Чипсет - это набор интегральных схем, устанавливаемых на материнской плате для обеспечения работы центрального процессора с периферийными устройствами. Чипсет управляет работой всех остальных контроллеров и компонентов, согласуя их работу во времени, именно в нем содержится информация о тактовых частотах устройств, типах процессоров, параметрах контроллеров устройств и другая информация.
  
  На протяжении нескольких лет, Intel владела примерно 90% рынка производителей чипсетов, но сейчас эта ситуация изменилась, основную конкуренцию составляют чипсеты AMD, VIA, ALi и SiS.
  
  В настоящее время пользуются популярностью чипсеты Intel NM10, AMD Hudson M1 FCH, Intel H61, Intel Z68, Intel P67, Intel H55.
  
  
  
  4. Тактовая частота системной шины.
  
  Каждый чипсет МП имеет особые характеристики, которые выражаются в синхронизации (стробировании), в диапазоне поддерживаемых частот. За опорную частоту берется частота системной шины (Frequence of Serial Bus - FSB), которая, благодаря особенностям работы генератора, управляет частотой локальных шин через встроенные коэффициенты деления, которые находятся от неё в прямой зависимости.
  
  Для каждой шины чипсет может поддерживать как один, так и несколько коэффициентов. Обычно, наличием нескольких делителей, а соответственно, и более широкими возможностями по установкам CPU и разгону, славятся чипсеты VIA и SIS. Так уж придумали, что коэффициент меняется через каждые 33 МГц по опорной частоте. Для локальной шины с базовой частотой 33МГц (PCI) должны поддерживаться коэффициенты соотношения с системной шиной ½ (при FSB=66-99МГц); 1/3 (для 100-133МГц) и ¼ (для 133-166 МГц), т.е. используются делители 2, 3 и 4. Для шины 66МГц (AGP) должен поддерживаться коэффициент 1, 2/3 и ½ соответственно, а делители соответственно - 1, 1.5 и 2. Тоже самое относится и к шинам USB, PCI, PCI-E, В промежутках, где коэффициент неизменен, с ростом частоты FSB растёт и частота локальных шин, что характерно для разгона по шине.
  
  
  
  5. Параметры контроллеров устройств.
  
  Как мы выяснили, "мама" - это РСВ с напаянными на неё контроллерами и разъемами. Стандартом стало наличие двухканального контроллера HDD с поддержкой режима UltraDMA 66/100/133, контроллер FDD, контроллер HDD SATA (SATA II, SATA III), контроллер портов, в том числе USB с пропускной способностью от 10 Кбит в секунду до 480 Мбит в секунду и IR-порт.
  
  Существуют котроллеры, которые обычно не включаются в чипсет потому, что устройства, для которых они предназначены, не являются общепринятыми и требуют лишних расходов. Сюда входят SCSI (80-160 Мбит/с) и IEEE1394 (FireWire, 400 Мбит/с) контроллеры. Если производитель МП хочет включить поддержку устройства, который не поддерживается чипсетом, надо будет добавлять дополнительный контроллерный чип.
  
  Наиболее важными являются контроллер прерываний 8259, контроллер клавиатуры и контроллер ввода/вывода (Super I/O). В качестве IDE-контроллера VIA использует свою микросхему 571, ACPI - 30xx, FDD - 8251 и USB - 3038. Одной из самым важных на плате является микросхема Super I/O, которая включает контроллер гибких дисков, контроллер последовательных и параллельного портов, контроллер клавиатуры и мыши.
  
  В хороших Super I/O реализована функция буферизации потоков в портах с помощью микросхемы UART NS 16550A, которая позволяет значительно увеличить пропускную способность до 115 Кб/с.
  
  
  
  6. Наличие и параметры слотов.
  
  В число слотов шин ввода/вывода, присутствующих на плате, могут входить ISA (Industry Standard Architecture), PCI (Peripheral Component Interface), PCI -E, AGP (Advanced Graphics Port) и AMR (Audio Modem Riser). Слоты ISA позволяют использовать "старинные" 8-битные и 16-битные карты, которые имеют рабочую частоту работы шины 8МГц и на современные МП не устанавливаются.
  
  PCI слоты работают в 32-битном режиме и поддерживают скорость работы шины до 33МГц (в определенных продуктах и 66МГц). AGP слот - это специальный 32-битный слот для видеокарт и работает он на частоте 66МГц, обеспечивая значительную пропускную способность для графических приложений (до 1 ГБ/с в режиме 4Х, 266 МГц). Стандартом стало использование 2 контроллеров USB 3.0 с пропускной способностью до 5 Гбит/с. В настоящее время слоты AGP практические не используются, а видеокарты устанавливаются в слот PCI-E.
  
  Современные видеокарты обладают большой вычислительной мощностью, и, соответственно, имеют большое энергопотребление и тепловыделение. В итоге в ряде качественных "матерей" стал применяться более дорогой разъём AGP Pro. В нём кроме стандартных контактов AGP используются 48 дополнительных контактов электропитания. Разъем удлинился за счет присоединения через ограничитель в слоте 20 контактов с одной стороны и 28 с другой. AGP Pro позволяет использовать видеокарты мощностью до 110 Вт! Стандартные AGP-видеокарты совместимы с разъемом AGP Pro, но обратной совместимости нет.
  
  Для установки модулей оперативной памяти старые МП использовали FPM или EDO SIMM-ы (Single Inline Memory Module), но сейчас основной стандарт ОЗУ - SDRAM DIMM-ы (Dual Inline Memory Module), спецификации DDR 3 (double-data-rate).
  
  На сегодняшний день вряд ли можно насчитать два-три чипсета, которые имеют поддержку для FPM или EDO, а производители перешли на разъемы памяти DIMM.
  
  
  
  7. Наличие и параметры интегрированных устройств.
  
  Последние несколько лет одной из наиболее "горячих" тем была тема интеграции МП - нужно ли встраивать видео, звук, и другие возможности в МП. Большинство продвинутых пользователей и любителей компьютерных игр решительно выступают против интеграции МП, так это ограничивает возможности их выборе и считают, что интеграция должна осуществляться на МП класса low-end, которые поставляются на "массовый рынок".
  
  С другой стороны, производители находят интеграцию МП довольно привлекательной, так как это позволяет им представлять пользователю более функциональный продукт и в то же время снизить цену на товар в связи с уменьшением нескольких расширительных гнезд и меньших размеров PCB.
  
  Сейчас многие МП предлагают интегрированные решения, включая звук, видео, адаптер локальной сети и SCSI контроллеры. Подобные МП не только выигрывают в цене, они также имеют преимущества в установке, которая проходит быстро и легко. Кроме того, в случае необходимости интегрированные устройства можно отключить через меню CMOS и установить другие контроллеры.
  
  В качестве интегрированного звука используются наиболее продвинутые контроллеры, удовлетворяющие спецификации AC"97. Эта спецификация разделяет контроллеры на 2 части, соединенные интерфейсом AC"97 Link. Первая часть (цифровая) обеспечивает связь с CPU и контролирует соответствующие цифровые потоки. Вторая (аналоговая) часть участвует в оцифровке сигнала и его раскодировании.
  
  Встроенная графика до последнего времени была реализована не слишком хорошо, впрочем, для офисных систем этого было более чем достаточно. Но расширение возможностей CPU привело к возможности создания мощных видеосредств, примером чему является чипсет nVidia nForce x20D, который имеет встроенную GeForce MX и обеспечивает изображение, близкое к реальному GF MX AGP.
  
  Создание было реально из-за того, что используется двухканальная память DDR, и нагрузка на ОЗУ минимальна, кроме того, nVidia сама производит эти видеочипы. Неплохое качество обещано и в i845G. Чипсеты со встроенным i752 видео особого распространения не получили, т.к. подразумевали использование части ОЗУ в качестве видеопамяти.
  
  В качестве примера рассмотрим материнскую плату Asustek P8H61 EVO (рис. 18). Описание по прайс-листу: Мат. плата Socket1155 ASUS "P8H61 EVO" rev.3.0 (iH61, 2xDDR3, SATA III, SATA II, PCI-E, SB, 1Гбит LAN, USB2.0, USB3.0, ATX).
  
  Спецификация:
  
  1. тип слота для установки микропроцессора: Socket1155;
  
  2. чипсет: Intel H61;
  
  3. производитель: Asustek;
  
  4. название материнской платы (маркировка): P8H61 EVO;
  
  5. слоты оперативной памяти: 2 разъема DDR3;
  
  6. слоты расширения: PCI-E;
  
  7. интегрированные устройства: звуковая карта с саундбластером, сетевая карта 1Гбит/с;
  
  8. контроллеры жестких дисков и DVD: Serial ATA III и Serial ATA II;
  
  9. порты: USB 2.0, USB3.0;
  
  10. форм-фактор: ATX.
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 18. Материнская плата Asustek P8H61 EVO
  
  
  
  Вопросы для самопроверки:
  1. Какие основные параметры определяют тип материнской платы?
  
  2. Что означает понятие "интегрированная материнская плата"?
  
  3. Какая информация хранится в BIOS и CMOS?
  
  4. Возможно ли изменение информации BIOS?
  
  5. Для чего нужен генератор тактовых импульсов?
  
  6. Какие микросхемы и модули расположены на материнской плате?
  
  7. Какие типы слотов вы знаете?
  
  8. Что происходит во время выполнения процедуры POST?
  
  9. Возможна ли потеря информации в CMOS?
  
  10. Для чего необходим чипсет?
  
  
  
  Напишите небольшое эссе (объемом в 2-3 страницы) по одному из перечисленных ниже вопросов:
  
  1. Процесс производства материнских плат.
  
  2. Сравнительный анализ материнских плат разных производителей.
  
  3. Интегрированные материнские платы: достоинства и недостатки.
  
  4. Особенности материнских плат для ноутбуков.
  
  5. Процесс перезаписи BIOS (алгоритм процесса, используемое программное и аппаратное обеспечение).
  
  6. Сравнительный анализ AMI BIOS и AWARD BIOS.
  
  7. Система звуковых сигналов POST.
  
  8. Эволюция версий BIOS (на примере какой-либо материнской платы).
  
  9. Архитектура чипсета (основные блоки и их назначение).
  
  10. Перспективы развития слотов системной шины.
  
  
  
  Литература по теме:
  
  
  Основная литература:
  
  1. Аппаратное обеспечение вычислительных систем / Д.В. Денисов, В.А. Артюхин, М. Ф. Седненков; под ред. Д.В. Денисова. - М.: Маркет ДС, 2010 - 184 с. (Университетская серия).
  
  
  
  Дополнительная литература:
  
  1. Вычислительная техника: учеб. пособие. - М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2007. - 608 с.: ил. - (Профессиональное образование). Глава 3, п. 3.7 (стр. 272-277).
  
  2. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем: учебник. - М.: ФОРУМ, 2008. - 512 с.: ил. - (Профессиональное образование). Глава 4, п. 4.5 (стр. 447-456).
  
  
  
  Видеоролики:
  
  1. Установка материнской платы // http://video.mail.ru/mail/bor-volodya/293/36.html.
  
  2. Системная плата // http://www.youtube.com/watch?v=IewQJnNZV60.
  
  3. Установка материнской платы // http://youtu.be/ZuVwO4dkEKo.
  
  4. Работа в BIOS // http://youtu.be/IXBraJa3vXE.
  
  5. Настройка BIOS // http://youtu.be/5Zilqbum7QA.
  
  
  
  Практические задания:
  
  
  Задание 1.
  
  Дано описание материнской платы по прайс-листу:
  
  Мат. плата Socket1156 MSI "H55M-E23" (iH55, 2xDDR3, SATA II, PCI-E, D-Sub, DVI, HDMI, SB, 1Гбит LAN, USB2.0, mATX).
  
  
  
  Проведите описание технических параметров (спецификации) данной материнской платы аналогично примеру в конце темы.
  
  
  
  Задание 2.
  
  Дано описание материнской платы по прайс-листу:
  
  Socket 1156 GIGABYTE "GA-H55M-D2H" (iH55, 2xDDR3, SATA II, U133, 2xPCI-E, D-Sub, DVI, HDMI, SB, 1Гбит LAN, USB2.0, mATX).
  
  
  
  Проведите описание технических параметров (спецификации) данной материнской платы аналогично примеру в конце темы.
  
  
  
  Задание 3.
  
  Дано описание материнской платы по прайс-листу:
  
  
  
  Socket 478, Intel 865PE/ICH5, Gigabyte (GA-8IPE1000MK) Hyper-Threading, FSB/800МГц, Dual Channel DDR/400МГц, AGP8x/1.5v, 3xPCI, Звук/5.1, Сеть 100Мбит/с, Serial ATA/150, USBv2.0, ATA/100, mATX (Retail).
  
  
  
  Проведите описание технических параметров (спецификации) данной материнской платы аналогично примеру в конце темы.
  
  
  
  Задание 4.
  
  Определите последовательность сборки материнских плат на примере завода компании "Gigabyte". Для этого расставьте картинки в соответствии с последовательностью производственного цикла.
  
  1 - С 6 -
  
  2 - 7 -
  
  3 - 8 -
  
  4 - 9 -
  
  5 - 10 -
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  Задание 5.
  
  Подумайте и напишите, какой принцип и почему нарушается при изготовлении интегрированных материнских плат, какие достоинства и недостатки есть у интегрированных материнских плат.
  
  
  
  Тема 4. Типы и логическое устройство процессоров
  
  
  Цели и задачи:
  
  Цели и задачи изучения данной темы - получение сведений о назначении и устройстве центрального процессора, порядке выполнения программного кода процессором, правилах обработке прерываний, работе в режиме многозадачности, архитектуре современных процессоров. Также вы познакомитесь с основными техническими характеристиками процессоров для IBM совместимых ПК.
  
  
  
  В результате успешного изучения темы Вы:
  
  Узнаете:
  
  Ј классификацию процессоров;
  
  Ј логическое и техническое устройство процессоров;
  
  Ј систему команд процессора, в том числе типы команд;
  
  Ј порядок обработки команд процессором;
  
  Ј назначение и принципы обработки прерываний процессором;
  
  Ј понятия архитектуры и микроархитектуры процессора;
  
  Ј основные технические параметры процессоров для ПК;
  
  Ј отличия процессоров Celeron от Pentium.
  
  
  
  Приобретете следующие профессиональные компетенции:
  
  Ј умение определять технические параметры процессора по его описанию из прайс-листа;
  
  Ј умение выбирать процессор исходя из решаемых задач;
  
  Ј умение определять тип архитектуры процессора по его описанию;
  
  Ј умение выбирать наиболее подходящий тип архитектуры процессора исходя из решаемых задач.
  
  
  
  В процессе освоения темы акцентируйте внимание на следующих ключевых понятиях:
  
  
  
  Аппаратное прерывание - электрический сигнал, поступающий на вход процессора от соответствующего устройства. Прерывания используются для реакции на события, асинхронные по отношению к исполняемому в данный момент программному коду, а также переключения между выполняемыми задачами.
  
  
  
  Архитектура процессора - это его программная модель, то есть программно-видимые свойства.
  
  
  
  Закон Мура сформулирован Гордоном Муром в 1965 году и актуализирован им же в 1975 году. Согласно этому эмпирическому закону количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы процессора, удваивается каждые 2 года. В более общем случае означает двукратный рост производительности процессоров каждые два года.
  
  
  
  Мироархитектура процессора - это внутренняя реализация его архитектуры (программной модели). Выделение архитектуры и микроархитектуры процессора позволяет производителям выпускать совместимые устройства, которые в тоже время имеют разную внутреннюю реализацию. Например, набор системы команд относится к архитектуре процессора, а объем и наличие кэш-памяти к микроархитектуре.
  
  
  
  Программный код представляет собой последовательность команд или инструкций. Каждая инструкция содержит в себе информацию о том, какие операции и как необходимо выполнить процессору.
  
  
  
  Теоретический материал по теме
  
  
  
  Процессор, или более точно микропроцессор (микросхема, которая помимо собственно процессора может содержать и другие узлы - например, кэш-память), также часто называемый ЦПУ (CPU - Central Processing Unit) является центральным компонентом компьютера. Это "мозг", который управляет, прямо или косвенно, всем происходящим внутри компьютера. Управление осуществляется посредством выполнения находящегося в памяти программного кода. Программный код представляет собой последовательность команд или инструкций. Каждая инструкция содержит в себе информацию о том, какие операции и как необходимо выполнить процессору.
  
  Последовательность выполнения инструкций может быть нарушена под воздействием внутренних (относительно процессора) и внешних причин. К внутренним причинам относятся исключения, т.е. особые ситуации, возникающие при выполнении инструкций (например, деление на ноль). Внешними причинами являются аппаратные прерывания. Источниками аппаратных прерываний являются контроллеры и адаптеры периферийных устройств, системы управления питанием и другие подсистемы. Аппаратное прерывание представляет собой электрический сигнал, поступающий на вход процессора от соответствующего устройства.
  
  Процессор фон-неймановской машины фактически может выполнять только один процесс, передавая управление от инструкции к инструкции согласно программному коду. Для реакции на события, асинхронные по отношению к исполняемому в данный момент процессу используются аппаратные прерывания.
  
  Прерывания используют и для переключения задач в многозадачных системах. Происходит это следующим образом. По аппаратному прерыванию выполнение одного процесса приостанавливается, а его текущее состояние сохраняется в памяти. После этого запускается другой процесс. Через некоторое время по следующему прерыванию выполняется обратное переключение. При этом переключения задач выполняются с такой частотой, что у пользователя создается впечатление одновременности и непрерывности выполнения процессов.
  
  Современные процессоры имеют встроенные средства многозадачности (число задач почти не ограничено). В распоряжение каждой программы предоставляется виртуальная машина, в которой управление передается согласно программному коду, как будто она - единственный процесс. Поддержка виртуальных машин, распределение ресурсов реального компьютера, повышение производительности определили основные направления совершенствования процессоров.
  
  В тех случаях, когда память и средства ввода/вывода размещаются на той же подложке интегральной схемы, что и микропроцессор, последний превращается в микрокомпьютер. Микроконтроллер является специализированным микрокомпьютером, применяемым для управления различными устройствами (принтерами, терминалами, аппаратами передачи данных). Микроконтроллеры нередко выпускаются сериями по несколько миллионов штук.
  
  Некоторые микропроцессоры могут быть дополнены сопроцессорами, расширяющими возможности первых и набор выполняемых команд. Простейшие микропроцессоры используются в компьютерных карточках.
  
  Наряду с универсальными производятся специальные микропроцессоры. Каждый из них выполняет ограниченный набор функций, но он дешевле и потребляет меньше электроэнергии. На базе микропроцессоров создаются транспьютеры, выполняющие операции не только обработки, но и передачи данных.
  
  Процессор полностью собирается на одном чипе из кремния. Электронные цепи создаются в несколько слоев, состоящих из различных веществ, например, диоксид кремния играет роль изолятора, а поликремний создает проводники.
  
  
  
  Логическое устройство и организация системы команд процессора.
  
  В состав микропроцессора входят:
  
  Ј устройство управления (УУ) - формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки ЭВМ; опорную последовательность импульсов устройство управления получает от генератора тактовых импульсов;
  
  Ј арифметико-логическое устройство (АЛУ) - предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией (в некоторых моделях ПК для ускорения выполнения операций к АЛУ подключается дополнительный математический сопроцессор);
  
  Ј микропроцессорная память (МПП) - служит для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в вычислениях. МПП строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия машины, ибо основная память (ОП) не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора;
  
  Ј регистры - быстродействующие ячейки памяти различной длины (в отличие от ячеек ОП, имеющих стандартную длину 1 байт и более низкое быстродействие).
  
  
  
  Основные виды регистров:
  
  1. Регистры общего назначения (РОН, General Purpose Registers) - общее название для регистров, которые временно содержат данные, передаваемые или принимаемые из памяти.
  
  2. Регистр команды (РК, Instruction Register IR) служит для размещения текущей команды, которая находится в нем в течение текущего цикла процессора.
  
  3. Регистр - (РАК) счетчик (СчАК) адреса команды (program counter, PC) - регистр, содержащий адрес текущей команды.
  
  4. Сумматор - регистр, осуществляющий операции сложения (логического и арифметического двоичного) чисел или битовых строк, представленных в прямом или обратном коде. (Иногда РЧ и РР включают в состав сумматора).
  
  
  
  АЛУ классифицируются следующим образом:
  
  1. По способу действий над операндами:
  
  Ј АЛУ последовательного действия;
  
  Ј параллельного действия.
  
  
  
  В последовательных АЛУ действия над операндами производятся последовательно разряд за разрядом начиная с младшего. В параллельных АЛУ все разряды операндов обрабатываются одновременно.
  
  
  
  2. По виду обрабатываемых чисел АЛУ могут производить операции над двоичными числами с фиксированной или плавающей запятой и над двоично- десятичными числами. В последнем случае каждая десятичная цифра записывается четырьмя разрядами двоичного кода:
  
  
  
  1998
  
  0001 1001 1001 1000
  
  
  
  АЛУ при действии над двоично-десятичными числами должны содержать схему десятичной коррекции. Схема десятичной коррекции преобразует полученный результат таким образом, чтобы каждый двоично-десятичный разряд не содержал цифру больше 9.
  
  При записи числа с фиксированной запятой запятая фиксируется после младшего разряда, если число целое, и перед старшим, если число меньше 1.
  
  При записи чисел с плавающей запятой выделяется целая часть, которая называется мантиссой, и показатель степени, который характеризует положение запятой.
  
  
  
  3. По организации действий над операндами:
  
  Ј блочные;
  
  Ј многофункциональные АЛУ.
  
  
  
  В блочных АЛУ отдельные блоки предназначены для действий над двоично-десятичными числами, отдельно для действий над числами с фиксированной запятой, отдельно с плавающей запятой.
  
  В многофункциональных АЛУ (рис. 19) одни и те же блоки обрабатывают числа с фиксированной запятой, плавающей запятой и двоично-десятичные числа.
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 19. Многофункциональное АЛУ
  
  
  
  Клапаны К1 и К2 объединяют сумматоры 1, 2 и 3 для действий над числами с фиксированной запятой.
  
  Для действий над числами с плавающей запятой клапан К2 объединяет сумматоры 2 и 3 для обработки мантисс, а клапан К1 отсоединяет первый сумматор от второго. Сумматор 1 обрабатывает порядки.
  
  
  
  4. По структуре:
  
  Ј АЛУ с непосредственными связями;
  
  Ј многосвязные.
  
  
  
  В многосвязных АЛУ входы и выходы регистров приемников и источников информации подсоединяются к одной шине. Распределение входных и выходных сигналов происходит под действием управляющих сигналов.
  
  В АЛУ с непосредственной связью (рис. 20) вход регистра приемника связан с выходом регистра источника операндов и регистра, в котором происходит обработка. Например, в этой схеме суммирование происходит так: операнды подаются в регистр 1. Регистр 2 является накапливающим сумматором или автоматом с памятью. Он суммирует слагаемые, поступающие в разные моменты времени и передает результат в регистр 3.
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 20. АЛУ с непосредственной связью
  
  
  
  Умножение в этом АЛУ происходит так: множимое помещают в регистр 4, множитель - в регистр 1. Регистры 2 и 3 являются, кроме того, сдвигающими регистрами. В зависимости от содержимого разряда множителя, множимое сдвигается на один разряд, если множитель содержит 1, и на два, если множитель содержит 0. Эти частные произведения суммируются в регистре 2.
  
  Процессор непосредственно реализует операции обработки информации и управления вычислительным процессом, осуществляя выборку машинных команд и данных из оперативной памяти и запись в оперативную память, включение и отключение внешних устройств.
  
  
  
  В общем виде обработка команд осуществляется следующим образом.
  
  1. В соответствии с содержимым РАК устройство управления (УУ) извлекает из оперативной памяти очередную команду и помещает ее в РК.
  
  Типичная команда содержит:
  
  Ј код операции (КОП) - характеризующий тип выполняемого действия (сложение, вычитание и пр. чисел; сравнение строк; передача управления, обращение к ВУ и пр.);
  
  Ј номера индексного (ИР) и базисного (БР) регистров (в некоторых машинах - адреса слов, ячеек ОП, в которых размещена соответствующая информация);
  
  Ј адреса операндов А1, А2 и т.д., участвующих в выполнении команды (чисел, строк, других команд программы).
  
  
  
  2. Осуществляется расшифровка КОП.
  
  3. Адреса А1, А2 и пр. помещаются в регистры адреса (РА).
  
  4. Если в команде указаны ИР или БР, то их содержимое используется для модификации РА - фактически выбираются числа или команды, смещенные в ту или иную сторону по отношению к адресу, указанному в команде. При этом ИР используются для текущего изменения адреса, связанного с работой программы (например, при обработке массива чисел). БР используется для глобального смещения программы или данных в ОП;
  
  5. По значениям РА осуществляется чтение чисел (строк) и помещение их в РЧ;
  
  6. выполнение операции (арифметической, логической и пр.) и помещение результата в РР.
  
  7. Запись результата по одному из адресов (если необходимо).
  
  8. увеличение содержимого РАК на единицу (переход к следующей команде).
  
  
  
  Известны одно-, двух- и трехадресные системы команд. Очевидна связь таких параметров процессора как длина адресного пространства, адресность, разрядность. Увеличение разрядности позволяет увеличить адресность команды и длину адреса (т.е. объем памяти, доступной данной команде). Увеличение адресности, в свою очередь, приводит к повышению быстродействия обработки (за счет снижения числа требуемых команд).
  
  В трехадресной машине, например, сложение двух чисел требует одной команды (извлечь число по А1, число по А2, сложить и записать результат по А3). В двухадресной необходимы две команды (первая - извлечь число по А1 и поместить в РЧ (или сумматор), вторая - извлечь число по А1, сложить с содержимым РЧ и результат записать по А2). Легко видеть, что одноадресная машина потребует три команды. Поэтому неудивительно, что основная тенденция в развитии ЦУ ЭВМ состоит в увеличении разрядности.
  
  Ј Типовая структура трехадресной команды:
  
  
  
  
  
  
  
  где
  
  а2 и аЗ - адреса ячеек (регистров), где расположены, соответственно, первое и второе числа, участвующие в операции;
  
  a1 - адрес ячейки (регистра), куда следует поместить число, полученное в результате выполнения операции.
  
  
  
  Ј Типовая структура двухадресной команды:
  
  
  
  
  
  
  
  где
  
  a1 - это обычно адрес ячейки (регистра), где хранится первое из чисел, участвующих в операции, и куда после завершения операции должен быть записан результат операции;
  
  а2 - обычно адрес ячейки (регистра), где хранится второе участвующее в операции число.
  
  
  
  Ј Типовая структура одноадресной команды:
  
  
  
  
  
  
  
  где
  
  a1 в зависимости от модификации команды может обозначать либо адрес ячейки (регистра), в которой хранится одно из чисел, участвующих в операции, либо адрес ячейки (регистра), куда следует поместить число - результат операции.
  
  
  
  Ј Безадресная команда содержит только код операции, а информация для нее должна быть заранее помещена в определенные регистры машины.
  
  
  
  Наибольшее применение в нашли двухадресные команды.
  
  Пример трехадресной команды, записанной на языке символического кодирования:
  
  
  
  СЛ 1003 5102 0103
  
  
  
  Эту команду следует расшифровать так: сложить число, записанное в ячейке 0103 памяти, с числом, записанным в ячейке 5102, а затем результат (то есть сумму) поместить в ячейку 1003.
  
  Таким образом, программирование в машинных адресах требует знания системы команд конкретной ЭВМ и их адресности. При этом реализация даже довольно несложных вычислений требует разложения их на простые операции, что значительно увеличивает общий объем программы и затрудняет ее чтение и отладку.
  
  
  
  Технические характеристики процессоров.
  
  В IBM-совместимых ПК применяются процессоры, совместимые с семейством 80x86 фирмы Intel. В оригинальной машине IBM PC использовался процессор с 16-разрядными регистрами. Все следующие модели процессоров включают в себя подмножество системы команд и архитектуры предыдущих моделей, обеспечивая совместимость с ранее написанным ПО.
  
  Под архитектурой процессора понимается его программная модель, то есть программно-видимые свойства. Все современные процессоры для IBM-совместимых ПК соответствуют архитектуре IA-32 (Intel Architecture 32 bit), и более продвинутой IA-64.
  
  Под мироархитектурой процессора понимается внутренняя реализация этой программной модели. Для одной и той же архитектуры IA-32 разными производителями и в разных поколениях применяются существенно различающиеся микроархитектурные реализации.
  
  Именно микроахитектура определяет тип процессора, при этом процессоры с близкой микроархитектурой получили условные названия: Intel 80386, Intel Pentium III, AMD K6 и другие. Так же процессоры принципиально различаются по некоторым техническим характеристикам. Наиболее существенной из них является тип слота (Socket), т.е. разъема для крепления процессора на материнской плате.
  
  Таким образом, тип процессора характеризуется следующими основными параметрами:
  
  Ј производитель;
  
  Ј технология производства;
  
  Ј тактовая частота ядра;
  
  Ј тактовая частота системной шины;
  
  Ј разрядность;
  
  Ј объем кэш-памяти первого, второго и третьего уровня (для многоядерных процессоров устанавливается кэш-память второго уровня для каждого ядра и общая кэш-память третьего уровня);
  
  Ј длина и количество конвейеров;
  
  Ј слот.
  
  
  
  Производитель. В настоящее время процессоры для IBM-совместимых ПК изготавливаются фирмами: Intel, AMD, Cyrix, IBM, Rise, IDT, VIA (купившей Cyrix). На отечественном компьютерном рынке наибольшее распространение получили процессоры первых трех производителей, при этом львиная доля приходится на процессоры Intel.
  
  Технология производства определяет наименьший размер деталей (главным образом транзисторов), входящих в процессор. На сегодняшний день это в основном, 45 - 22 нанометра (в будущем планируется уменьшение до 5 нанометров). Чтобы представить себе размеры таких деталей, напомню, что 1 нанометр равен одной миллиардной доле метра. В тоже время, чем меньше размер транзистора, тем выше плотность их размещения, поэтому настанет момент, когда электрический разряд одного транзистора будет влиять на соседние. При достижении этого придела разработчикам придется применять новые технологии либо отказаться от увеличения плотности размещения транзисторов.
  
  В целом, рост производительности определяется законом Мура согласно которому количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые два года. Однако в последние годы темпы роста производительности ускорились и данной закон соблюдаться не в полной мере, так специалисты Intel говорят о двукратном увеличении производительности каждые 18 месяцев.
  
  Тактовая частота ядра. В прайс-листах является основным показателем производительности процессора (и, соответственно, его цены). Все элементы процессора синхронизируются с использованием частоты часов, которые определяют скорость выполнения операций. Самые первые процессоры работали на частоте 100kHz, сегодня рядовая частота процессора - 2000MHz, иначе говоря, часики тикают 2 миллиарда раз в секунду, а каждый тик (такт) влечет за собой выполнение многих действий. Таким образом, тактовая частота ядра определяет скорость работы процессора, измеряемую количеством тактов в секунду.
  
  Тактовая частота системной шины определяет максимально возможную скорость обмена данными между процессором и другими устройствами, главным образом оперативной памятью ПК.
  
  Разрядность процессора определяет максимальную длину одной единицы обрабатываемой информации в битах. Так, один из первых персональных компьютеров Altair, выпущенный в 1974 году, имел восьмиразрядный процессор, то есть он мог параллельно обрабатывать восемь битов информации. Такой процессор мог складывать 32-битные числа, выполнив несколько инструкций. Сейчас используются 32- и 64-разрядные микропроцессоры, позволяющие решить эту задачу в одну инструкцию. Кроме того, 64-разрядные микропроцессоры позволяют резко увеличивать адресуемую память и размер файлов, с которыми работают.
  
  Объем кэш-памяти первого, второго и третьего уровня. Кэш-память (от англ. сache - тайный склад) обеспечивает промежуточное хранение данных между различными типами памяти. Принцип работы следующий: при обращении к оперативной памяти в кэш-память копируются запрошенные данные. При следующем запросе к памяти процессор сначала просматривает кэш-память, и если нужных данных не находит, только тогда обращается к оперативной памяти.
  
  Кэш-память второго и третьего уровня является промежуточным хранилищем между оперативной памятью и кэш-памятью первого уровня, из которой данные поступают непосредственно в процессор. В современных моделях процессоров кэш-память всех уровней работает с тактовой частотой ядра процессора (в предыдущих моделях кэш-память второго уровня работала на тактовой частоте системной шины).
  
  Длина конвейера. Механизм конвейеризации (pipelining) представляет собой способ распараллеливания выполнения последовательно расположенных инструкций.
  
  Традиционно, выполнение одной инструкции занимало пять тактов - один для загрузки инструкции, другой для ее декодирования, один для получения данных, один для выполнения и один для записи результата. Одновременно процессор мог обрабатывать только одну инструкцию.
  
  При конвейерной обработке каждый этап обработки инструкции выполняется на своей ступени конвейера процессора. При выполнении инструкция продвигается по конвейеру по мере освобождения следующих ступеней. Это значит, что в любой момент времени одна инструкция загружается, другая декодируется, доставляются данные для третьей, четвертая исполняется, и записывается результат для пятой. Таким образом, выполнение одной инструкции занимает один такт вместо пяти, что существенно влияет на производительность процессора.
  
  Конвейер "классического" процессора Pentium имеет пять ступеней (как в приведенном выше примере). Конвейеры процессоров с суперконвейерной архитектурой имеют большее число ступеней (гиперконвейер Pentium IV имеет уже 20 ступеней).
  
  Скалярным называют процессор с единственным конвейером (все процессоры Intel до 80486 включительно). Суперскалярный процессор имеет несколько конвейеров, способных обрабатывать инструкции параллельно. Pentium является двухпотоковым процессором (имеет два конвейера), Pentium II - трехпотоковым.
  
  Слот определяет тип корпуса микросхемы, в которой размещен процессор. Важно чтобы тип слота процессора соответствовал слоту на материнской плате, иначе процессор просто не удастся установить из-за несовпадения разъемов. Многообразие слотов обусловлено микроархитектурными решениями производителей, в частности способами размещения кэш-памяти.
  
  Революционным решением в устройстве процессоров был перенос "ножек" процессора на материнскую плату начиная с Socket 775 фирмы Intel (рис. 21). Сделано это было по причине того, что средняя цена процессора стала выше средней цены материнской платы, поэтому при повреждении ножек процессора (как наиболее уязвимой части устройства), потребитель терял больше денег. В тоже время перенос "ножек" на материнскую плату значительно снизил вероятность их поломки и изгиба и обеспечил дополнительную возможность сокращения тепловыделения.
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 21. Внешний вид процессора и разъема Socket 775
  
  
  
  Рисунок 21 иллюстрирует устройство ножек на процессорном сокете. Они имеют не очень простую форму и сделаны так чтобы слегка "подпружинивать" контактные площадки на процессоре. По словам Intel, коническая форма оконечников ножек (на фото не видна, т.к. они сфотографированы "в профиль") выбрана не случайно: в случае плохого контакта выделяемое тепло будет частично размягчать "острие" на конце ножки, и способствовать устранению неплотности в контакте.
  
  На рисунке 22 представлен процессор установленный в закрытый слот Socket 775. Все вместе производит впечатление некой почти монолитной металлической конструкции, надежно защищенной от любых внешних воздействий. Именно небольшие размеры, прочность и защищенность Socket 775 (и его последующих модификаций Socket 1155 Socket 1156) в закрытом состоянии является основным видимым преимуществом пред другими типами слотов.
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 22. Процессор, установленный в Socket 775
  
  
  
  В некоторых случаях допускается установка процессора в разъем материнской платы с другим типом слота. Для этого используются специальное устройство - переходник. Так, например, процессор Intel Pentium III сокет 370 через переходник может быть установлен в слот 1.
  
  Процессоры Celeron от Pentium устанавливаются в один и тот же тип слота, поскольку Celeron является "облегченным" вариантом Pentium. Основные отличия состоят в следующем:
  
  1. Кэш-память второго уровня либо отсутствует, либо ее объем в 2-3 раза меньше, чем у Pentium с такой же тактовой частотой ядра.
  
  2. Celeron предназначены только для одиночных конфигураций. Некоторые модели допускают использовать Celeron в двухпроцессорных системах, но это малоэффективно.
  
  3. Тактовая частота системной шины, как правило, на порядок ниже, чем у Pentium с такой же тактовой частотой ядра.
  
  
  
  В качестве примера рассмотрим процессор Intel Pentium G620. Описание по прайс-листу: Intel "Pentium G620" (2.60ГГц, 2x256КБ+3МБ, EM64T, GPU) Socket1155.
  
  Спецификация:
  
  1. производитель: Intel;
  
  2. торговое название процессора: Pentium G620;
  
  3. тактовая частота ядра: 2.60ГГц;
  
  4. тип слота микропроцессора: Socket1155;
  
  5. объем кэш-памяти второго уровня (для каждого ядра): 256 Кб;
  
  6. объем кэш-памяти третьего уровня 3МБ;
  
  7. встроенный графический процессор (GPU - graphics processing unit);
  
  8. поддержка технологии EM64T.
  
  
  
  Технология EM64T (она же Intel 64) разработана для выполнения 64-х разрядных приложений и позволяет компьютерным платформам получить доступ к гораздо большему объему памяти за счет использования встроенных компиляторов, математической библиотеки и средств анализа производительности.
  
  
  
  Классификация процессоров по набору команд (системе команд).
  
  Система команд - перечень, вид и тип команд, автоматически исполняемых процессором. Перечень и вид команд определяют непосредственно те процедуры, которые могут выполняться над данными в процессоре, и те категории данных, над которыми применимы эти процедуры. Понятие системы команд вплотную связано с архитектурой, разрядностью, адресностью и другими атрибутами процессора. От типа команд зависит классификационная группа процессора:
  
  Ј CISC (Complex Instruction Set Command) с полным набором системы команд;
  
  Ј RISC (Reduced Instruction Set Command) с усеченным набором системы команд;
  
  Ј VLIW (Very Length Instruction Word) со сверхбольшим командным словом;
  
  Ј MISC (Minimum Instruction Set Command) с минимальным набором системы команд и весьма высоким быстродействием.
  
  
  
  Архитектура CISC появилась в 1978 году. Тогда процессоры представляли собой скалярные устройства (то есть могли в каждый момент времени выполнять только одну команду), при этом конвейеров практически не было. Процессоры содержали десятки тысяч транзисторов.
  
  Процессоры RISC были разработаны в 1986 году, когда технология суперскалярных конвейеров только начала развиваться. Процессоры содержали сотни тысяч транзисторов.
  
  Микропроцессоры типа RISC характеризуются очень высоким быстродействием, но они программно не совместимы с CISC-процессорами: при выполнении программ, разработанных для CISC-процессоров, они могут лишь эмулировать (моделировать, имитировать) процессоры типа CISC на программном уровне, что приводит к резкому уменьшению их эффективной производительности.
  
  В конце 90-х наиболее совершенные процессоры уже содержат миллионы транзисторов. Например, процессоры архитектуры IA-64 содержат десятки миллионов транзисторов. В дальнейших модификациях их число, вероятно, увеличится до сотен миллионов.
  
  Архитектура IA-64 не является ни 64-разрядным расширением архитектуры CISC, ни переработкой архитектуры RISC. IA-64 представляет собой новую архитектуру, использующую длинные слова команд (LIW), предикаты команд (instruction predication), исключение ветвлений (branch elimination), предварительную загрузку данных (speculative loading) и другие ухищрения для того, чтобы обеспечить больший параллелизм выполнения программ. Но, тем не менее, IA-64 - это компромисс между CISC и RISC, попытка сделать их совместимыми: существуют два режима декодирования команд - VLIW и старый CISC. Программы автоматически переключаются в необходимый режим исполнения.
  
  Процессоры типа VLIW - весьма перспективный тип процессоров. Процессоры типа VLIW выпускают фирмы Transmeta, Intel и Hewlett-Packard. Следует заметить, что при более глубоком анализе технология EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing - вычисления с явной параллельностью инструкций), которой придерживаются фирмы Intel и HP, незначительно отличается от технологии VLIW, принятой за основу фирмой Transmeta. Но эти отличия несущественны, поэтому микропроцессоры VLIW и EPIC можно отнести к одной группе. К VLIW-типу можно отнести и ожидавшийся в 2002 году процессор Elbrus 2000 - E2k, разработанный российской компанией "Эльбрус".
  
  Программисты доступа к внутренним VLIW-командам не имеют: все программы (даже операционная система) работают поверх специального низкоуровневого программного обеспечения (Code Morphing), которое ответственно за трансляцию команд CISC-процессоров в команды VLIW.
  
  Процессоры типа VLIW вместо сложной схемной логики, обеспечивающей в современных суперскалярных процессорах параллельное исполнение команд, опираются на программное обеспечение. Упрощение аппаратуры позволило уменьшить габариты процессоров и потребление энергии (эти процессоры иногда называют "холодными").
  
  
  
  Вопросы для самопроверки:
  1. Что значит "виртуальная машина"?
  
  2. Что понимается под архитектурой и микроархитектурой процессора?
  
  3. Как производительность процессора связана с тактовой частотой ядра?
  
  4. В чем состоит отличие процессоров Celeron от Pentium?
  
  5. Перечислите основные технические характеристики процессора.
  
  6. Для чего нужна кэш-память первого, второго и третьего уровня?
  
  7. Почему уменьшение размеров процессора сказывается на увеличении его производительности?
  
  8. Перечислите основные функции процессора.
  
  9. Какие типы систем команд процессора вы знаете?
  
  10. Опишите процесс выполнения команды процессором.
  
  11. Зачем нужны регистры?
  
  12. Зачем нужны прерывания?
  
  
  
  Напишите небольшое эссе (объемом в 2-3 страницы) по одному из перечисленных ниже вопросов:
  
  1. Перспективы развития архитектуры процессоров.
  
  2. Процессоры для портативных устройств.
  
  3. Процессоры для мобильных устройств.
  
  4. Процессоры со встроенной обработкой видео.
  
  5. Процессоры для техники (например, роботов).
  
  6. Основные направления увеличения производительности процессоров.
  
  7. Реализация механизма многозадачности в многоядерных процессорах.
  
  8. Процессоры для ПК компании Apple.
  
  9. Сравнительный анализ процессоров Intel и AMD.
  
  10. Язык программирования Assembler как средство низкоуровневого программирования.
  
  11. Система прерываний процессора архитектуры IA64.
  
  12. Системная шина HyperTransport.
  
  
  
  Литература по теме:
  
  
  Основная литература:
  
  1. Аппаратное обеспечение вычислительных систем / Д.В. Денисов, В.А. Артюхин, М. Ф. Седненков; под ред. Д.В. Денисова. - М.: Маркет ДС, 2010 - 184 с. (Университетская серия).
  
  
  
  Дополнительная литература:
  
  1. Вычислительная техника: учеб. пособие. - М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2007. - 608 с.: ил. - (Профессиональное образование). Глава 3, п. 3.7 (стр. 272-277).
  
  2. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем: учебник. - М.: ФОРУМ, 2008. - 512 с.: ил. - (Профессиональное образование). Глава 4, п. 4.5 (стр. 447-456).
  
  3. Технология HyperTransport // http://www.xard.ru/post/13476.
  
  4. Большой тест процессоров. Часть 2: средний сегмент // http://www.fcenter.ru/online.shtml?articles/hardware/processors/29800.
  
  5. Процессоры Intel Core i5 для LGA1156 // http://www.ixbt.com/cpu/intel-ci5-1156.shtml.
  
  
  
  Видеоролики:
  
  1. Как делаются процессоры // http://youtu.be/MPZiMYM2hfI.
  
  2. Тактовая частота микропроцессора // http://video.yandex.ru/users/sales-chip-dip-ru/view/980/#.
  
  3. Как собирают процессоры // http://youtu.be/ScQfvDyDC0g.
  
  
  
  Практические задания
  
  
  Задание 1.
  
  Расставьте номера (1, 2, 3, 4) в порядке возрастания времени доступа к следующим устройствам:
  
  Ј Кеш-память.
  
  Ј Оперативная память.
  
  Ј Регистры процессора.
  
  Ј Память на внешних носителях.
  
  
  
  Задание 2.
  
  Дано описание процессора по прайс-листу:
  
  Процессор AMD "Athlon II X2 B22" (2.80ГГц, 2x1024КБ, HT2000МГц) SocketAM3.
  
  
  
  Проведите описание технических параметров (спецификации) данного процессора аналогично примеру в конце темы.
  
  
  
  Задание 3.
  
  Дано описание процессора по прайс-листу:
  
  Процессор Intel "Core i5-660" (3.33ГГц, 2x256КБ+4МБ, EM64T, GPU) Socket1156.
  
  
  
  Проведите описание технических параметров (спецификации) данного процессора аналогично примеру в конце темы.
  
  
  
  Задание 4.
  
  Дано описание процессора по прайс-листу:
  
  Процессор Intel, Celeron 2600, Socket 478, 400МГц, 128Кб (BOX).
  
  
  
  Проведите описание технических параметров (спецификации) данного процессора аналогично примеру в конце темы.
  
  
  
  Тема 5. Типы и логическое устройство оперативной памяти.
  
  
  Цели и задачи:
  
  Цели и задачи изучения данной темы - получение сведений о назначении и устройстве оперативной памяти ПК, интерфейсах работы оперативной памяти (ОП) и технических параметров модулей ОП.
  
  
  
  В результате успешного изучения темы Вы:
  
  Узнаете:
  
  Ј логическое и техническое устройство ОП;
  
  Ј понятия синхронный и асинхронный интерфейсы доступа к ОП;
  
  Ј основные технические характеристики модулей ОП;
  
  Ј порядок адресации данных в ОП;
  
  Ј порядок доступа и операции с данными ОП;
  
  Ј понятие прямого доступа к ОП (DMA);
  
  Ј режимы работы микропроцессора при обращении к ОП.
  
  
  
  Приобретете следующие профессиональные компетенции:
  
  Ј умение определять технические параметры модуля ОП по его описанию из прайс-листа;
  
  Ј умение выбирать модули ОП исходя из решаемых задач;
  
  Ј умение выбирать наиболее подходящий тип ОП исходя из решаемых задач.
  
  
  
  В процессе освоения темы акцентируйте внимание на следующих ключевых понятиях:
  
  
  
  Время доступа к ОП - время обращения к ячейкам ОП (скорость чтения/записи данных непосредственно в ячейки ОП), измеряется в наносекундах.
  
  
  
  Регенерация - процесс постоянной перезаписи содержимого ячеек динамической ОП, вызванный саморазрядом конденсаторов.
  
  
  
  Синхронный и асинхронный интерфейс определяют синхронизирована (синхронный интерфейс) или нет (асинхронный интерфейс) работа оперативной памяти с работой процессора. В случае асинхронного интерфейса момент обращения процессора к станице ОП может не совпадать с моментом ее регенерации.
  
  
  
  Латентность - интегральный показатель, который характеризует продолжительность интервалов (таймингов) задержек в процессе выполнения операций чтения/записи (время на вычисление адреса страницы и собственно выполнение операции). Как правило, производители указывают данные первого тайминга "CAS Latency (CL)". Это приводит к тому, что в технической литературе часто возникает путаница между понятием "латентность" и "тайминги", т.к. ориентируясь на данные, указанные производителем, летентностью иногда называют только значение первого тайминга.
  
  
  
  Тайминги - временные задержки сигнала при обработке данных в ОП. Значения таймингов обычно имеют вид комбинации четырех чисел, например, 3-3-3-9 или 4-4-4-12. По порядку это:
  
  Ј CAS Latency (CL) - задержка между отправкой в память адреса столбца и началом передачи данных. Время, требуемое на чтение первого бита из памяти, когда нужная строка уже открыта.
  
  Ј RAS to CAS Delay (tRCD) - число тактов между открытием строки и доступом к столбцам в ней. Время, требуемое на чтение первого бита из памяти без активной строки.
  
  Ј RAS Precharge Time (tRP) - Число тактов между командой на предварительный заряд банка (закрытие строки) и открытием следующей строки. Время, требуемое на чтение первого бита из памяти, когда активна другая строка либо время между командой закрытия и повторной активацией то же строки.
  
  Ј Active to Precharge (tRas) - число тактов между командой на открытие банка и командой на предварительный заряд. Время на обновление строки.
  
  
  
  Теоретический материал по теме
  
  
  
  Оперативная память (ОП) или оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) - специальная внутренняя память ЭВМ, позволяющая быстро записывать в нее и считывать из нее необходимую информацию. Однако информация в этой памяти хранится лишь до отключения питания компьютера, поэтому ее иногда называют энергозависимой, временной памятью или по-английски "RAM" (Random Access Memory - память произвольного доступа).
  
  Обычно в ПК используется DRAM (Dynamic Random Access Memory) - динамическая память. При этом во время работы компьютера информация может постоянно обновляться. В оперативной памяти находятся элементы текстов, числовые данные, программные код и другая информация, необходимая для выполняющихся в данный момент программ.
  
  В настоящее время достаточно широко используется кэш-память (Caсhe Memory). Она бывает внутренняя (встроенная, например, в процессор, размером от 128 Кб) и внешняя. Внешняя кэш-память - это сверхоперативная память, расположенная как буфер между процессором и ОЗУ и повышающая производительность ПК. Она служит для уменьшения количества тактов ожидания процессора при обращения к более медленной RAM и имеет размер от 64 Кб до 1 Мб.
  
  Оперативная память состоит из многих миллионов ячеек, в каждой из которых содержится один бит информации, имеющий значение 0 или 1. Биты обрабатывают группами фиксированного размера. Для этого память организуется таким образом, что группы по п бит могут записываться и считываться за одну базовую операцию. Группа из п бит называется словом информации, а значение п - длиной слова. Схематически память компьютера можно представить в виде набора слов (рис. 23).
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 23. Схема оперативной памяти ПК
  
  
  
  Для доступа к памяти с целью записи или чтения отдельных элементов информации, будь то слова или байты, необходимы имена или адреса, определяющие их расположение в памяти. В качестве адресов традиционно используются числа из диапазона от 0 до 2k-1 со значением k, достаточным для адресации всей памяти компьютера. Все 2k адресов составляют адресное пространство компьютера. Следовательно, память состоит из 2k адресуемых элементов.
  
  Например, использование 24-разрядных (как в процессоре 80286) адресов позволяет адресовать 224 (16777216) элементов памяти. Обычно это количество адресуемых элементов обозначается как 16 М (16 мега), где 1М - 220 (1048576) (адресное пространство МП 8086 и 80186). 32-разрядным адресам (у процессоров 80386, 80486, Pentium и их аналогов) соответствует адресное пространство из 232, или 4 Гб, элементов, где 1 Г - 230 байт.
  
  Существует три основные единицы информации: бит, байт и слово. Байт всегда равен 8 битам, а длина слова обычно колеблется от 16 до 64 бит. Отдельные биты, как правило, не адресуются. В большинстве современных компьютеров адреса назначаются байтам памяти (памятью с байтовой адресацией). Последовательные байты имеют адреса 0, 1, 2 и т. д. Таким образом, при использовании слов длиной 32 бита последовательные слова имеют адреса 1,4,8,..., и каждое слово состоит из 4 байт.
  
  В одном 32-х битовом слове может храниться 32-разрядное число в дополнительном коде или четыре символа ASCII, занимающих по 8 бит (рис. 24).
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 24. Схема хранения слов и кодов ASCII в ОП
  
  
  
  ASCII (American Standard Code for Information Interchange) - таблица для основных печатных символов и некоторых специальных кодов, используемых в ПК.
  
  Существует два способа адресации байтов в словах (рис. 25):
  
  a. в прямом порядке (little-endian) - байты адресуются справа налево, так что наименьший адрес имеет самый младший байт слова (расположенный с правого края);
  
  b. в обратном порядке (big-endian) - байты адресуются слева направо, так что самый старший байт слова (расположенный с левого края) имеет наименьший адрес.
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 25. Прямая (а) и обратная (б) адресации байтов в словах
  
  
  
  Слова "старший" и "младший" определяют вес бита, то есть степень двойки, соответствующей данному биту, когда слово представляет число. В ПЭВМ на основе МП 80x86 используется прямой порядок, а в ПЭВМ на основе МП Motorola 68000 - обратный. В обеих этих системах адреса байтов 0,4, 8 и т. д. применяются в качестве адресов последовательных слов памяти в операциях чтения и записи слов.
  
  Наряду с порядком байтов в слове важно также определить порядок битов в байте. Наиболее естественный порядок битов для кодирования числовых данных (непосредственно соответствующий их разрядам) - "слева направо": b32, ... ,b1,b0. Однако существуют компьютеры, для которых характерен обратный порядок битов.
  
  В случае 32-разрядных слов их естественные границы располагаются по адресам 0,4,8 и т. д. При этом мы говорим, что слова выровнены по адресам в памяти. Если говорить в общем, слова считаются выровненными в памяти в том случае, если адрес начала каждого слова кратен количеству байтов в нем. По практическим причинам, связанным с манипулированием двоично-кодированными адресами, количество байтов в слове обычно является степенью двойки. Поэтому, если длина слова равна 16 бит (2 байтам), выровненные слова начинаются по байтовым адресам 0, 2, 4, ... , а если она равна 64 бит (23 т.е. 8 байтам), то выровненные слова начинаются по байтовым адресам 0, 8, 16, ... .
  
  Не существует причины, по которой слова не могли бы начинаться с произвольных адресов. Такие слова называются невыровненными. Как правило, слова выравниваются по адресам памяти, но иногда этот принцип нарушатся.
  
  
  
  Доступ к числам, символам и символьным строкам.
  
  Обычно число занимает целое слово. Поэтому, для того чтобы обратиться к нему в памяти, нужно указать адрес слова, по которому оно, это число, хранится. Точно так же доступ к отдельно хранящемуся в памяти символу осуществляется по адресу его байта.
  
  Во многих приложениях необходимо обрабатывать строки символов переменной длины. Для доступа к такой строке нужно указать адрес байта, в котором хранится ее первый символ. Последовательные символы строки содержатся в последовательных байтах. Существует два способа определения длины строки. Первый из них заключается в использовании специального управляющего символа, обозначающего конец строки и являющегося ее последним символом. Второй способ состоит в использовании отдельного слова памяти или регистра процессора, содержащего число, которое определяет длину строки в байтах.
  
  
  
  Операции с памятью.
  
  И команды программ, и данные, являющиеся операндами этих команд, хранятся в памяти. Для выполнения команды управляющие схемы процессора должны инициировать пересылку содержащего ее слова или слов из памяти в процессор.
  
  Операнды и результаты также должны пересылаться между памятью и процессором. Таким образом, для выполнения команды программы необходимо произвести две операции с памятью:
  
  Ј Load (или Read, или Fetch), то есть загрузка (или чтение, или выборка соответственно).
  
  Ј Store (или Write), то есть сохранение (или запись).
  
  
  
  Операция загрузки пересылает в процессор копию содержимого памяти но заданному адресу. При этом содержимое памяти остается неизменным. Для того чтобы начать операцию загрузки, процессор отсылает в память адрес и запрашивает содержимое памяти по этому адресу. Из памяти считываются соответствующие данные и пересылаются в процессор.
  
  Операция сохранения пересылает элемент информации из процессора в память по заданному адресу, уничтожая предыдущие данные, хранившиеся по этому адресу. Для выполнения такой операции процессор отсылает в память данные и адрес, по которому они должны быть записаны.
  
  Информацию из одного слова или одного байта можно переслать между процессором и памятью за одну операцию. Процессор содержит небольшое количество регистров, вмещающих по одному слову. Эти регистры служат либо источниками, либо приемниками данных, пересылаемых в память и из памяти. Пересылаемый байт обычно располагается в младшей (крайней справа) позиции в регистре.
  
  Взаимодействие с памятью (рис. 26) происходит через:
  
  Ј шину чтения-записи;
  
  Ј адресную шину;
  
  Ј информационную шину.
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 26. Взаимодействие процессора с ОП
  
  
  
  По шине чтения-записи сообщается тип производимой операции (считывание из памяти или запись в нее). Сигналы, подаваемые на адресную шину, определяют область памяти, из которой (в которую) ведется считывание (запись), а по информационной шине передается считанная (записанная) информация.
  
  Пример - считывание из памяти и запись в память байта с адресом 7.
  
  При считывании данных из памяти некоторая внешняя (по отношению к запоминающему устройству) система (например, микропроцессор) устанавливает на шине чтения-записи сигнал 1, сообщая таким образом, что должна производиться операция считывания. Кроме того, эта внешняя система помещает на адресную шину значение 0000000000000111 в двоичной системе счисления (или, что то же самое, 7 - в десятичной системе счисления). Тем самым запоминающему устройству сообщается, что требуется считать байт информации из ячейки 7. Очевидно, что в результате операции считывания содержимое указанного байта, равное 10101010, появится на информационной шине (см. рисунок).
  
  При записи на шине чтения-записи устанавливается сигнал 0 и на адресную и информационную шины помещаются адреса и записываемые данных. В качестве адреса запоминающее устройство получает число 0000000000000111, или, что то же самое, 7, а в качестве записываемых данных - число 10101010. Поскольку на шине чтения-записи установлен сигнал 0, данные с информационной шины заносятся в ячейку 7.
  
  
  
  Система прямого доступа к памяти.
  
  Как уже отмечалось, процессор способен считывать данные из некоторого устройства и записывать их в память. Подобные действия может выполнять и система прямого доступа к памяти DMA (Direct Memory Аccess) и таким образом освобождать процессор от этой работы.
  
  На рисунке 27 показано, каким образом процессор и система прямого доступа к памяти связаны с запоминающим устройством. Здесь же показано, что обе системы могут посылать и принимать данные из некоторого периферийного устройства. Для доступа к этому устройству процессор использует порт В, а система прямого доступа - шину, обозначенную словом "Данные". Наконец, процессор может вести обмен данными с системой прямого доступа к памяти через порт А.
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 27. Схема прямого доступа к ОП
  
  
  
  Рассмотрим в качестве примера процесс считывания нескольких байтов данных из периферийного устройства и занесения их в память. Процесс начинается, когда процессор посылает одну команду в систему прямого доступа к памяти через порт А, а другую - в устройство через порт В. По команде, направленной в устройство, последнее должно переслать несколько байтов данных в систему прямого доступа к памяти. Согласно команде, посланной в систему прямого доступа, эта система должна принять байты данных из устройства и записать их в память. Во время выполнения описанных пересылок процессор может продолжать считывание и выполнение команд.
  
  Может возникнуть вопрос, каким образом система прямого доступа и процессор могут одновременно осуществлять доступ к памяти? На самом деле такой возможности нет. Запоминающее устройство в каждый момент времени обрабатывает только один запрос. Однако система прямого доступа к памяти достаточно "интеллектуальна" и в состоянии задержать запрос процессора, пока сама реализует обращение. Таким образом, процессор и система прямого доступа к памяти поочередно работают с запоминающим устройством, причем процессор время от времени находится в состоянии ожидания, пока освободится память. С запросами периферийного устройства на передачу данных затруднений обычно не возникает, так как они поступают существенно реже, чем запросы процессора.
  
  Система прямого доступа лишь иногда обращается к памяти, в то время как процессор постоянно требует доступа к запоминающему устройству. Поэтому создается впечатление, что и процессор, и система прямого доступа работают с памятью одновременно.
  
  
  
  Режимы процессора.
  
  Все 32-разрядные процессоры Intel и совместимые, начиная с 80386-го, могут выполнять программы в нескольких режимах. Режимы процессора предназначены для выполнения программ в различных средах; в разных режимах возможности микропроцессора неодинаковы, потому что команды выполняются по-разному. В зависимости от режима процессора изменяется схема управления памятью системы и задачами. Процессоры могут работать в трех режимах:
  
  Ј реальном;
  
  Ј защищенном;
  
  Ј виртуальном реальном режиме (реальном внутри защищенного).
  
  
  
  Реальный режим.
  
  В первоначальном IBM PC использовался процессор i8086, который мог выполнять 16-разрядные команды, применяя 16-разрядные внутренние регистры, и адресовать только 1 Мбайт (220 байт) памяти, используя 20 разрядов для адреса. Все программное обеспечение PC первоначально было предназначено для этого процессора; оно было разработано на основе 16-разрядной системы команд и модели памяти объемом 1 Мбайт. Например, DOS, все программное обеспечение DOS, Windows от 1.x до 3.x и все приложения для Windows от 1.x до 3.x написаны в расчете на 16-разрядные команды. Эти 16-разрядные операционные системы и приложения были разработаны для выполнения на процессоре i8086.
  
  Более поздние процессоры, например i80286, могли также выполнять те же самые 16-разрядные команды, что и первоначальный i8086, но намного быстрее. Другими словами, процессор i80286 был полностью совместим с первоначальным i8086 и мог выполнять все 16-разрядные программы точно так же, как i8086, но, конечно же, значительно быстрее. Шестнадцатиразрядный режим, в котором выполнялись команды процессоров i8086 и i80286, был назван реальным режимом. Все программы, выполняющиеся в реальном режиме, должны использовать только 16-разрядные команды, 20-разрядные адреса и поддерживаться архитектурой памяти, рассчитанной на емкость до 1 Мбайт.
  
  Для программного обеспечения этого типа обычно используется однозадачный режим, т.е. одновременно может выполняться только одна программа. Нет никакой встроенной защиты для предотвращения перезаписи ячеек памяти одной программы или даже операционной системы другой программой; это означает, что при выполнении нескольких программ вполне могут быть испорчены данные или код одной из них, а это может привести всю систему к краху (или останову).
  
  
  
  Защищенный режим.
  
  Несмотря на то что процессор i80286 как и i8086 является 16-разрядным, он (в отличие от последнего) может работать в новом - защищённом - режиме и имеет встроенную поддержку мультизадачных операционных систем, значительно ускоряющую и упрощающую процесс переключения задач. Эта поддержка активно используется всеми мультизадачными операционными системами и оболочками, разработанными для компьютера IBM PC.
  
  Адресная шина i80286 была увеличена с 20 до 24 разрядов, что привело к расширению адресного пространства с 1 до 16 Мб (224 байт). Новый метод адресации памяти позволил изолировать адресные пространства отдельных задач друг от друга. При этом прикладная программа, работающая в среде операционной системы, использующей защищённый режим, не может случайно или намеренно разрушить целостность самой операционной системы, она может записывать данные только в те области памяти, которые выделены ей операционной системой.
  
  Следующие модели процессоров фирмы Intel - i80386, i80486 и i80586 (Pentium) были 32-разрядными. Помимо расширения адресного пространства до величины в 4 Гбайта (232 байт) в них реализована концепция страничной виртуальной памяти, возможной только в защищённом режиме.
  
  Механизм страничной виртуальной памяти позволяет разместить часть оперативной памяти на диске. При этом размер оперативной памяти (виртуальной), предоставляемой программам, ограничен разве что лишь размером свободного пространства на диске.
  
  
  
  Виртуальный реальный режим.
  
  Помимо страничной виртуальной памяти в процессорах i80386 и более поздних реализован так называемый режим виртуального процессора i8086 или просто виртуальный режим. Этот режим реализуется в рамках защищённого режима (процессор может переключиться в виртуальный режим только из защищённого режима). В виртуальном режиме процессор способен выполнять программы, составленные для процессора i8086, находясь в защищённом режиме и используя аппаратные средства защищённого режима: мультизадачность, изолирование адресных пространств отдельных задач друг от друга, страничная виртуальная память.
  
  
  
  Устройство и принципы функционирования оперативной памяти.
  
  Ядро микросхемы динамической памяти (рис. 28) состоит из множества ячеек, каждая из которых хранит всего один бит информации. На физическом уровне ячейки объединяются в прямоугольную матрицу, горизонтальные линейки которой называются строками (ROW), а вертикальные - столбцами (Column) или страницами (Page).
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 28. Физическое устройство ячейки динамической ОП
  
  
  
  Линейки представляют собой обыкновенные проводники, на пересечении которых находится "сердце" ячейки - несложное устройство, состоящее из одного транзистора и одного конденсатора.
  
  Конденсатору отводится роль непосредственного хранителя информации. Правда, хранит он очень немного - всего один бит. Отсутствие заряда на обкладках соответствует логическому нулю, а его наличие - логической единице. Транзистор же играет роль "ключа", удерживающего конденсатор от разряда.
  
  В спокойном состоянии транзистор закрыт, но, стоит подать на соответствующую строку матрицы электрический сигнал, как он откроется, соединяя обкладку конденсатора с соответствующим ей столбцом.
  
  Чувствительный усилитель (sense amp), подключенный к каждому из столбцов матрицы, реагируя на слабый поток электронов, устремившихся через открытые транзисторы с обкладок конденсаторов, считывает всю страницу целиком. Чтение/запись отдельно взятой ячейки невозможно, поскольку открытие одной строки приводит к открытию всех, подключенных к ней транзисторов, а, следовательно, - разряду закрепленных за этими транзисторами конденсаторов.
  
  Чтение ячейки деструктивно по своей природе, поскольку sense amp (чувствительный усилитель) разряжает конденсатор в процессе считывания его заряда. "Благодаря" этому динамическая память представляет собой память разового действия, поэтому во избежание потери информации считанную строку приходится тут же перезаписывать вновь.
  
  Кроме того, ввиду микроскопических размеров, а, следовательно, емкости конденсатора записанная на нем информация хранится крайне недолго, - буквально сотые, а то тысячные доли секунды. Причина тому - саморазряд конденсатора. Несмотря на использование высококачественных диэлектриков с огромным удельным сопротивлением, заряд стекает очень быстро, ведь количество электронов, накопленных конденсатором на обкладках, относительно невелико.
  
  Для борьбы с "забывчивостью" памяти прибегают к ее регенерации - периодическому считыванию ячеек с последующей перезаписью. В зависимости от конструктивных особенностей "регенератор" может находиться как в контроллере, так и в самой микросхеме памяти.
  
  Необходимость данной процедуры отпадает при использовании статической оперативной памяти - SRAM (Static Random Access Memory). Ее основное отличие состоит в том, что в качестве ячейки здесь выступает статический триггер, что исключает "стекание" заряда, и соответственно, необходимость регенерации такой памяти отпадает.
  
  Данный вид модулей оперативной памяти существенно дороже DRAM, при этом более высокая производительность SRAM по сравнению с DRAM не оказывает ощутимого эффекта на работу системы в целом по причине ограниченной пропускной способности системной шины. Использование SRAM в ПК целесообразно в случае критичности обеспечения низкого энергопотребления и небольшого объема хранимых данных. В связи с этим SRAM используется, как правило, в микроконтроллерах и в качестве кэш памяти.
  
  Физически микросхема памяти (не путать с модулями памяти) представляет собой прямоугольный кусок керамики, имеющий контактные ножки: линии адреса (служат для выбора адреса ячеек памяти) и линии данных (служат для чтения и для записи данных).
  
  Необходимый режим работы определяется состоянием специального вывода Write Enable (Разрешение Записи). Низкий уровень сигнала WE готовит микросхему к считыванию состояния линий данных и записи полученной информации в соответствующую ячейку, а высокий, наоборот, заставляет считать содержимое ячеек и "выплюнуть" их значения в линии данных.
  
  
  
  DIMM.
  
  Аббревиатура DIMM расшифровывается как Dual Inline Memory Module (Модуль памяти с двойным расположением выводов). В модуле DIMM имеется 168 контактов, которые расположены с двух сторон платы и разделены изолятором.
  
  Следует отметить, что разъем DIMM имеют много разновидностей DRAM. Поэтому для облегчения выбора нужного модуля пользователям на материнских платах разные типы DIMM имеют от одного до трех вырезов на модуле памяти. Они предотвращают от неправильного выбора и неправильной установки модулей памяти.
  
  
  
  SDRAM.
  
  Оперативная память персональных компьютеров сегодня, как и десять лет тому назад, строится на базе относительно недорогой динамической памяти - DRAM (Dynamic Random Access Memory).
  
  Аббревиатура SDRAM расшифровывается как Synchronic DRAM (динамическое ОЗУ с синхронным интерфейсом), это означает, что микросхемы памяти SDRAM (рис. 29) работают синхронно с контроллером, что гарантирует завершение цикла в строго заданный срок. Кроме того, номера строк и столбцов подаются одновременно, с таким расчетом, чтобы к приходу следующего тактового импульса сигналы уже успели стабилизироваться и были готовы к считыванию. Этим SDRAM отличается от FPM и EDO DRAM, работающих по асинхронному интерфейсу.
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 29. Микросхема (модуль памяти) SDRAM
  
  
  
  С асинхронным интерфейсом процессор должен ожидать, пока DRAM закончит выполнение своих внутренних операций. Они обычно занимают 60 нс. В DRAM с синхронным управле
  
  
  
  нием происходит защелкивание информации от процессора под управлением системных часов. Триггеры запоминают адреса, сигналы управления и данных. Это позволяет процессору выполнять другие задачи. После определенного количества циклов данные становятся доступными, и процессор может их считывать. Таким образом, уменьшается время простоя процессора во время регенерации памяти.
  
  Другое преимущество синхронного интерфейса - это то, что системные часы задают временные границы, необходимые DRAM. Это, во-первых, уменьшает трафик по локальной шине (нет "лишних" сигналов), а во-вторых, позволяет упростить операции ввода-вывода (в операциях пересылки центральный процессор либо контроллер DMA уже не должен выделять полезную информацию среди служебных импульсов и битов четности). В-третьих, все операции ввода/вывода на локальной шине стали управляться одними и теми же синхроимпульсами, что само по себе хорошо.
  
  Так же, в SDRAM реализован усовершенствованный пакетный режим обмена. Контроллер может запросить как одну, так и несколько последовательных ячеек памяти, а при желании - всю строку целиком. Это стало возможным благодаря использованию полноразрядного адресного счетчика.
  
  Количество матриц (банков) памяти в SDRAM увеличено с одного до двух (а, в некоторых моделях, и четырех). Это позволяет обращаться к ячейкам одного банка параллельно с перезарядкой внутренних цепей другого, что вдвое увеличивает предельно допустимую тактовую частоту. Наконец, разрядность шины данных увеличилась с 32 до 64 бит, что еще вдвое увеличило ее производительность.
  
  
  
  SDRAM II или DDR SDRAM.
  
  Спецификация SDRAM II (рис. 30), иначе называемая DDR SDRAM, не имеет полной совместимости с SDRAM. Эта спецификация позволяет увеличить частоту SDRAM за счет работы на обеих границах тактового сигнала, то есть на подъеме и спаде. Однако SDRAM II использует тот же 168-ми контактный разъем DIMM.
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 30. Микросхема (модуль памяти) SDRAM II
  
  
  
  В настоящее время используются различные модификации SDRAM II - DDR, DDR2 и DDR3 не совместимые между собой.
  
  
  
  Память от Rambus (RDRAM, RIMM).
  
  RDRAM представляет собой спецификацию, созданную и запатентованную фирмой Rambus, Inc. За счет использования обоих границ сигнала достигается частота работы памяти в 800 МГц.
  
  Модули RIMM (рис. 31) имеют размеры, сходные с геометрическими размерами SDRAM DIMM. В отличие от SDRAM DIMM, Direct Rambus может содержать любое целое число чипов Direct RDRAM (до максимально возможного).
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 31. Модули памяти RIMM
  
  
  
  Один канал Direct Rambus максимум может поддерживать 32 чипа DRDRAM. На материнской плате может использоваться до трех RIMM модулей. Используются 64 Мбит, 128 Мбит и 256 Мбит устройства.
  
  Основных отличий от памяти предыдущих поколений всего три:
  
  Ј увеличение тактовой частоты за счет сокращения разрядности шины;
  
  Ј одновременная передача номеров строки и столба ячейки;
  
  Ј увеличение количества банков для усиления параллелизма.
  
  
  
  Чтобы расширить память сверх 32-х устройств, могут использоваться два чипа повторителя. С одним повторителем канал может поддерживать 64 устройства с 6-ю RIMM модулями, а с двумя - 128 устройств на 12 модулях.
  
  Несмотря на усилия компании Rambus Inc использование модулей RIMM не нашло поддержки у производителей материнских плат, поэтому активно обсуждается вопрос о закрытии проекта.
  
  
  
  Сравнительная характеристика основных типов памяти.
  
  Основными техническими характеристиками памяти являются:
  
  Ј тип памяти;
  
  Ј рабочая тактовая частота;
  
  Ј разрядность;
  
  Ј время доступа;
  
  Ј объем.
  
  
  
  В некоторых случаях производители указывают еще такой параметр как латентность. Это достаточно сложный интегральный показатель, который характеризует продолжительность интервалов задержек в процессе выполнения операций чтения/записи (время на вычисление адреса страницы и собственно выполнение операции).
  
  Такие задержки называются таймингами (от англ. time - время). В иделае - чем меньше тайминги, тем лучше, однако на практике вследствие конструктивных особенностей модулей оперативной памяти приходится искать компромисс между латентностью и тактовой частотой.
  
  В технической литературе и описаниях модулей оперативной памяти латентность указывается сокращением "CL" или "CAS Latency" от англ. column address strobe latency (дословно задержка импульса адресации столбца). Соответствующее число указывает комбинацию задержек, которая устанавливается по умолчанию (в общем случае, чем меньше - тем лучше), но может быть изменена пользователем, например через некоторые версии CMOS. Такую операции нужно проводить очень осторожно, поскольку, не зная правил формирования комбинаций можно вывести оперативную память из строя.
  
  Соответствующие параметры ОП приводятся в таблице 3.
  
  
  
  Таблица 3.
  
  
  
  Основные параметры модулей оперативной памяти
  
  
  
  
  
  
  
  Итак, тип памяти определяется в соответствии с эволюцией ее развития и содержит информацию не только о быстродействии памяти, но и о типе разъема для ее установки (EDO просто не установится в разъем для DDR, что видно по рисункам).
  
  Рабочая тактовая частота характеризуют скорость обмена информацией с микропроцессором, а разрядность - количество бит информации, передаваемых за один такт. Время доступа (измеряемое в наносекундах) определяет время обращения к ячейкам памяти.
  
  И, наконец, объем памяти определяет ее ресурс по хранению информации. В настоящее время на компьютерном рынке представлены модули памяти от 256 до 4096 Мб.
  
  В качестве примера рассмотрим следующее описание по прайс-листу: Модуль памяти 1ГБ DDR3 SDRAM Kingston "ValueRAM" KVR1333D3N9/1G (PC10600, 1333МГц, CL9).
  
  Специфкация:
  
  1. тип оперативной памяти: DDR3 SDRAM;
  
  2. объем модуля оперативной памяти: 1ГБ;
  
  3. эффективная тактовая частота оперативной памяти: 1333МГц;
  
  4. максимальная скорость передачи данных (пропускная способность) 10600Мбит/c;
  
  5. производитель: Kingston;
  
  6. маркировка: "ValueRAM" KVR1333D3N9/1G;
  
  7. латентность: CL9.
  
  
  
  Вопросы для самопроверки:
  1. Для чего предназначена ОП?
  
  2. Что значат сокращение DRAM, SRAM?
  
  3. Как на физическом уровне устроена динамическая ОП?
  
  4. В чем различие между синхронным и асинхронным интерфейсом ОП?
  
  5. Каким образом происходит обращение к ячейкам ОП?
  
  6. Что обозначают сокращения DIPP, SIPP, SIMM, EDO RAM, DIMM, SD RAM, DDR SD RAM, RIMM?
  
  7. Какие технические характеристики ОП вы знаете?
  
  8. Перечислите режимы, в которых могут работать процессоры класса 80x86.
  
  
  
  Напишите небольшое эссе (объемом в 2-3 страницы) по одному из перечисленных ниже вопросов:
  
  1. Перспективы развития ОП.
  
  2. Основные направления увеличения производительности ОП.
  
  3. Сравнительный анализ статической и динамической ОП.
  
  4. Сравнительный анализ методик определения латентности ОП.
  
  5. Конструктивные особенности ОП Rambus.
  
  6. Сравнительный анализ модулей памяти DDR2 и DDR3.
  
  7. Память для видеокарт (видеопамять, графическая память).
  
  8. Требования различных операционных систем к объему ОП.
  
  9. Таблица кодов ASCII (назначение, управляющие символы, представление в ЭВМ).
  
  
  
  Литература по теме:
  
  
  Основная литература:
  
  1. Аппаратное обеспечение вычислительных систем / Д.В. Денисов, В.А. Артюхин, М. Ф. Седненков; под ред. Д.В. Денисова. - М.: Маркет ДС, 2010 - 184 с. (Университетская серия.).
  
  
  
  Дополнительная литература:
  
  1. Вычислительная техника: учеб. пособие. - М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2007. - 608 с.: ил. - (Профессиональное образование). Глава 3, п. 3.7 (стр. 272-277).
  
  2. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем: учебник. - М.: ФОРУМ, 2008. - 512 с.: ил. - (Профессиональное образование). Глава 4, п. 4.5 (стр. 447-456).
  
  3. Как выбрать оперативную память? // http://compmasterspb.ru/articles_text.php?id=23.
  
  
  
  Видеоролики:
  
  1. Оперативная память // http://video.mail.ru/mail/bor-volodya/293/47.html.
  
  2. Оперативная память // http://www.youtube.com/watch?v=rX1bHT6o4UU.
  
  
  
  Практические задания:
  
  
  Задание 1.
  
  Выберете модуль ОП для следующей материнской платы:
  
  Материнская плата Intel, Socket 478, D865GLCL "La Crosse" (Intel 865G/ICH5) Hyper-Threading, FSB/800МГц, 4xDDR/400МГц, AGP8x(1.5v), 3xPCI, Видео (Intel Extreme Graphics 2), Звук 5.1, Сеть 10/100Мбит/с (Intel), 8xUSBv2.0, 2xSATA/150, 2xATA/100, mATX.
  
  a) Модуль памяти DDR 256Мб, PC2100/266МГц Kingmax.
  
  b) Модуль памяти RIMM 256Мб, PC3200/800МГц Samsung (SEC-1).
  
  c) Модуль памяти DDR 256Мб, PC3200/400МГц Kingston.
  
  d) Модуль памяти DIMM 256Мб, PC133/133МГц JetRAM.
  
  
  
  Задание 2.
  
  Выберете модуль ОП для следующей материнской платы:
  
  Socket 1156 GIGABYTE "GA-H55M-D2H" (iH55, 2xDDR3, SATA II, U133, 2xPCI-E, D-Sub, DVI, HDMI, SB, 1Гбит LAN, USB2.0, mATX).
  
  a) Модуль памяти 512МБ DDR SDRAM Patriot (PC3200, 400МГц).
  
  b) Модуль памяти 2ГБ DDR3 SDRAM Kingston "Hyper X" KHX1600C9AD3B1/2G (PC12800, 1600МГц, CL9).
  
  c) Модуль памяти 2ГБ DDR2 SDRAM Kingston "ValueRAM" KVR800D2N6/2G (PC6400, 800МГц, CL6).
  
  d) Модуль памяти 1ГБ DDR3 SDRAM Silicon Power "SP001GBLTU133S02" (PC10600, 1333МГц, CL9).
  
  
  
  Задание 3.
  
  Дано описание ОП по прайс-листу:
  
  Модуль памяти 1ГБ DDR2 SDRAM Silicon Power "SP001GBLRU800S02" (PC6400, 800МГц, CL5).
  
  
  
  Проведите описание технических параметров (спецификации) данной ОП аналогично примеру в конце темы.
  
  
  
  Задание 4.
  
  Дано описание модуля ОП по прайс-листу:
  
  Модуль памяти DDR2 512Мб PC5300/667МГц Kingmax.
  
  
  
  Проведите описание технических параметров (спецификации) данного модуля ЛП аналогично примеру в конце темы.
  
  
  
  Тема 6. Система ввода-вывода и организация взаимодействия с периферийными устройствами
  
  
  Цели и задачи:
  
  Цели и задачи изучения данной темы - получение сведений о назначении и принципах работы устройств системы ввода-вывода IBM совместимого ПК, принципах подключения основных периферийных устройств, соответствующих разъемах и интерфейсах.
  
  
  
  В результате успешного изучения темы Вы:
  
  Узнаете:
  
  Ј классификацию периферийных устройств;
  
  Ј принципы подключения периферийных устройств;
  
  Ј понятия: драйвер, стандартные периферийные устройства, устройства сопряжения;
  
  Ј стандарты внешних интерфейсов: Centronics, RS-232C, USB, PCI;
  
  Ј топологию интерфейса USB;
  
  Ј назначение, возможности и способы подключения устройств сопряжения.
  
  
  
  Приобретете следующие профессиональные компетенции:
  
  Ј умение определять наиболее оптимальный интерфейс для подключения определенного периферийного устройства;
  
  Ј умение формировать комплекс периферийных устройств, оптимизированный с точки зрения их размещения и производительности за счет использования различных интерфейсов и портов подключения;
  
  Ј умение подключать к системному блоку прериферийные устроства, а также устанавливать устройства сопряжения;
  
  Ј умение устанавливать драйверы устройств.
  
  
  
  В процессе освоения темы акцентируйте внимание на следующих ключевых понятиях:
  
  
  
  Адаптер - средство связи какого-либо устройства с какой-либо шиной или интерфейсом компьютера. Конструктивно адаптер выполняется в виде платы расширения, устанавливаемой в соответствующий слот (например, разъем системной шины PCI). Адаптер необходим для преобразования сигналов передаваемых между процессором и подключенным устройством.
  
  
  
  Внешний интерфейс - это совокупность унифицированных аппаратных, программных и конструктивных средств, необходимых для реализации взаимодействия различных функциональных элементов в системах при условиях, предписанных стандартом и направленных на обеспечение информационной, электрической и конструктивной совместимости указанных элементов.
  
  
  
  Драйвер - специализированное программное обеспечение, содержащие процедуры работы с соответствующим устройством. Драйверы поставляются разработчиком аппаратного обеспечения, а их обновленные версии можно получить на сайте производителя.
  
  
  
  Контроллер - это адаптер, включающий систему управления подключенным устройством и способный к самостоятельным действиям после получения команд от обслуживающей его программы. Сложный контроллер может иметь в своем составе и собственный процессор. Ряд контроллеров расположены непосредственно на материнской плате (а не выполнены в виде плат расширения). Это контроллер оперативной памяти, жестких дисков, клавиатуры, мыши, контроллер системной шины, а также контроллеры основных интерфейсов.
  
  
  
  Теоретический материал по теме
  
  
  
  Периферийные устройства, не являющиеся обязательными компонентами компьютера, подразделяются на три большие группы: стандартные устройства, нестандартные устройства и устройства сопряжения. Это разделение очень условное, поскольку фантастические темпы развития компьютерных технологий постоянно изменяют состав каждой группы, и то, что несколько лет назад было редким эксклюзивом (например, web камера) теперь становится вполне доступным и привычным устройством.
  
  Итак, к стандартным относятся устройства, применяемые большинством пользователей, выпускающиеся огромными партиями и предназначенные для решения повседневных задач. К таким устройствам относятся: аудиосистемы, принтеры, сканеры, модемы и т.д. Каждому из этих устройств в нашем курсе посвящено отдельное занятие.
  
  К нестандартным относятся устройства, предназначенные для досуга или решения специальных задач. Это различные многофункциональные устройства, игровые устройства, цифровые фото и видеокамеры, специальные наушники, микрофоны, синтезаторы, WEB-камеры и т.д. Об этих устройствах будет рассказано в последующих темах.
  
  Устройства сопряжения предназначены для подключения к системному блоку технических средств узкой специализации, зачастую индивидуальных и уникальных. С помощью устройств сопряжения подключаются кассовые аппараты, различные охранные системы, системы телеметрического наблюдения, всевозможные системы контроля и т.д.
  
  Все устройства подключаются к системному блоку через внешние интерфейсы или с помощью специализированных адаптеров или контроллеров, устанавливаемых на материнскую плату или размещаемых на платах (картах) расширения.
  
  Внешний интерфейс - это совокупность унифицированных аппаратных, программных и конструктивных средств, необходимых для реализации взаимодействия различных функциональных элементов в системах при условиях, предписанных стандартом и направленных на обеспечение информационной, электрической и конструктивной совместимости указанных элементов.
  
  Адаптер является средством связи (сопряжения) какого-либо устройства с какой-либо шиной или интерфейсом компьютера. Контроллер служит тем же целям сопряжения, но при этом подразумевается его активность - способность к самостоятельным действиям после получения команд от обслуживающей его программы. Сложный контроллер может иметь в своем составе и собственный процессор.
  
  Все внешние интерфейсы компьютера тоже имеют свои адаптеры и контроллеры. Для взаимодействия с программой адаптеры и контроллеры обычно имеют регистры ввода и вывода. Эти регистры могут располагаться либо в адресном пространстве памяти, либо в специальном пространстве портов ввода-вывода.
  
  Кроме того, используются механизмы аппаратных прерываний для сигнализации программе о событиях, происходящих в периферийных устройствах. Для обмена информацией с устройствами применяется механизм прямого доступа к памяти DMA (Direct Memory Access), а также прямое управление шиной.
  
  Все устройства, занимающие какие-либо свои системные ресурсы - порты ввода-вывода, ячейки памяти, линии запросов прерывания или каналы DMA - называются системными устройствами. По этим признакам к системным устройствам относится и оперативная память. Системные устройства могут располагаться на материнской плате или картах расширения, устанавливаемых в шины расширения. Среди них могут быть и стандартные (известные программному обеспечению, включая BIOS) и нестандартные, существующие порой в единственном экземпляре.
  
  Периферийные устройства подключаются к тем или иным интерфейсам системных устройств. Так, например, винчестер, подключенный к контроллеру ATA материнской платы, является периферийным устройством. Отдельных ресурсов он не занимает - процессор к нему обращается через ресурсы контроллера ATA. А вот сам контроллер ATA является системным устройством и занимает ресурсы (порты, прерывание), независимо от того, подключены к нему периферийные устройства или нет.
  
  Для того чтобы все установленное "железо" нормально работало используется специальное программное обеспечение - драйверы, т.е. программные модули, содержащие процедуры работы с устройствами. Необходимость выделения драйверов в отдельные модули обусловлена тем, что устройство определенного назначения может иметь самые разные реализации.
  
  Например, в компьютере может быть установлен самый примитивный видеоадаптер, а может суперсовременная карта с трехмерным акселератором. Если бы не было драйверов, то разработчикам прикладного программного обеспечения приходилось бы включать в него множество аппаратно-зависимых процедур, причем для всех известных ему моделей видеоадаптеров. При этом очевидно, что появление новых адаптеров потребовало бы модернизации программы.
  
  
  
  Стандартные периферийные устройства.
  
  Эти устройства подключаются к системному блоку через строго определенные разъемы и шины (рис. 32). Технические параметры всех этих устройств и принципы работы будут рассмотрены в последующих занятиях.
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 32. Разъемы для подключения периферийных устройств
  
  
  
  Устройства сопряжения.
  
  Устройством сопряжения (УС) в широком смысле этого определения называется любое устройство, обеспечивающее взаимодействие между двумя техническими средствами (системами). В данном случае под УС подразумевается устройство, подключаемое к компьютерной системе. При этом очень важно иметь в виду, что устройство может нарушить работу системы в целом, причем не исключено, что только в одном, редко используемом режиме.
  
  Поэтому при приобретении, установке и эксплуатации УС требуются специальные знания, которые заинтересованный читатель может найти в соответствующей литературе. В данной теме мы рассмотрим самое важное из условий успешной эксплуатации УС - это его соответствие внешним интерфейсам компьютера.
  
  Итак, к IBM-совместимому персональному компьютеру УС могут быть подключены четырьмя способами, соответствующими четырем типам стандартных внешних интерфейсов, средства которых входят в базовую конфигурацию компьютера:
  
  Ј через системную магистраль или шину, канал - эти термины равнозначны (в современных системах это PCI - Peripheral Component Interconnect или PCI-E (Express) в устаревших компьютерах это ISA - Industrial Standard Architecture);
  
  Ј через параллельный интерфейс Centronics (LPT порт);
  
  Ј через последовательный интерфейс RS-232C (COM порт);
  
  Ј через универсальную системную шину USB (Universal Serial Bus).
  
  
  
  Подключение через системную магистраль обеспечивает наибольшую скорость обмена. При этом не требуется ни отдельного конструктива (плата УС устанавливается в корпус компьютера), ни дополнительного источника питания (используется тот, который есть в компьютере). В то же время одноплатное исполнение ограничивает сложность УС, а соседство с быстродействующими и мощными цифровыми узлами компьютера приводит к высокому уровню электромагнитных помех и наводок по цепям питания.
  
  Выбор Centronics или RS-232C позволяет расположить УС (причем УС любой сложности) на большом расстоянии от компьютера. Но при этом достигается гораздо меньшая скорость обмена, а также требуется внешний конструктив и дополнительный источник питания, что существенно увеличивает стоимость системы.
  
  Немаловажно и то, что без специальных ухищрений через эти интерфейсы можно подключить только одно УС. Что касается сложности узлов сопряжения (интерфейсной части УС), то обмен в параллельном формате гораздо проще, чем в последовательном.
  
  Интерфейс RS-232C предназначен для подключения к компьютеру стандартных внешних устройств (модема, мыши, источника бесперебойного питания и др.), а также для связи компьютеров между собой. Основными преимуществами использования RS-232C по сравнению с Centronics являются возможность передачи на значительно большие расстояния и гораздо более простой соединительный кабель.
  
  В то же время работать с ним несколько сложнее. Данные в RS-232C передаются в последовательном коде побайтно. Каждый байт обрамляется стартовым и стоповыми битами. Данные могут передаваться как в одну, так и в другую сторону (дуплексный режим). Компьютер имеет 25-контактный (DB25P) или 9-контактный (DB9P) разъем для подключения RS-232C.
  
  Основным назначением интерфейса Centronics является подключение к компьютеру принтеров различных типов. Поэтому распределение контактов разъема, назначение сигналов, программные средства управления интерфейсом ориентированы именно на это использование. В то же время с помощью данного интерфейса можно подключать к компьютеру и другие внешние устройства, имеющие разъем Centronics, а также специально разработанные УС.
  
  Основным достоинством использования Centronics для подключения УС по сравнению с PCI является значительно меньший риск вывести компьютер из строя. Главный недостаток этого подхода - значительно меньшая скорость обмена.
  
  И, наконец, самый популярный способ подключения через шину USB. Интерфейс USB (Universal Serial Bus - Универсальная Последовательная Шина) позволяет производить обмен информацией с периферийными устройствами на трех скоростях (спецификация USB 2.0):
  
  Ј низкая скорость (Low Speed - LS) - 1,5 Мбит/с;
  
  Ј полная скорость (Full Speed - FS) - 12 Мбит/с;
  
  Ј высокая скорость (High Speed - HS) - 480 Мбит/с.
  
  
  
  В настоящее время используется спецификация USB 3.0, которую по сравнению с USB 2.0 отличает добавление еще четырех линий связи, что увеличивает скорость передачи данных до 5 Гбит/с.
  
  Интерфейс USB (рис. 33) соединяет между собой хост (host) и устройства. Хост находится внутри ПК (интегрирован на материнскую плату) и управляет работой всего интерфейса. Для того, чтобы к одному порту USB можно было подключать более одного устройства, применяются хабы (hub - устройство, обеспечивающее подключение к интерфейсу других устройств). Корневой хаб (root hub) находится внутри компьютера и подключен непосредственно к хосту.
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 33. Топология интерфейса USB
  
  
  
  В интерфейсе USB используется специальный термин "функция" - это логически законченное устройство, выполняющее какую-либо специфическую функцию. Топология интерфейса USB представляет собой набор из 7 уровней (tier): на первом уровне находится хост и корневой хаб, а на последнем - только функции. Устройство, в состав которого входит хаб и одна или несколько функций, называется составным (compaund device).
  
  Порт хаба или функции, подключаемый к хабу более высокого уровня, называется восходящим портом (upstream port), а порт хаба, подключаемый к хабу более низкого уровня или к функции называется нисходящим портом (downstream port).
  
  В связи с тем, что в интерфейсе USB реализован сложный протокол обмена информацией, в УС с интерфейсом USB необходим микропроцессорный блок, обеспечивающий поддержку протокола. Поэтому основным вариантом при разработке устройства сопряжения является применение микроконтроллера, который будет обеспечивать поддержку протокола обмена. В настоящее время все основные производители микроконтроллеров выпускают продукцию, имеющую в своем составе блок USB.
  
  Таким образом, основными преимуществами подключения УС через USB является:
  
  Ј высокая скорость передачи данных (в отличие от RS232C и Centronics);
  
  Ј отсутствие необходимости устанавливать УС внутрь системного блока (в отличие от PCI);
  
  Ј возможность подключения нескольких устройств наиболее удобным способом (вспомните про разъемы USB на передней панели системного блока);
  
  Ј малые размеры разъема.
  
  
  
  Еще раз отметим, что по своей сути УС представляют собой те же адаптеры либо контроллеры, только обеспечивающие подключение специфичных, а порой уникальных устройств.
  
  
  
  Вопросы для самопроверки:
  1. Каким образом различные устройства подключаются к системному блоку (материнской плате)?
  
  2. Какими ресурсами могут располагать системные устройства?
  
  3. Каким образом происходит подключение к системному блоку периферийных устройств?
  
  4. С чем связана необходимость разработки специальных программных модулей - драйверов?
  
  5. Как подключатся к ПК устройства сопряжения?
  
  6. Для чего предназначены интерфейсы Centronix и RS232C?
  
  7. Что из себя представляет топология интерфейса USB?
  
  8. В чем различие между адаптером и контроллером.
  
  9. Какие контроллеры размещаются непосредственно на материнской плате?
  
  10. Какие периферийные устройства относятся к стандартным, нестандартным и устройствам сопряжения?
  
  
  
  Напишите небольшое эссе (объемом в 2-3 страницы) по одному из перечисленных ниже вопросов:
  
  1. Подключение к системному блоку устройств с использованием различных интерфейсов (COM, LPT, USB, FireWire, BlueTooth, WiFi, IrDA и др.).
  
  2. Интерфейс FireWire.
  
  3. Интерфейс BlueTooth.
  
  4. Интерфейс WiFi.
  
  5. Интерфейс IrDA.
  
  6. Интерфейс Thunderbolt.
  
  7. "Умный" дом - системы удаленного управления домашней бытовой техникой, средствами оповещения и иными устройствами.
  
  8. Перспективы развития интерфейсов ПК.
  
  9. Основные направления повышения производительности интерфейсов ПК.
  
  10. Усовершенствования интерфейса PCI.
  
  
  
  Литература по теме:
  
  
  Основная литература:
  
  1. Аппаратное обеспечение вычислительных систем / Д.В. Денисов, В.А. Артюхин, М. Ф. Седненков; под ред. Д.В. Денисова. - М.: Маркет ДС, 2010 - 184 с. (Университетская серия).
  
  
  
  Дополнительная литература:
  
  1. Вычислительная техника: учеб. пособие. - М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2007. - 608 с.: ил. - (Профессиональное образование). Глава 4, п.п. 4.3 (стр. 352-361), п.п. 4.4 (стр. 361-380).
  
  2. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем: учебник. - М.: ФОРУМ, 2008. - 512 с.: ил. - (Профессиональное образование). Глава 4, п. 4.3 (стр. 423-439), п. 4.4 (стр. 440-446).
  
  
  
  Видеоролики:
  
  1. Системная шина персонального компьютера PCI // http://youtu.be/l-EszUhHp4A.
  
  2. Стандарт USB 3.0 // http://youtu.be/rUpmBK0SaQs.
  
  3. Стандарт LPT // http://video.yandex.ru/users/sales-chip-dip-ru/view/2005/.
  
  4. USB 3.0 vs USB 2.0 ViPowER // http://youtu.be/uAR0dx5N62A.
  
  5. Совместимость интерфейса USB 3.0 с USB 2.0 // http://youtu.be/qcQFUpc2fWA.
  
  
  
  Практические задания:
  
  
  Задание 1.
  
  Заполните схему топологии интерфейса USB.
  
  
  
  
  
  
  
  Задание 2.
  
  Для чего предназначены разъемы, указанные на рисунке?
  
  
  
  
  
  
  
  Задание 3.
  
  Как называется и для чего предназначен разъем, указанный на рисунке?
  
  
  
  
  
  
  
  Задание 4.
  
  Как называются и для чего предназначены разъемы, указанные на рисунке?
  
  
  
  
  
  
  
  Задание 5.
  
  Для чего предназначены разъемы, указанные на рисунке?
  
  
  
  
  
  
  
  Задание 6.
  
  Для чего предназначены разъемы, указанные на рисунке?
  
  
  
  
  
  
  
  Тема 7. Сети ЭВМ, информационно-вычислительные системы и сети
  
  
  Цели и задачи:
  
  Цели и задачи изучения данной темы - изучение основного назначения информационно-вычислительных сетей (ИВС), процессов передачи и обработки данных в сети, показателей качества работы ИВС, модели взаимодействия открытых систем OSI, а также основных видов ИВС и их топологию.
  
  
  
  В результате успешного изучения темы Вы:
  
  Узнаете:
  
  Ј назначение и основные принципы построения информационно-вычислительных сетей (ИВС);
  
  Ј показатели качества работы ИВС;
  
  Ј виды ИВС и топологии их построения;
  
  Ј модели взаимодействия открытых систем.
  
  
  
  Приобретете следующие профессиональные компетенции:
  
  Ј подбора оптимальной топологии ИВС, исходя из требований, предъявляемых данной сети;
  
  Ј определения необходимой аппаратной конфигурации будущей сети;
  
  Ј определения типа ЛВС по представленной топологии;
  
  Ј формулирования требований к ЛВС с точки зрения экономичности, качества работы, требований заказчика и других критериев.
  
  
  
  В процессе освоения темы акцентируйте внимание на следующих ключевых понятиях:
  
  
  
  Масштабируемость - возможность расширения сети без заметного снижения ее производительности.
  
  
  
  Модель OSI (Open System Interconnection) - эталонная семиуровневая логическая модель открытых систем.
  
  
  
  Открытая система - система, доступная для взаимодействия с другими системами в соответствии с принятыми стандартами.
  
  
  
  Пропускная способность - определяется количеством данных, передаваемых через сеть (или ее звено - сегмент) за единицу времени.
  
  
  
  Производительность - скорость выполнения инструкций.
  
  
  
  Сеть Intranet - корпоративная сеть, использующая протоколы сети Internet.
  
  
  
  Протокол - совокупность правил и соглашений, определяющих параметры, форматы и процедуры обмена данными между различными физическими и логическими устройствами.
  
  
  
  Стек коммуникационных протоколов - набор протоколов, достаточный для организации взаимодействия в сети.
  
  
  
  Теоретический материал по теме
  
  
  
  Эффективное управление организацией невозможно без непрерывного отслеживания состояний коммерческого и финансового рынков, без оперативной координации деятельности всех филиалов и сотрудников. Решение названных задач требует совместного участия большого числа различных специалистов, часто территориально удаленных друг от друга. В такой ситуации во главу угла организации эффективного взаимодействия этих специалистов должны быть поставлены системы распределенной обработки данных.
  
  Распределенная обработка данных - обработка данных, выполняемая на независимых, но связанных между собой компьютерах, представляющих территориально распределенную систему.
  
  Первыми представителями систем распределенной обработки данных были системы телеобработки данных и многомашинные вычислительные системы.
  
  Системы телеобработки данных - это информационно-вычислительные системы, в которых выполняется дистанционная централизованная обработка данных, поступающих в центр обработки по каналам связи.
  
  Многомашинные вычислительные системы - это системы, содержащие несколько одинаковых или различных, относительно самостоятельных компьютеров, связанных между собой через устройство обмена информацией, в частности, по каналам связи. В последнем случае речь идет об информационно-вычислительных сетях.
  
  Информационно-вычислительная сеть (возможное название - вычислительная сеть, ВС) представляет собой систему компьютеров, объединенных каналами передачи данных.
  
  Основное назначение информационно-вычислительных сетей (ИВС) - обеспечение эффективного предоставления различных информационно-вычислительных услуг пользователям сети посредством организации удобного и надежного доступа к ресурсам, распределенным в этой сети.
  
  В последние годы подавляющая часть услуг большинства сетей лежит в сфере именно информационного обслуживания. В частности, информационные системы, построенные на базе ИВС, обеспечивают эффективное выполнение следующих задач:
  
  Ј хранение данных;
  
  Ј обработка данных;
  
  Ј организация доступа пользователей к данным;
  
  Ј передача данных и результатов обработки данных пользователям.
  
  
  
  Эффективность решения указанных задач обеспечивается:
  
  Ј распределенными в сети аппаратными, программными и информационными ресурсами;
  
  Ј дистанционным доступом пользователя к любым видам этих ресурсов;
  
  Ј возможным наличием централизованной базы данных наряду с распределенными базами данных;
  
  Ј высокой надежностью функционирования системы, обеспечиваемой резервированием ее элементов;
  
  Ј возможностью оперативного перераспределения нагрузки в пиковые периоды;
  
  Ј специализацией отдельных узлов сети на решении задач определенного класса;
  
  Ј решением сложных задач совместными усилиями нескольких узлов сети;
  
  Ј оперативным дистанционным информационным обслуживанием клиентов.
  
  
  
  Основные показатели качества ИВС:
  
  1. Полнота выполняемых функций. Сеть должна обеспечивать выполнение всех предусмотренных для нее функций и по доступу ко всем ресурсам, и по совместной работе узлов, и по реализации всех протоколов и стандартов работы.
  
  2. Производительность - среднее количество запросов пользователей сети, исполняемых за единицу времени. Производительность зависит от времени реакции системы на запрос пользователя. Это время складывается из трех составляющих:
  
  Ј времени передачи запроса от пользователя к узлу сети, ответственному за его исполнение;
  
  Ј времени выполнения запроса в этом узле;
  
  Ј времени передачи ответа на запрос пользователю.
  
  
  
  2. Значительную долю времени реакции составляет передача информации в сети. Следовательно, важной характеристикой сети является ее пропускная способность. Пропускная способность определяется количеством данных, передаваемых через сеть (или ее звено - сегмент) за единицу времени.
  
  3. Надежность сети -важная ее техническая характеристика. Надежность чаще всего характеризуется средним временем наработки на отказ.
  
  4. Поскольку сеть является информационной системой, то более важной потребительской характеристикой является достоверность ее результирующей информации (показатель своевременности информации поглощается достоверностью: если информация поступила несвоевременно, то в нужный момент на выходе системы информация недостоверна). Существуют технологии, обеспечивающие высокую достоверность функционирования системы даже при несвоевременности информации. Можно сказать, что надежность информационной системы - это не самоцель, а средство обеспечения достоверной информации на ее выходе.
  
  5. Современные сети часто имеют дело с конфиденциальной информацией, поэтому важнейшим параметром сети является безопасность информации в ней. Безопасность - это способность сети обеспечить защиту информации от несанкционированного доступа.
  
  6. Прозрачность сети - еще одна важная потребительская ее характеристика. Прозрачность означает невидимость особенностей внутренней архитектуры сети для пользователя: в оптимальном случае он должен обращаться к ресурсам сети как к локальным ресурсам своего собственного компьютера.
  
  7. Масштабируемость - возможность расширения сети без заметного снижения ее производительности.
  
  8. Универсальность сети - возможность подключения к сети разнообразного технического оборудования и программного обеспечения от разных производителей.
  
  
  
  Виды информационно-вычислительных сетей.
  
  Информационно-вычислительные сети (ИВС) в зависимости от территории, ими охватываемой, подразделяются на:
  
  Ј локальные (ЛВСили LAN - Local Area Network);
  
  Ј региональные (РВСили MAN -Metropolitan Area Network);
  
  Ј глобальные (ГВСили WAN - Wide Area Network).
  
  
  
  Локальной называется сеть, абоненты которой находятся на небольшом (до 10-15 км) расстоянии друг от друга. ЛВС объединяет абонентов, расположенных в пределах небольшой территории. В настоящее время не существует четких ограничений на территориальный разброс абонентов локальной вычислительной сети. Обычно такая сеть привязана к конкретному объекту. К классу ЛВС относятся сети отдельных предприятий, фирм, банков, офисов, корпораций и т.д. Если такие ЛВС имеют абонентов, расположенных в разных помещениях, то они (сети) часто используют инфраструктуру глобальной сети Интернет, и их принято называть корпоративными сетями или сетями интранет(Intranet).
  
  Региональные сети связывают абонентов города, района, области или даже небольшой страны. Обычно расстояния между абонентами региональной ИВС составляют десятки - сотни километров.
  
  Глобальные сети объединяют абонентов, удаленных друг от друга на значительное расстояние, часто находящихся в различных странах или на разных континентах. Взаимодействие между абонентами такой сети может осуществляться на базе телефонных линий связи, систем радиосвязи и даже спутниковой связи.
  
  Объединение глобальных, региональных и локальных вычислительных сетей позволяет создавать многосетевые иерархии. Они обеспечивают мощные, экономически целесообразные средства обработки огромных информационных массивов и доступ к неограниченным информационным ресурсам. Локальные вычислительные сети могут входить как компоненты в состав региональной сети, региональный сети - объединяться в составе глобальной сети и, наконец, глобальные сети могут также образовывать сложные структуры. Именно такая структура принята в наиболее известной и популярной сейчас всемирной суперглобальной информационной сети Интернет.
  
  По принципу организации передачи данных сети можно разделить на две группы:
  
  Ј последовательные;
  
  Ј широковещательные.
  
  
  
  В последовательных сетях передача данных выполняется последовательно от одного узла к другому, и каждый узел ретранслирует принятые данные дальше. Практически все глобальные, региональные и многие локальные сети относятся к этому типу.
  
  В широковещательных сетях в каждый момент времени передачу может вести только один узел, остальные узлы могут только принимать информацию. К такому типу сетей относится значительная часть ЛВС, использующая один общий канал связи (моноканал) или одно общее пассивное коммутирующее устройство.
  
  По геометрии построения (топологии) ИВС могут быть:
  
  Ј шинные (линейные, bus);
  
  Ј кольцевые (петлевые, ring);
  
  Ј радиальные (звездообразные, star);
  
  Ј распределенные радиальные (сотовые, cellular);
  
  Ј иерархические (древовидные, hierarchy);
  
  Ј полносвязные (сетка, mesh);
  
  Ј смешанные (гибридные).
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 34. Пример шинной топологии
  
  
  
  Сети с шинной топологией используют линейный моноканал передачи данных, к которому все узлы подсоединены через интерфейсные платы посредством относительно коротких соединительных линий (рис. 34). Данные от передающего узла сети распространяются по шине в обе стороны. Промежуточные узлы не ретранслируют поступающих сообщений. Информация поступает на все узлы, но принимает сообщение только тот, которому оно адресовано.
  
  Шинная топология - одна из наиболее простых топологий. Такую сеть легко наращивать и конфигурировать, а также адаптировать к различным системам; она устойчива к возможным неисправностям отдельных узлов.
  
  Сеть шинной топологии применяют широко известная сеть Ethernet и организованная на адаптерах Ethernet сеть NovellNetWare, очень часто используемая в офисах.
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 35. Пример кольцевой топологии
  
  
  
  В сети с кольцевой топологией все узлы соединены в единую замкнутую петлю (кольцо) каналами связи (рис. 35). Выход одного узла сети соединяется с входом другого. Информация по кольцу передается от узла к узлу, и каждый узел ретранслирует посланное сообщение. В каждом узле для этого имеются свои интерфейсная и приемо-передающая аппаратура, позволяющая управлять прохождением данных в сети. Передача данных по кольцу с целью упрощения приемо-передающей аппаратуры выполняется только в одном направлении. Принимающий узел распознает и получает только адресованные ему сообщения.
  
  В настоящее время сети с кольцевой топологией не используются в силу не достаточной пропускной способности и надежности (в случае выхода из строя любого участка "кольца" процесс передачи данных по сети прерывается).
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 36. Пример последовательной сети
  
  
  
  Основу последовательной сети с радиальной топологией составляет специальный компьютер - сервер, к которому подсоединяются рабочие станции, каждая по своей линии связи. Вся информация передается через центральный узел, который ретранслирует, переключает и маршрутизирует информационные потоки в сети (рис. 36). По своей структуре такая сеть по существу является аналогом системы телеобработки, у которой все абонентские пункты являются интеллектуальными (содержат в своем составе компьютер).
  
  В качестве недостатков такой сети можно отметить:
  
  Ј большую загруженность центральной аппаратуры;
  
  Ј полную потерю работоспособности сети при отказе центральной аппаратуры;
  
  Ј большую протяженность линий связи;
  
  Ј отсутствие гибкости в выборе пути передачи информации.
  
  
  
  Последовательные радиальные сети используются в офисах с явно выраженным централизованным управлением. Но используются и широковещательные радиальные сети с пассивным, центром - вместо центрального сервера в таких сетях устанавливается коммутирующее устройство, обычно коммутатор, обеспечивающий подключение одного передающего канала сразу ко всем остальным (рис. 37).
  
  В общем случае топологию многосвязной вычислительной сети можно представить на примере топологии "сетка", как показано на рисунке:
  
  ИВС, включающая элементы различных топологий, называется гибридной.
  
  В структуре сети можно выделить коммуникационную и абонентскую подсети.
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 37. Пример гибридной топологии
  
  
  
  Коммуникационная подсеть является ядром вычислительной сети, связывающим рабочие станции и серверы сети друг с другом. Звенья коммуникационной подсети (в данном случае - узлы коммутации) связаны между собой магистральными каналами связи, обладающими высокой пропускной способностью. В больших сетях коммуникационную подсеть часто называют сетью передачи данных.
  
  Звенья абонентской подсети (хост-компьютеры, серверы, рабочие станции) подключаются к узлам коммутации абонентскими каналами связи.
  
  В зависимости от используемой коммуникационной среды сети делятся на сети с моноканалом, а также иерархические, полносвязные сети и сети со смешанной топологией.
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 38. Сеть с моноканалом
  
  
  
  В сетях с моноканалом данные могут следовать только по одному и тому же пути; в них доступ абонентов к информации осуществляется на основе селекции (выбора) передаваемых кадров или пакетов данных по адресной части последних. Все пакеты доступны всем пользователям сети, но "вскрыть" пакет может только тот абонент, чей адрес в пакете указан. Такие сети иногда называют сетями с селекцией информации (рис. 38).
  
  
  
  Иерархические, полносвязные и сети со смешанной топологией в процессе передачи данных требуют маршрутизации информации, то есть выбора в каждом узле пути дальнейшего движения информации. Правда, альтернативная неоднозначная маршрутизация выполняется только в сетях, имеющих замкнутые контуры каналов связи (ячеистую структуру). Такие сети называются сетями с маршрутизацией информации.
  
  
  
  Модель взаимодействия открытых систем.
  
  Управление таким сложным, использующим многочисленную и разнообразную аппаратуру процессом, как передача и обработка данных в разветвленной сети, требует формализации и стандартизации процедур:
  
  Ј выделения и освобождения ресурсов компьютеров и системы телекоммуникации;
  
  Ј установления и разъединения соединений;
  
  Ј маршрутизации, согласования, преобразования и передачи данных;
  
  Ј контроля правильности передачи;
  
  Ј исправления ошибок и т.д.
  
  
  
  Необходимость стандартизации протоколов важна и для "понимания" сетями друг друга при их взаимодействии.
  
  Указанные задачи решаются с помощью системы протоколов и стандартов, регламентирующих нормализованные процедуры взаимодействия элементов сети при установлении связи и передаче данных.
  
  Протокол - это набор правил и методов взаимодействия объектов вычислительной сети, охватывающий основные процедуры, алгоритмы и форматы взаимодействия, обеспечивающие корректность согласования, преобразования и передачи данных в сети. Реализацией протокольных процедур обычно управляют специальные программы, реже - аппаратные средства.
  
  Протоколы для сетей - то же самое, что язык для людей. Говоря на разных языках, люди могут не понимать друг друга - так же ведут себя и сети, использующие разные протоколы. Но и внутри сети протоколы обеспечивают разные варианты обращения с информацией, разные виды сервиса при работе с ней. От эффективности этих сервисов, их надежности, простоты, удобства и распространенности зависит то, насколько эффективна и комфортна вообще работа человека в сети.
  
  Международной организацией по стандартизации (ISO - InternationalOrganizationforStandardization) разработана система стандартных протоколов, получившая название модели взаимодействия открытых систем (OpenSystemInterconnection- OSI), часто называемая также эталонной семиуровневой логической моделью открытых систем.
  
  Открытая система - система, доступная для взаимодействия с другими системами в соответствии с принятыми стандартами.
  
  Эта система протоколов базируется на технологии "разделяй и властвуй", то есть на разделении всех процедур взаимодействия на отдельные мелкие функциональные уровни, для каждого из которых легче создать стандартные алгоритмы их построения.
  
  Модель OSI представляет собой самые общие рекомендации для построения стандартов совместимых сетевых программных продуктов, она же служит базой для производителей при разработке совместимого сетевого оборудования, то есть эти рекомендации должны быть реализованы как в аппаратуре, так и в программных средствах вычислительных сетей. В настоящее время модель взаимодействия открытых систем является наиболее популярной сетевой архитектурной моделью. Модель регламентирует общие функции, а не специальные решения, поэтому реальные сети имеют достаточно пространства для маневра.
  
  В широком смысле открытой системой может быть названа любая система (компьютер, вычислительная сеть, ОС, программный пакет, другие аппаратные и программные продукты), которая построена в соответствии с открытыми спецификациями.
  
  Напомним, что под термином "спецификация" (в вычислительной технике) понимают формализованное описание аппаратных или программных компонентов, способов их функционирования, взаимодействия с другими компонентами, условий эксплуатации, ограничений и особых характеристик. Понятно, что не всякая спецификация является стандартом. В свою очередь, под открытыми спецификациями понимаются опубликованные, общедоступные спецификации, соответствующие стандартам и принятые в результате достижения согласия после всестороннего обсуждения всеми заинтересованными сторонами.
  
  Использование при разработке систем открытых спецификаций позволяет третьим сторонам разрабатывать для этих систем различные аппаратные или программные средства расширения и модификации, а также создавать программно-аппаратные комплексы из продуктов разных производителей.
  
  Для реальных систем полная открытость является недостижимым идеалом. Как правило, даже в системах, называемых открытыми, этому определению соответствуют лишь некоторые части, поддерживающие внешние интерфейсы. Чем больше открытых спецификаций использовано при разработке системы, тем более открытой она является.
  
  Модель OSI касается только одного аспекта открытости, а именно открытости средств взаимодействия устройств, связанных в вычислительную сеть. Здесь под открытой системой понимается сетевое устройство, готовое взаимодействовать с другими сетевыми устройствами с использованием стандартных правил, определяющих формат, содержание и значение принимаемых и отправляемых сообщений.
  
  Если две сети построены с соблюдением принципов открытости, то это дает следующие преимущества:
  
  Ј возможность построения сети из аппаратных и программных средств различных производителей, придерживающихся одного и того же стандарта;
  
  Ј возможность безболезненной замены отдельных компонентов сети другими, более совершенными, что позволяет сети развиваться с минимальными затратами;
  
  Ј возможность легкого сопряжения одной сети с другой;
  
  Ј простота освоения и обслуживания сети.
  
  
  
  Ярким примером открытой системы является международная сеть Internet. Эта сеть развивалась в полном соответствии с требованиями, предъявляемыми к открытым системам. В разработке ее стандартов принимали участие тысячи специалистов-пользователей этой сети из различных университетов, научных организаций и фирм-производителей вычислительной аппаратуры и программного обеспечения, работающих в разных странах. Само название стандартов, определяющих работу сети Internet - RequestForComments (RFC), что можно перевести как "запрос на комментарии", - показывает гласный и открытый характер принимаемых стандартов. В результате сеть Internet сумела объединить в себе самое разнообразное оборудование и программное обеспечение огромного числа сетей, разбросанных по всему миру.
  
  Для определения сетевых параметров компьютера, работающего в Internet под управлением операционной системы Microsoft Windows, используются команды:
  
  Ј Ipconfig (получение текущего адреса).
  
  Ј Ping (определение времени и возможности обмена данными с запрошенным компьютером). Данная команда часто используется для выявления неполадок при проблемах с сетевым подключением и на компьютерном сленге называется "пинговать" или "пинговаться".
  
  Ј Tracert (определение времени и маршрута прохождения пакетов к запрошенному хосту).
  
  
  
  Итак, для упорядочения функций управления и протоколов вычислительной сети вводятся функциональные уровни. В общем случае сеть должна иметь 7 функциональных уровней, представленных в таблице 4.
  
  
  
  Таблица 4.
  
  
  
  Уровни модели OSI
  
  
  
  Уровень OSI
  
  Назначение
  
  Примеры
  
  протоколов
  
  7- прикладной
  
  Обеспечивает прикладным процессам пользователя средства доступа к сетевым ресурсам; является интерфейсом между программами пользователя и сетью. Имеет интерфейс с пользователем.
  
  Х.400, NCP, HTTP, SMTP, FTP, FTAM, SAP, DNS, Telnet
  
  6 - представления
  
  Устанавливает стандартные способы представления данных, которые удобны для всех взаимодействующих объектов прикладного уровня. Имеет интерфейс с прикладными программами.
  
  X.226
  
  5 - сеансовый
  
  Обеспечивает средства, необходимые сетевым объектам для организации, синхронизации и административного управления обменом данных между ними.
  
  X.225,RPC, NetBEUI
  
  4 - транспортный
  
  Обеспечивает надежную, экономичную и "прозрачную" передачу данных между взаимодействующими объектами сеансового уровня.
  
  X.224, TCP, UDP, NSP, SPX, SPP, RH
  
  3 - сетевой
  
  Обеспечивает маршрутизацию передачи данных в сети, устанавливает логический канал между объектами для реализации протоколов транспортного уровня.
  
  X.25, X.75, IP, IPX, IDP, TH, DNA-4
  
  2 - канальный
  
  Обеспечивает непосредственную связь объектов сетевого уровня, функциональные и процедурные средства ее поддержки для эффективной реализации протоколов сетевого уровня.
  
  LAP-B, HDLC, SNAP, SDLC, IEEE 802.2
  
  1 - физический
  
  Формирует физическую среду передачи данных, устанавливает соединения объектов сети с этой средой.
  
  Ethernet, ARCNet, Token Ring, IEEE 802.3
  
  
  
  Прикладной уровень (уровень приложений, application) - управление терминалами сети и прикладными процессами, которые являются источниками и потребителями информации, передаваемой в сети. Ведает запуском программ пользователя, их выполнением, вводом-выводом данных, управлением терминалами, административным управлением сетью. На этом уровне обеспечивается предоставление пользователям различных услуг, связанных с запуском его программ, начиная от простой передачи данных и до формирования технологии виртуальной реальности. На этом уровне функционируют технологии, являющиеся как бы надстройкой над инфраструктурой собственно передачи данных: электронной почты, теле- и видеоконференций, удаленного доступа к ресурсам, работы в среде всемирной информационной сети и т.д.
  
  Уровень представления (presentation) - интерпретация и преобразование передаваемых в сети данных к виду, удобному для прикладных процессов. Обеспечивает представление данных в согласованных форматах и синтаксисе, трансляцию и интерпретацию программ с разных языков, шифрование данных. На практике многие функции этого уровня задействованы на прикладном уровне, поэтому протоколы уровня представлений не получили развития и во многих сетях практически не используются.
  
  Сеансовый уровень (session) - организация и проведение сеансов связи между прикладными процессами (инициализация и поддержание сеанса между абонентами сети, управление очередностью и режимами передачи данных: симплекс, полудуплекс, дуплекс, например). Многие функции этого уровня в части установления соединения и поддержания упорядоченного обмена данными на практике реализуются на транспортном уровне, поэтому протоколы сеансового уровня имеют ограниченное применение.
  
  Транспортный уровень (transport) - управление сегментированием данных (сегмент - блок данных транспортного уровня) и сквозной передачей (транспортировкой) данных от источника к потребителю (обмен управляющей информацией и установление между абонентами логического канала, обеспечение качества передачи данных). На этом уровне оптимизируется использование услуг, предоставляемых на сетевом уровне, в части обеспечение максимальной пропускной способности при минимальных затратах. Протоколы транспортного уровня развиты очень широко и интенсивно используются на практике. Большое внимание на этом уровне уделено контролю достоверности передаваемой информации.
  
  Сетевой уровень (network) - управление логическим каналом передачи данных в сети (адресация и маршрутизация данных, коммутация каналов, сообщений, пакетов и мультиплексирование). На этом уровне реализуется главная телекоммуникационная функция сетей - обеспечение связи ее пользователей. Каждый пользователь сети обязательно использует протоколы этого уровня и имеет свой уникальный сетевой адрес, используемый протоколами сетевого уровня. На этом уровне выполняется структуризация данных - разбивка их на пакеты и присвоение пакетам сетевых адресов (пакет - блок данных сетевого уровня).
  
  Канальный уровень (data-link) - формирование и управление физическим каналом передачи данных между объектами сетевого уровня (установление, поддержание и разъединение логических каналов), обеспечение прозрачности физических соединений, контроля и исправления ошибок передачи. Протоколы этого уровня весьма многочисленны и существенно отличаются друг от друга своими функциональными возможностями. На этом уровне действуют, например, протоколы доступа к моноканалу. В сетях с моноканалом данные могут следовать только по одному и тому же пути; в них доступ абонентов к информации осуществляется на основе селекции (выбора) передаваемых кадров или пакетов данных по адресной части последних. Все пакеты доступны всем пользователям сети, но "вскрыть" пакет может только тот абонент, чей адрес в пакете указан. Такие сети иногда называют сетями с селекцией информации. Управление выполняется на уровне кадров (кадр - блок данных на канальном уровне).
  
  Физический уровень (physical) - установление, поддержание и расторжение соединений с физическим каналом сети (обеспечение нужными физическими реквизитами подключения к физическому каналу). Управление выполняется на уровне битов цифровых (импульсы, их амплитуда, форма) и аналоговых (амплитуда, частота, фаза непрерывного сигнала).
  
  Блоки информации, передаваемые между уровнями, имеют стандартный формат: заголовок (header), служебная информация, данные, концевик. Каждый уровень при передаче блока информации нижестоящему уровню снабжает его своим заголовком. Заголовок вышестоящего уровня воспринимается нижестоящим как передаваемые данные. На рисунке показана структура передачи данных модели OSI с добавленными заголовками (рис. 39).
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 39. Структура передачи данных модели OSI
  
  
  
  Средства каждого уровня отрабатывают протокол своего уровня и интерфейсы с соседними уровнями.
  
  Нижестоящие уровни обеспечивают возможность функционирования вышестоящих уровней; при этом каждый уровень имеет интерфейс только с соседними уровнями и на каждом уровне управления оговаривается (рис. 40):
  
  Ј спецификация услуг (что делает уровень?);
  
  Ј спецификация протоколов (как это делается?).
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 40. Примеры протоколов на различных уровнях модели OSI
  
  
  
  Набор протоколов, достаточный для организации взаимодействия в сети, называется стеком коммуникационных протоколов.
  
  Указанные уровни управления можно по разным признакам объединять в группы:
  
  Ј уровни 1, 2 и, частично, 3 реализуются в большей части за счет аппаратных средств; верхние уровни с 4 по 7 и, частично, 3 обеспечиваются программными средствами;
  
  Ј уровни 1 и 2 обслуживают абонентскую подсеть, уровни 3 и 4 - коммуникационную подсеть, уровни 5 - 7 обслуживают прикладные процессы, выполняемые в сети;
  
  Ј уровни 1 и 2 ответственны за физические соединения; уровни 3 - 6 заняты организацией передачи, передачей и преобразованием информации в понятную для абонентской аппаратуры форму; уровень 7 обеспечивает выполнение прикладных программ пользователя.
  
  
  
  Вопросы для самопроверки:
  1. Для чего создаются ИВС?
  
  2. Каким образом обеспечивается эффективность использования ИВС?
  
  3. Какие показатели характеризуют качество ИВС?
  
  4. Какие существуют виды ИВС?
  
  5. Какие существуют топологии построения ИВС?
  
  6. Как осуществляется взаимодействие в ИВС согласно модели OSI?
  
  7. Как устроен, стек коммуникационных протоколов?
  
  8. Как организована распределенная обработка данных?
  
  9. Какие выделяют типы ИВС в зависимости от охватываемой территории?
  
  
  
  Напишите небольшое эссе (объемом в 2-3 страницы) по одному из перечисленных ниже вопросов:
  
  1. Описание ИВС, назначение, выполныяемые задачи.
  
  2. Показатели качества ИВС.
  
  3. Описание инфраструктуры локальных вычислительных сетей (Local Area Network).
  
  4. Описание инфраструктуры региональных вычислительных сетей (Metropolitan Area Network).
  
  5. Описание инфраструктуры глобальных вычислительных сетей (Wide Area Network).
  
  6. Основные виды топологии ИВС, преимущества и недостатки, сферы применения.
  
  7. Открытые системы, семь функциональных уровней модели OSI.
  
  8. Перспективы развития беспроводных ИВС.
  
  9. Обеспечение безопасности в ИВС.
  
  10. Обеспечение безопасности в беспроводных ИВС.
  
  11. Коммуникационное оборудование, используемое в ИВС.
  
  12. Система адресации и передачи данных в сети Internet.
  
  
  
  Литература по теме:
  
  
  Основная литература:
  
  1. Аппаратное обеспечение вычислительных систем / Д.В. Денисов, В.А. Артюхин, М. Ф. Седненков; под ред. Д.В. Денисова. - М.: Маркет ДС, 2010 - 184 с. (Университетская серия).
  
  
  
  Дополнительная литература:
  
  1. Аппаратные средства PC. Колисниченко О. В., BHV-CПб - 2010, 800 стр.
  
  2. Архитектура ЭВМ и систем. Бройдо В. Л., Питер - 2009, 720 стр.
  
  3. Вычислительная техника: учеб. пособие. - М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2007. - 608 с.: ил. - (Профессиональное образование). Глава 2 п.п. 2.4 (стр. 159-175), глава 4 п.п. 4.7 (стр. 409-424).
  
  
  
  Видеоролики:
  
  1. Теория сетевого взаимодействия. OSI модель // http://www.youtube.com/watch?v=2yqbXNyhEFM.
  
  2. Основы технологии локальных сетей // http://video.mail.ru/mail/vidsovet/15/423.html?autoplay=1.
  
  3. Создание и настройка локальной сети в Windows 7 // https://www.youtube.com/watch?v=GJHauL34bNs.
  
  
  
  Практические задания:
  
  
  Задание 1.
  
  Определите IP адрес ПК, работающего в Internet под управлением операционной системы Microsoft Windows, и заполните следующие данные:
  
  1. Ваш локальный IP адрес.
  
  2. Маска подсети.
  
  3. Основной шлюз.
  
  
  
  Задание 2.
  
  Определите маршрут прохождения информации к серверу от ПК, работающего в Internet под управлением операционной системы Microsoft Windows.
  
  
  
  Задание 3.
  
  Определение времени обмена IP-пакетами с ПК, работающего в Internet под управлением операционной системы Microsoft Windows.
  
  
  
  Задание 4.
  
  Укажите, выполнение каких задач обеспечивает информационно-вычислительная сеть:
  
  1. _____________________________________________________________;
  
  2. _____________________________________________________________;
  
  3. _____________________________________________________________;
  
  4. _____________________________________________________________;
  
  5. _____________________________________________________________.
  
  
  
  Задание 5.
  
  Перечислите факторы, обеспечивающие эффективность функционирования ИВС:
  
  1. _____________________________________________________________;
  
  2. _____________________________________________________________;
  
  3. _____________________________________________________________;
  
  4. _____________________________________________________________;
  
  5. _____________________________________________________________;
  
  6. _____________________________________________________________;
  
  7. _____________________________________________________________;
  
  8. _____________________________________________________________.
  
  
  
  Задание 6.
  
  Перечислите основные показатели качества ИВС.
  
  1. _____________________________________________________________;
  
  2. _____________________________________________________________;
  
  3. _____________________________________________________________;
  
  4. _____________________________________________________________;
  
  5. _____________________________________________________________;
  
  6. _____________________________________________________________;
  
  7. _____________________________________________________________;
  
  8. _____________________________________________________________;
  
  9. _____________________________________________________________.
  
  
  
  Задание 7.
  
  Опишите топологию ИВС, представленной на рисунке.
  
  
  
  
  
  
  
  Тема 8. Коммуникационные устройства
  
  
  Цели и задачи:
  
  Цели и задачи изучения данной темы - знакомство с различными технологиями создания локальных вычислительных сетей, понимание алгоритмов работы аналоговых и цифровых модемов, их отличие друг от друга.
  
  
  
  В результате успешного изучения темы Вы:
  
  Узнаете:
  
  Ј какие существуют способы соединения компьютеров друг с другом;
  
  Ј как компьютеры объединяются в локальную вычислительную сеть;
  
  Ј принцип работы и технические параметры аналоговых модемов;
  
  Ј принцип работы и технические параметры цифровых модемов.
  
  
  
  Приобретете следующие профессиональные компетенции:
  
  Ј подбора модемов по типу, лучше всего подходящему для решения необходимых вам задач.
  
  Ј определению технических параметров аналогового модема по его описанию;
  
  Ј определению технических параметров цифрового модема по его описанию.
  
  
  
  В процессе освоения темы акцентируйте внимание на следующих ключевых понятиях:
  
  
  
  Модуляция и демодуляция - процесс преобразования цифровых сигналов компьютера в переменный ток частоты передачи звукового сигнала. Процесс называется модуляцией, обратное преобразование - демодуляцией.
  
  
  
  Протокол передачи данных - протокол, определяющий схемы передачи данных при модемной связи.
  
  
  
  Протокол коррекции ошибок - протокол, гарантирующий то, что передача информации произошла без ошибок. Принцип работы заключается в том, что в зависимости от качества связи данные передаются отдельными пакетами по 16 - 20000 байт. Каждый пакет снабжается заголовком, в котором указана контрольная сумма байтов пакета.
  
  
  
  ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line - асимметричная цифровая абонентская линия) - технология передачи цифровых данных по телефонным каналам связи. Устанавливает соотношения между объемами потока данных в зависимости от направления.
  
  
  
  Теоретический материал по теме
  
  
  
  Как следует из названия занятия, речь пойдет о технических средствах соединения удаленных компьютеров между собою. Способ соединения зависит от расстояния между компьютерами. В пределах одного здания компьютеры объединяются в локальную вычислительную сеть (ЛВС). Подключение отдельного компьютера к сети осуществляется с помощью сетевого адаптера (рис. 41).
  
  Тип сетевого адаптера определяется скоростью передачи данных и видом разъема. Вид разъема в свою очередь зависит от того, какой кабель используется для прокладки сети. В настоящее время используется три типа кабеля:
  
  Ј коаксиальный;
  
  Ј витая пара - UTP (Universal Twisted Pair);
  
  Ј волоконно-оптический кабель.
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 41. Сетевой адаптер
  
  
  
  Наибольшее распространение получили локальные сети, использующие витую пару. Использование коаксиального кабеля является самым дешевым, но и скорость очень низкая. Кроме того, сети, построенные на основе коаксиального кабеля, очень часто выходят из строя вследствие особенности топологий и ненадежности подключения кабеля к сетевому адаптеру.
  
  Витая пара обеспечивает хорошую скорость передачи данных (до 1Гбит в секунду) и приемлема по цене. Кроме того, она предоставляет широкие возможности при создании локальных сетей различных топологий. Для этого используется специальное сетевое оборудование: коммуникаторы, свитчи, роутеры, разветвители, хабы (в настоящее время практически не выпускаются), мосты и т.д.
  
  Использование волоконно-оптического кабеля постепенно приобретает все большую популярность в силу существенного снижения стоимости кабеля и оборудования, а также высокой скорости передачи данных. Высокотехнологичные компании осуществляют переход с витой пары на опто-волокно.
  
  Для соединения компьютеров, удаленных друг от друга на многие километры, используются специальные устройства, передающие данные по каналам телефонной связи, - модемы. Модемы бывают аналоговые и цифровые.
  
  
  
  Аналоговые модемы.
  
  Модем - устройство для передачи компьютерных данных на большие расстояния по телефонным линиям связи.
  
  
  
  Цифровые сигналы, вырабатываемые компьютером, нельзя напрямую передавать по телефонной сети, потому что она предназначена для передачи человеческой речи - непрерывных сигналов звуковой частоты.
  
  Модем обеспечивает преобразование цифровых сигналов компьютера в переменный ток частоты звукового диапазона (рис. 42) - этот процесс называется модуляцией, а также обратное преобразование, которое называется демодуляцией. Отсюда название устройства: модем-модулятор/демодулятор.
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 42. Процесс связи при помощи модема
  
  
  
  Для осуществления связи один модем вызывает другой по номеру телефона, а тот отвечает на вызов. Затем модемы посылают друг другу сигналы, согласовывая подходящий им обоим режим связи. После этого передающий модем начинает посылать модулированные данные с согласованными скоростью (количеством бит в секунду) и форматом. Модем на другом конце преобразует полученную информацию в цифровой вид и передает ее своему компьютеру. Закончив сеанс связи, модем отключается от линии.
  
  Кроме того, модем имеет еще немало и других функций, основные из них это коррекция ошибок и сжатие данных. Первый режим обеспечивает дополнительные сигналы, посредством которых модемы осуществляют проверку данных на двух концах линии. Второй сжимает информацию для более быстрой и четкой ее передачи, а затем восстанавливает ее на получающем модеме. Оба эти режима заметно увеличивают скорость и чистоту передачи информации, особенно в российских телефонных линиях.
  
  
  
  Основные характеристики модемов.
  
  Модемы различаются по многим характеристикам: исполнению, поддерживаемым протоколам передачи данных, протоколам коррекции ошибок, возможности голосовой, факсимильной передачи данных.
  
  
  
  По исполнению (внешний вид, размещение модема по отношению к компьютеру) модемы бывают (рис. 43):
  
  Ј внутренние - вставляются в компьютер как плата расширения;
  
  Ј настольные (внешние) имеют отдельный корпус и размещается рядом с компьютером, соединяясь кабелем с портом компьютера;
  
  Ј модем в виде карточки миниатюрен и подсоединяется к портативному компьютеру через специальный разъем PCMCIA;
  
  Ј портативный модем схож с настольным модемом, но имеет уменьшенные размеры и автономное питание;
  
  Ј стоечные модемы вставляются в специальную модемную стойку, повышающую удобство эксплуатации, когда число модемов переваливает за десяток.
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 43. Внутренний и внешний модемы
  
  
  
  Модемы различаются также по типам:
  
  Ј асинхронный модем может выполнять только передачу по аналоговой телефонной сети и работает только с асинхронными коммуникационными портами терминальных устройств (в чистом виде в настоящее время не используется);
  
  Ј факс-модем - это классический модем с добавленной факс-возможностью, что позволяет обмениваться факсами с факс-аппаратами и другими факс-модемами;
  
  Ј голосовой модем - это модем, способный не только выполнять функции факс-модема, но и принимать из телефонной сети голосовые сообщения, записывая их в файл;
  
  Ј модем с подстраховкой выделенной линии коммутируемой - эти модемы используются, когда требуется надежность связи. У них имеется два независимых входа для линии (один соединяется с выделенной линией, а второй - с коммутируемой);
  
  Ј SVD-модем (SimultaneousVoiceandData - одновременно голос и данные) позволяют одновременно (а не чередуя) с передачей данных вести разговор с помощью телефонной трубки, подключенной к модему;
  
  Ј синхронный модем - эти модемы поддерживают синхронный и асинхронный режимы передачи;
  
  Ј четырехпроводный модем - эти модемы работают по двум выделенным линиям (одна используется только для передачи, вторая только для приема) в дуплексном режиме; это используется для уменьшения влияния эха;
  
  Ј сотовый модем - эти модемы используются для мобильной радиотелефонии, к которой относится и сотовая связь;
  
  Ј ISDN-модем -объединяет в своем корпусе обычный модем и ISDN-адаптер;
  
  Ј радиомодем - использует эфир как среду передачи вместо телефонных проводов;
  
  Ј сетевой модем - это модемы со встроенным сетевым адаптером локальной сети для совместного использования в локальной сети;
  
  Ј кабельный модем - эти модемы позволяют использовать для передачи каналы кабельного телевидения. При этом скорость может достигать более 10 Мбит/с.
  
  
  
  Модемы также характеризуются скоростью передачи данных. Она измеряется в bps (бит в секунду) и устанавливается фирмой-производителем в 2400, 9600, 14400, 16800, 19200, 28800, 33600, 56000 bps.
  
  Реальная скорость передачи данных зависит не только от показателей bps. На нее также влияют такие характеристики, как коррекция ошибок и сжатие данных. Все эти показатели регламентируются протоколами (стандартами). MNP (MicrocomNetworkingProtocol) - стандарты, разработанные фирмой Microcom. CCITT (Comite"ConsultatifInternationaldeTelegraphiqueetTephonique) - Международный консультативный комитет по телеграфной и телефонной связи, уполномоченный принимать протоколы в международном масштабе, стандарты обозначаются "V.х.х.", где V означает передачу информации в аналоговом виде.
  
  Стандарты на передачу в цифровом виде (табл. 5) относятся к Х-серии, а на факс-аппараты к Т-серии. Bell- старые и низкоскоростные протоколы, которые разработала одноименная дочерняя корпорация AT&T.
  
  
  
  Таблица 5.
  
  
  
  Наиболее общие стандарты модемов
  
  
  
  Что контролирует данный стандарт
  
  Название стандарта
  
  Характеристика
  
  Модуляция
  
  (в основном скорость)
  
  Bell 103
  
  Скорость 300 bps (бит/с)
  
  
  
  Bell 212
  
  Скорость 1200 bps
  
  
  
  V.21
  
  Скорость 300bps
  
  
  
  V.22
  
  Скорость 1200 bps
  
  
  
  V.22bis
  
  Скорость 2400 bps
  
  
  
  V.32
  
  Скорость 9600 bps
  
  
  
  V.32bis
  
  Скорость 1400 bps
  
  
  
  V.32terbo
  
  Скорость 19200 bps, расширение от V.32 до V.Fast
  
  
  
  V.34
  
  Скорость 28000 bps
  
  
  
  V.Fast
  
  Предварительная версия стандарта V.34
  
  
  
  V.90
  
  Скорость до 56000 bps
  
  
  
  V.92
  
  Скорость в прямом направлении 56000 bps, а в обратном - 48600 bps, актуален для отечественных телефонных сетей
  
  
  
  HST
  
  Оптимальный стандарт для взаимодействия с высокоскоростными модемами фирмы USRobotics
  
  Коррекция ошибок
  
  MNP 1,2,3
  
  Корректирует ошибки телефонной линии во время сеанса связи
  
  
  
  MNP4
  
  Коррекция ошибок, адаптирующая пакеты данных к условиям телефонной линии
  
  
  
  LAMP
  
  Коррекция ошибок
  
  
  
  V.42
  
  Коррекция ошибок; взаимодействует с MNP 2-3 и LAMP
  
  
  
  ARQ
  
  Коррекция ошибок; взаимодействует с некоторыми типами модемов
  
  Сжатие данных
  
  MNP 5, MNP 7
  
  Сжимает данные во время сеанса связи и при передаче файлов ( до соотношения 2:1)
  
  
  
  V.42bis
  
  Сжимает данные до соотношения 4:1
  
  Fax стандарты
  
  Class 1
  
  Стандарты для факс-модемов; поддерживается большинством программ
  
  
  
  Class 2
  
  Скоростной стандарт, при котором факс-модемы выполняют основную работу компьютера; поддерживается также программным обеспечением для факсимильных аппаратов
  
  
  
  Class 2.0
  
  Пересылка/прием факс-модемами файлов данных
  
  
  
  CAS
  
  Стандарты фирмы IntelCorporation для факс-модемов, устанавливающий режим совместной работы компьютера и факс-модема для пересылки/приема данных, поддерживается большинством программ для факсимильных аппаратов
  
  
  
  SendFax
  
  Стандарт, поддерживающий только пересылку факсимиле
  
  
  
  V.17
  
  При скорости пересылки факсимиле до 14400 bps для факс-модемов и 9600 bps для факсимильных аппаратов
  
  
  
  Hayes-совместимые модемы - асинхронные модемы, поддерживающие наборы регистров и команд модема, стали в настоящее время стандартом де-факто. Данный стандарт основан на поддержании стандартных АТ-команд.
  
  Некоторые дополнительные характеристики и возможности модема, полезные для отечественных телефонных линий:
  
  Ј наличие сертификата Министерства связи;
  
  Ј адаптивность к российским телефонным сетям, с низким качеством связи;
  
  Ј автоматическое определение номера звонящего (только на аналоговых АТС);
  
  Ј защита от перепадов напряжения в телефонной линии;
  
  Ј возможность измерения параметров связи (уровни входного и выходного сигналов, среднее число повторов, отношение сигнал/шум и др.);
  
  Ј гибкая адаптация к линии для протоколов V.34,V.90; регулировка параметров импульсного набора номера, регулировка уровня выходного сигнала.
  
  
  
  Наиболее распространены в России модемы фирм 3 COMUSRobitics, IDSInpro, ZyXEL, MotorolaISG. ACORP, Genius.
  
  U.S.Robotics - недорогие и качественные модемы. Inpro - специализируется на производстве модемов для плохих линий и нестандартных АТС. ZyXEL всегда славились элегантным дизайном и новаторскими решениями, в числе первых в них были внедрены голосовые функции, есть адаптивные версии. MotorolaISG - выпускает наиболее совершенные, быстродействующие и надежные модемы.
  
  
  
  Рассмотрим модели некоторых внешних 56-киллобайтных модемов, популярных на российском рынке.
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 44. Модем Acorp 560000
  
  
  
  Acorp 56000 VoiceFaxmodem (рис. 44). Модем поддерживает протокол V.90. Из названия видно, что это факс-модем, голосовой. Имеет гнездо для подключения телефона, так что не придется устанавливать дополнительную розетку. Установка и настройка не вызывает проблем, так как поддерживается технология Plug-and-Play. Использует микропроцессорный набор Rockwell, что позволит подобрать оптимальную прошивку. Что касается скорости. Скорость 56 Кбит/с достижима на редких российских сетях. Реальная скорость, полученная при тестировании данного модема, - 3,3-3,6 Кбайт/с, что считается довольно приличным результатом для российских сетей.
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 45. Модем USR Message Modem
  
  
  
  3 Com U.S. Robotics 56K Message Modem (рис. 45). Модем поддерживает протокол V.90. Помимо набора стандартных опций модем включает в себя возможности автоответчика, факса с расширенным набором функций. В первую очередь это возможность функционирования модема в качестве автоответчика или факса вне зависимости от того, запущено ли в данный момент необходимое приложение, или даже при выключенном питании компьютера.
  
  В таком режиме благодаря 2 Мбайт встроенной памяти, MessageModem может принять и сохранить до 20 минут голосовых сообщений или до 50 страниц факсов. Причем поступившую голосовую почту можно прослушивать с удаленного телефонного аппарата, а факсимильные сообщения доступны к прочтению с любого третьего факса.
  
  К сожалению, в модеме отсутствует разъем для подключения телефона. Установка и настройка не вызывает проблем, так как поддерживается технология Plug-and-Play. В поставку входят грамотно подобранные программы, кабель для подключения к последовательному порту компьютера, а также неплохие наушники. Немаловажное значение имеет хорошо развитая сервисная поддержка, программное обновление.
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 46. Модем U.S. Robotics Sportster
  
  
  
  3 ComU.S. Robotics 56KfaxModem (рис. 46). Модем поддерживает протокол V.90. В нем нет никаких дополнительных функций -только самое необходимое для нормальной работы. На панели оставлено лишь четыре основных индикатора: определение несущей, отправка данных, прием данных и подача питания.
  
  Отсутствует второй телефонный разъем для подключения телефонного аппарата, не предусмотрено никаких голосовых функций и даже регулятора звука. В комплект поставки входит дискета с информационным файлом для Windows, телефонный провод и длинный коммуникационный шнур. Модем полностью подготовлен для российского рынка: имеется русское руководство по эксплуатации и русский текст на коробке.
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 47. CNet USB модем
  
  
  
  CNetSinglePoint 56K USB Modem (рис. 47). Модем 56К USB из линейки коммуникационных устройств CNetSinglePoint имеет только два разъема - USB и телефонный RJ-11. Питание осуществляется по шине USB. Модем универсален - его удобно использовать как с ноутбуком (он ничуть не тяжелее модема формата PCCard), так и настольным компьютером, оборудованным USB-концентратором.
  
  Единственный двухцветный световой индикатор отражает состояние модема - от инициализации до отправки/приема сообщений. Установка драйвера происходит без проблем. Плюс на прилагаемомCD-ROM поставляется PDF-руководство и внушительный набор программного обеспечения, включая программы InternetExplorer 5.0, NetscapeCommunicator 4.6, EudoraLight, Net2Phone,MediaRingTalk 99, RealPlayerG2 и многие другие.
  
  Опыт работы с модемом показал, что даже на плохой линии он устанавливает достаточно скоростное (21,6 Кбит/с) и устойчивое соединение. Производительность и устойчивость модема к помехам сопоставима с соответствующими характеристиками модемов USRTimes New Roman, снабженных русской "прошивкой". В модеме реализован стандарт V.90, возможна модернизация прошивки во флэш-ПЗУ. Модем поддерживает режим пониженного энергопотребления.
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 48. CNet USB модем
  
  
  
  CNetSinglePoint 56KUSBModem (рис. 48). Традиционный внешний голосовой модем, подключаемый к коммуникационному порту ПК. Он оснащен информационной панелью из 8 индикаторов. На задней панели - порт RS-232, розетка для подключения к линии и "сквозного" подключения телефона, разъемы для микрофона и динамиков плюс рычаг включения питания. Модем использует популярный чипсет CirrusLogic и обеспечивает 56-килобитное подключение по протоколу V.90. Набор прилагаемого программного обеспечения полностью идентичен пакету, поставляемому с CNetUSBModem.
  
  
  
  Цифровые модемы.
  
  Принцип работы цифровых xDSL-модемов (DigitalSubscriberLine - цифровая абонентская линия) основан на превращении абонентской линии обычной телефонной сети из аналоговой в цифровую.
  
  Общая идея заключается в том, что на обоих концах абонентской линии - на АТС и у абонента - устанавливаются разделительные фильтры (splitter). Низкочастотная составляющая сигнала заводится на обычное телефонное оборудование (порт АТС и телефонный аппарат у абонента), а высокочастотная используется для передачи данных с помощью xDSL-модемов.
  
  Поскольку физическая линия (пара проводов) между абонентом и АТС позволяет пропускать сигнал в полосе до 1 МГц, достижимые скорости передачи гораздо выше, чем предел 56 КБит в секунду, установленный и достигнутый для аналоговых модемов.
  
  Высокочастотная часть полосы пропускания сигнала может разделяться между встречными потоками различными способами. При частотном разделении каналов (FDM) часть спектра отдается на передачу в одном направлении, часть - в другом. При эхоподавлении (echo-cancellation) вся полоса используется для передачи в обе стороны, а каждое устройство при приеме из общего сигнала выделяет сигнал собственного передатчика.
  
  Пропускная способность может быть как симметричной, так и асимметричной. В случае подключения пользователя к сети Internet асимметрия выгодна, поскольку поток к абоненту (страницы текста, изображения, аудио- и видеопотоки) гораздо больше обратного потока (запросы к сайтам).
  
  Наибольшее распространение получила асимметричная технология ADSL (AsymmetricDigitalSubscriberLine), где скорость к абоненту (downstream) достигает 6,1 Мбит в секунду, а от абонента 16-640 Кбит в секунду. Реально достижимая скорость связана с длиной абонентской линии и ее качеством.
  
  Для Москвы лидером в области предоставления услуг цифровой модемной связи является ОАО "Московская городская телефонная сеть" (МГТС) реализующая современные ADSL-модемы и предоставляющая доступ к сети Internet через телефонные каналы связи.
  
  Подключение к МГТС обеспечивает следующие преимущества:
  
  Ј Высокоскоростной доступ в Internet. Возможность быстро перекачивать большие объемы информации, работать с мультимедиа, участвовать в видеоконференциях и т.д.
  
  Ј Свободный телефон. Возможность одновременно работать в сети Internet и разговаривать по телефону. При этом качество телефонной связи остается неизменным.
  
  Ј Постоянный доступ. Не требуется дозваниваться до модемного пула провайдера. Подключение к сети Internet 24 часа в сутки.
  
  Ј Кредитная система оплаты. В соответствии с выбранным тарифным планом платежи вносятся по факту предоставления услуги.
  
  Ј Интернет-сервисы. Установив интернет-канал МГТС, дополнительно предоставляется доступ к личному кабинету, музыкальным и видео ресурсам, онлайн-играм и другим сервисам.
  
  Ј Надежность соединения. Надежность работы интернет-канала МГТС обеспечивается современной технологией доступа в Internet (ADSL) и круглосуточной технической поддержкой.
  
  Ј Удобная оплата услуг. Клиент получает единый счет от МГТС куда включены оплата услуг телефонной связи и доступа к сети Internet.
  
  
  
  Как мы видим, цифровые модемы обладают рядом несомненных преимуществ, и их использование составляет серьезную конкуренцию доступу в Internet по локальной сети через витую пару.
  
  
  
  Рассмотрим модели некоторых внешних ADSL модемов, популярных на российском рынке.
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 49. Модем D-Link DSL-2640U
  
  
  
  Модем D-Link DSL-2640U (рис. 49). Внешний ADSL-модем, Ethernet-порты, возможность создания точки доступа Wi-Fi (поддержка стандарта 802.11g, максимальная скорость беспроводного соединения 54 Мбит/с), встроенный маршрутизатор, поддерживает "Домашнее телевидение МТС". Использует встроенные протоколы защиты информации WEP, WPA, WPA2, 802.1x.
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 50. Модем ASUS WL-AM604g
  
  
  
  Модем ASUS WL-AM604g. (рис. 50). Внешний ADSL-модем, Ethernet-порты, возможность создания точки доступа Wi-Fi (поддержка стандарта 802.11g, максимальная скорость беспроводного соединения 54 Мбит/с), встроенный маршрутизатор. Использует встроенные протоколы защиты информации WEP, WPA, WPA2, 802.1x. Съемная внешняя антенна.
  
  
  
  Вопросы для самопроверки:
  1. Какие вы знаете типы кабелей, используемых в ЛВС?
  
  2. Что означает название устройства коммуникации - "модем"?
  
  3. Какие вы знаете виды исполнения аналоговых модемов?
  
  4. Какие вы знаете типы аналоговых модемов?
  
  5. Почему для аналоговых модемов, используемых на российских телефонных линиях, важны дополнительные характеристики?
  
  6. Какие модели аналоговых модемов наиболее распространены на отечественном рынке?
  
  7. В чем состоит принцип работы цифровых модемов?
  
  8. Какие вы знаете преимущества цифровых модемов?
  
  9. Какая компания и почему является лидером в городе Москве по предоставлению доступа в Internet через каналы телефонной связи?
  
  
  
  Напишите небольшое эссе (объемом в 2-3 страницы) по одному из перечисленных ниже вопросов:
  
  1. Выбор между витой парой, коаксиальным и волоконно-оптическим кабелем при создании ЛВС.
  
  2. Классификация модемов по исполнению.
  
  3. Классификация модемов по типам.
  
  4. Алгоритм работы аналогового модема.
  
  5. Скоростные режимы аналоговых и цифровых модемов.
  
  6. Описание и назначение стандартов модемов.
  
  7. Специфика покупки модема в России. На что следует обратить внимание и почему.
  
  8. Принцип работы xDSL.
  
  9. Сравнение технологии частотного разделения каналов (FDM) и ассиметричной технологии (ADSL).
  
  10. Сети и модемы 3G.
  
  
  
  Литература по теме:
  
  
  Основная литература:
  
  1. Аппаратное обеспечение вычислительных систем / Д.В. Денисов, В.А. Артюхин, М. Ф. Седненков; под ред. Д.В. Денисова. - М.: Маркет ДС, 2010 - 184 с. (Университетская серия).
  
  
  
  Дополнительная литература:
  
  1. Аппаратные средства PC. Колисниченко О. В., BHV-CПб - 2010, 800 стр.
  
  2. Архитектура ЭВМ и систем. Бройдо В. Л., Питер - 2009, 720 стр.
  
  3. Вычислительная техника: учеб. пособие. - М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2007. - 608 с.: ил. - (Профессиональное образование). Глава 4, п.п. 4.5 (стр. 381-400), п.п. 4.6 (стр. 400-409).
  
  
  
  Видеоролики:
  
  1. Видеообзор Wi-Fi роутера Asus RT-N16 // http://www.youtube.com/watch?v=Pi6LvDZntvU&list=UUWh80699S3B3fpueY_M2wMw&index=19&feature=plcp.
  
  2. Видеообзор Wi-Fi роутера Asus WL-520GU // http://www.youtube.com/watch?v=cyU_06ZdNas&list=UUWh80699S3B3fpueY_M2wMw&index=20&feature=plcp.
  
  3. Видеообзор HD Media Player Dune HD TV-101w // http://www.youtube.com/watch?v=JMTP6W6fCMw&list=UUWh80699S3B3fpueY_M2wMw&index=8&feature=plcp.
  
  
  
  Практические задания:
  
  
  Задание 1.
  
  Подберите модель модема по следующим параметрам:
  
  1. Протокол передачи данных V.92.
  
  2. Протокол коррекции ошибок V.42.
  
  3. Протоколы сжатия данных V.42bis.
  
  4. Fax-модем.
  
  5. USB -интерфейс.
  
  6. Голосовой модем.
  
  
  
  Задание 2.
  
  Дано описание модема по прайс-листу:
  
  Внешний ADSL модем, маршрутизатор, ADSL2+: 24/1 Мбит/сек., WiFi: 54 Мбит/сек, ITU 992.1-992.5, WAN: PPPoA, PPPoE, Static IP, DHCP, IEEE802.11D, IPRIPv2, StaticIP, DHCP, NAPT/NAT, ICMP, RJ-45 LAN, AcorpElectronics.
  
  
  
  Проведите описание технических параметров (спецификации) данного модема.
  
  
  
  Задание 3.
  
  Дано описание модема по прайс-листу:
  
  Внешний ADSL модем, маршрутизатор, межсетевой экран, беспроводная точка доступа, ADSL2+: 24 Мбит/сек., WiFi: до 300 Мбит/сек., ANSIT1.413 issue 2, ITU-TG.992.1 AnnexA (G.dmt), ITU-TG.992.2 (G.lite), IEEE 802.3, IEEE802.3u, IEEE 802.11b, 802.11g, 802.11n, RJ-45 LAN, WiFi 802.11b/g/n, ASUSTeKComputerInc.
  
  
  
  Проведите описание технических параметров (спецификации) данного модема.
  
  
  
  Задание 4.
  
  Укажите виды исполнения аналоговых модемов:
  
  1. _____________________________________________________________;
  
  2. _____________________________________________________________;
  
  3. _____________________________________________________________;
  
  4. _____________________________________________________________;
  
  5. _____________________________________________________________.
  
  
  
  Задание 5.
  
  Вы покупаете аналоговый модем. На какие его характеристики, кроме вида исполнения и поддерживаемых протоколов, следует обратить внимание, учитывая специфику отечественных телефонных линий?
  
  
  
  Тема 9. Архитектурные особенности параллельных, многопроцессорных и многомашинных вычислительных систем
  
  
  Цели и задачи:
  
  Цели и задачи изучения данной темы - знакомство с архитектурными особенностями многопроцессорных и многомашинных вычислительных систем, архитектурами систем параллельной обработки данных и различными подходами к увеличению производительности системы за счет распределения ресурсов, потоков команд и данных.
  
  
  
  В результате успешного изучения темы Вы:
  
  Узнаете:
  
  Ј способы организации взаимодействия компьютеров в многомашинных ВС;
  
  Ј организацию и принципы построения многопроцессорных ВС;
  
  Ј классификацию многопроцессорных параллельных ВС по режиму выполнения команд (классификация Флинна);
  
  Ј различные подходы к классификации многопроцессорных параллельных ВС (классификации Дункана, Хокни и другие);
  
  Ј технологию кластеризации как средства объединения многоуровневых ВС.
  
  
  
  Приобретете следующие профессиональные компетенции:
  
  Ј определять тип архитектуры ВС по представленному описанию режима выполнения команд и обработки данных (классификация Флинна);
  
  Ј определять потребности организации в использовании многомашинных или многопроцессорных ВС;
  
  Ј определять требования к архитектуре и производительности Супер ЭВМ исходя из решаемых с ее помощью задач;
  
  Ј определять тип архитектуры параллельной обработки данных исходя из поставленных задач.
  
  
  
  В процессе освоения темы акцентируйте внимание на следующих ключевых понятиях:
  
  
  
  Кластеризация - технология, с помощью которой несколько серверов, сами являющиеся вычислительными системами, объединяются в единую систему более высокого ранга для повышения эффективности функционирования системы в целом.
  
  
  
  Конвейерная обработка команд или данных заключается в том, что поступающий поток обрабатывается одним конвейерным устройством, работающем в режиме разделения времени для отдельных потоков.
  
  
  
  Параллельные ВС - многопроцессорные ВС, в которых реализована определенная параллельная архитектура, позволяющая значительно повысить производительность. В параллельных ВС оперативная память может быть общей для всех процессоров, либо своя для каждого процессора. Основным подходом к созданию архитектур параллельных ВС является классификация Флинна определяющая множественность либо единичность потоков команд и данных обрабатываемых процессорами.
  
  
  
  Потоковая обработка команд или данных заключается в том, что каждый поступающий поток обрабатывается своим собственным устройством.
  
  
  
  Теоретический материал по теме
  
  
  
  Вычислительные системы (ВС) подразделяются на две больших группы:
  
  Ј многомашинные;
  
  Ј многопроцессорные.
  
  
  
  Информационное взаимодействие компьютеров в многомашинной ВС (рис. 51) может быть организовано на уровне процессоров, оперативной памяти или каналов связи.
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 51. Уровни взаимодействия компьютеров в многомашинной ВС
  
  
  
  Ввиду сложности организации взаимодействия на 1-м и 2-м уровнях в большинстве многомашинных ВС используется 3-й уровень, уступающий им по быстродействию.
  
  Многопроцессорные системы (МПС) строятся при комплексировании нескольких процессоров. В качестве общего ресурса они имеют общую оперативную память (ООП). Параллельная работа процессоров с ООП обеспечивается под управлением единой общей операционной системы. По сравнению с ММС здесь достигается наивысшая оперативность взаимодействия процессоров-вычислителей.
  
  Однако МПС имеют и существенные недостатки. Во-первых, использование ресурсов общей оперативной памяти может приводить к возникновению конфликтных ситуаций, в которых несколько процессоров обращаются к одним и тем же ячейкам памяти. Помимо процессоров к ООП подключаются все процессоры ввода-вывода, средства измерения времени и т.д. Поэтому вторым серьезным недостатком МПС является проблема коммутации и доступа абонентов к ООП. От того, насколько удачно решаются эти проблемы, и зависит эффективность применения МПС. Эти решения обеспечиваются аппаратно-программными средствами.
  
  Процедуры взаимодействия очень сильно усложняют структуру ОС МПС. Опыт построения подобных систем показал, что они эффективны при небольшом числе комплексируемых процессоров (от 2 до 10).
  
  Типичным примером массовых многомашинных ВС могут служить компьютерные сети, а многопроцессорных ВС - суперкомпьютеры.
  
  
  
  Суперкомпьютеры.
  
  Супер-ЭВМ обладают производительностью, достигающей 1011 оп/с и выше. Такие ВС могут не только удовлетворительно решать сложнейшие научно-технические задачи, требующие огромного объема вычислений, но и обеспечивать работу более чем с 10 000 отдельных рабочих станций, для чего им требуются в качестве координатора системы ввода/вывода специальные ЭВМ. Однако, не взирая на их вычислительные возможности, супер-ЭВМ - пока все еще слишком дорогое удовольствие для коммерческого использования. Типичными областями применения супер-ЭВМ являются научные исследования, прогнозирование погоды, проектирование авиационной и космической техники, ядерные исследования, сейсмический анализ и другие области, требующие быстрой обработки очень большого количества данных. Определенную картину по использованию супер-ЭВМ дает сводный анализ по США:
  
  Ј оборонные проекты (45%);
  
  Ј нефтяные компании (18%);
  
  Ј университеты (13%);
  
  Ј космические исследования (10%);
  
  Ј другие (14%).
  
  
  
  Только очень мощные компьютерные фирмы такие, как Fujitsu, Hitachi, NEC (Япония), Goodyear, IBM, CDC, Burough, FPS (США) и еще несколько производят супер-ЭВМ и только одна - Cray Research (США) производит исключительно супер-ЭВМ, другое сопутствующее им оборудование и спецпроцессоры, являясь признанным лидером в этом классе ЭВМ.
  
  
  
  Многопроцессорные параллельные вычислительные системы.
  
  Суперкомпьютеры как и все современные параллельные ВС (ПВС) создаются в виде высокопараллельных многопроцессорных систем (МПВС) с различной архитектурой, наиболее распространенные из которых можно классифицировать по способу использования ОП и режиму выполнения команд процессорами системы.
  
  Относительно использования ОП ПВС можно классифицировать по двум основным группам:
  
  Ј ОП распределяется по процессорам;
  
  Ј процессоры разделяют общую ОП.
  
  
  
  Классификация по режиму выполнения команд была предложена Флинном (M.Flynn) в начале 60-х годов.
  
  В ее основу заложено два возможных вида параллелизма: независимость потоков заданий (команд), существующих в системе, и независимость (несвязанность) данных, обрабатываемых в каждом потоке.
  
  Согласно данной классификации существует четыре основных архитектуры ВС:
  
  Архитектура ОКОД - одиночный поток команд - одиночный поток данных или SISD - Single Instruction Single Data охватывает все однопроцессорные и одномашинные варианты систем, то есть ВС с одним вычислителем (рис. 52).
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 52. Архитектура ОКОД по классификации Флинна
  
  
  
  Все ЭВМ классической структуры попадают в этот класс. Здесь параллелизм вычислений обеспечивается путем совмещения выполнения операций отдельными блоками АЛУ, а также параллельная работа устройств ввода-вывода информации и процессора.
  
  Архитектура ОКМД - одиночный поток команд - множественный поток данных или SIMD - Single Instruction Multiple Data предполагает создание структур векторной или матричной обработки (рис. 53).
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 53. Архитектура ОКМД по классификации Флинна
  
  
  
  Системы этого типа обычно строятся как однородные, то есть процессорные элементы, входящие в систему, идентичны, и все они управляются одной и той же последовательностью команд. Однако каждый процессор обрабатывает свой поток данных. Под эту схему хорошо подходят задачи обработки матриц или векторов (массивов), задачи решения систем линейных и нелинейных, алгебраических и дифференциальных уравнений, задачи теории поля и др. В структурах данной архитектуры желательно обеспечивать соединения между процессорами, соответствующие реализуемым математическим зависимостям. Как правило, эти связи напоминают матрицу, в которой каждый процессорный элемент связан с соседними. Векторный или матричный тип вычислений является необходимым атрибутом любой суперЭВМ.
  
  Архитектура МКОД - множественный поток команд - одиночный поток данных или MISD - Multiple Instruction Single Data, предполагает построение своеобразного процессорного конвейера, в котором результаты обработки передаются от одного процессора к другому по цепочке (рис. 54).
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 54. Архитектура МКОД по классификации Флинна
  
  
  
  Выгоды такого вида обработки понятны. Однако в большинстве алгоритмов очень трудно выявить подобный, регулярный характер вычислений. Кроме того, на практике нельзя обеспечить и "большую длину" такого конвейера, при котором достигается наивысший эффект. Вместе с тем конвейерная схема нашла применение в так называемых скалярных процессорах суперЭВМ, в которых они применяются как специальные процессоры для поддержки векторной обработки.
  
  Архитектура МКМД - множественный поток команд - множественный поток данных или MIMD - Multiple Instruction Multiple Data предполагает, что все процессоры системы работают по своим программам с собственным потоком команд (рис. 55).
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 55. Архитектура МКМД по классификации Флинна
  
  
  
  В простейшем случае они могут быть автономны и независимы. Такая схема использования ВС часто применяется на многих крупных вычислительных центрах для увеличения пропускной способности центра.
  
  В современных СуперЭВМ используются три варианта архитектуры МПВС:
  
  Ј структура MIMD в классическом ее варианте (например, в суперкомпьютере BSP фирмы Burrought);
  
  Ј параллельно-конвейерная модификация, иначе MMISD, то есть многопроцессорная (Multiple) MISD архитектура (например, в суперкомпьютере "Эльбрус 3");
  
  Ј параллельно-векторная модификация, иначе MSIMD, то есть многопроцессорная SIMD архитектура (например в суперкомпьютере Cray 2).
  
  
  
  Примером организации мультипроцессорной супер-ЭВМ может служить отечественная Эльбрус-3, в архитектуре которой использован целый ряд интересных решений.
  
  Центральным узлом управления при такой организации является быстродействующий коммутатор межмодульных связей (КМС), где в качестве модулей выступают:
  
  Ј процессоры (ЦП);
  
  Ј модули памяти (ОП);
  
  Ј процессоры ввода/вывода (ПВ/В).
  
  
  
  КМС обеспечивает возможность установления связи любого ЦП с любым модулем ОП и любым ПВ/ В, связь любого ПВ/В с любым модулем ОП; при этом, возможны одновременная связь и передача данных через КМС между различными парами модулей ВС.
  
  Следовательно, принцип КМС реализует пространственное разделение при коммутации соединений в отличие от временного разделения в случае использования общей шины, а также существенно уменьшает число конфликтных ситуаций в ВС. Однако с целью получения высокой общей производительности ВС требуется быстрая реактивность переключений КМС, что является весьма трудной технической задачей ввиду сложной логики КМС. Используется несколько типов КМС:
  
  Ј матричный;
  
  Ј мультиплексная шина;
  
  Ј многоуровневые коммутационные сети.
  
  
  
  В настоящее время возможно построение систем с массовым параллелизмом (MPP - Mass Parallel Processing) с десятками, сотнями и даже тысячами процессорных элементов, с размещением их в непосредственной близости друг от друга. Если каждый процессор системы имеет собственную память, то он так же будет сохранять известную автономию в вычислениях. Считается, что именно такие системы займут доминирующее положение в мире суперкомпьютеров в ближайшие десять-пятнадцать лет.
  
  Параллельную архитектуру МРР-компьютера определяют следующие компоненты:
  
  Ј процессорная матрица (ПМ);
  
  Ј устройство управления процессорной матрицей (УУПМ);
  
  Ј устройство подготовки программ и данных (УППД);
  
  Ј переходная память (ПП) для буферизации и перекомпоновки данных;
  
  Ј ведущая и интерфейсная ЭВМ, внешняя память (ВП) и система интерфейсов.
  
  
  
  ПМ представляет собой матрицу процессорных элементов (ПЭ), оперирующую с двумерными массивами данных. Каждый ПЭ имеет собственную локальную память произвольного доступа и связан со своими соседями. Каждый ПЭ имеет непосредственный доступ только к данным из своей локальной памяти; доступ к другим данным возможен только через межпроцессорную связь или через ПП.
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 56. Архитектура параллельной супер-ЭВМ
  
  
  
  Кластеры.
  
  Опыт создания серверов на основе MPP-структур и SMP-структур (SMP - Shared Memory multiprocessing, технология мультипроцессирования с разделением памяти) показал, что они не обеспечивают хорошей адаптации к конкретным условиям функционирования, остаются дорогими и сложными в эксплуатации.
  
  Одним из решений этой проблемы является кластеризация, то есть технология, с помощью которой несколько серверов, сами являющиеся вычислительными системами, объединяются в единую систему более высокого ранга для повышения эффективности функционирования системы в целом (рис. 57).
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 57. Вычислительный кластер
  
  
  
  Целями построения кластеров могут служить:
  
  Ј улучшение масштабируемости (способность к наращиванию мощности);
  
  Ј повышение надежности и готовности системы в целом;
  
  Ј увеличение суммарной производительности;
  
  Ј эффективное перераспределение нагрузок между компьютерами кластера;
  
  Ј эффективное управление и контроль работы системы и т.п.
  
  
  
  Улучшение масштабируемости или способности к наращиванию мощности предусматривает, что все элементы кластера имеют аппаратную, программную и информационную совместимость. В сочетании с простым и эффективным управлением изменение оборудования в идеальном кластере должно обеспечивать соответствующее изменение значений основных характеристик, то есть добавление новых процессоров, дисковых систем должно сопровождаться пропорциональным ростом производительности, надежности и т.п. В реальных системах эта зависимость имеет нелинейный характер.
  
  Масштабируемость SMP- и MPP-структур достаточно ограничена. При большом числе процессоров в SMP-структурах возрастает число конфликтов при обращении к общей памяти, а в MPP-структурах плохо решаются задачи преобразования и разбиения приложений на отдельные задания процессорам. В кластерах же администраторы сетей получают возможность увеличивать пропускную способность сети за счет включения в него дополнительных серверов, даже уже из числа работающих, с учетом того, что балансировка и оптимизация нагрузки будут выполняться автоматически.
  
  Следующей важной целью создания кластера является повышение надежности и готовности системы в целом. Именно эти качества способствуют популярности и развитию кластерных структур. Избыточность, изначально заложенная в кластеры, способна их обеспечить. Основой этого служит возможность каждого сервера кластера работать автономно, но в любой момент он может переключиться на выполнение работ другого сервера в случае его отказа.
  
  Наряду с классификацией Флинна существуют другие подходы к классификации параллельных вычислительных систем.
  
  
  
  Классификация Дункана.
  
  Согласно Р. Дункану параллельная архитектура - это такой способ организации вычислительной системы, при котором допускается, чтобы множество процессоров (простых или сложных) могло бы работать одновременно, взаимодействуя по мере надобности друг с другом. Следуя этому определению, все разнообразие параллельных архитектур Дункан систематизирует так, как показано на рисунке 58.
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 58. Классификация ВС по Дункану
  
  
  
  По существу систематика очень простая: процессоры системы работают либо синхронно, либо независимо друг от друга, либо в архитектуру системы заложена та или иная модификация идеи MIMD. На следующем уровне происходит детализация в рамках каждого из этих трех классов. Дадим небольшое пояснение лишь к тем из них, которые на сегодняшний день не столь широко известны.
  
  Систолические архитектуры (их чаще называют систолическими массивами) представляют собой множество процессоров, объединенных регулярным образом (например, система WARP). Обращение к памяти может осуществляться только через определенные процессоры на границе массива. Выборка операндов из памяти и передача данных по массиву осуществляется в одном и том же темпе. Направление передачи данных между процессорами фиксировано. Каждый процессор за интервал времени выполняет небольшую инвариантную последовательность действий.
  
  Гибридные MIMD/SIMD архитектуры, dataflow, reduction и wavefront вычислительные системы осуществляют параллельную обработку информации на основе асинхронного управления, как и MIMD системы. Но они выделены в отдельную группу, поскольку все имеют ряд специфических особенностей, которыми не обладают системы, традиционно относящиеся к MIMD.
  
  Остальные три вида архитектур используют нетрадиционные модели вычислений. Dataflow используют модель, в которой команда может выполняться сразу же, как только вычислены необходимые операнды. Таким образом, последовательность выполнения команд определяется зависимостью по данным, которая может быть выражена, например, в форме графа.
  
  Модель вычислений, применяемая в reduction машинах иная и состоит в следующем: команда становится доступной для выполнения тогда и только тогда, когда результат ее работы требуется другой, доступной для выполнения, команде в качестве операнда.
  
  Wavefront array архитектура объединяет в себе идею систолической обработки данных и модель вычислений, используемой в dataflow. В данной архитектуре процессоры объединяются в модули и фиксируются связи, по которым процессоры могут взаимодействовать друг с другом. Однако, в противоположность ритмичной работе систолических массивов, данная архитектура использует асинхронный механизм связи с подтверждением (handshaking), из-за чего "фронт волны" вычислений может менять свою форму по мере прохождения по всему множеству процессоров.
  
  
  
  Классификация Хокни.
  
  Согласно Р. Хокни множественный поток команд МПС класса MIMD по систематике Флинна может быть обработан двумя способами: либо одним конвейерным устройством обработки, работающем в режиме разделения времени для отдельных потоков, либо каждый поток обрабатывается своим собственным устройством. Первая возможность используется в MIMD компьютерах, которые автор называет конвейерными (например, процессорные модули в Denelcor HEP). Архитектуры, использующие вторую возможность, называются потоковыми, и в свою очередь опять делятся на два класса:
  
  Ј MIMD компьютеры, в которых возможна прямая связь каждого процессора с каждым, реализуемая с помощью переключателя;
  
  Ј MIMD компьютеры, в которых прямая связь каждого процессора возможна только с ближайшими соседями по сети, а взаимодействие удаленных процессоров поддерживается специальной системой маршрутизации через процессоры-посредники.
  
  
  
  Далее, среди MIMD машин с переключателем Хокни выделяет те, в которых вся память распределена среди процессоров как их локальная память (например, PASM, PRINGLE). В этом случае общение самих процессоров реализуется с помощью очень сложного переключателя, составляющего значительную часть компьютера. Такие машины носят название MIMD машин с распределенной памятью. Если память это разделяемый ресурс, доступный всем процессорам через переключатель, то такие MIMD являются системами с общей памятью (CRAY X-MP, BBN Butterfly). В соответствии с типом переключателей можно проводить классификацию и далее: простой переключатель, многокаскадный переключатель, общая шина.
  
  Многие современные вычислительные системы имеют как общую разделяемую память, так и распределенную локальную. Такие системы автор рассматривает как гибридные MIMD c переключателем.
  
  При рассмотрении MIMD машин с сетевой структурой считается, что все они имеют распределенную память, а дальнейшая классификация проводится в соответствии с топологией сети: звездообразная сеть (lCAP), регулярные решетки разной размерности (Intel Paragon, CRAY T3D), гиперкубы (NCube, Intel iPCS), сети с иерархической структурой, такой, как деревья, пирамиды, кластеры (Cm*, CEDAR) и, наконец, сети, изменяющие свою конфигурацию.
  
  Заметим, что если архитектура компьютера спроектирована с использованием нескольких сетей с различной топологией, то, по всей видимости, по аналогии с гибридными MIMD с переключателями, их стоит назвать гибридными сетевыми MIMD, а использующие идеи разных классов - просто гибридными MIMD. Типичным представителем последней группы, в частности, является компьютер Connection Machine 2, имеющим на внешнем уровне топологию гиперкуба, каждый узел которого является кластером.
  
  
  
  Вопросы для самопроверки:
  1. В чем заключаются основные различия между многомашинными и многопроцессорными ВС?
  
  2. На каких уровнях может быть организованно взаимодействие компьютеров в многомашинной ВС?
  
  3. Какой общий ресурс используют многопроцессорные ВС?
  
  4. Какие существуют виды архитектур ВС согласно классификации Флинна?
  
  5. В чем заключается кластеризация способ организации ВС?
  
  6. К какому типу ВС относятся компьютерные сети, суперкомпьютеры?
  
  7. В чем состоят основные различия между конвейерными и потоковыми ВС согласно классификации Хокни?
  
  8. Какие типы архитектур ВС выделяются в классификации Дункана?
  
  
  
  Напишите небольшое эссе (объемом в 2-3 страницы) по одному из перечисленных ниже вопросов:
  
  1. Классификация Джонсона.
  
  2. Классификация Базу.
  
  3. Классификация Кришнамарфи.
  
  4. Классификация Скилликорна.
  
  5. Классификация Хендлера.
  
  6. Классификация Шора.
  
  7. Симметричная мультипроцессорная обработка.
  
  8. Асимметричная мультипроцессорная обработка.
  
  9. Гибридная архитектура (NUMA).
  
  10. Транспьютеры и транспьютерные системы.
  
  
  
  Литература по теме:
  
  
  Основная литература:
  
  1. Аппаратное обеспечение вычислительных систем / Д.В. Денисов, В.А. Артюхин, М. Ф. Седненков; под ред. Д.В. Денисова. - М.: Маркет ДС, 2010 - 184 с. (Университетская серия.).
  
  
  
  Дополнительная литература:
  
  1. Вычислительная техника: учеб. пособие. - М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2007. - 608 с.: ил. - (Профессиональное образование). Глава 2 п.п. 2.3 (стр. 137-159).
  
  2. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем: учебник. - М.: ФОРУМ, 2008. - 512 с.: ил. - (Профессиональное образование). Глава 2, п. 2.4 (стр. 153-207).
  
  3. Вычислительные сети и распределенная обработка данных. http://sites.google.com/site/arkhipovnir/3.
  
  
  
  Видеоролики:
  
  1. Как делаются процессоры // http://youtu.be/MPZiMYM2hfI.
  
  2. Суперкомпьютер "Ломоносов" // http://www.youtube.com/watch?v=3aaZ2miSYFE.
  
  3. ACADEMIA. Владимир Воеводин. "Суперкомпьютеры: незаметные гиганты". 1-я лекция // http://www.vesti.ru/videos?vid=360022.
  
  
  
  Практические задания:
  
  
  Задание 1.
  
  Определите, к какому типу согласно классификации Флинна относится представленная на рисунке архитектура.
  
  
  
  
  
  
  
  Задание 2.
  
  Определите, к какому типу согласно классификации Флинна относится представленная на рисунке архитектура.
  
  
  
  
  
  
  
  Задание 3.
  
  Определите, к какому типу согласно классификации Флинна относится представленная на рисунке архитектура.
  
  
  
  
  
  
  
  Задание 4.
  
  Определите, к какому типу согласно классификации Флинна относится представленная на рисунке архитектура.
  
  
  
 Ваша оценка:
Связаться с программистом сайта.

Новые книги авторов СИ, вышедшие из печати:
О.Болдырева "Крадуш. Чужие души" М.Николаев "Вторжение на Землю"

Как попасть в этoт список

Кожевенное мастерство | Сайт "Художники" | Доска об'явлений "Книги"