Информатика в современном научном знании

Информация любого типа хранится в виде файлов, выступающих в роли логически завершенных совокупностей данных.

Для пользователя файл является основным и неделимым элементом хранения данных, который можно найти, изменить, удалить, сохранить или переслать, но только целиком. С физической точки зрения, файл - это всего лишь последовательность байтов. Способ использования или отображения этой последовательности определяется типом файла - текстовый, звуковой, исполняемый модуль программы и т.п.

Для хранения различных видов информации необходимо использовать по-разному устроенные файлы. Способ организации данных (структура файла) называется форматом.

Файловая система - это часть ОС компьютера и поэтому всегда несет на себе отпечаток свойств конкретной ОС. Некоторые форматы файлов стандартизированы и должны поддерживаться любой ОС и работающими в ней приложениями (например, графические файлы .GIF или JPEG). Наряду с этим всегда имеются форматы, специфичные только для данной системы (например, исполняемые файлы MS DOS или Windows). Есть форматы, разработанные для конкретных приложений, работающих под управлением данной ОС (например, формат .xls, используемый MS Excel). В некоторых случаях при разработке приложений программистам приходится создавать новые форматы.

Структура файла может быть простой. Например, текст может сохраняться в виде последовательности байтов, прямо соответствующих формату ASCII. Но в большинстве случаев вместе с данными приходится сохранять и дополнительную информацию. Например, особенности форматирования текста (размеры символов, шрифты и т.п.). Процесс форматирования можно рассматривать, как процедуру придания некоторых свойств фрагменту текста. Поэтому, для сохранения форматирования нужно иметь два типа кодов, для обозначения блока текста, к которому применяется форматирование, и для указания свойства (типа форматирования).

Если система служебных кодов определена, то для сохранения текста требуется вставка в него управляющих символов. Например, надо сохранить таблицу из шести чисел, имеющую две строки и три столбца (2 х 3):

4	1	8
2	5	11

Для хранения чисел используются ячейки фиксированного размера (например, два байта). Поэтому, если в файл записано 6 чисел, то при чтении данных из него нужно извлечь шесть раз по 2 байта. Т.к. память ПК линейна, то возникает задача, как сохранить не только сами числа, но и структуру таблицы. Очевидно, что если таблица запоминается построчно, то основным параметром, определяемым ее вид, является количество чисел в строке (т.е. количество столбцов). Поэтому, договариваемся, что первое число в файле - это длина строки таблицы, затем записывается количество строк, а далее построчно сохраняются числовые элементы таблицы. Тип данных, представляющий их, также должен быть оговорен. Число строк необходимо запомнить, чтобы знать, где остановиться при чтении информации. Таблица может быть записана в файл в виде следующей последовательности:

3	2	4	1	8	2	5	11

Сформулированными правилами должна будет пользоваться не только программа, сохраняющая таблицу, но и любая другая, которой потребуется прочесть данные из таблицы, т.к. формат файла определяет способ правильной интерпретации хранимых данных. Размещение в начале файла блока служебной информации часто используется в многочисленных форматах, например, в файлах баз данных или графических данных.

Заголовок (служебная информация)	Собственно сохраняемые данные

Часто заголовок файла включает идентификатор формата файла. Программы, предназначенные для просмотра файлов определенного типа, начинают работу с чтения служебной информации и проверки возможности восприятия формата файла.

Современные программные системы позволяют одновременно включать в файл данные разных видов, а это требует разработки очень сложных форматов. Придумать простой формат, который позволил бы хранить множество видов данных вместе, невозможно. Поэтому, например, для хранения документов в MS Office строятся так называемые структурированные хранилища - фактически файловые системы, спрятанные в одном файле. Наличие разных форматов для хранения данных одного и того же типа затрудняет переносимость их из среды одного приложения (программы) в среду другого. Проблема обычно решается использованием специальных программ, называемых конверторами.

1.6 Понятие о методах сжатия информации

Два типа методов сжатия данных и области их применения

С моделями представления информации тесно связана еще одна проблема - сжатие информации.

При архивировании и передаче по каналам связи объем информации является основным параметром. Поэтому модели представления дополняются процедурами сжатия, т.е. плотной упаковкой информации.

Применяются два типа алгоритмов сжатия: сжатие с изменением структуры данных (оно происходит без потери данных) и сжатие с частичной потерей данных. Алгоритмы первого типа предусматривают две операции: сжатие информации для хранения или передачи и восстановление данных точно в исходном виде, когда их требуется использовать. Такой тип сжатия применяется для текстов (алгоритмы Хафмана, Keyword encoding и Лемпеля - Зива). Алгоритмы второго типа не позволяют полностью восстановить оригинал и применяются для сжатия графики или звука; для текстовых, числовых данных или программ они не применяются.

1.7 Основные этапы развития вычислительной техники

1.7.1 История развития средств ВТ

Слово «компьютер» означает «вычислитель», т.е. устройство для вычислений. Потребность в автоматизации обработки данных, в том числе и вычислений, возникла очень давно. Многие тысячи лет назад для счета использовались пальцы, счетные палочки, камешки, веревки с узелками. Более 1500 лет назад для вычислений стали использовать абак (разновидностью которого являются русские счеты).

В 1642 г. Блэз Паскаль изобрел устройство, механически выполняющее сложение чисел, а в 1673 г. Готфрид Вильгельм Лейбниц сконструировал арифмометр, позволяющий механически выполнять четыре арифметических действия. Начиная с XIX в. арифмометры получили очень широкое применение. На них выполняли даже артиллерийской стрельбы. Существовала и специальная профессия - счетчик - человек, работающий с арифмометром, быстро и точно соблюдающий определенную последовательность инструкций (такая последовательность инструкций получила название «программа»). Но многие расчеты производились медленно - даже десятки счетчиков должны были работать несколько недель и месяцев. Причина проста - при таких расчетах выбор выполняемых действий и запись результатов производились человеком, а скорость его работы весьма ограничена.

В первой половине XIX в. английский математик Чарльз Бэббидж попытался построить универсальное вычислительного устройство - аналитическую машину - которая должна была выполнять вычисления без участия человека. Для этого она должна была уметь исполнять программы, вводимые с помощью перфокарт (карт из плотной бумаги с информацией, наносимой с помощью отверстий, которые придумал Жакард, они в то время уже широко употреблялись в ткацких станках), и иметь «склад» для запоминания данных и промежуточных результатов (память). Бэббидж не смог довести до конца работу по созданию аналитической машины - она оказалась слишком сложной для техники того времени. Однако, он разработал все основные идеи. В 1943 г. американец Говард Эйкен с помощью работ Бэббиджа на основе электромеханических реле смог построить на одном из предприятий фирмы IBM такую машину под названием «Марк-1». Еще раньше идеи Бэббиджа были переоткрыты немецким инженером Конрадом Цузе, который в 1941 г. построил аналогичную машину.

К тому времени, потребность в автоматизации вычислений (в том числе и для военных нужд - баллистики, криптографии) уже стала настолько велика, что над созданием машин подобного типа одновременно работало несколько групп исследователей. Начиная с 1943 г. группа специалистов под руководством Джона Мочли и Преспера Экерта в США начала конструировать машину уже на основе электронных ламп, а не реле. Их машина, названная ENIAC, работала в тысячу раз быстрее, чем «Марк-1», однако для задания программы приходилось в течение нескольких часов или даже дней подсоединять нужным образом провода. Чтобы упростить процесс задания программы, Мочли и Экерт стали конструировать машину, которая бы могла хранить программу в своей памяти. В 1945 г. к работе был привлечен знаменитый математик Джон фон Нейман, который подготовил доклад об этой машине, в котором ясно и просто сформулировал общие принципы функционирования универсальных вычислительных устройств, и разослал его многим ученым.

Первый компьютер, в котором были воплощены принципы фон Неймана, был построен в 1949 г. английским исследователем Морисом Уилксом.

1.7.2 Эволюция ЭВМ

В развитии вычислительной техники принято выделять пять поколений ЭВМ.

§ ЭВМ 1 поколения. ЭВМ, элементной базой которой являлись лампы. Она обладала малым быстродействием и объемом памяти, неразвитой операционной системой, программированием на машинном языке. Использовалась в 50-е годы («Урал», БЭСМ).

§ ЭВМ II поколения. ЭВМ, элементной базой которой являются полупроводники. Она имеет изменяемый состав внешних устройств, использует языки программирования высокого уровня и принцип библиотечных программ. Наиболее большое применение нашла в 60-е годы (БЭСМ-6, М-220, «Минск-32», «Весна»).

§ ЭВМ III поколения. ЭВМ, характерными признаками которой являются интегральная элементная база, развитая конфигурация внешних устройств с использованием стандартных средств сопряжения, высокое быстродействие и большой объем основной и внешней памяти, развитая операционная система, обеспечивающая работу в мультипрограммном режиме. Появление первых ЭВМ этого поколения относится к началу 70-х годов (ЕС ЭВМ, СМ ЭВМ, IBM).

§ ЭВМ IV поколения. ЭВМ, характерными признаками которой являются элементная база на основе больших интегральных схем (БИС), виртуальная память, многопроцессорность, параллелизм выполнения операций, развитые средства диалога. Появилась в середине 80-х годов («Эльбрус-2», ПЭВМ ЕС1841, ЕС1842, IBM PC).

§ ЭВМ V поколения. ЭВМ, характерными признаками которой являются использование в качестве элементной базы сверхбольших интегральных схем (СБИС), применение принципа «управления потоками данных» (в отличие от принципа фон Неймана «управление потоками команд»), использование новых решений в архитектуре вычислительной системы и принципов искусственного интеллекта.

2. Аппаратные реализации информационных процессов

2.1 Понятие вычислительной системы

2.1.1 Компьютеры, как системы обработки информации

Изыскание средств и методов механизации и автоматизации работ - одна из основных задач технических дисциплин. Автоматизация работ с данными имеет свои особенности и отличия от автоматизации других типов работ. Для этого класса задач используют особые виды устройств, большинство из которых являются электронными приборами. Совокупность устройств, предназначенных для автоматической или автоматизированной обработки данных, называют вычислительной техникой. Конкретный набор взаимодействующих между собой устройств и программ, предназначенный для обслуживания одного рабочего участка, называют вычислительной системой. Центральным устройством большинства вычислительных систем является компьютер.

2.1.2 Представление информации в технических устройствах

В основу любого устройства, предназначенного для преобразования или хранения информации, должен быть положен принцип ее представления, то есть ее физический носитель.

Вычислительные устройства, использующие непрерывную форму представления информации, называются аналоговыми вычислительными машинами (АВМ). Вычислительные устройства, использующие дискретную форму представления, называются цифровыми вычислительными машинами (ЦВМ).

В настоящее время устройства, использующие непрерывный способ представления информации, вытесняются более прогрессивными цифровыми устройствами, даже из таких традиционно «аналоговых» областей, как телевидение и телефония. Развитие вычислительных систем, начавшееся преимущественно с АВМ, постепенно перешло к ЦВМ и к середине 70-гг. прошлого столетия ЦВМ полностью вытеснили АВМ.

АВМ имели блочную структуру, т.е. представляли собой систему связанных между собой базовых элементов. Связи между базовыми элементами, их состав и количество изменялись для каждой задачи. В качестве базового элемента использовался операционный усилитель (рис. 2.1.1.):

Рис. 2.1.1. Операционный усилитель

В качестве элементов используются радиоэлектронные компоненты: резисторы, конденсаторы, индуктивности. В зависимости от типов элементов, базовый элемент может производить сложение, интегрирование, дифференцирование и некоторые другие операции над входными напряжениями (U_вх1, …, U_вхn), результат операции снимается в виде выходного напряжения (U_вых).

ЦВМ имеют гораздо более высокую сложность аппаратной и программной реализации. Информация в них имеет определенные границы представления, т.е. точность представления информации конечна. Для расширения границ представления необходимо увеличивать аппаратную часть или увеличивать время обработки. Основными достоинствами ЦВМ являются:

- Гарантированная точность результата, зависящая только от границ представления данных;

- Универсальность - способность обрабатывать данные любыми методами, представляемыми последовательностью простых арифметических и логических операций;

- Возможность реализации большого числа известных численных, математических методов решения задач.

2.1.3 Физические и логические принципы работы компьютера. Базовые логические операции. Принцип выполнения программ

Люди, далекие от техники, часто смотрят на ЭВМ и др. цифровые электронные устройства, как на нечто таинственное и непостижимое. Тем не менее, все эти устройства работают в строгом соответствии с четкими логическими законами. Знание и понимание этих законов помогает в общении с компьютером.

В основе всех выводов компьютера лежат три основные операции: «И», «ИЛИ», «НЕ». Иногда эти операции называют «тремя китами машинной логики».

При записи логических выражений используется специальный язык, который принят в машинной логике. Основоположником мат. Логики является великий немецкий математик Готфрид Вильгельм Лейбниц. Он сделал попытку построить универсальный язык, с помощью которого споры между людьми можно было бы разрешать посредством вычислений. На заложенном Лейбницем фундаменте ирландский математик Джордж Буль построил здание новой науки - математической логики (Алгебры логики), которая в отличие от обычной алгебры оперирует не числами, а высказываниями. В честь Д. Буля логические переменные в языке программирования Паскаль в последствии назвали булевскими.

Высказывание- это любое утверждение, относительно которого можно сказать истинно оно или ложно, т.е. соответствует оно действительности или нет. Таким образом, по своей сути высказывания фактически являются двоичными объектами и поэтому часто истинному значению высказывания ставят в соответствие 1,а ложному - 0. Например, запись А=1 означает, что высказывание А - истинно.

Высказывания могут быть простыми и сложными. Простые -соответствуют алгебраическим переменным, а сложные являются аналогом алгебраических функций. Функции могут получаться путем объединения перемещенных с помощью логических действий.

Самой простой логической операцией является операция «НЕ» (по другому её часто называют отрицанием, дополнением или инверсией и обозначают NOT X). Результат отрицания всегда противоположен значению аргумента. Логическая операция «НЕ» является унарной, т.е. имеет всего один операнд. В отличие от «НЕ», операции «И» (AND) и «ИЛИ» (OR) являются бинарными, т.к. представляют собой результат действий над двумя логическими величинами.

Логическое «И» ещё часто называют конъюнкцией, или логическим умножением, а «ИЛИ» - дизъюнкцией, или логическим сложением. Часто в ВТ используют дополнительную логическую операцию “исключающее ИЛИ”(X XOR Y), которая отличается от «ИЛИ» только при X=1, Y=1.

Таблица 7

X	NOT X
0	1
1	0

Таблица 8

X	Y	X and Y	X or Y	X xor Y
0	0	0	0	0
0	1	0	1	1
1	0	0	1	1
1	1	1	1	0

Операция «И» имеет результат “истина” только в том случае, если оба операнда истинны.

Операция «ИЛИ» “менее привередлива” к исходным данным. Она дает “истину” если значение “истина” имеет хотя бы один из операндов. В случае, когда справедливы оба аргумента одновременно, результат также истинный. В таблицах истинности указаны все возможные комбинации логических переменных Х и У, а также соответствующие им результаты операций. Таблица истинности может рассматриваться в качестве одного из способов задания логической функции. Операции «И», «ИЛИ», «НЕ» образуют полную систему логических операций, из которых можно построить сколь угодно сложное логическое выражение.

Обработка информации в ЭВМ происходит путём последовательного выполнения элементарных операций. К ним относятся: установка - запись в операционный элемент(например, регистр) двоичного кода: прием- передача (перезапись) кода из одного элемента в другой; сдвиг- изменение положения кода относительно исходного; преобразование- перекодирование; сложение- арифметическое сложение или целых двоичных чисел- некоторые другие. Для выполнения каждой из этих операций сконструированы электронные узлы, являющиеся основными узлами цифровых вычислительных машин- регистры, счетчики, сумматоры, преобразователи кодов и т.д.

В основе каждой из элементарных операций лежит некоторая последовательность логических действий. Например, операция сложения двух чисел: 3+6. Имеем: 011 +110 = 1011

На каждом элементарном шаге двум двоичным цифрам сопоставляется двоичное число (одно или двухзначное) по правилам: (0;0) 0, (0;1) 1, (1;0) 1, (1;1) 10. Таким образом, сложение цифр можно описать логической бинарной функцией. Если дополнить это логическим правилом переноса единицы в старший разряд, то сложение полностью сведется к цепочке логических операций.

Рассмотрим условные обозначения базовых логических элементов.

Простейшие логические элементы можно реализовать аппаратно. Это означает, что можно создать электронные устройства на транзисторах, резисторах и т.п, каждая из которых имеет один или два входа для подачи управляющих напряжений и один выход, напряжение на котором определяется таблицей истинности. На практике логическому ”да” (”истина”, или цифра 1) соответствует наличие напряжения, логическому “нет” (”ложь”, или цифра 0) - его отсутствие.

Рис. 2.1.2.

В качестве примера применения логических элементов в ВТ возьмем устройство, называющееся сумматором. Его назначение - нахождение суммы двух двоичных чисел. Рассмотрим простейшее устройство, являющееся звеном сумматора - полусумматор - реализующий сложение двух одноразрядных двоичных чисел, которые обозначим А и В. В результате получается двухразрядное двоичное число. Его младшую цифру обозначаем S, а старшую, которая при сложении многоразрядных чисел будет перенесена в старший разряд, через Со (от английского Carry out-”выходной перенос”).

Обе цифры можно получить по следующим логическим формулам:

S= (* B) + (A* ); Co = A* B.

Черта над символом обозначает операцию NOT.

Это легко проверить перебором всех четырех возможных случаев сочетания значений А и В, по таблице.

Таблица 8 истинности для полусумматора.

A	B	S	Co
0	0	0	0
0	1	1	0
1	0	1	0
1	1	0	1

Мысленно объединим столбцы А, В и Со. Полученная таблица напоминает базовый элемент «И».

Аналогично сравнив первые три столбца A, B и S с таблицей истинности для рассмотренных логических элементов, обнаружением подходящий для наших целей элемент «исключающее ИЛИ”. Таким образом, для реализации полусумматора достаточно соединить параллельно входы двух логических элементов.

Б

Рис. 2.1.3 Логическая схема полусумматора: А) с использованием лишь базовых логических элементов; Б) с использованием “исключающего ИЛИ”.

При построении функциональных узлов КС используются элементы, которые реализуют базовую систему логических функций. Одним из таких базовых наборов является набор из трех функций: дизъюнкции (логическое ИЛИ), конъюнкции (логическое И) и отрицание (логическое НЕ). На рис. 2.1.4. показаны условные обозначения и значения выходного сигнала в зависимости от входных сигналов. Ноль изображается на диаграммах низким значением сигнала, а единица - высоким. Используя эти базовые элементы, строятся все функциональные узлы ЦВМ.

Рис. 2.1.4. Базовая система логических элементов цифровых устройств

2.1.3 Функциональные узлы компьютерной системы

Элемент памяти

Основой любого компьютера является ячейка памяти, которая может хранить данные или команды. Основой любой ячейки памяти является функциональное устройство, триггер (или защелка), которое может по команде принять или выдать один двоичный бит, а, главное, сохранять его. Триггер строится на основе базового набора логических схем (рис. 2.1.3.).

Рис. 2.1.5. Схема триггера в состоянии хранения бита информации.

1 и 2 - это два элемента «логическое НЕ», 3 и 4 - два элемента «логическое И-НЕ», которые представляют собой комбинацию логических элементов «И» и «НЕ». Такой элемент на входе выполняет операцию логического умножения, результат которой инвертируется на выходе логическим отрицанием. Триггер имеет два выхода Q и . Сигнал на выходе Q соответствует значению, хранящемуся в триггере. Выход используется для получения инверсного значения сигнала. Входы S и R предназначены для записи в триггер одного бита со значением 0 или 1.

Для записи в триггер 1 на вход S подается 1 (рис.2.1.4.). На выходе схемы 1 получится 0, который обеспечит на выходе схемы 3 единицу. С выхода схемы 3 единица поступит на вход схемы 4, на выходе которой значение изменится на ноль ( =0). Этот ноль на входе схемы 3 будет поддерживать сигнал на выходе в состоянии единицы. Теперь можно снять единичный сигнал на входе S, на выходе схемы 3 все равно будет высокий уровень, т.е. триггер сохраняет записанную в него 1. Единичный сигнал на входе 3 необходимо удерживать некоторое время, пока на выходе схемы 4 не появится нулевой сигнал. Затем на входе S вновь устанавливается нулевой сигнал, но триггер поддерживает единичный сигнал на выходе Q, т.е. сохраняет записанную в него единицу. Точно также, подав единичный сигнал на вход R, можно записать в триггер ноль.

Рис. 2.1.6. Запись в триггер единицы.

Регистры

Триггер служит основой для построения функциональных узлов, способных хранить двоичные числа, осуществлять их синхронную параллельную передачу и запись, а также выполнять с ними некоторые специальные операции. Такие функциональные узлы называются регистрами.

Регистр - это набор триггеров, число которых определяет разрядность регистра. Разрядность регистра кратна восьми битам: 8-, 16-, 32-, 64- разрядные регистры. Кроме этого, в состав регистра входят схемы управления его работой.

Рис. 2.1.7. Условное обозначение триггера.

Регистр содержит n триггеров, образующих n разрядов (рис. 2.1.8.). Перед записью информации регистр обнуляется подачей единичного сигнала на вход «сброс». Запись информации в регистр производится синхронно подачей единичного сигнала «Запись». Этот сигнал открывает входные вентили (схемы «логическое И»), и на тех входах x₁, …, x_n, где присутствует единичный сигнал, произойдет запись единицы. Чтение информации из регистра также производится синхронно, подачей сигнала «Чтение» на выходные вентили. Обычно регистры содержат дополнительные схемы, позволяющие организовать такие операции, как сдвиг информации (регистр сдвига) и подсчет поступающих единичных сигналов (регистры счетчики).

2.1.4 Понятие архитектуры вычислительной системы

Под архитектурой ЭВМ понимают, прежде всего, основные устройства и блоки ЭВМ, а также структуру связей между ними. С точки зрения архитектуры представляют интерес лишь те связи и принципы, которые являются наиболее общими, присущими многим конкретным реализациям вычислительных систем. Именно, то общее, что есть в строении ЭВМ, и относится к понятию архитектуры. С точки зрения архитектуры важны только те сведения о построении ЭВМ, которые могут как-то использоваться при программировании и «пользовательской» работе с ЭВМ.



Рис. 2.1.8. Схема n- разрядного регистра хранения с синхронной записью и чтением

Наиболее общие принципы построения ЭВМ, которые относятся к архитектуре:

- Структура памяти ЭВМ;

- Способы доступа к памяти и внешним устройствам;

- Возможность изменения конфигурации компьютера;

- Система команд;

- Форматы данных;

- Организация интерфейса.

Обобщая вышесказанное, можно сказать: «Архитектура ЭВМ - наиболее общие принципы построения ЭВМ, реализующие управления работой и взаимодействием ее функциональных устройств.

2.1.5 Классическая архитектура ЭВМ и принципы фон Неймана

Основы учения об архитектуре вычислительных машин заложил великий американский ученый Джон фон Нейман. Он подключился к созданию первой ламповой ЭВМ ENIAC, когда ее конструкция была уже выбрана. Фон Нейман высказал идею принципиально новой ЭВМ. Вместе со своими коллегами Г. Голдстайном и А. Берксом фон Нейман обосновал использование двоичной системы для представления чисел (раньше все вычислительные машины хранили обрабатываемые числа в десятичном виде). Они продемонстрировали преимущества двоичной системы для технической реализации, удобство и простоту выполнения в ней арифметических и логических операций.

Еще одной, поистине революционной идеей, является предложенный фон Нейманом принцип «хранимой программы». Он первый догадался, что программа может также храниться в виде набора нулей и единиц в той же памяти, что и обрабатываемые числа. Отсутствие принципиальной разницы между программой и данными дало возможность ЭВМ самой формировать для себя программу в соответствии с результатами вычислений.

Рис.2.1.9. Архитектура ЭВМ, построенной на принципах фон Неймана.

Сплошные линии со стрелками указывают направление потоков информации, пунктирные - управляющих сигналов от процессора к остальным устройствам.

Фон Нейман, кроме основополагающих принципов логического устройства ЭВМ, предложил также ее структуру, которая воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ. Основными блоками по Нейману являются устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ) (в последствии объединенные в центральный процессор), память, внешняя память, устройства ввода и вывода (рис. 2.1.7).

В данной схеме ЭВМ происходит последовательное считывание команд из памяти и их выполнение. Номер (адрес) очередной ячейки памяти, из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специальным устройством - счетчиком команд в УУ. Его наличие является одним из характерных признаков рассмотренной архитектуры.

Разработанные фон Нейманом основы архитектуры вычислительных устройств оказались настолько фундаментальными, что получили название «фон-неймановской архитектуры».

2.1.6 Архитектуры ВС сосредоточенной обработки информации

Современный компьютер состоит из нескольких функциональных узлов: процессор, память, контроллеры устройств и т.д. Каждый узел представляет собой сложное электронное устройство, в состав которого могут входить миллионы логических элементов.

Уровни представление компьютера:

Цифровой логический уровень - уровень логических схем базовой системы элементов;

Микроархитектурный уровень - уровень организации обработки информации внутри функционального узла. Сюда относятся регистры различного назначения, устройство обработки поступающих команд, устройство преобразования данных, устройство управления;

Командный уровень - набор функциональных узлов и связи между ними, система команд и данных, передаваемых между устройствами.

Архитектуры с фиксированным набором устройств

Компьютерами с сосредоточенной обработкой называются вычислительные машины, у которых одно или несколько обрабатывающих устройств (процессоров) расположены компактно и используют для обмена информацией внутренние шины передачи данных. Компьютеры первых двух поколений имели архитектуру закрытого типа с ограниченным набором внешних устройств.

Такая архитектура характерна для компьютеров, базовая система логических элементов которых построена на электронных лампах и транзисторах. Введение любого дополнительного, функционального блока был сопряжен с увеличением потребляемой мощности, занимаемой площади и резко увеличивал стоимость всей системы.

Компьютер, выполненный по этой архитектуре (рис. 2.1.10.), не имел возможности подключения дополнительных устройств, не предусмотренных разработчиком. Оперативная память хранит команды и данные исполняемых программ, АЛУ обеспечивает не только числовую обработку, но и участвует в процессе ввода-вывода информации, осуществляя ее занесение в оперативную память. Канал ввода/вывода представляет собой специализированное устройство, работающее по командам, подаваемым устройством управления. Канал допускает подключение определенного числа внешних устройств. Устройство управления обеспечивает выполнение команд программы и управляет всеми узлами системы.

Компьютеры такой архитектуры эффективны при решение чисто вычислительных задач. Они плохо приспособлены для реализации компьютерных технологий, требующих подключения дополнительных внешних устройств и высокой скорости обмена с ними информации.

Вычислительные системы с открытой архитектурой

В начале 70-х г.г. фирмой DEC был предложен компьютер с архитектурой, позволяющей свободно подключать любые периферийные устройства. Главным нововведением являлось подключение всех устройств, независимо от их назначения, к общей шине передачи информации. Подключение осуществлялось в соответствии со стандартом шины.

Рис. 2.1.10. Архитектура компьютера закрытого типа

Архитектура компьютера открытого типа, основанная на использовании общей шины, приведена на рис. 2.1.11.

Рис. 2.1.11. Архитектура компьютера открытого типа

Общее управление всей системой осуществляет центральный процессор. Он управляет общей шиной, выделяя время другим устройствам для обмена информацией. Запоминающее устройство хранит исполняемые программы и данные. Внешние устройства подключаются к шине через специальное устройство - контроллер. Контроллер согласовывает сигналы устройства с сигналами шины и осуществляет управление устройством по командам, поступающим от центрального процессора. Контроллер подключается к шине специальными устройствами - портами ввода-вывода. Каждый порт имеет свой номер, и обращение к нему процессора происходит, так же как к ячейке памяти, по этому номеру. Процессор имеет специальные линии управления, сигнал на которых определяет, обращается ли процессор к ячейке памяти или к порту ввода-вывода контроллера внешнего устройства. Несмотря на преимущества архитектуры с общей шиной, она имеет серьезный недостаток. К общей шине подключаются устройства с разными объемами и скоростью обмена, в связи с чем «медленные» устройства задерживали работу «быстрых». Дальнейшее повышение производительности компьютера было найдено во введении, дополнительной, локальной шины, к которой подключались «быстрые» устройства. Архитектура с общей и локальной шинами приведена на рис. 2.1.12.

Рис. 2.1.12. Архитектура с общей и локальной шиной.

Контроллер шины анализирует адреса портов, передаваемые процессором, и передает их контроллеру, подключенному к общей или локальной шине.

Конструктивно контроллер каждого устройства размещается на общей плате с центральным процессором и запоминающим устройством или, если устройство не является стандартно входящим в состав компьютера, на специальной плате, вставляемой в специальные разъемы на общей плате - слоты расширения. Дальнейшее развитие микроэлектроники позволило размещать несколько функциональных узлов и контроллеры стандартных устройств в одной микросхеме СБИС. Это сократило количество микросхем на общей плате и дало возможность ввести две, дополнительные, локальные шины для подключения запоминающего устройства и устройства отображения, которые имеют наибольший объем обмена с центральным процессором и между собой. Хотя архитектура компьютера осталась прежней, структура современного ПК имеет вид, представленный на рис. 2.1.13.

Рис. 2.1.13. Структура персонального компьютера

Центральный контроллер играет роль коммутатора, распределяющего потоки информации между процессором, памятью, устройством отображения и остальными узлами компьютера. Кроме этого в состав микросхемы центрального контроллера включены устройства, которые поддерживают работу компьютера. К ним относятся: системный таймер; устройство прямого доступа к памяти, которое обеспечивает обмен данными между внешними устройствами и памятью в периоды, когда это не требуется процессору; устройство обработки прерываний, которое обеспечивает быструю реакцию процессора на запросы внешних устройств, имеющих данные для передачи.

Функциональный контроллер - это СБИС, которая содержит контроллеры для подключения стандартных внешних устройств, таких как клавиатура, мышь, принтер, модем и т.д. Часто в состав этого контроллера входит аудио-карта, позволяющая получить на внешних динамиках высококачественный звук при прослушивании музыкальных и речевых файлов.

Для подключения специфических устройства часть общей шины, соединяющая центральный и функциональный контроллеры, имеет слоты расширения для установки плат контроллеров.

2.2 Состав и назначение основных элементов персонального компьютера

2.2.1 Центральный процессор

Центральный процессор (ЦП) - функционально-законченное программно-управляемое устройство обработки информации, выполненное на одной или нескольких СБИС. В современных ПК разных фирм применяются процессоры двух основных архитектур:

· Полная система команд переменной длины - Complex Instruction Set Computer (CISC);

· Сокращенный набор команд фиксированной длины - Reduced Instruction Set Computer (RISC).

Весь ряд процессоров фирмы Intel, устанавливаемых в ПК IBM имеют архитектуру CISC, а процессоры Motorola, используемые фирмой Apple для своих ПК, имеют архитектуру RISC. Обе архитектуры имеют свои достоинства и недостатки. CISC - процессоры имеют обширный набор команд (до 400), из которых программист может выбрать, наиболее подходящую в данном случае, команду. Недостатком является то, что большой набор команд усложняет внутреннее устройство управления процессором, увеличивает время исполнения команды на микропрограммном уровне. Команды имеют различную длину и время исполнения.

RISC - архитектура имеет ограниченный набор команд и каждая команда выполняется за один такт работы процессора. Небольшое число команд упрощает устройство управления процессором. К недостаткам можно отнести то, что если требуемой команды в наборе нет, программист вынужден реализовать ее с помощью нескольких команд из имеющегося набора, увеличивая размер программного кода.

Упрощенная схема процессора, отражающая основные особенности архитектуры микро - уровня, приведена на рис. 2.2.1. Наиболее сложным функциональным устройством процессора является устройство управления выполнением команд. Оно содержит:

Рис. 2.2.1. Архитектура процессора

· Буфер команд, который хранит одну или несколько очередных команд программы; читает следующие команды из запоминающего устройства, пока выполняется очередная команда, уменьшая время ее выборки из памяти;

· Дешифратор команд расшифровывает код операции очередной команды и преобразует его в адрес начала микропрограммы, которая реализует исполнение команды;

· Управление выборкой очередной микрокоманды представляет собой небольшой процессор, работающий по принципу фон Неймана, имеет свой счетчик микрокоманд, который автоматически выбирает очередную микрокоманду из ПЗУ микрокоманд;

· Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) микрокоманд - это запоминающее устройство, в которое информация записывается однократно и затем может только считываться; отличительной особенностью ПЗУ является то, что записанная в него информация сохраняется сколь угодно долго и не требует постоянного питающего напряжения.

Выборка очередной микрокоманды осуществляется через определенный интервал времени, который зависит от времени выполнения предыдущей микрокоманды. Частота, с которой осуществляется выборка микрокоманд, называется тактовой частотой процессора. Тактовая частота является важной характеристикой процессора, так как определяет скорость выполнения процессором команд, и, в конечном итоге, быстродействие процессора.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения арифметических и логических операций преобразования информации. Функционально АЛУ состоит из нескольких специальных регистров, полно разрядного сумматора и схем местного управления. В основе АЛУ лежит устройство, реализующее арифметическую операцию. Сложения двух целых чисел. Остальные арифметические операции реализуются с помощью представления чисел в специальном дополнительном коде. Сумматор АЛУ - это много разрядное устройство, каждый разряд которого представляет собой схему на логических элементах, выполняющих суммирование двух одноразрядных двоичных чисел с учетом переноса из предыдущего младшего разряда (полусумматор). Результатом является сумма входных величин и перенос в следующий старший разряд. Такое функциональное устройство называется одноразрядным, полным сумматором.

Регистры общего назначения (РОН) используются для временного хранения операндов исполняемой команды и результатов вычислений, а также хранят адреса ячеек памяти или портов ввода-вывода для команд, обращающихся к памяти и внешним устройствам. Если операнды хранятся в РОН, то время выполнения команды значительно сокращается.

Процессоры для современных ПК типа IBM PC выпускают многие фирмы, но наиболее распространенными являются процессоры фирмы Intel. Ее последняя разработка - процессор Pentium 4 (выпуск начат в 2001 г.). К основным особенностям архитектуры Pentium 4 относится:

- В системы команд добавлены новые команды, ориентированные на работу с видео- и аудио - потоками;

- Имеется специальный внутренний КЭШ, размером 256 Кбайт, который работает на тактовой частоте процессора, и имеет собственную шину связи с процессором, обеспечивающую скорость обмена 48 Гбайт/с;

- Внутренняя микро архитектура процессора базируется на двух параллельно работающих конвейерах команд (суперскалярная архитектура), которые исполняют сразу несколько команд в разных фазах обработки (чтение, дешифрация, загрузка операндов, исполнение), конвейеры заканчиваются двумя АЛУ, работающими на удвоенной частоте процессора для коротких арифметических и логических команд, и АЛУ для выполнения медленных команд;

- Процессор работает на частотах 1500 - 3000 МГц и содержит около 42 млн. транзисторов.

Фирма Intel поставляет упрощенные варианты процессор Pentium 4 под названием Celeron, который в два раза дешевле базового варианта. Последние модели Celeron ни в чем не уступают «старшему брату» и даже в некоторых случаях превосходят его.

2.2.2 Внутренние запоминающие устройства: оперативное запоминающее устройство, кэш-память, постоянное запоминающее устройство

Другим важным функциональным узлом компьютера является запоминающее устройство, или память. Память, в которой хранятся исполняемые программы и данные, называется оперативным запоминающим устройством (ОЗУ), или RAM (Random Access Memory) - памятью со свободным доступом. ОЗУ позволяет записывать и считывать информацию из ячейки, обращаясь к ней по ее номеру или адресу. Ячейка памяти имеет стандартное число двоичных разрядов - один байт. Информация в ОЗУ сохраняется все время, пока на схемы памяти подается питание, т.е. она является энергозависимой.

Существует два вида ОЗУ, отличающиеся техническими характеристиками: динамическое ОЗУ, или DRAM (Dynamic RAM), и статическое ОЗУ, или SRAM (Static RAM). Быстродействие динамического ОЗУ на порядок ниже, чем статического. Обычно, в качестве оперативной или видеопамяти используется динамическое ОЗУ. Статическое ОЗУ используется в качестве небольшой буферной сверхбыстродействующей памяти. В кэш - память из динамической памяти заносятся команды и данные, которые процессор будет выполнять в данный момент.

Скорость работы ОЗУ ниже, чем быстродействие процессора, поэтому применяются различные методы для повышения ее производительности. Например, размещение в одном корпусе микросхемы СБИС нескольких модулей памяти с чередованием адресов.

Для уменьшения влияния времени обращения процессора к ОЗУ и увеличения производительности компьютера дополнительно устанавливается сверхбыстродействующая буферная память, выполненная на микросхемах статической памяти. Эта память называется кэш-памятью (от анг. Cache - запас). Время обращения к данным в кэш-памяти на порядок ниже, чем ОЗУ, и сравнимо со скоростью работы самого процессора. Современные процессоры имеют встроенную кэш-память, которая находится внутри процессора, кроме этого есть кэш-память и на системной плате. Чтобы их различать, она делится на уровни. На кристалле самого процессора находится кэш-память первого уровня, она имеет объем порядка 16-128 Кбайт и самую высокую скорость обмена данными. В корпусе процессора, но на отдельном кристалле находится кэш-память второго уровня, которая имеет объем порядка 256 Кбайт - 2 Мбайта. Кэш-память третьего уровня расположена на системной плате, ее объем может составлять 16 - 1000 Мбайт.

Использование процессом кэш-памяти увеличивает производительность процессора, особенно в тех случаях, когда происходит последовательное преобразование относительно небольшого числа данных, которые постоянно во время преобразования хранятся в кэш-памяти.

В одном адресном пространстве с ОЗУ находится специальная память, предназначенная для постоянного хранения таких программ, как тестирование и начальная загрузка компьютера, управление внешними устройствами. Она является энергонезависимой, т.е. сохраняет записанную информацию при отсутствии питания. Такая память называется постоянным запоминающим устройством (ПЗУ) или ROM (Read Only Memory). Постоянные запоминающие устройство можно разделить по способу записи с них информации на следующие категории:

ПЗУ, программируемые однократно. Программируются при изготовлении и не позволяют изменять записанную в них информацию.

Перепрограммируемые ПЗУ (ППЗУ). Позволяют перепрограммировать их многократно. Изменение содержания ППЗУ можно выполнять как непосредственно в составе вычислительной системы (такая технология называется флэш - технологией), так и вне ее, на специальных устройствах, называемых программаторами.

2.2.3 Внутренние шины

Общая шина, наряду с центральным процессором и запоминающим устройством, во многом определяет производительность работы компьютера, так как обеспечивает обмен информацией между функциональными узлами. Общая шина делится на три отдельные шины по типу передаваемой информации: шина адреса, шина данных, шина управления. Каждая шина характеризуется: шириной - числом параллельных проводников для передачи информации; тактовой частотой - частотой, на которой работает контроллер шины при формировании циклов передачи информации.

Шина адреса предназначена для передачи адреса ячейки памяти или порта ввода-вывода. Ширина шины адреса определяет максимальное количество ячеек, которое она может напрямую адресовать. Если ширина шины адреса n, то количество адресуемой памяти равно 2ⁿ.

Шина данных предназначена для передачи команд и данных, и ее ширина во многом определяет информационную пропускную способность общей шины. В современных компьютерах ширина шины данных составляет 32 - 64.

Шина управления включает в себя все линии, которые обеспечивают работу общей шины. Ее ширина зависит от типа шины и определяется алгоритмом ее работы или протоколом работы шины. Протокол работы шины состоит из нескольких циклов и выполняется контроллером шины, расположенным внутри процессора (рис. 2.2.1.), или отдельным контроллером шины (рис. 2.1.11.).

Разработчики предлагают включать в состав компьютера дополнительные шины, связывающие напрямую центральный процессор и отдельные наиболее быстродействующие устройства. Такие шины получили название локальных шин. На рис. 2.1.11 локальные шины используются для подключения к процессору запоминающего устройства и видеоконтроллера.

Основные характеристики общих и локальных шин, применяемых в ПК фирмы IBM.

Общая шина PCI применяется в настольных компьютерах, в настоящее время используется модификация PCI 2/1/ Тактовая частота контроллера этой шины 66 МГц, ширина шины адреса - 32, а шины данных - 64 разряда. Пиковая пропускная способность шины 528 Мбайт/с.

Общая шина PCMCIA применяется в переносных компьютерах класса ноутбук и имеет параметры, сравнимые с параметрами шины PCI/

Локальная шина для подключения видеоконтроллера AGP позволяет организовать непосредственную связь видеоконтроллера и оперативного запоминающего устройства. Она ориентирована на массовую передачу видеоданных. Имеет конвейерную организацию выполнения операций чтения/записи, что позволяет избежать задержек при обращении к модулям памяти. За один такт работы может передать два, четыре или восемь блоков данных, в зависимости от установленного режима работы. При установке режима параллельной передачи восьми блоков обеспечивает пиковую скорость передачи 2112 Мбайт/с.

2.2.4 Внешние запоминающие устройства

В отличие от оперативного запоминающего устройства, внешние запоминающие устройства (ВЗУ) обладают большим объемом сохраняемой информации и являются энергонезависимыми. Наибольшее распространение получили дисковые ВЗУ, которые, в зависимости от типа носителя, можно разделить на магнитные, оптические и смешанные.

Магнитные диски используют магнитные материалы со специальными свойствами, позволяющими фиксировать два состояния. Информация на магнитные диски записывается и считывается магнитной головкой, которая перемещается радиально с фиксированным шагом, а сам диск при этом вращается вокруг своей оси. Головка считывает или записывает информацию, расположенную на концентрической окружности, которая называется дорожкой или треком. Каждая дорожка дополнительно разбивается на ряд участков - секторов. Сектор содержит минимальные блок информации, который может быть записан или считан с диска. Чтение и запись на диск осуществляется блоками, поэтому дисководы называют блочными устройствами.

Физическая структура диска определяется количеством дорожек и числом секторов на каждой дорожке. Она задается при форматировании диска, которое выполняется специальными программами и должна быть произведена перед первым использованием диска для записи информации.

Кроме физической структуры диска, говорят еще о логической структуре. Логическая структура определяется файловой системой, которая реализована на диске и зависит от операционной системы компьютера, на котором используется данный диск.

Организация файловой системы на магнитных носителях.

Все современные дисковые операционные системы обеспечивают создание файловой системы, предназначенной для хранения данных на дисках и обеспечения доступа к ним. Принцип организации файловой системы - табличный. Поверхность диска рассматривается как трехмерная матрица, измерениями которой являются номера поверхностей, цилиндра и сектора. Под цилиндром понимается совокупность всех дорожек, принадлежащих разным поверхностям и находящихся на равном удалении от оси вращения. Данные о том, в каком месте диска записан тот или иной файл, хранятся в системной области диска в специальных таблицах размещения файлов (FAT- таблицах). Нарушение FAT-таблицы приводит к невозможности воспользоваться данными, поэтому она существует в двух экземплярах, идентичность которых регулярно контролируется средствами операционной системы.

Наименьшей физической единицей хранения данных является сектор. Размер сектора равен 512 байт. Размер FAT-таблицы ограничен, поэтому для дисков, размер которых превышает 32 Мбайт, обеспечить адресацию к каждому отдельному сектору не представляется возможным. В связи с этим группы секторов условно объединяются в кластеры. Кластер является наименьшей единицей адресации к данным. Размер кластера не фиксируется и зависит от емкости диска.

Операционные системы MS DOS, OS/2, Windows 95 и Windows NT реализуют 16-разрядные поля в таблицах размещения файлов. Такая файловая система называется FAT-16. Она позволяет разместить в FAT-таблицах не более 65536 записей (2¹⁶) о местоположении единиц хранения данных и для дисков объемом от 1 до 2 Гбайт длина кластера составляет 32 Кбайт (64 сектора). Это не вполне рационально, т.к. любой файл (даже очень маленький) полностью оккупирует весь кластер, которому соответствует только одна адресная запись в FAT-таблице. Даже если файл велик и располагается в нескольких кластерах, все равно в его конце образуется остаток, нерационально расходующий целый кластер.

Для современных жестких дисков потери, связанные с неэффективностью файловой системы могут составлять от 25 до 40% полной емкости диска в зависимости от среднего размера хранящихся файлов. С дисками более 2 Гбайт файловая система FAT-16 вообще работать не может.

Современные операционные системы, начиная с Windows 98, обеспечивают более совершенную организацию файловой системы - FAT-32 с 32-разрядными полями в таблицах размещения файлов. Для дисков размера до 8 Гбайт эта система обеспечивает размер кластера 4 Кбайт (8 секторов).

Дисководы магнитных дисков делятся на дисководы для сменных носителей (дискет) и дисководы жестких дисков (винчестеры), которые устанавливаются в системном блоке компьютера. Все сменные носители на дисках характеризуются диаметром или форм-фактором. Наибольшее распространение получили шибкие магнитные диски с форм-фактором 3,5 дюйма.

Накопители на оптических дисках

Оптический компакт-диск, который был предложен в 1982 г. фирмами Philips и Sony первоначально для записи звуковой информации, идеально подходил для записи цифровой информации больших объемов на сменном носителе. Объем информации, записанной на компакт-диске, составляет 600-700 Мбайт. К достоинствам можно отнести и его относительную дешевизну, высокую надежность и долговечность, нечувствительность к загрязнению и воздействию магнитных полей.

В середине 90-х гг. появились устройства, устанавливаемые непосредственно на компьютере и позволяющие производить однократную запись информации на компакт-диск. Для таких устройств выпускают специальные компакт-диски, которые получили название CD- Recodable (CD-R).

Позднее появились компакт-диски с возможностью перезаписи - CD-ReWritable (CD-RW).

Дальнейшее развитие технологии производства компакт-дисков привело к созданию дисков с высокой плотностью записи - цифровой универсальный диск Digital Versatile Disk (DVD). Объем записываемой информации на диске достигает 4,7 Гбайт. Дальнейшее увеличение объема информации обеспечивается применением двусторонних DVD.

...