Принцип двоичного кодирования

Архитектура фон Неймана

Архитектура фон Неймана (англ. von Neumann architecture) — широко известный принцип совместного хранения программ и данных в памяти компьютера. Вычислительные системы такого рода часто обозначают термином «машина фон Неймана», однако соответствие этих понятий не всегда однозначно. В общем случае, когда говорят об архитектуре фон Неймана, подразумевают физическое отделение процессорного модуля от устройств хранения программ и данных.

Принципы

Принцип двоичного кодирования

Согласно этому принципу, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных сигналов (двоичных цифр, битов) и разделяется на единицы, называемые словами.

Принцип однородности памяти

Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти — число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

Принцип адресуемости памяти

Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к хранящимся в них значениям можно было бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программы с использованием присвоенных имен.

Принцип последовательного программного управления

Предполагает, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

Принцип жесткости архитектуры

Неизменяемость в процессе работы топологии, архитектуры, списка команд.

Понятие информационных систем, систем обработки данных, вычислительных систем.

Информационная система включает базы данных, СУБД и специализированные прикладные программы. ИС рассматривают как программно-аппаратную систему, предназначенную для автоматизации целенаправленной деятельности конечных пользователей, обеспечивающую, в соответствии с заложенной в нее логикой обработки, возможность получения, модификации и хранения информации.

Основной задачей ИС является удовлетворение конкретных информационных потребностей в рамках конкретной предметной области. Современные ИС немыслимы без использования баз данных и СУБД, поэтому термин «информационная система» на практике сливается по смыслу с термином «система баз данных».

Системы обработки данных - комплекс методов и средств сбора и обработки данных, необходимых для организации управления объектам. Функции С. о. д. — сбор, хранение, поиск, обработка необходимых для выполнения этих расчётов данных с наименьшими затратами.

Вычислительная система - это рассматриваемый как единое целое комплекс, предназначенный решать определенные задачи, в котором задействованы центральный процессор, память и различные внешние устройства.

Функционирование ЭВМ. Процесс и поток.

1.Функционирование ЭВМ. Процесс и поток.

Функционирование ЭВМ с шинной организацией. Шинная организация является простейшей формой организации ЭВМ. В соответствии с приведенными выше принципами фон Неймана подобная ЭВМ имеет в своем составе следующие функциональные блоки: центральный процессор (ЦП) - функциональная часть ЭВМ, выполняющая основные операции по обработке данных и управлению работой других блоков. Центральный процессор состоит из следующих взаимосвязанных составных элементов: арифметико-логического устройства, устройства управления и регистров. Память - устройство, предназначенное для запоминания, хранения и выборки программ и данных. Память состоит из конечного числа ячеек, каждая из которых имеет свой уникальный номер или адрес. Доступ к ячейке осуществляется указанием ее адреса. Оперативная память (ОП) - функциональный блок, хранящий информацию для устройств управления (команды) и арифметико-логического устройства (данные). Задачи, решаемые с помощью ЭВМ, требуют хранения в памяти различного количества информации, зависящего от сложности реализуемого алгоритма, количества исходных данных и т.п. Система шин. Объединение функциональных блоков в ЭВМ осуществляется посредством следующей системы шин: шины данных, по которой осуществляется обмен информацией между блоками ЭВМ; шины адреса, используемой для передачи адресов (номеров ячеек памяти или портов ввода-вывода, к которым производится обращение); и шины управления для передачи управляющих сигналов. Совокупность этих трех шин называют системной шиной, системной магистралью или системным интерфейсом.

Процессы и потоки

До сих пор концепцию процесса можно было охарактеризовать двумя параметрами.

• Владение ресурсами (resource ownership). Процесс включает виртуальное адресное пространство, в котором содержится образ процесса, и время от времени может владеть такими ресурсами, как основная память, каналы и устройства ввода-вывода, или файлы, или же получать контроль над ними. Операционная система выполняет защитные функции, предотвращая нежелательные взаимодействия процессов на почве владения ресурсами.

• Планирование/выполнение (scheduling/execution). Выполнение процесса осуществляется путем выполнения кода одной или нескольких программ; при этом выполнение процесса может чередоваться с выполнением других процессов. Таким образом, процесс имеет такие параметры, как состояние (выполняющийся процесс, готовый к выполнению процесс и т.д.) и текущий приоритет, в соответствии с которым операционная система осуществляет его планирование и диспетчеризацию.

В большинстве операционных систем эти две характеристики являются сущностью процесса. Но они являются независимыми, и операционная система может рассматривать их отдельно друг от друга. В некоторых операционных системах (в особенности в недавно разработанных) так и происходит. Чтобы различать две приведенные выше характеристики, единицу диспетчеризации обычно называют потоком (thread) или облегченным процессом (lightweight process), а единицу владения ресурсами — процессом (process) или заданием (task).

Кэширование памяти

Кэш (англ. cache, от фр. cacher — «прятать»; произносится [k??] — «кэш») — промежуточный буфер с быстрым доступом, содержащий информацию, которая может быть запрошена с наибольшей вероятностью. Доступ к данным в кэше идёт быстрее, чем выборка исходных данных из оперативной (ОЗУ) и быстрее внешней (жёсткий диск или твердотельный накопитель) памяти, за счёт чего уменьшается среднее время доступа и увеличивается общая производительность компьютерной системы.

Кэш-память представляет собой статическое ОЗУ, обладающее значительно более высоким быстродействием, нежели динамическое. Фактически, кэш-память предназначена для согласования (компенсации) скорости работы сравнительно медленных устройств с относительно быстрым центральным процессором, т.е. она играет роль быстродействующего буфера между процессором и относительно медленной динамической памятью.При попытке доступа к данным процессор сначала обращается к внутренней кэш-памяти, если их там нет, то ко внешней, лишь затем к основной динамической памяти.Когда процессор первый раз обращается к ячейке памяти, ее содержимое параллельно копируется в кэш, и в случае повторного обращения может быть с гораздо большей скоростью выбрано из кэша.

Архитектура кэш-памяти

Кэш центрального процессора разделён на несколько уровней. В универсальном процессоре в настоящее время число уровней может достигать 3. Кэш-память уровня N+1 как правило больше по размеру и медленнее по скорости доступа и передаче данных, чем кэш-память уровня N.

Самой быстрой памятью является кэш первого уровня — L1-cache. По сути, она является неотъемлемой частью процессора, поскольку расположена на одном с ним кристалле и входит в состав функциональных блоков. В современных процессорах обычно кэш L1 разделен на два кэша, кэш команд (инструкций) и кэш данных.

Вторым по быстродействию является L2-cache — кэш второго уровня, обычно он расположен на кристалле, как и L1. В старых процессорах — набор микросхем на системной плате. Объём L2 кэша от 128 Кбайт до 1?12 Мбайт. В современных многоядерных процессорах кэш второго уровня, находясь на том же кристалле, является памятью раздельного пользования — при общем объёме кэша в nM Мбайт на каждое ядро приходится по nM/nC Мбайта, где nC количество ядер процессора. Обычно латентность L2 кэша, расположенного на кристалле ядра, составляет от 8 до 20 тактов ядра.

Кэш третьего уровня наименее быстродействующий, но он может быть очень внушительного размера — более 24 Мбайт. L3 кэш медленнее предыдущих кэшей, но всё равно значительно быстрее, чем оперативная память. В многопроцессорных системах находится в общем пользовании и предназначен для синхронизации данных различных L2.

 

Режимы работы процессоров

Процессоры персональных компьютеров могут работать в трех режимах: реальном, защищенном и виртуальном режимах.

Реальный режим

Первоначально персональные компьютеры фирмы IBM могли адресовать только 1 Мбайт оперативной памяти.Когда процессор работает в реальном режиме, он может обращаться к памяти только в пределах 1 Мбайт (как и процессор Intel 8086), и не может использовать 32-разрядные и 64-разрядные операции. Процессор попадает в реальный режим сразу же после запуска. В реальном режиме работают операционные системы DOS и стандартные DOS-приложения.

Защищенный режим

Это более мощный режим работы процессора по сравнению с реальным режимом. Он используется в современных многозадачных операционных системах. Защищенный режим имеет много преимуществ:

- В защищенном режиме доступна вся системная память (не существует предела 1 Мбайт).

- В защищенном режиме операционная система может организовать одновременное выполнение нескольких задач (многозадачность).

- В защищенном режиме поддерживается виртуальная память — операционная система при необходимости может использовать жесткий диск в качестве расширения оперативной памяти.

- В защищенном режиме осуществляется быстрый (32/64-разрядный) доступ к памяти и поддерживается работа 32-х разрядных операций ввода-вывода.

Виртуальный режим

Защищенный режим используют графические многозадачные операционные системы, такие как Windows. Иногда возникает необходимость выполнения DOS-программ в среде операционной системы Windows. Но DOS-программы работают в реальном режиме, а не в защищенном. Для решения этой проблемы был разработан виртуальный режим или режим виртуального процессора 8086. Этот режим эмулирует (имитирует) реальный режим, необходимый для работы DOS-программ, внутри защищенного режима. Операционные системы защищенного режима (такие как Windows) могут создавать несколько машин виртуального режима — при этом каждая из них будет работать так, как будто она одна использует все ресурсы персонального компьютера. Каждая виртуальная машина получает в свое распоряжение 1 Мбайтное адресное пространство, образ реальных программ BIOS и т.п. Виртуальный режим используется при работе в DOS-окне или при запуске DOS-игр в операционной системе Windows 98/Ме. При запуске на компьютере DOS-приложения операционная система Windows создает виртуальную DOS-машину, в которой выполняется это приложение.

RAID-массивы

RAID (англ. redundant array of independent disks — избыточный массив независимых жёстких дисков) — массив из нескольких дисков, управляемых контроллером, взаимосвязанных скоростными каналами и воспринимаемых внешней системой как единое целое. В зависимости от типа используемого массива может обеспечивать различные степени отказоустойчивости и быстродействия. Служит для повышения надёжности хранения данных и/или для повышения скорости чтения/записи информации (RAID 0).

RAID 0 (striping — «чередование») — дисковый массив из двух или более жёстких дисков с отсутствием резервирования. Информация разбивается на блоки данных () и записывается на оба/несколько дисков одновременно.

(+): За счёт этого существенно повышается производительность (от количества дисков зависит кратность увеличения производительности).

(-): Надёжность RAID 0 заведомо ниже надёжности любого из дисков в отдельности и падает с увеличением количества входящих в RAID 0 дисков, т. к. отказ любого из дисков приводит к неработоспособности всего массива.

RAID 1 (mirroring — «зеркалирование»).

(+): Обеспечивает приемлемую скорость записи и выигрыш по скорости чтения при распараллеливании запросов.

(+): Имеет высокую надёжность — работает до тех пор, пока функционирует хотя бы один диск в массиве. Вероятность выхода из строя сразу двух дисков равна произведению вероятностей отказа каждого диска. На практике при выходе из строя одного из дисков следует срочно принимать меры — вновь восстанавливать избыточность. Для этого с любым уровнем RAID (кроме нулевого) рекомендуют использовать диски горячего резерва. Достоинство такого подхода — поддержание постоянной доступности.

(-): Недостаток заключается в том, что приходится выплачивать стоимость двух жёстких дисков, получая полезный объём одного жёсткого диска (классический случай, когда массив состоит из двух дисков).

SSD-накопитель

Твердотельный накопитель (англ. SSD, solid-state drive) — компьютерное запоминающее устройство на основе микросхем памяти. Кроме них, SSD содержит управляющий контроллер. Не содержит движущихся механических частей,

Различают два вида твердотельных накопителей: SSD на основе памяти, подобной оперативной памяти компьютеров, и SSD на основе флеш-памяти.

Главный недостаток SSD — ограниченное количество циклов перезаписи. Обычная [обтекаемые выражения](MLC, Multi-level cell, многоуровневые ячейки памяти) флеш-память позволяет записывать данные примерно 10 000 раз. Более дорогостоящие виды памяти (SLC, Single-level cell, одноуровневые ячейки памяти) — более 100 000 раз[9]. Для борьбы с неравномерным износом применяются схемы балансирования нагрузки. Контроллер хранит информацию о том, сколько раз какие блоки перезаписывались и при необходимости «меняет их местами»

Преимущества

Отсутствие движущихся частей;

Высокая скорость чтения/записи, нередко превосходящая пропускную способность интерфейса жесткого диска (SAS/SATA II 3 Gb/s, SAS/SATA III 6 Gb/s, SCSI, Fibre Channel и т. д.);

Низкое энергопотребление;

Полное отсутствие шума из-за отсутствия движущихся частей и охлаждающих вентиляторов;

Высокая механическая стойкость;

Широкий диапазон рабочих температур;

Стабильность времени считывания файлов вне зависимости от их расположения или фрагментации;

Малые габариты и вес;

Большой модернизационный потенциал, как у самих накопителей, так и у технологий их производства.

Намного меньшая чувствительность к внешним электромагнитным полям.

Видеосистема

видеокарта - устройство, преобразующее графический образ, хранящийся, как содержимое памяти компьютера или самого адаптера, в форму, пригодную для дальнейшего вывода на экран монитора. Первые мониторы, построенные на электронно-лучевых трубках, работали по телевизионному принципу сканирования экрана электронным лучом, и для отображения требовался видеосигнал, генерируемый видеокартой. В настоящее время эта функция утратила основное значение, и в первую очередь под графическим адаптером понимают устройство с графическим процессором - графический ускоритель, который и занимается формированием самого графического образа. Современная видеокарта состоит из следующих частей: графический процессор, видеоконтроллер, видеопамять, цифро-аналоговый преобразователь, видео-ПЗУ, система охлаждения.

Архитектура фон Неймана

Архитектура фон Неймана (англ. von Neumann architecture) — широко известный принцип совместного хранения программ и данных в памяти компьютера. Вычислительные системы такого рода часто обозначают термином «машина фон Неймана», однако соответствие этих понятий не всегда однозначно. В общем случае, когда говорят об архитектуре фон Неймана, подразумевают физическое отделение процессорного модуля от устройств хранения программ и данных.

Принципы

Принцип двоичного кодирования

Согласно этому принципу, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных сигналов (двоичных цифр, битов) и разделяется на единицы, называемые словами.

Принцип однородности памяти

Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти — число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

Принцип адресуемости памяти

Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к хранящимся в них значениям можно было бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программы с использованием присвоенных имен.