Архитектура аппаратных и программных средств персональных компьютеров

Лекция №6 (1-ый семестр)

Архитектура аппаратных и программных средств персональных компьютеров

Архитектура ЭВМ по Фон-Нейману, аппаратные и программные средства, оценка производительности компьютерной системы, классификация ЭВМ. Микропроцессоры и микроЭВМ. Сбор, обработка данных, управление объектом, передача данных на основе использования микроЭВМ.

 

Архитектура ЭВМ

Архитектура- это принципы построения функциональных узлов ЭВМ и организация информационных и управляющих связей между ними и внешними устройствами ввода – вывода.

Уточнение: речь идет об архитектуре всего компьютера – desktopа (рабочей станции), ноутбука, нетбука и т.п. Эта архитектура практически устоявшаяся вещь. Не путать с архитектурой процессора ЭВМ. Это будет рассматриваться в специальной дисциплине.

Архитектура ЭВМ определяет:

Структура памяти ЭВМ

Способы доступа к памяти и внешним устройствам

Возможность изменения конфигурации компьютера

Система команд

Форматы данных

Организация интерфейса

Основы учения об архитектуре вычислительных машин заложил Джон фон Нейман. В 1946 году он вместе со своими коллегами опубликовал статью «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронно-вычислительного устройства», в которой убедительно обосновывается использование двоичной системы счисления для представления чисел в ЭВМ (до этого машины хранили данные в десятичном виде) и излагаются следующие принципы:

1. Принцип программного управления. Согласно этому принципу программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности. Команды выполняют действия над регистрами, ячейками памяти (изменяют их содержимое).

Для понятия этого принципа надо знать следующие определения.

Регистр – выполняет функцию хранения операнда или команды в процессоре (при выключении питания содержимое регистра не сохраняется).

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) – память с байтовой структурой адресации (при выключении питания содержимое памяти не сохраняется).

Счетчик команд – регистр устройства управления (УУ), содержимое которого соответствует адресу очередной выполняемой команды. По этому адресу из оперативной памяти извлекается очередная команда для исполнения её процессором.

Этот регистр последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды. Так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым осуществляется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти. Если после выполнения очередной команды нужно перейти не к следующей, то используются команды условного или безусловного переходов. Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.

2. Принцип однородности памяти (принцип хранимой команды). Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти – число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. Отсутствие принципиальной разницы между программой и данными дало возможность ЭВМ самой формировать для себя программу в соответствии с результатом вычислений.

3. Принцип адресности. Оперативная память состоит из пронумерованных ячеек (байт); процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Это позволяет обращаться к произвольной ячейке (адресу) без просмотра предыдущих ячеек.

Архитектуру компьютеров, построенных на этих принципах, относят к архитектуре фон-Неймана. На сегодняшний день это подавляющее большинство компьютеров, в том числе и IBM PС – совместимые. Но есть и компьютерные системы с иной архитектурой – например системы для параллельных вычислений.

Архитектура ЭВМ, построенная на принципах фон Неймана

Структура современных ЭВМ

Начало изменений в классической архитектуре относится к 3-му поколению ЭВМ (переход от транзисторов к интегральным схемам). Это было обусловлено возникновением противоречия между высокой скоростью обработки данных внутри машины и медленной работой устройств ввода-вывода (у них механические части). Процессор вынужден простаивать в ожидании данных извне. Стало необходимо освободить центральный процессор от функции обмена данными с внешними устройствами.

В современных ЭВМ эта функция передана контроллеру. Контроллер (адаптер) – устройство, которое связывает периферийное оборудование и каналы связи с центральным процессором, освобождая его от непосредственного управления функционированием данного оборудования, т.е. контроллер – это специализированный процессор с собственной системой команд (контроллер НГМФ, контроллер принтера, видеоадаптер и др.). Сейчас любое внешнее устройство имеет контроллер.

Схема работы. Центральный процессор при необходимости обмена с внешним устройством выдает задание контроллеру на его осуществление. Контроллер создает канал связи между ОЗУ и внешним устройством. Дальнейшая передача идет под управлением контроллера без использования центрального процессора

Следующие изменение архитектуры. Появилось принципиально новое устройство – общая шина (магистраль, системная шина) для связи между отдельными функциональными узлами ЭВМ.

Системная шина – это основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой.

Системная шина включает:

Кодовую шину данных, которая служит для параллельной передачи всех разрядов числового кода. В ПК на базе Intel Pentium шина данных 64-х разрядная, за один такт на обработку поступает сразу 8 байт данных. Что передается.

Кодовую шину адреса, которая служит для параллельной передачи всех разрядов кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода – вывода внешнего устройства. Данные, передаваемые по адресной шине – трактуются как адреса ячеек оперативной памяти. Именно из этой шины процессор считывает адреса команд, которые необходимо выполнить. В современных процессорах шина адреса 32-разрядная (состоит из 32 параллельных проводников). Куда передается.

Кодовую шину управления (командная шина) – служит для передачи управленческих сигналов во все блоки машины. Большинство современных компьютеров имеют 32 разрядную командную шину, но бывают и 64-разрядные. Как передается.

Шинная архитектура ЭВМ

 

1. Как видно такую структуру легко пополнять новыми устройствами – открытость архитектуры.

2. Появление блока видеопамяти связано с разработкой особого устройства вывода – дисплея (монитора). Для получения на экране стабильной картинки ее нужно где-то хранить. Для этого и существует видеопамять. Сначала содержимое видеопамяти формируется компьютером. Затем контроллер дисплея выводит изображение на экран. Конструктивно видеопамять может быть выполнена как часть обычного ОЗУ или содержаться в контроллере дисплея.

3. Еще особенность современной ЭВМ. Существует режим прямого доступа к памяти (ПДП), при котором внешнее устройство обменивается непосредственно с ОЗУ без участия ЦП. Для этого существует специальный контроллер ПДП. Режим ПДП появился только в машинах III поколения.

4. Пример использования ПДП. Работа звуковой карты. Воспроизведение звуков с точки зрения процессора очень медленное (процессор - частота 500 МГц, частота дискретизации CD – 44 Гц) В этом случае процессор лишь помещает в ОЗУ необходимые данные и сообщает контроллеру ПДП их адрес и количество. Последний, не спеша, обеспечивает передачу данных, которая требуется звуковой карте.

5. При описании магистральной структуры с точки зрения архитектуры упрощенно предполагалось, что все устройства взаимодействуют через общую шину. На практике при увеличении потоков данных между устройствами ЭВМ вводится одна или несколько дополнительных шин. Например, одна – для обмена с памятью, вторая для связи с «быстрыми», третья – с «медленными» внешними устройствами.

Системная шина является основной интерфейсной системой компьютера, обеспечивающей сопряжение и связь всех его устройств между собой. Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:

• между микропроцессором и основной памятью;

• между основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств;

Порты ввода-вывода всех устройств через соответствующие разъемы (слоты) подключаются к шине либо непосредственно, либо через специальные контроллеры (адаптеры).

Основная память предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками компьютера.

Внешняя память используется для долговременного хранения информации, которая может быть в дальнейшем использована для решения задач.

Генератор тактовых импульсов генерирует последовательность электрических символов, частота которых задает тактовую частоту компьютера. Промежуток времени между соседними импульсами определяет такт работы машины.

Источник питания — это блок, содержащий системы автономного и сетевого питания компьютера.

Таймер - это внутримашинные электронные часы, обеспечивающие автоматический съем текущего момента времени. Таймер подключается к автономному источнику питания и при отключении компьютера от сети продолжает работать.

Внешние устройства компьютера обеспечивают взаимодействие машины с окружающей средой: пользователями, объектами управления и другими компьютерами.

Основными функциональными характеристиками персонального компьютера являются:

1) производительность, быстродействие, тактовая частота. внешних устройств. Производительность современных ЭВМ измеряют обычно в миллионах флопс (flops) в секунду;

2) разрядность микропроцессора и кодовых шин интерфейса. Разрядность — это максимальное количество разрядов двоичного числа, над которым одновременно может выполняться машинная операция, в том числе и операция передачи информации; чем больше разрядность, тем, при прочих равных условиях, будет больше и производительность ПК;

3) типы системного и локальных интерфейсов.

Разные типы интерфейсов обеспечивают разные скорости передачи информации между узлами машины, позволяют подключать разное количество внешних устройств и различные их виды;

4) емкость оперативной памяти.

Емкость оперативной памяти измеряется обычно в Мбайтах. Многие современные прикладные программы с оперативной памятью, имеющей емкость меньше 16 Мбайт, просто не работают, либо работают, но очень медленно;

5) емкость накопителя на жестких магнитных дисках (винчестера). Емкость винчестера измеряется обычно в Гбайтах;

6) наличие, виды и емкость кэш-памяти.

Кэш-память — это буферная, недоступная для пользователя быстродействующая память, автоматически используемая компьютером для ускорения операций с информацией, хранящейся в более медленно действующих запоминающих устройствах. Наличие кэш-памяти емкостью 256 Кбайт увеличивает производительность персонального компьютера примерно на 20%;

Вычислительные среды

В современном мире ИТ имеет место тенденция к интеграции описанных выше устройств и их локальных сетей в вычислительные среды – интегрированные распределенные компьютерные системы для решения задач в различных проблемных областях. Вычислительные среды подразделяются на следующие виды:

традиционные вычислительные среды – локальные и региональные сети, используемые в течение нескольких десятков лет;

Web-ориентированные вычислительные среды – вычислительные среды на основе Web-сервисов, характерные для настоящего времени, начиная с 1990-х гг.; к этому классу относятся и среды для облачных вычислений;

встроенные (embedded) вычислительные среды – вычислительные среды для специализированных устройств, например, сети микропроцессоров, встроенных в элементы линии электропередач.

Все эти виды вычислительных сред должны адекватно обслуживаться операционными системами, в чем и состоят ближайшие задачи их разработки.

Облачные вычисления и ОС для облачных вычислений

Облачные вычисления (сloud computing) являются одним из наиболее популярных направлений развития ИТ. "Облако" (cloud) – это уже десятки лет используемая метафора для изображения сервисов, предоставляемых через Интернет или другую коммуникационную сеть (например, через ATM-сеть). Облачные вычисления – модель вычислений, основанная на динамически масштабируемых (scalable) и виртуализованных ресурсах (данных, приложениях, ОС и др.), которые доступны и используются как сервисы через Интернет и реализуются с помощью высокопроизводительных центров обработки данных (data centers)

С точки зрения пользователей, существует совокупность "облаков" (общедоступные, корпоративных, частных и др.), предоставляемых различными компаниями, для использования мощных вычислительных ресурсов, которых нет у индивидуального пользователя. Как правило, "облачные" сервисы платные. Из бесплатных назовем Windows Live (http://www.live.com; см. лабораторную работу номер 6).

Недостаток облачных вычислений в том, что пользователь оказывается полностью зависимым от используемого им "облака" (в котором доступны используемые им данные и программы) и не может управлять не только работой "облачных" компьютеров, но даже резервным копированием своих данных. В связи с этим возникает целый ряд важных вопросов о безопасности облачных вычислений, сохранении конфиденциальности пользовательских данных и т.д.; далеко не все из них на данный момент решены.

Серьезной проблемой организации облачных вычислений с точки зрения аппаратуры центров обработки данных является экономия электроэнергии и проблема распределения загрузки, так как облачные вычисления в каждом центре обработки данных имеют (или в ближайшем будущем будут иметь) миллионы удаленных пользователей.

Наиболее популярная "облачная" платформа – Microsoft Windows Azure (облачная ОС) и Microsoft Azure Services Platform (реализованная на основе Microsoft.NET). Windows Azure можно рассматривать как "ОС в облаке". Пользователю нет необходимости беспокоиться о ее инсталляции на его компьютере, который может не иметь для этого необходимых ресурсов. Все, что требуется, это иметь Web-браузер и минимальный пакет надстроек (plug-ins) для запуска и использования через браузер облачных сервисов.

В настоящее время все крупные компании (Microsoft, IBM, HP, Dell, Oracle и др.) разрабатывают свои системы облачных вычислений; имеется тенденция к интеграции этих корпоративных систем в единое доступное пользователю "облако".

Набор для практики

Вопросы

Назовите основные возможности и особенности ОС для персональных компьютеров.

Какие внешние устройства используются для персональных компьютеров?

Что такое double bootable system и boot loader?

Что такое мультипроцессорная система?

Что такое тесно связанная компьютерная система?

Как организованы многоядерные компьютеры?

Каковы преимущества параллельных компьютерных систем?

В чем различие между симметричными и асимметричными мультипроцессорными системами?

Назовите основные разновидности компьютерных сетей.

Каковы основные виды серверов в клиент-серверных системах?

Назовите виды кластерных вычислительных систем.

В чем отличие hard real-time систем от soft real-time систем реального времени?

Каковы возможности и недостатки (ограничения) карманных и мобильных компьютерных систем и их ОС?

Назовите основные этапы развития операционных систем для каждой разновидности компьютеров (mainframes, миникомпьютеры и т.д.).

Назовите основные виды вычислительных сред.

Что такое облачные вычисления, в чем их возможности и недостатки?

Упражнения

Предложите и опишите желательную для Вас конфигурацию настольного офисного компьютера, на котором удобно было бы выполнять любые повседневные операции (объем памяти, быстродействие, объем жесткого диска, порты, внешние устройства).

Предложите оптимальную конфигурацию портативного компьютера (ноутбука), удобного для поездок и максимально компактного.

Имеется компьютер с четырехъядерным процессором. Предложите схему распределения его ядер для исполнения ОС, пользовательских программ, параллельных процессов и потоков.

Имеется 16-процессорный компьютер. Предложите схему реализации на этом компьютере параллельного алгоритма умножения двух матриц 4*4, с параллельным вычислением столбцов матрицы-результата.

В Вашем офисе для организации локальной сети имеются шесть компьютеров. Предложите распределение между ними необходимых серверных функций (файл-сервер, сервер электронной почты и др.).

Опишите желаемый минимальный набор портов и адаптеров для карманной вычислительной системы, удобный для сетевого взаимодействия, использования Интернета, взаимодействия с настольным компьютером.

На основе рассмотренной в лекции схемы развития ОС, попытайтесь предсказать ход развития операционных систем и инструментов для облачных вычислений – какие новые возможности появятся в них в ближайшие 3-5 лет?

Темы для курсовых работ, рефератов, эссе

Обзор ОС для персональных компьютеров (реферат).

Обзор ОС для карманных и мобильных компьютерных систем (реферат).

Обзор ОС и инструментальных средств для облачных вычислений (реферат).

Обзор параллельных компьютерных систем и их ОС (реферат).

Обзор клиент-серверных архитектур и видов серверов в современных распределенных системах (реферат).

Реализуйте локальную сеть из 6 имеющихся компьютеров с ОС Windows в офисе Вашей фирмы - практическая курсовая работа.

Найдите в Интернете бесплатные облачные сервисы (например, на сайте kaavo.com), подпишитесь на них, воспользуйтесь ими для решения какой-либо простой задачи (например, вычисления скалярного произведения двух векторов) и опишите свои впечатления и выводы - практическая курсовая работа.

Набор для практики

Вопросы

Назовите основные возможности и особенности ОС для персональных компьютеров.

Какие внешние устройства используются для персональных компьютеров?

Что такое double bootable system и boot loader?

Что такое мультипроцессорная система?

Что такое тесно связанная компьютерная система?

Как организованы многоядерные компьютеры?

Каковы преимущества параллельных компьютерных систем?

В чем различие между симметричными и асимметричными мультипроцессорными системами?

Назовите основные разновидности компьютерных сетей.

Каковы основные виды серверов в клиент-серверных системах?

Назовите виды кластерных вычислительных систем.

В чем отличие hard real-time систем от soft real-time систем реального времени?

Каковы возможности и недостатки (ограничения) карманных и мобильных компьютерных систем и их ОС?

Назовите основные этапы развития операционных систем для каждой разновидности компьютеров (mainframes, миникомпьютеры и т.д.).

Назовите основные виды вычислительных сред.

Что такое облачные вычисления, в чем их возможности и недостатки?

Упражнения

Предложите и опишите желательную для Вас конфигурацию настольного офисного компьютера, на котором удобно было бы выполнять любые повседневные операции (объем памяти, быстродействие, объем жесткого диска, порты, внешние устройства).

Предложите оптимальную конфигурацию портативного компьютера (ноутбука), удобного для поездок и максимально компактного.

Имеется компьютер с четырехъядерным процессором. Предложите схему распределения его ядер для исполнения ОС, пользовательских программ, параллельных процессов и потоков.

Имеется 16-процессорный компьютер. Предложите схему реализации на этом компьютере параллельного алгоритма умножения двух матриц 4*4, с параллельным вычислением столбцов матрицы-результата.

В Вашем офисе для организации локальной сети имеются шесть компьютеров. Предложите распределение между ними необходимых серверных функций (файл-сервер, сервер электронной почты и др.).

Опишите желаемый минимальный набор портов и адаптеров для карманной вычислительной системы, удобный для сетевого взаимодействия, использования Интернета, взаимодействия с настольным компьютером.

На основе рассмотренной в лекции схемы развития ОС, попытайтесь предсказать ход развития операционных систем и инструментов для облачных вычислений – какие новые возможности появятся в них в ближайшие 3-5 лет?

Темы для курсовых работ, рефератов, эссе

Обзор ОС для персональных компьютеров (реферат).

Обзор ОС для карманных и мобильных компьютерных систем (реферат).

Обзор ОС и инструментальных средств для облачных вычислений (реферат).

Обзор параллельных компьютерных систем и их ОС (реферат).

Обзор клиент-серверных архитектур и видов серверов в современных распределенных системах (реферат).

Реализуйте локальную сеть из 6 имеющихся компьютеров с ОС Windows в офисе Вашей фирмы - практическая курсовая работа.

Найдите в Интернете бесплатные облачные сервисы (например, на сайте kaavo.com), подпишитесь на них, воспользуйтесь ими для решения какой-либо простой задачи (например, вычисления скалярного произведения двух векторов) и опишите свои впечатления и выводы - практическая курсовая работа.

 

Лекция №6 (1-ый семестр)

Архитектура аппаратных и программных средств персональных компьютеров

Архитектура ЭВМ по Фон-Нейману, аппаратные и программные средства, оценка производительности компьютерной системы, классификация ЭВМ. Микропроцессоры и микроЭВМ. Сбор, обработка данных, управление объектом, передача данных на основе использования микроЭВМ.

 

Архитектура ЭВМ