Архітектура обчислювальної системи Класифікація комп ютерів
СОДЕРЖАНИЕ: Реферат з інформатики Архітектура обчислювальної системи. Класифікація компютерів Сукупність пристроїв, призначених для автоматичної або автоматизованої обробки інформації називаютьРеферат з інформатики
Архітектура обчислювальної системи. Класифікація компютерів
Сукупність пристроїв, призначених для автоматичної або автоматизованої обробки інформації називають обчислювальною технікою .
Конкретний набір, повязаних між собою пристроїв, називають обчислювальною системою .
Центральним пристроєм більшості обчислювальних систем є електронна обчислювальна машина (ЕОМ) або компютер.
Архітектура компютера
Компютер - це електронний пристрій, що виконує операції введення інформації, зберігання та оброблення її за певною програмою, виведення одержаних результатів у формі, придатній для сприйняття людиною. За кожну з названих операцій відповідають спеціальні блоки компютера:
· пристрій введення,
· центральний процесор,
· запамятовуючий пристрій,
· пристрій виведення.
Всі ці блоки складаються з окремих дрібніших пристроїв. Зокрема в центральний процесор можуть входити арифметико-логічний пристрій (АЛП), внутрішній запамятовуючий пристрій у вигляді регістрів процесора та внутрішньої кеш-памяті, керуючий пристрій (КП). Пристрій введення, як правило, теж не є однією конструктивною одиницею. Оскільки види інформації, що вводиться, різноманітні, джерел може бути декілька. Це стосується і пристрою виведення.
Запамятовуючий пристрій - це блок ЕОМ, призначений для тимчасового (оперативна память) та тривалого (постійна память) зберігання програм, вхідних і результуючих даних та деяких проміжних результатів. Інформація в оперативній памяті зберігається тимчасово лише при включеному живленні, але оперативна память має більшу швидкодію. В постійній памяті дані можуть зберігатися навіть при вимкненому компютері, проте швидкість обміну даними між постійною памяттю та центральним процесором, у переважній більшості випадків, значно менша.
Арифметико-логічний пристрій - це блок ЕОМ, в якому відбувається перетворення даних за командами програми: арифметичні дії над числами, перетворення кодів та ін.
Керуючий пристрій координує роботу всіх блоків компютера. У певній послідовності він вибирає з оперативної памяті команду за командою. Кожна команда декодується, за потреби елементи даних з указаних в команді комірок оперативної памяті передаються в АЛП. АЛП настроюється на виконання дії, вказаної поточною командою (в цій дії можуть брати участь також пристрої введення-виведення); дається команда на виконання цієї дії.
Цей процес буде продовжуватися доти, доки не виникне одна з наступних ситуацій: вичерпано вхідні дані, з одного з пристроїв надійшла команда на припинення роботи, вимкнено живлення компютера.
Описаний принцип побудови ЕОМ носить назву архітектури фон Неймана - американського вченого угорського походження Джона фон Неймана, який її запропонував.
Сучасну архітектуру компютера визначають також такі принципи:
· Принцип програмного керування . Забезпечує автоматизацію процесу обчислень на ЕОМ. Згідно з цим принципом, запропонованим англійським математиком Ч.Беббіджем у 1833 р., для розвязання кожної задачі складається програма, що визначає послідовність дій компютера. Ефективність програмного керування є високою тоді, коли задача розвязується за тією самою програмою багато разів (хоч і за різних початкових даних).
· Принцип програми, що зберігається в памяті . Згідно з цим принципом, сформульованим Дж. фон Нейманом, команди програми подаються, як і дані, у вигляді чисел й обробляються так само, як і числа, а сама програма перед виконання завантажується в оперативну память. Це прискорює процес її виконання.
· Принцип довільного доступу до памяті . Згідно з цим принципом, елементи програм та даних можуть записуватися у довільне місце оперативної памяті. Довільне місце означає можливість звернутися до будь-якої заданої адреси (до конкретної ділянки памяті) без перегляду попередніх.
На підставі цих приниців можна стверджувати, що сучасний компютер - технічний пристрій, який після введення в память початкових даних у вигляді цифрових кодів і програми їх обробки, вираженої також цифровими кодами, здатний автоматично здійснити обчислювальний процес, заданий програмою, і видати готові результати розвязання задачі у формі придатній для сприйняття людиною.
Реальна структура компютера значно складніша, ніж розглянута вище (її можна назвати логічної структурою). У сучасних компютерах, зокрема персональних, все частіше здійснюється відхід від традиційної архітектури фон Неймана, зумовлений прагненням розробників та користувачів до підвищення якості та продуктивності компютерів. Якість ЕОМ характеризується багатьма показниками. Це і набір команд, які компютер здатний розуміти, і швидкість роботи (швидкодія) центрального процесора, кількість периферійних пристроїв введення-виведення, які можна приєднати до компютера одночасно і т.д. Головним показником є швидкодія - кількість операцій, яку процесор здатний виконати за одиницю часу. На практиці корситувача більше цікавить продуктивність компютера - показник його ефективної швидкодії, тобто здатності не просто швидко функціонувати, а швидко розвязувати конкретні поставлені задачі.
Як результат, всі ці та інші фактори спричинили принципове і конструктивне вдосконалення елементної бази компютерів, тобто створення нових, більш швидких, надійних і зручних у роботі процесорів, запамятовуючих пристроїв, пристроїв введення-виведення і т.д. Проте, слід усвідомлювати, що швидкість роботи елементів неможливо збільшувати безмежно (існують сучасні технологічні обмеження та обмеження, зумовлені фізичними законами). Тому розробники компютерної техніки шукають вирішення цієї проблеми вдосконаленням архітекутри ЕОМ.
Так, зявилися компютери з багатопроцесорною архітектурою , в яких кілька процесорів працюють одночасно, а це означає, що продуктивність такого компютера дорівнює сумі продуктивностей процесорів. У потужних компютерах, призначених для складних інженерних розрахунків і систем автоматизованого проектування (САПР), часто встановлюють два або чотири процесори. У надпотужних ЕОМ (такі машини можуть, наприклад, моделювати ядерні реакції в режимі реального часу, передбачати погоду в глобальному масштабі) кількість процесорів досягає кількох десятків.
Швидкість роботи компютера істотно залежить від швидкодії оперативної памяті . Тому постійно ведуться пошуки елементів для оперативної памяті, які потребували б якомога менше часу на операції читання-запису. Але разом із швидкодією зростає вартість елементів памяті, тому нарощення швидкодійної оперативної памяті потрібної ємності не завжди прийнятна економічно.
Проблема вирішується побудовою багаторівневої памяті.
Оперативна память складається з двох-трьох частин: основна частина великої ємності будується на відносно повільних (більш дешевих) елементах, а додаткова (так звана кеш-память) складається зі швидкодійних елементів. Дані, до яких процесор звертається найчастіше містяться в кеш-памяті, а більший обсяг оперативної інформації зберігається в основній памяті.
Раніше роботою пристроїв введення-виведення керував центральний процесор, що займало в нього чимало часу. Архітектура сучасних компютерів передбачає наявність каналів прямого доступу до оперативної памяті для обміну даними з пристроями введення-виведення без участі центрального процесора, а також передачу більшості функцій керування периферійними пристроями спеціалізованим процесорам, що розвантажує центральний процесор і підвищує його продуктивність.
Методи класифікації компютерів.
Номенклатура видів компютерів на сьогодні величезна: машини розрізняються за призначенням, потужністю, розмірами, елементною базою і т.д. Тому класифікують ЕОМ за різними ознаками. Слід зауважити, що будь-яка класифікація є певною мірою умовна, оскільки розвиток компютерної науки і техніки настільки стрімкий, що, наприклад, сьогоднішня мікро-ЕОМ не поступається за потужністю міні-ЕОМ пятирічної давності і навіть суперкомпютерам віддаленішого минулого. Крім того, зарахування компютерів до певного класу досить умовне як через нечіткість розмежування груп, так і в наслідок впровадження в практику замовного складання компюерів, коли номенклатуру вузлів і конкретні моделі їх адаптують до вимог замовника. Розглянемо найбільш поширені критерії класифікації компютерів.
Класифікація за призначенням
· великі електронно-обчислювальні машини (ЕОМ);
· міні ЕОМ;
· мікро ЕОМ;
· персональні компютери.
Великі ЕОМ (Main Frame)
Застосовують для обслуговування великих галузей народного господарства.
Вони характеризуються 64-розрядними паралельно працюючими процесорами (кількість яких досягає до 100), інтегральною швидкодією до десятків мільярдів операцій за секунду, багатокористувацьким режимом роботи.
Домінуюче положення у випуску компютерів такого класу займає фірма IBM (США).
На базі великих ЕОМ створюють обчислювальний центр, що містить декілька відділів або груп. Штат обслуговування - десятки людей.
Центральний процесор - основний блок ЕОМ, у якому відбувається обробка даних і обчислення результатів. Уявляє собою декілька системних блоків в окремій кімнаті, де підтримується постійна температура та вологість повітря.
Група системного програмування - займається розробкою, відлагодженням і втіленням програмного забезпечення, потрібного для функціонування обчислювальної системи. Системні програми забезпечують взаємодію програм з обладнанням, тобто програмно-апаратний інтерфейс обчислювальної системи.
Група прикладного програмування - займається створенням програм для виконання конкретних дій з даними, тобто забезпечення користувацького інтерфейсу обчислювальної системи.
Група підготовки даних - займається підготовкою даних, які будуть опрацьовані на прикладних програмах, створених прикладними програмістами.
Зокрема, це набір тексту, сканування зображень, заповнення баз даних.
Група технічного забезпечення - займається технічним обслуговуванням всієї обчислювальної системи, ремонтом та налагодженням апаратури, підєднанням нових пристроїв.
Група інформаційного забезпечення - забезпечує технічною інформацією всі підрозділи обчислювального центру, створює і зберігає архіви розроблених програм (бібліотеки програм) та накопичених даних (банки даних).
Відділ видачі даних - отримує дані від центрального процесора і перетворює їх у форму, зручну для замовника (роздрук).
Великим ЕОМ притаманна висока вартість обладнання та обслуговування, тому робота організована у неперервний цикл.
Міні ЕОМ
Подібна до великих ЕОМ, але менших розмірів. Використовують у великих підприємствах, наукових закладах і установах. Часто використовують для керування виробничими процесами. Характеризуються мультипроцесорною архітектурою, підключенням до 200 терміналів, дисковими запамятовуючими пристроями, що нарощуються до сотень гігабайт, розгалуженою периферією.
Для організації роботи з мініЕОМ, потрібен обчислювальний центр, але менший ніж для великих ЕОМ.
МікроЕОМ
Доступні багатьом установам. Для обслуговування достатньо обчислювальної лабораторії у складі декількох чоловік, з наявністю прикладних програмістів. Необхідні системні програми купуються разом з мікроЕОМ, розробку прикладних програм замовляють у великих обчислювальних центрах або спеціалізованих організаціях.
Програмісти обчислювальної лабораторії займаються втіленням придбаного або замовленого програмного забезпечення, виконують його налаштування і узгоджують його роботу з іншими програмами та пристроями компютера.
Можуть вносити зміни в окремі фрагменти програмного та системного забезпечення.
Персональні компютери
Бурхливий розвиток набули в останні 20 років. Персональний компютер (ПК) призначений для обслуговування одного робочого місця і спроможний задовольнити потреби малих підприємств та окремих осіб. З появою Інтернету популярність зросла значно вище, оскільки за допомогою персонального компютера можна користуватись науковою, довідковою, учбовою та розважальною інформацією.
Персональні компютери умовно можна поділити на професійні та побутові , але в звязку із здешевленням апаратної частини, межі між нами розмиваються. З 1999 року задіяний міжнародний сертифікаційний стандарт - специфікація РС99:
· масовий персональний компютер (Consumer PC)
· діловий персональний компютер (Office PC)
· портативний персональний компютер (Mobile PC)
· робоча станція (WorkStation)
· розважальний персональний компютер (Entertaiment PC)
Більшість персональних компютерів на ринку підпадають до категорії масових ПК. Ділові ПК - мають мінімум засобів відтворення графіки та звуку. Портативні ПК відрізняються наявністю засобів зєднання віддаленого доступу (компютерний звязок). Робочі станції - збільшені вимоги до пристроїв збереження даних. Розважальні ПК - основний акцент до засобів відтворення графіки та звуку.
Класифікація по рівню спеціалізації
· універсальні;
· спеціалізовані.
На базі універсальних ПК можна створити будь-яку конфігурацію для роботи з графікою, текстом, музикою, відео тощо. Спеціалізовані ПК створені для рішення конкретних задач, зокрема, бортові компютери у літаках та автомобілях. Спеціалізовані мініЕОМ для роботи з графікою (кіно- відеофільми, реклама) називаються графічними станціями. Спеціалізовані компютери, що обєднують компютери у єдину мережу, називаються файловими серверами. Компютери, що забезпечують передачу інформації через Інтернет,
називаються мережними серверами.
Класифікація за розміром
· настільні (desktop);
· портативні (notebook);
· кишенькові (palmtop).
Найбільш поширеними є настільні ПК, які дають змогу легко змінювати конфігурацію. Портативні зручні для користування, мають засоби компютерного звязку. Кишенькові моделі можна назвати „інтелектуальними” записниками, дозволяють зберігати оперативні дані і отримувати швидкий
доступ.
Класифікація за сумісністю
Існує безліч видів і типів компютерів, що збираються з деталей, які виготовлені різними виробниками. Важливим є сумісність забезпечення компютера:
· апаратна сумісність (платформа IBM PC та Apple Macintosh)
· сумісність на рівні операційної системи;
· програмна сумісність;
· сумісність на рівні даних.