Вычислительные системы, сети и телекоммуникации

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГБОУ ВПО ВОРОНЕЖСКИЙ ГАУ

Кафедра информационного обеспечения и

моделирования агроэкономических систем

Контрольная работа

по дисциплине

«Вычислительные системы, сети и телекоммуникации»

Выполнил: студент заочного отделения

Помогалова В.И.

Шифр 14508

Проверил: к.э.н., доц.

Кулев С.А.

Воронеж 2015



1.ПРОЦЕССОРЫ ПК

Самым главным элементом в компьютере, его "мозгом", является микропроцессор - небольшая (в несколько сантиметров) электронная схема, выполняющая все вычисления и обработку информации. Микропроцессор умеет производить сотни различных операций и делает это со скоростью в несколько десятков или даже сотен миллионов операций в секунду. В компьютерах типа IBM PC используются микропроцессоры фирмы INTEL, а также совместимые с ними микропроцессоры других фирм.

Каждый микропроцессор имеет определенное число элементов памяти, называемых регистрами, арифметико-логическое устройство и устройство управления. Регистры используются для временного хранения выполняемой команды, адресов памяти, обрабатываемых данных и другой внутренней информации микропроцессора.

В арифметико-логическое устройство производится арифметическая и логическая обработка данных. Устройство управления реализует временную диаграмму и вырабатывает необходимые управляющие сигналы для внутренней работы микропроцессора и связи его с другой аппаратурой через внешние шины микропроцессора.

Структуры различных типов микропроцессора могут существенно различаться, однако с точки зрения пользователя наиболее важными параметрами являются архитектура, адресное пространство памяти, разрядность шины данных, быстродействие. Архитектуру микропроцессора определяет разрядность слова и внутренней шины, данных микропроцессора. Первые микропроцессоры основывались на 4-разрядной архитектуре. Первые ПЭВМ использовали микропроцессоры с 8-разрядной архитектурой, а современные микропроцессоры основаны на 32- и 64-разрядной архитектуре.



1.1 Основные характеристики микропроцессоров

Микропроцессоры отличаются друг от друга двумя характеристиками: типом (моделью), частотой системной шины и тактовой частотой. Наиболее распространены модели INTEL-8088, 80286, 80386sx, 80386, 80486 и PENTIUM, они приведены в порядке возрастания производительности и цены. Одинаковые модели микропроцессоров могут иметь разную тактовую частоту - чем выше тактовая частота, тем выше производительность и цена микропроцессора.

Тактовая частота указывает, сколько элементарных операций (тактов) микропроцессор выполняет в 1 секунду. Тактовая частота измеряется в МГц. Следует заметить, что разные модели микропроцессоров выполняют одни и те же операции (например, сложение и умножение) за разное число тактов. Чем выше модель, тем, как правило, меньше тактов требуется для выполнения одних и тех же операций. Поэтому, например, микропроцессор INTEL-80386 работает раза в 2 быстрее INTEL-80286 с такой же тактовой частотой.

У специалистов существует своя система измерения скорости процессора. Причем таких скоростей (измеряемых в миллионах операций в секунду -- MIPS) может быть несколько -- скорость работы с трехмерной графикой, скорость работы в офисных приложениях и так далее...

Модели микропроцессоров: Исходные варианты компьютеров IBM PC и модель IBM PC XT используют INTEL-8088. В начале 80-х годов эти микропроцессоры выпускались с тактовой частотой 4,77 МГц. Модель IBM PC XT использовали более мощный INTEL-80286, и ее производительность в 4-5 раз, больше, чем у IBM PC XT. Исходные варианты IBM PC AT работали на микропроцессоре с тактовой частотой 6 МГц. В 1988-1991 гг. большая часть выпускаемых компьютеров была основана на достаточно мощном микропроцессоре INTEL-80386. Этот микропроцессор (называемый также 80386DX) работает в 2 раза быстрее, чем работал бы 80286 с той же тактовой частотой. Диапазон тактовой частоты 80386DX- от 25 до 40 МГц. В 1993 г. фирмой INTEL был выпущен новый микропроцессор PENTIUM (ранее анонсировавшийся под названием 80586). Этот микропроцессор еще более мощен, особенно при вычислениях над вещественными числами. Все эти процессоры отличаются друг от друга скоростью работы, архитектурой, исполнением и внешним видом... словом, буквально всем. Причем отличаются не только количественно, но и качественно. Так, при переходе от Pentium к Pentium II и затем -- к Pentium III была значительно расширена система команд (инструкций) процессора. В частности, были добавлены инструкции для работ с мультимедиа MMX.

Если взять за точку отсчета изделия «королевы» процессорного рынка, корпорации Intel, то за всю 27-летнюю историю процессоров этой фирмы сменилось восемь их поколений: 8088, 286, 386, 486, Pentium, Pentium II, Pentium III, Pentium 4.

В каждом поколении имеются модификации, отличающиеся друг от друга назначением и ценой. Например, в семействе Pentium числятся три модификации -- старшая, Xeon, работает на мощных серверах серьезных учреждений. Средняя модификация Pentium, трудится на производительных настольных компьютерах, ну и младшая Celeron верно служит простому люду на домашних компьютерах. Схожая ситуация -- и в конкурирующем с Intelсемействе процессоров AMD, Для дорогих настольных компьютеров и графических станций фирма предлагает процессоры Athlon, а для недорогих домашних ПК предназначен другой процессор -- Duron.

В пределах одного поколения все ясно: чем больше тактовая частота, тем быстрее процессор. А как же быть, если на рынке имеются два процессора разных поколений, но с одинаковой тактовой частотой? Например, Celeron-800 и Pentium III-800... Конечно, второй процессор поколения будет работать быстрее -- на 10--15 %, в зависимости от задачи. Связано это с тем, что в новых процессорах часто бывают встроены новые системы команд-инструкций, оптимизирующих обработку некоторых видов информации. Например, в процессорах Intel начиная с Pentium появилась новая система команд для обработки мультимедиа-информации ММХ, a Pentium III дополнительно оснащен новой системой инструкций SSL.

Тип ядра и технология производства. В пределах одного поколения, даже одной модификации процессоры могут отличаться технологией производства и типом «ядра». Так 1999 году, след за переходом на новую, 0,13-микроннную технологию, произошла смена «ядер» у процессоровIntel. Торговые марки остались прежние (Pentium III и Celeron), однако на смену «ядрам» под кодовым названием Katmai (Pentium III)и Mendocino (Celeron). Пришло новое, под названием Coppernine. Смена «ядра», конечно же, привела к серьезным изменениям в производительности процессоров, хотя их рабочая частота осталась прежней. Именно поэтому продавцы обычно указывают в прайс-листах, наряду с поколением, модификацией и частотой процессора, тип использованного в нем «ядра». Например

Pentium III (Coppernine) - 667,

Athlon (Thtumderbird) - 800.

Очередную смену «ядра» оба производителя совершили в начале 2001 года. Так, базовым «ядром» для процессоров AMD в 2001 году стали Palomino (Athlon) и Morgan (Duron) (0,13-микронная технология).

Форм-фактор. То есть - тип исполнения процессора, его внешности и способа подключения к материнской плате.

Как правило, все элементы процессора расположены на одном и том же кристалле кремния - и лишь в редких случаях кэш-память второго уровня выносится за пределы процессора. Обычно процессоры первого типа - «все в одном» - квадратной формы (тип разъема «Сокет»). Эдакий прямоугольный корпус с торчащими из него ножками-контактами. Процессоры второго типа куду более громоздки - обе микросхемы размещены на небольшой плате и надежно упрятаны в металлический кожух. Обычно в формате «Слот» выпускаются первые, пробные модели каждого нового поколения процессора - позднее, по мере обкатки технологии производства, их производители переходят на более компактный и дешевый формат «Сокет».

Еще не так давно рынок не был избалован обилием форм-факторов: разные процессоры от разных фирм -производителей походили друг на друга, как две капли воды, и могли работать на одних и тех же материнских платах. Ситуация начала меняться в 1995 году, а сегодня мы наблюдаем уже настоящий «беспредел» многообразия несовместимых друг с другом форм-факторов:

Старые модели процессоров.

Процессоры для разъемаSuperSocket 7 - прцессорыфирм AMD (К6, К6-2), Cyriх (М2), Centaur Technology (IDT).

Процессоры для разъема Slot 1 - процессоры фирмы Intel: Pentium II (233-450 МГц), Pentium III и Celeron (300-450 МГц).

Процессоры для разъема Slot A - процессоры фирмы AMD (Athlon).

Процессоры для разъема Socket - 370 (PGA) - процессоры фирмы Intel: Celeron (от 450 Мгц) и Pentium III (от 450 МГц).

Новые модели процессоров.

Процессоры для разъема Socket A - процессоры фирмы AMD (Athlon Thunderbird, Duron).

Процессоры для разъема FC-PGA - процессоры фирмы Intel: PentiumIIICoppermine (от 500МГц), Celeron Coppermine (от 533 МГц).

Процессоры для разъема Socket - 423 - Pentium 4.

Последний технологический параметр процессора, с которым нам придется столкнуться в рамках этой главы это частота системной шины. Связан он уже с совершенно другим устройством -- материнской платой. Шиной называется та аппаратная магистраль, по которой идут от устройства к устройству данные. Чем выше частота шины -- тем больше данных поступает за единицу времени к процессору.

Частота системной шины прямо связана и с частотой самого процессора через так называемый «коэффициент умножения». Процессорная частота -- это и есть частота системной шины, умноженная процессором на некую заложенную в нем величину. Например, частота процессора 500 МГц -- это частота системной шины в 100 МГц умноженная на коэффициент 5.

Большинство дорогих моделей процессором Intel как раз и работает на частотах системной шины 100 и 133 МГц. А частота для старых моделей Celeron, была искусственно снижена до 66 МГц. На такой частоте медленнее работает не только процессор, но и вся система. Правда, в конце 2000 года на рынке появились новые модели Celeron (от 800 МГц), поддерживающие частоту системной шины в 100 МГц. Но и Pentium 4 к этому времени перешел на новую частоту системной шины -- 133 МГц, так что отставание дешевых процессоров от дорогих сохранилось.

Схожая ситуация наблюдается и у процессоров AMD -- правда, последние за счет умения. Вот так и объясняется парадокс -- частоты процессоров одинаковы, ну а скорости работы компьютеров отличаются на десятки процентов. Правда, можно принудительно заставить процессор работать на более высокой частоте системной шины, чем та, что предназначила для них сама природа вкупе с инженерами Intel. Это издевательство называется в компьютерных кругах «разгоном» и, в случае удачи, резко повышает производительность компьютера. Так, поднятие частоты системной шины для процессора Celeron-600 (коэффициент умножения 9) с 66 до 100 МГц не только увеличивает скорость обмена данными по системной шине, на и повышает скорость работы самого процессора до 900 МГц! Конечно, далеко не все процессоры выдерживают «разгон» -- большинство в лучшем случае откажется работать, ну а в худшем -- выйдет из строя...

1.2 Процессор и его составляющие

Но время неумолимо шло и сегодняшние процессоры от Intel быстрее своего прародителя более чем в десять тысяч раз! А любой домашний компьютер обладает мощностью и «сообразительностью» во много раз большей, чем компьютер, управлявший полетом космического корабля «Аполлон» к Луне.

Перейдём к самому процессору и его компоненты:

1. Процессор, главное вычислительное устройство, состоящее из миллионов логических элементов -- транзисторов.

2. Сопроцессор -- специальный блок для операций с «плавающей точкой» (или запятой). Применяется для особо точных и сложных расчетов, а также для работы с рядом графических программ.

3. Кэш-память.

Кэш-памяти в процессоре имеется двух видов.

Самая быстрая -- кэш-память первого уровня (32 Кбайт у процессоров Intel и до 64 Кбайт -- в последних моделях AMD). Существует еще чуть менее быстрая, но зато -- более объемная кэш-память второго уровня -- и именно ее объемом различаются различные модификации процессоров. Так, в семействе Intel самый «богатый» кэш-памятью -- мощный Xeon (2 Мбайт). У Pentium размер кэша второго уровня почти в 10 раз меньше -- 256 Кбайт, ну a Celeron вынужден обходиться всего 128 Кбайт! А значит, при работе с программами, требовательными к объему кэш-памяти, «домашний» процессор будет работать чуть медленнее. Зато и стоимость его в два-три раза ниже: кэш-память -- самый дорогой элемент в процессоре, и с увеличением ее объема стоимость кристалла возрастает в геометрической прогрессии!

Трудно поверить, что все эти устройства размещаются на кристалле площадью не более 4--6 квадратных сантиметров! Только под микроскопом мы можем разглядеть крохотные элементы, из которых состоит микропроцессор, и соединяющие их металлические «дорожки» (для их изготовления сегодня используется алюминий, однако уже через год на смену ему должна прийти медь). Их размер поражает воображение -- десятые доли микрона! Например, в 1999 году большая часть процессоров производилась по 0,25-микронной технологии, в 2000 году ей на смену пришла 0,18- и даже 0,13-микронная. При этом ожидается, что в течение ближайших двух лет плотность расположения элементов на кристалле увеличится еще в 2 раза.

1.3 Обзор крупнейших фирм производителей микропроцессоров

Как не трудно догадаться не единым Intel жив процессорный мир. Спору нет, Intel -- флагман современного процессоростроения, бесспорный лидер. Но...

Природа капитализма не терпит пустоты. Но еще более не терпит, когда эта пустота заполняется кем-нибудь одним. Конкуренция -- вот главный двигатель прогресса!

Рынок процессоров -- не исключение. И потому рядом с большой акулой -- Intel -- мы неизменно встречаем названия двух акул помельче, но не менее хищных.

AMD -- большая головная боль Intel, ее вечный антагонист и конкурент. Еще недавно процессоры этой фирмы занимали не более 20% рынка -- однако в 1999 году, после выхода процессора Athlon, AMD стремительно стала «набирать очки» в глазах пользователя и сегодня конкурирует с Intel на равных.

Изюминка AMD -- не только более низкая цена (на 10-20 % ниже, чем у сравнимого по скорости Pentium). Именно в процессорах AMD была впервые реализована уникальная система инструкций для поддержки обработки мультимедиа-данных и трехмерной графики 3DNow!, которая, в отличие от Intelтехнологии SSI, охотно поддерживается ныне большинством производителей игр.

Именно процессоры AMD выбирают сегодня самые отчаянные экспериментаторы. Осторожные консерваторы, как правило, делают выбор в пользу проверенной временем марки Intel.

Чей фирмы процессор выбрать спросите вы? Каждый пользователь решает для себя сам, руководствуясь лишь собственными вкусами и пристрастиями. Как правило, новички останавливают свой выбор на проверенных процессорах от Intel, в то время как опытные любители экспериментов все чаще выбираютAMD.

1.4 Обзор микропроцессоров фирм Intel

Не секрет что первые процессоры были созданы фирмой Intel, и поэтому мы проведем обзор процессоров именно этой фирмы.

Процессор 8086/88.

В 1979 г. фирма Intel первой выпустила 16-битный микропроцессор 8086, возможности которого были близки к возможностям процессоров миникомпьютеров 70-х годов. Микропроцессор 8086 оказался "прародителем" целого семейства, которое называют семейством 80x86 или х86.

Несколько позже появился микропроцессор 8088, архитектурно повторяющий микропроцессор 8086 и имеющий 16-битный внутренние регистры, но его внешняя шина данных составляет 8 бит. Широкой популярности микропроцессора способствовало его применение фирмой IBM в персональных компьютерах PC и PC/XT.

Процессор 80186/88.

В 1981 г. появились микропроцессоры 80186/80188, которые сохраняли базовую архитектуру микропроцессоров 8086/8088, но содержали на кристалле контроллер прямого доступа к памяти, счетчик/таймер и контроллер прерываний. Кроме того, была несколько расширена система команд. Однако широкого распространения эти микропроцессоры, не получили.

Процессор 80286.

Следующим крупным шагом в разработке новых идей стал микропроцессор 80286, появившийся в 1982 году. При разработке были учтены достижения в архитектуре микрокомпьютеров и больших компьютеров. Процессор 80286 может работать в двух режимах: в режиме реального адреса он эмулирует микропроцессор 8086, а в защищенном режиме виртуального адреса (ProtectedVirtualAdressMode) или P-режиме предоставляет программисту много новых возможностей и средств. Среди них можно отметить расширенное адресное пространство памяти 16 Мбайт, появление дескрипторов сегментов и дескрипторных таблиц, наличие защиты по четырем уровням привилегий, поддержку организации виртуальной памяти и мультизадачности. Процессор 80286 применяется в ПК PC/AT и младших моделях PS/2.

Процессор 80386.

При разработке 32-битного процессора 80386 потребовалось решить две основные задачи - совместимость и производительность. Первая из них была решена с помощью эмуляции микропроцессора 8086 - режим реального адреса (RealAdressMode) или R-режим.

В Р - режиме процессор 80386 может выполнять 16-битные программы (код) процессора 80286 без каких-либо дополнительных модификаций. Вместе с тем, в этом же режиме он может выполнять свои "естественные" 32-битные программы, что обеспечивает повышение производительности системы. Именно в этом режиме реализуются все новые возможности и средства процессора 80386, среди которых можно отметить масштабированную индексную адресацию памяти, ортогональное использование регистров общего назначения, новые команды, средства отладки. Адресное пространство памяти в этом режиме составляет 4 Гбайт.

Микропроцессор 80386 разделен внутри на 6 автономно и параллельно работающих блоков с соответствующей синхронизацией. Все внутренние шины, соединяющие эти блоки, имеют разрядность 32 бит. Конвейерная организация функциональных блоков в 80386 допускает временное наложение выполнения различных стадий команды и позволяет одновременно выполнять несколько операций. Кроме конвейерной обработки всех команд, в 80386 выполнение ряда важных операций осуществляется специальными аппаратными узлами. Блок умножения/деления 80386 может выполнять 32-битное умножение за 9-41 такт синхронизации, в зависимости от числа значащих цифр; он может разделить 32-битные операнды за 38 тактов (в случае чисел без знаков) или за 43 такта (в случае чисел со знаками). Регистр группового сдвига 80386 может за один такт сдвигать от 1 до 64 бит. Обращение к более медленной памяти (или к устройствам ввода/вывода) может производиться с использованием конвейерного формирования адреса для увеличения времени установки данных после адреса до 3 тактов при сохранении двухтактных циклов в процессоре. Вследствие внутреннего конвейерного формирования адреса при исполнении команды, 80386, как правило, вычисляет адрес и определяет следующий магистральный цикл во время текущего магистрального цикла. Узел конвейерного формирования адреса передает эту опережающую информацию в подсистему памяти, позволяя, тем самым, одному банку памяти дешифрировать следующий магистральный цикл, в то время как другой банк реагирует на текущий магистральный цикл.

Процессор 80486.

В 1989 г. Intel представила первого представителя семейства 80х86, содержащего более миллиона (а точнее, 1,2 миллиона) транзисторов в чипе. Этот чип во многом сходен с 80386. Он на 100% программно совместим с микропроцессорами 386(ТМ) DX & SX. Один миллион транзисторов объединенной кэш-памяти (сверхбыстрой оперативной памяти), вместе с аппаратурой для выполнения операций с плавающей запятой и управлением памяти на одной микросхеме, тем не менее поддерживают программную совместимость с предыдущими членами семейства процессоров архитектуры 86. Часто используемые операции выполняются за один цикл, что сравнимо со скоростью выполнения RISC-команд. Восьмикилобайтный унифицированный кэш для кода и данных, соединенный с шиной пакетного обмена данными со скоростью 80/106 Мбайт/сек при частоте 25/33 Мегагерц гарантируют высокую производительность системы даже с недорогими дисками (DRAM).

Процессор i486SX

Появление нового микропроцессора i486SX фирмы Intel вполне можно считать одним из важнейших событий 1991 года. Уже предварительные испытания показали, что компьютеры на базе i486SX с тактовой частотой 20 МГц работают быстрее (примерно на 40%) компьютеров, основанных на i80386DX с тактовой частотой 33 МГц. Микропроцессор i486SX, подобно оригинальному i486DX, содержит на кристалле и кэш-память, а вот математический сопроцессор у него заблокирован. Значительная экономия (благодаря исключению затрат на тестирование сопроцессора) позволила фирме Intel существенно снизить цены на новый микропроцессор. Надо сказать, что если микропроцессор i486DX был ориентирован на применение в сетевых серверах и рабочих станциях, то i486SX послужил отправной точкой для создания мощных настольных компьютеров. Вообще говоря, в семействе микропроцессоров i486 предусматривается несколько новых возможностей для построения мультипроцессорных систем: соответствующие команды поддерживают механизм семафоров памяти, аппаратно - реализованное выявление недостоверности строки кэш-памяти обеспечивает согласованность между несколькими модулями кэш-памяти и т.д. Для микропроцессоров семейства i486 допускается адресация физической памяти размером 64 Тбайт

Процессор Pentium

В то время, когда ВинодДэм делал первые наброски, начав в июне 1989 года разработку Pentium процессора, он и не подозревал, что именно этот продукт будет одним из главных достижений фирмы Intel. Как только выполнялся очередной этап проекта, сразу начинался процесс всеобъемлющего тестирования. Для тестирования была разработана специальная технология, позволившая имитировать функционирование Pentium процессора с использованием программируемых устройств, объединенных на 14 платах с помощью кабелей. Только когда были обнаружены все ошибки, процессор смог работать в реальной системе. В дополнение ко всему, в процессе разработки и тестирования Pentium процессора принимали активное участие все основные разработчики персональных компьютеров и программного обеспечения, что немало способствовало общему успеху проекта. В конце 1991 года, когда была завершен макет процессора, инженеры смогли запустить на нем программное обеспечение. Проектировщики начали изучать под микроскопом разводку и прохождение сигналов по подложке с целью оптимизации топологии и повышения эффективности работы. Проектирование в основном было завершено в феврале 1992 года. Началось всеобъемлющее тестирование опытной партии процессоров, в течение которого испытаниям подвергались все блоки и узлы. В апреле 1992 года было принято решение, что пора начинать промышленное освоение Pentium процессора. Объединяя более, чем 3.1 миллион транзисторов на одной кремниевой подложке, 32-разрядный Pentium процессор характеризуется высокой производительностью с тактовой частотой 60 и 66 МГц. Его суперскалярная архитектура использует усовершенствованные способы проектирования, которые позволяют выполнять более, чем одну команду за один период тактовой частоты, в результате чего Pentium в состоянии выполнять огромное количество PC-совместимого программного обеспечения быстрее, чем любой другой микропроцессор.

Cуперскалярная архитектура Pentium процессора представляет собой совместимую только с Intel двухконвейерную индустриальную архитектуру, позволяющую процессору достигать новых уровней производительности посредством выполнения более, чем одной команды за один период тактовой частоты. Термин "суперскалярная" обозначает микропроцессорную архитектуру, которая содержит более одного вычислительного блока. Эти вычислительные блоки, или конвейеры, являются узлами, где происходят все основные процессы обработки данных и команд.

Появление суперскалярной архитектуры Pentium процессора представляет собой естественное развитие предыдущего семейства процессоров с 32-битовой архитектурой фирмы Intel. Например, процессор Intel486 способен выполнять несколько своих команд за один период тактовой частоты, однако предыдущие семейства процессоров фирмы Intel требовали множество циклов тактовой частоты для выполнения одной команды.

Другое важнейшее революционное усовершенствование, реализованное в Pentium процессоре, это введение раздельного кэширования. Кэширование увеличивает производительность посредством активизации места временного хранения для часто используемого программного кода и данных, получаемых из быстрой памяти, заменяя по возможности обращение ко внешней системной памяти для некоторых команд. Процессор Intel486, например, содержит один 8-KB блок встроенной кэш-памяти, используемой одновременно для кэширования программного кода и данных.

Pentium процессор позволяет выполнять математические вычисления на более высоком уровне благодаря использованию усовершенствованного встроенного блока вычислений с плавающей запятой, который включает восьмитактовый конвейер и аппаратно реализованные основные математические функции. Четырехтактовые конвейерные команды вычислений с плавающей запятой дополняют четырехтактовую целочисленную конвейеризацию. Большая часть команд вычислений с плавающей запятой могут выполняться в одном целочисленном конвейере, после чего подаются в конвейер вычислений с плавающей запятой. Обычные функции вычислений с плавающей запятой, такие как сложение, умножение и деление, реализованы аппаратно с целью ускорения вычислений.

В результате этих инноваций, Pentium процессор выполняет команды вычислений с плавающей запятой в пять раз быстрее, чем 33-МГц Intel486 DX, оптимизируя их для высокоскоростных численных вычислений, являющихся неотъемлемой частью таких усовершенствованных видеоприложений, как CAD и 3D-графика.



2. РАСПРЕДЕЛЕННАЯ ОБРАБОТКА ДАННЫХ И КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ

Компьютер обменивается информацией с внешним миром с помощью периферийных устройств. Только благодаря периферийным устройствам человек может взаимодействовать с компьютером, а также со всеми подключенными к нему устройствами. Любое подключенное периферийное устройство в каждый момент времени может быть или занято выполнением порученной ему работы или пребывать в ожидании нового задания. Влияние скорости работы периферийных устройств на эффективность работы с компьютером не меньше, чем скорость работы его центрального процессора. Скорость работы внешних устройств от быстродействия процессора не зависит. Наиболее распространенные периферийные устройства приведены на рисунке:

Периферийные устройства делятся на устройства ввода и устройства вывода. Устройства ввода преобразуют информацию в форму понятную машине, после чего компьютер может ее обрабатывать и запоминать. Устройства вывода переводят информацию из машинного представления в образы, понятные человеку.

Ниже приведена классификация устройств ввода:

Самым известным устройством ввода информации является клавиатура (keyboard) - это стандартное устройство, предназначенное для ручного ввода информации. Работой клавиатуры управляет контроллер клавиатуры, расположенный на материнской плате и подключаемый к ней через разъем на задней панели компьютера. При нажатии пользователем клавиши на клавиатуре, контроллер клавиатуры преобразует код нажатой клавиши в соответствующую последовательность битов и передает их компьютеру. Отображение символов, набранных на клавиатуре, на экране компьютера называется эхом. Обычная современная клавиатура имеет, как правило, 101-104 клавиши, среди которых выделяют алфавитно-цифровые клавиши, необходимые для ввода текста, клавиши управления курсором и ряд специальных и управляющих клавиш. Существуют беспроводные модели клавиатуры, в них связь клавиатуры с компьютером осуществляется посредством инфракрасных лучей.

Наиболее важными характеристиками клавиатуры являются чувствительность ее клавиш к нажатию, мягкость хода клавиш и расстояние между клавишами. На долговечность клавиатуры определяется количеством нажатий, которые она рассчитана выдержать. Клавиатура проектируется таким образом, чтобы каждая клавиша выдерживала 30-50 миллионов нажатий.

К манипуляторам относят устройства, преобразующие движения руки пользователя в управляющую информацию для компьютера. Среди манипуляторов выделяют мыши, трекболы, джойстики.

Мышь предназначена для выбора и перемещения графических объектов экрана монитора компьютера. Для этого используется указатель, перемещением которого по экрану управляет мышь. Мышь позволяет существенно сократить работу человека с клавиатурой при управлении курсором и вводе команд. Особенно эффективно мышь используется при работе графическими редакторами, издательскими системами, играми. Современные операционные системы также активно используют мышь для управляющих команд.

У мыши могут быть одна, две или три клавиши. Между двумя крайними клавишами современных мышей часто располагают скрол. Это дополнительное устройство в виде колесика, которое позволяет осуществлять прокрутку документов вверх-вниз и другие дополнительные функции.

Мышь состоит из пластикового корпуса, cверху находятся кнопки, соединенные с микропереключателями. Внутри корпуса находится обрезиненный металлический шарик, нижняя часть которого соприкасается с поверхностью стола или специального коврика для мыши, который увеличивает сцепление шарика с поверхностью. При движении манипулятора шарик вращается и переедает движение на соединенные с ним датчики продольного и поперечного перемещения. Датчики преобразуют движения шарика в соответствующие импульсы, которые передаются по проводам мыши в системный блок на управляющий контроллер. Контроллер передает обработанные сигналы операционной системе, которая перемещает графический указатель по экрану. В беспроводной мыши данные передаются с помощью инфракрасных лучей. Существуют оптические мыши, в них функции датчика движения выполняют приемники лазерных лучей, отраженных от поверхности стола.

Трекбол по функциям близок мыши, но шарик в нем больших размеров, и перемещение указателя осуществляется вращением этого шарика руками. Трекбол удобен тем, что его не требуется перемещать по поверхности стола, которого может не быть в наличии. Поэтому, по сравнению с мышью, он занимает на столе меньше места. Большинство переносных компьютеров оснащаются встроенным трекболом.

Джойстик представляет собой основание с подвижной рукояткой, которая может наклоняться в продольном и поперечном направлениях. Рукоятка и основание снабжаются кнопками. Внутри джойстика расположены датчики, преобразующие угол и направление наклона рукоятки в соответствующие сигналы, передаваемые операционной системе. В соответствии с этими сигналами осуществляется перемещение и управление графических объектов на экране.

Дигитайзер - это устройство для ввода графических данных, таких как чертежи, схемы, планы и т. п. Он состоит из планшета, соединенного с ним визира или специального карандаша. Перемещая карандаш по планшету, пользователь рисует изображение, которое выводится на экран.

Сканер - устройство ввода графических изображений в компьютер. В сканер закладывается лист бумаги с изображением. Устройство считывает его и пересылает компьютеру в цифровом виде. Во время сканирования вдоль листа с изображением плавно перемещается мощная лампа и линейка с множеством расположенных на ней в ряд светочувствительных элементов. Обычно в качестве светочувствительных элементов используют фотодиоды. Каждый светочувствительный элемент вырабатывает сигнал, пропорциональный яркости отраженного света от участка бумаги, расположенного напротив него. Яркость отраженного луча меняется из-за того, что светлые места сканируемого изображения отражают гораздо лучше, чем темные, покрытые краской. В цветных сканерах расположено три группы светочувствительных элементов, обрабатывающих соответственно красные, зеленые и синие цвета. Таким образом, каждая точка изображения кодируется как сочетание сигналов, вырабатываемых светочувствительными элементами красной, зеленой и синей групп. Закодированный таким образом сигнал передается на контроллер сканера в системный блок.

Различают сканеры ручные, протягивающие и планшетные. В ручных сканерах пользователь сам ведет сканер по поверхности изображения или текста. Протягивающие сканеры предназначены для сканирования изображений на листах только определенного формата. Протягивающее устройство таких сканеров последовательно перемещает все участки сканируемого листа над неподвижной светочувствительной матрицей. Наибольшее распространение получили планшетные сканеры, которые позволяют сканировать листы бусмги, книги и другие объекты, содержащие изображения. Такие сканеры состоят из пластикового корпуса, закрываемого крышкой. Верхняя поверхность корпуса выполняется из оптически прозрачного материала, на который кладется сканируемое изображение. После этого изображение закрывается крышкой и производится сканирование. В процессе сканирования под стеклом перемещается лампа со светочувствительной матрицей.

Главные характеристики сканеров - это скорость считывания, которая выражается количеством сканируемых станиц в минуту (pagesperminute - ppm), и разрешающая способность, выражаемая числом точек получаемого изображения на дюйм оригинала (dotsperinch - dpi).

После ввода пользователем исходных данных компьютер должен их обработать в соответствии с заданной программой и вывести результаты в форме, удобной для восприятия пользователем или для использования другими автоматическими устройствам посредствомустройств вывода.

Выводимая информация может отображаться в графическом виде, для этого используются мониторы, принтеры или плоттеры.Информация может также воспроизводиться в виде звуков с помощью акустических колонок или головных телефонов, регистрироваться в виде тактильных ощущений в технологии виртуальной реальности, распространяться в виде управляющих сигналов устройства автоматики, передаваться в виде электрических сигналов по сети.

Монитор (дисплей) является основным устройством вывода графической информации. По размеру диагонали экрана выделяют мониторы 14-дюймовые, 15-дюймовые, 17-дюймовые, 19-дюймовые, 21-дюймовые. Чем больше диагональ монитора, тем он дороже. По цветности мониторы бывают монохромные и цветные. Любое изображение на экране монитора образуется из светящихся разными цветами точек, называемых пикселями (это название происходит от PICture CELL - элемент картинки). Пиксель - это самый мелкий элемент, который может быть отображен на экране. Чем качественнее монитор, тем меньше размер пикселей, тем четче и контрастнее изображение, тем легче прочесть самый мелкий текст, а значит, и меньше напряжение глаз. По принципу действия мониторы подразделяются на мониторы с электронно-лучевой трубкой (CatodeRayTube - CRT) и жидкокристаллические - (LiquidCrystalDisplay - LCD).

В мониторах с электронно-лучевой трубкой изображение формируется с помощью зерен люминофора - вещества, которое светится под воздействием электронного луча. Различают три типа люминофоров в соответствии с цветами их свечения: красный, зеленый и синий. Цвет каждой точки экрана определяется смешением свечения трех разноцветных точек (триады), отвечающих за данный пиксель. Яркость соответствующего цвета меняется в зависимости от мощности электронного пучка, попавшего в соответствующую точку. Электронный пучок формируется с помощью электронной пушки. Электронная пушка состоит из нагреваемого при прохождении электрического тока проводника с высоким удельным электрическим сопротивлением, эмитирующего электроны покрытия, фокусирующей и отклоняющей системы.

При прохождении электрического тока через нагревательный элемент электронной пушки, эмитирующее покрытие, нагреваясь, начинает испускать электроны. Под действием ускоряющего напряжения электроны разгоняются и достигают поверхности экрана, покрытой люминофором, который начинает светиться. Управление пучком электронов осуществляется отклоняющей и фокусирующей системой, которые состоят из набора катушек и пластин, воздействующих на электронный пучек с помощью магнитного и электрического полей. В соответствии с сигналами развертки, подаваемыми на электронную пушку, электронный луч побегает по каждой строчке экрана, последовательно высвечивая соответствующие точки люминофора. Дойдя до последней точки, луч возвращается к началу экрана. Таким образом, в течение определенного периода времени изображение перерисовывается. Частоту смены изображений определяет частота горизонтальной синхронизации. Это один из наиболее важных параметров монитора, определяющих степень его вредного воздействия на глаза. В настоящее время гигиенически допустимый минимум частоты горизонтальной синхронизации составляет 80 Гц, у профессиональных мониторов она составляет 150 Гц.

Современные мониторы с электронно-лучевой трубкой имеют специальное антибликовое покрытие, уменьшающее отраженный свет окон и осветительных приборов. Кроме того, монитор покрывают антистатическим покрытием и пленкой, защищающей от электромагнитного излучения. Дополнительно на монитор можно установить защитный экран, который необходимо подсоединить к заземляющему проводу, что также защитит от электромагнитного излучения и бликов. Уровни излучения мониторов нормируются в соответствии со стандартами LR, MPR и MPR-II.

Жидкокристаллические мониторы имеют меньшие размеры, потребляют меньше электроэнергии, обеспечивают более четкое статическое изображение. В них отсутствуют типичные для мониторов с электронно-лучевой трубкой искажения. Принцип отображения на жидкокристаллических мониторах основан на поляризации света. Источником излучения здесь служат лампы подсветки, расположенные по краям жидкокристаллической матрицы. Свет от источника света однородным потоком проходит через слой жидких кристаллов. В зависимости от того, в каком состоянии находится кристалл, проходящий луч света либо поляризуется, либо не поляризуется. Далее свет проходит через специальное покрытие, которое пропускает свет только определенной поляризации. Там же происходит окраска лучей в нужную цветовую палитру. Жидкокристаллические мониторы практически не производят вредного для человека излучения.

Для получения копий изображения на бумаге применяют принтеры, которые классифицируются:

по способу получения изображения: литерные, матричные, струйные, лазерные и термические;

по способу формирования изображения: последовательные, строчные, страничные;

по способу печати: ударные, безударные;

по цветности: чёрно-белые, цветные.

Наиболее распространены принтеры матричные, лазерные и струйные принтеры. Матричные принтеры схожи по принципу действия с печатной машинкой. Печатающая головка перемещается в поперечном направлении и формирует изображение из множества точек, ударяя иголками по красящей ленте. Красящая лента перемещается через печатающую головку с помощью микроэлектродвигателя. Соответствующие точки в месте удара иголок отпечатываются на бумаге, расположенной под красящей лентой. Бумага перемещается в продольном направлении после формирования каждой строчки изображения. Полиграфическое качество изображения, получаемого с помощью матричных принтеров низкое и они шумны во время работы. Основное достоинство матричных принтеров - низкая цена расходных материалов и невысокие требования к качеству бумаги.

Струйный принтер относится к безударным принтерам. Изображение в нем формируется с помощью чернил, которые распыляются через капилляры печатающей головки.

Лазерный принтер также относится к безударным принтерам. Он формирует изображение постранично. Первоначально изображение создается на фотобарабане, который предварительно электризуется статическим электричеством. Луч лазера в соответствии с изображением снимает статический заряд на белых участках рисунка. Затем на барабан наносится специальное красящее вещество -тонер, который прилипает к фотобарабану на участках с неснятым статическим зарядом. Затем тонер переносится на бумагу и нагревается. Частицы тонера плавятся и прилипают к бумаге.

Для ускорения работы, принтеры имеют собственную память, в которой они хранят образ информации, подготовленной к печати.

К основным характеристикам принтеров можно относятся:

- ширина каретки, которая обычно соответствую бумажному формату А3 или А4;

- скорость печати, измеряемая количеством листов, печатаемы в минуту

- качество печати, определяемое разрешающей способностью принтера - количеством точек на дюйм линейного изображения. Чем разрешение выше, тем лучше качество печати.

- расход материалов: лазерным принтером - порошка, струйным принтером - чернил, матричным принтером - красящих лент.

Плоттер (графопостроитель) - это устройство для отображения векторных изображений на бумаге, кальке, пленке и других подобных материалах. Плоттеры снабжаются сменными пишущими узлами, которые могут перемещаться вдоль бумаги в продольном и поперечном направлениях. В пишущий узел могут вставляться цветные перья или ножи для резки бумаги. Графопостроители могут быть миниатюрными, и могут быть настолько большими, что на них можно вычертить кузов автомобиля или деталь самолета в натуральную величину.



СЕРВИСЫ INTERNET

В настоящее время в сети Интернет существует достаточно большое количество сервисов, обеспечивающих работу со всем спектром ресурсов. Наиболее известными среди них являются:

- электронная почта (E-mail), обеспечивающая возможность обмена сообщениями одного человека с одним или несколькими абонентами;

- телеконференции, или группы новостей (Usenet), обеспечивающие возможность коллективного обмена сообщениями;

- сервис FTP - система файловых архивов, обеспечивающая хранение и пересылку файлов различных типов;

- сервис Telnet, предназначенный для управления удаленными компьютерами в терминальном режиме;

- WorldWideWeb (WWW, W3) - гипертекстовая (гипермедиа) система, предназначенная для интеграции различных сетевых ресурсов в единое информационное пространство;

- сервис DNS, или система доменных имен, обеспечивающий возможность использования для адресации узлов сети мнемонических имен вместо числовых адресов;

Перечисленные выше сервисы относятся к стандартным. Это означает, что принципы построения клиентского и серверного программного обеспечения, а также протоколы взаимодействия сформулированы в виде международных стандартов.

Наряду со стандартными сервисами существуют и нестандартные, представляющие собой оригинальную разработку той или иной компании. В качестве примера можно привести различные системы типа InstantMessenger, системы Интернет-телефонии, трансляции радио и видео и т.д. Важной особенностью таких систем является отсутствие международных стандартов, что может привести к возникновению технических конфликтов с другими подобными сервисами.

1. Электронная почта (E-Mail)

Электронная почта (ElectronicMail, E-Mail) - это сервис, обеспечивающий возможность пересылки сообщений между двумя или более абонентами.

Пользователь с помощью специального программного обеспечения создает на своем узле сообщение и затем направляет его почтовому серверу. Основной задачей этого сервера является доставка сообщений другому серверу, который обеспечивает хранение входящей почты получателя. После этого абонент, которому адресовано это сообщение, с помощью почтового программного обеспечения может в удобное для него время связаться с этим сервером, прочитать почту и, при необходимости, обработать его.

Каждый абонент, с точки зрения почтовой службы, представлен почтовым ящиком. Почтовый ящик (mailbox) - это информационное пространство, выделенное на некотором узле сети для хранения почтовых сообщений и обладающее уникальном именем в рамках узла. Уникальное имя ящика в сочетании с уникальным адресом узла представляет собой уникальный адрес ящика во всей сети. Для управления доступом пользователя к сообщениям с каждым почтовым ящиком связывается определенная совокупность данных, называемая учетной записью.

Учетная запись (Account) - это набор сведений о пользователе почтового ящика, а также дополнительных управляющих параметров. К числу таких сведений обычно относятся:

1. Учетное имя, или логин (login) - это последовательность символов, которое используется сервером для идентификации пользователя при установлении доступа к почтовому ящику. Как правило, учетное имя совпадает с именем почтового ящика.

2. Пароль (Password) - это последовательность символов, которая используется совместно с учетным именем при установлении доступа к почтовому ящику для подтверждения того, что доступ осуществляет именно владелец учетного имени.

Процесс проверки легальности пользователя на основе учетного имени и подтверждения этого имени паролем называется аутентификацией (authentication).

3. Процесс предоставления доступа легальному пользователю (т.е. прошедшему аутентификацию) называется авторизацией. Дополнительные сведения о пользователе. Такие сведения предназначены для повышения удобства работы с электронной почтой и, как правило, не являются обязательными.

В структуре сервиса Электронной почты предусмотрены следующие компоненты:

1. Информационный ресурс - совокупность информационных объектов, использование которых обеспечивается сервисом электронной почты. Состоит из заголовка и тела сообщения - блока информации, который необходимо передать получателю.

2. Почтовый сервер - программный комплекс, обеспечивающий пересылку сообщений электронной почты, их хранение, управление базой данных сообщений, а также позволяющий абоненту работать со своим почтовым ящиком.

3. Почтовый клиент - программа, позволяющая пользователю создавать и отправлять сообщения, а также управлять полученными сообщениями (просматривать, упорядочивать, печатать, удалять и т.д.) из собственного почтового ящика.

4. Протоколы взаимодействия почтовых клиентов с серверами. В настоящее время основными протоколами являются:

- Протокол SMTP (SimpleMailTransferProtocol) обеспечивает доставку сообщений от отправителя в почтовый ящик получателя. Важной особенностью базового варианта протокола SMTP является отсутствие средств аутентификации пользователей, поскольку для отправки почты это не требуется. Поэтому для отправки почты теоретически можно использовать любой SMTP-сервер. С одной стороны, это достаточно удобно, поскольку можно посылать сообщения в случае, если "свой" почтовый сервер по каким-либо причинам не функционирует. Однако, с другой стороны, это позволяет скрыть источник "спама" - навязываемых сообщений, ненужных получателям (рекламы, опасных сообщений, содержащих вирусы и т.п.).

Учитывая такие проблемы, в настоящее время для протокола SMTP разработано расширение, позволяющие осуществлять проверку пользователей и блокировать отправку почты, если отправитель не был аутентифицирован.

- Протокол POP3 (PostOfficeProtocol версии 3) обеспечивает возможность почтовому клиенту получить накопившиеся в почтовом ящике сообщения. Протокол позволяет взаимодействовать клиенту и серверу по автономной модели. Основными характеристиками являются:

· обеспечение авторизованного доступа к почтовому ящику;

· отсутствие поддержки создания папок внутри почтового ящика и работы с ними.

- Протокол IMAP4 (InternetMessageAccessProtocol версии 4) - более новый протокол, обеспечивающий выборку клиентом сообщений из почтового ящика. Протокол позволяет осуществлять взаимодействие по любой из трех моделей - автономной, интерактивной или отключенной. Основными характеристиками этого протокола являются:

· обеспечение авторизованного доступа к почтовому ящику;

· поддержка выборочной загрузки сообщений с сервера;

· возможность обработки почты на сервере;

· возможность создание папок внутри почтового ящика с целью упорядочивания хранения сообщений и, соответственно, - возможность работы с папками;

· возможность создания и использования коллективных почтовых ящиков;

· наличие механизма поиска сообщений на сервере без загрузки клиентом.

Помимо простого обмена сообщениями, сервис электронной почты позволяет организовать различное информационное взаимодействие пользователей Интернет. Наиболее известным примером такого взаимодействия являются списки рассылки.

Список рассылки (mailinglist) - это поименованный список почтовых адресов абонентов, предназначенный для упрощения массовой рассылки почтовых сообщений, соответствующих, как правило, определенной тематике. Имя списка рассылки представляет собой виртуальный коллективный почтовый адрес: сообщения, направленные по этому адресу, доставляются всем членам списка.

Списки рассылки могут быть модерируемыми или немодерируемыми. Модерируемые списки рассылки - это списки, в которых все сообщения, подлежащие массовой рассылке, проходят проверку содержания. В результате этой проверки могут быть отброшены сообщения, не относящиеся к тематике списка, содержащие рекламу, ненормативную лексику, противоречащие законодательным актам и т.п. Такая проверка может осуществляться специальными людьми, называемыми модераторами, или автоматически, например, по определенным ключевым словам.

Пользователи Интернет имеют возможность присоединиться к интересующему их списку рассылки (подписаться на рассылку). Обычно это осуществляется путем отправки специального сообщения по определенному адресу.

Функционирование списков рассылки обеспечивается с помощью специальных программных компонентов - серверов рассылки.

2. Телеконференции

Телеконференции - обобщенное понятие, относящееся к двум видам сервиса и, соответственно, двум сетевым технологиям: дискуссионные группы (или списки рассылки, mailinglists) и newsgroup (система рассылки новостей) USENET. Первые поддерживаются с помощью серверов или "почтовых роботов", которые рассылают сообщения по конкретным адресам электронной почты подписчиков. Вторые - через транспортную "широковещательную" систему на базе протокола NNTP (NetworkNewsTransferProtocol), когда поток сообщений передается от одного узла к другому, т.е. для самых широких групп пользователей. Этот вид сервиса напоминает списки рассылки Internet, за тем исключением, что сообщения помещаются на серверах телеконференций или news-серверах. После этого подписчики телеконференции могут прочитать поступившее сообщение и, при желании, ответить на него.

Телеконференция похожа на доску объявлений, куда каждый может повесить свое объявление и прочитать объявления, повешенные другими. Для упрощения работы с этой системой, все телеконференции делятся по темам, названия которых отражены в их именах.

Для работы с системой телеконференций необходимо специальное программное обеспечение, с помощью которого вы сможете установить соединение с news-сервером и получить доступ к хранящимся на нем статьям телеконференций. Так как на news-сервере хранятся статьи очень большого числа телеконференций, пользователи обычно выделяют те, которые представляют для них интерес (или, другими словами, подписываются на них), и в дальнейшем работают только с ними.

...