Введение
Электронная вычислительная машина, компьютер — комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач.
По принципу действия вычислительные машины делятся на три больших класса :аналоговые (АВМ), цифровые (ЦВМ) и гибридные (ГВМ).
Критерием деления вычислительных машин на эти три класса является форма представления информации, с которой они работают. Две формы предоставления информации в машинах: а- аналоговая; б- цифровая импульсная
Цифровые вычислительные машины (ЦВМ) — вычислительные машины дискретного действия, работают с информацией, представленной в дискретной, а точнее, в цифровой форме.
Аналоговые вычислительные машины (АВМ) — вычислительные машины непрерывного действия, работают с информацией, представленной в непрерывной (аналоговой) форме, т.е. в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины (чаще всего электрического напряжения).
Аналоговые вычислительные машины весьма просты и удобны в эксплуатации; программирование задач для решения на них, как правило, нетрудоемкое; скорость решения задач изменяется по желанию оператора и может быть сделана сколь угодно большой (больше, чем у ЦВМ), но точность решения задач очень низкая (относительная погрешность 2-5 %). На АВМ наиболее эффективно решать математические задачи, содержащие дифференциальные уравнения, не требующие сложной логики.
При работе аналоговый компьютер имитирует процесс вычисления, при этом характеристики, представляющие цифровые данные, в ходе времени постоянно меняются.
Результатом работы аналогового компьютера являются либо графики, изображённые на бумаге или на экране осциллографа, либо электрический сигнал, который используется для контроля процесса или работы механизма.
Эти компьютеры идеально приспособлены для осуществления автоматического контроля над производственными процессами, потому что они моментально реагируют на различные изменения во входных данных. Такого рода компьютеры широко используются в научных исследованиях. Например, в таких науках, в которых недорогие электрические или механические устройства способны имитировать изучаемые ситуации.
Гибридные вычислительные машины (ГВМ) — вычислительные машины комбинированного действия, работают с информацией, представленной и в цифровой, и в аналоговой форме; они совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ. ГВМ целесообразно использовать для решения задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами.
Наиболее широкое применение получили ЦВМ с электрическим представлением дискретной информации — электронные цифровычеслительные машины, обычно называемые просто электронными вычислительными машинами (ЭВМ), без упоминания об их цифровом характере.
Содержание
1. Основы вычислительных процессов.Процесс. Представление процесса. Создание процесса. Завершение процесса
2. Основы построения и функционирования вычислительных машин: общие принципы построения и архитектуры вычислительных машин, информационно-логические основы вычислительных машин, их функциональная и структурная организация, память, процессоры, каналы и интерфейсы ввода вывода, периферийные устройства, режим работы, программное обеспечение. Классификация ПО
3. Архитектурные особенности и организация функционирования вычислительных машин различных классов: многомашинные и многопроцессорные вычислительные системы, типовые вычислительные структуры и программное обеспечение, режимы работы.
4. Классификация и архитектура вычислительных сетей, техническое, информационное и программное обеспечение сетей, структура и организация функционирования сетей (глобальных, региональных, локальных).
5. Структура и характеристики систем телекоммуникаций: коммутация и маршрутизация телекоммуникационных систем, цифровые сети связи, электронная почта.
6. Эффективность функционирования вычислительных машин, систем и сетей телекоммуникаций; пути ее повышения.
7. Перспективы развития вычислительных средств.
8. Технические средства человеко-машинного интерфейса.
Выдержка из текста
1. Основы вычислительных процессов.
Процесс — программа, которая выполняется в текущий момент. Стандарт ISO 9000:2000 определяет процесс как совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих действий, преобразующих входящие данные в исходящие.
Компьютерная программа сама по себе — это только пассивная совокупность инструкций, в то время как процесс — это непосредственное выполнение этих инструкций.
Также, процессом называют выполняющуюся программу и все её элементы: адресное пространство, глобальные переменные, регистры, стек, открытые файлы и т. д.
Представление процесса
Обычно, процесс в вычислительной системе представлен (также говорят, «владеет») следующими ресурсами:
• образом исполняемого машинного кода, ассоциированного с программой;
• памятью (обычно некоторой областью виртуальной памяти), которая включает в себя:
• исполняемый код;
• входные и выходные данные процесса;
• стек вызовов (для отслеживания активных подпрограмм);
• кучу для хранения промежуточных результатов вычислений, генерируемых во время выполнения;
• дескрипторами ресурсов операционной системы, выделенными для процесса, например, файловыми дескрипторами (в терминологии ОС Unix) или «хэндлами» (в терминологии ОС Windows);
• атрибутами безопасности, такими как владелец и набор полномочий процесса (допустимых операций);
• состоянием процессора (контекстом), таким как:
• содержимое регистров;
• схема преобразования виртуальных адресов в физические; и т. д.
Контекст текущего процесса выгружается в память, когда выполняется переключение на другой процесс.
Операционная система хранит большую часть информации о процессах в таблице процессов.
В операционных системах, поддерживающих потоки выполнения (нити), потоки также владеют собственными ресурсами. Обычно это только состояние процессора, хотя потоки могут использовать и другие ресурсы.
Для снижения вероятности влияния процессов друг на друга и вероятности отказа системы (например, взаимных блокировок или пробуксовки) операционная система обеспечивает изоляцию процессов и выделяет необходимые им ресурсы. Также операционная система предоставляет механизмы для взаимодействия процессов безопасными и предсказуемыми способами.
Создание процесса
Простейшей операционной системе не требуется создание новых процессов, поскольку внутри них работает одна-единственная программа, запускаемая во время включения устройства. В более сложных системах надо создавать новые процессы. Обычно они создаются:
При запуске ОС (например, когда происходит инициализация драйверов устройств),
При появлении запроса на создание процесса — происходит в случае, если работающий процесс выполняет системный вызов.
Завершение процесса
Минимум 2 этапа завершения:
• Процесс удаляется из всех очередей планирования, то есть ОС больше не планирует выделение каких-либо ресурсов процессу,
• Сбор статистики о потреблённых процессом ресурсах с последующим удалением его из памяти.
Причины завершения процесса:
• Обычный выход,
• Выход по исключению или ошибке,
• Недостаточный объем памяти,
• Превышение лимита отведённого программе времени,
• Выход за пределы отведённой области памяти,
• Неверная команда (данные программы интерпретируются как инструкции для процессора),
• Ошибка защиты (выполнение непривилегированной команды),
• Завершение родительского процесса,
• Ошибка ввода-вывода,
• Вмешательство оператора.
Система охлаждения
Производительность процессора зависит не только от его характеристик, но и от того, насколько хорошо он охлаждается. Все дело в том, что при увеличении температуры процессора выше определенного значения скорость его работы резко падает. И здесь на первый план выходит выбранная вами система охлаждения или так называемый кулер. Есть много разных типов кулеров: большие и маленькие, воздушные и жидкостные, башенные и классические, но их ключевые характеристики — это поддерживаемые сокеты (процессорные разъемы) и эффективность отвода тепла, которая должна быть выше TDP процессора. О том, как правильно выбрать кулер, вы можете посмотреть в нашей статье.
Как работает машина фон Неймана
Машина фон Неймана состоит из запоминающего устройства (памяти) — ЗУ, арифметико-логического устройства — АЛУ, устройства управления – УУ, а также устройств ввода и вывода.
Программы и данные вводятся в память из устройства ввода через арифметико-логическое устройство. Все команды программы записываются в соседние ячейки памяти, а данные для обработки могут содержаться в произвольных ячейках. У любой программы последняя команда должна быть командой завершения работы.
Команда состоит из указания, какую операцию следует выполнить (из возможных операций на данном «железе») и адресов ячеек памяти, где хранятся данные, над которыми следует выполнить указанную операцию, а также адреса ячейки, куда следует записать результат (если его требуется сохранить в ЗУ).
Арифметико-логическое устройство выполняет указанные командами операции над указанными данными.
Из арифметико-логического устройства результаты выводятся в память или устройство вывода. Принципиальное различие между ЗУ и устройством вывода заключается в том, что в ЗУ данные хранятся в виде, удобном для обработки компьютером, а на устройства вывода (принтер, монитор и др.) поступают так, как удобно человеку.
УУ управляет всеми частями компьютера. От управляющего устройства на другие устройства поступают сигналы «что делать», а от других устройств УУ получает информацию об их состоянии.
Управляющее устройство содержит специальный регистр (ячейку), который называется «счетчик команд». После загрузки программы и данных в память в счетчик команд записывается адрес первой команды программы. УУ считывает из памяти содержимое ячейки памяти, адрес которой находится в счетчике команд, и помещает его в специальное устройство — «Регистр команд». УУ определяет операцию команды, «отмечает» в памяти данные, адреса которых указаны в команде, и контролирует выполнение команды. Операцию выполняет АЛУ или аппаратные средства компьютера.
В результате выполнения любой команды счетчик команд изменяется на единицу и, следовательно, указывает на следующую команду программы. Когда требуется выполнить команду, не следующую по порядку за текущей, а отстоящую от данной на какое-то количество адресов, то специальная команда перехода содержит адрес ячейки, куда требуется передать управление.
4.4. Что такое архитектура и структура компьютера
При рассмотрении компьютерных устройств принято различать их архитектуру и структуру.
| Архитектурой компьютера называется его описание на некотором общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и т.д. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного ЗУ, внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя. |
| Структура компьютера — это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые различные устройства — от основных логических узлов компьютера до простейших схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации. |
Наиболее распространены следующие архитектурные решения.
· Классическая архитектура (архитектура фон Неймана) — одно арифметико-логическое устройство (АЛУ), через которое проходит поток данных, и одно устройство управления (УУ), через которое проходит поток команд — программа (рис. 4.1). Это однопроцессорный компьютер . К этому типу архитектуры относится и архитектура персонального компьютера с общей шиной, подробно рассмотренная в разделе 4.18 (рис. 4.26). Все функциональные блоки здесь связаны между собой общей шиной, называемой также системной магистралью.
| Физически магистраль представляет собой многопроводную линию с гнездами для подключения электронных схем. Совокупность проводов магистрали разделяется на отдельные группы: шину адреса, шину данных и шину управления. |
Периферийные устройства (принтер и др.) подключаются к аппаратуре компьютера через специальные контроллеры — устройства управления периферийными устройствами.
| Контроллер — устройство, которое связывает периферийное оборудование или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредственного управления функционированием данного оборудования. |
· Многопроцессорная архитектура . Наличие в компьютере нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и много потоков команд . Таким образом, параллельно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи. Структура такой машины, имеющей общую оперативную память и несколько процессоров, представлена на рис. 4.3.
Рис. 4.3. Архитектура многопроцессорного компьютера
· Многомашинная вычислительная система . Здесь несколько процессоров, входящих в вычислительную систему, не имеют общей оперативной памяти , а имеют каждый свою (локальную). Каждый компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру, и такая система применяется достаточно широко. Однако эффект от применения такой вычислительной системы может быть получен только при решении задач, имеющих очень специальную структуру: она должна разбиваться на столько слабо связанных подзадач, сколько компьютеров в системе.
Преимущество в быстродействии многопроцессорных и многомашинных вычислительных систем перед однопроцессорными очевидно.
· Архитектура с параллельными процессорами . Здесь несколько АЛУ работают под управлением одного УУ. Это означает, что множество данных может обрабатываться по одной программе — то есть по одному потоку команд. Высокое быстродействие такой архитектуры можно получить только на задачах, в которых одинаковые вычислительные операции выполняются одновременно на различных однотипных наборах данных. Структура таких компьютеров представлена на рис. 4.4.
Рис. 4.4. Архитектура с параллельным процессором
В современных машинах часто присутствуют элементы различных типов архитектурных решений. Существуют и такие архитектурные решения, которые радикально отличаются от рассмотренных выше.
Принципы фон Неймана
- Использование двоичной системы счисления в вычислительных машинах. Преимущество перед десятичной системой счисления заключается в том, что устройства можно делать достаточно простыми, арифметические и логические операции в двоичной системе счисления также выполняются достаточно просто.
- Программное управление ЭВМ. Работа ЭВМ контролируется программой, состоящей из набора команд. Команды выполняются последовательно друг за другом. Созданием машины с хранимой в памяти программой было положено начало тому, что мы сегодня называем программированием.
- Память компьютера используется не только для хранения данных, но и программ. При этом и команды программы и данные кодируются в двоичной системе счисления, т.е. их способ записи одинаков. Поэтому в определенных ситуациях над командами можно выполнять те же действия, что и над данными.
- Ячейки памяти ЭВМ имеют адреса, которые последовательно пронумерованы. В любой момент можно обратиться к любой ячейке памяти по ее адресу. Этот принцип открыл возможность использовать переменные в программировании.
- Возможность условного перехода в процессе выполнения программы. Не смотря на то, что команды выполняются последовательно, в программах можно реализовать возможность перехода к любому участку кода.
Самым главным следствием этих принципов можно назвать то, что теперь программа уже не была постоянной частью машины (как например, у калькулятора). Программу стало возможно легко изменить. А вот аппаратура, конечно же, остается неизменной, и очень простой.
Для сравнения, программа компьютера ENIAC (где не было хранимой в памяти программы) определялась специальными перемычками на панели. Чтобы перепрограммировать машину (установить перемычки по-другому) мог потребоваться далеко не один день. И хотя программы для современных компьютеров могут писаться годы, однако они работают на миллионах компьютеров после несколько минутной установки на жесткий диск.
Видеокарта
Ни один компьютер не может обойтись без видеокарты, которая преобразует сухие цифры и строчки кода в красивую картинку на экране. Правда, увидеть видеокарту можно далеко не всегда. Для повседневных задач и простеньких игр вам вполне может хватить интегрированной графики, которая встраивается непосредственно в процессор. Но если вы предпочитаете современные игры или работаете с тяжелой «графикой», то вам, определенно, потребуется дискретная видеокарта — отдельная плата с собственным графическим процессором и набором памяти с высокоскоростной шиной доступа к ней. Об отличиях этих типов графики мы написали здесь.
4.2. Как устроен компьютер
Разнообразие современных компьютеров очень велико. Но их структуры основаны
на общих логических принципах, позволяющих выделить в любом компьютере
следующие главные устройства:
-
память
(запоминающее устройство, ЗУ), состоящую из перенумерованных ячеек; -
процессор,
включающий в себя устройство управления (УУ) и арифметико-логическое
устройство (АЛУ); - устройство ввода;
- устройство вывода.
Эти устройства соединены каналами связи, по которым передается
информация.
Основные устройства компьютера и связи между ними представлены на схеме (рис.
4.1). Жирными стрелками показаны пути и направления движения информации, а
простыми стрелками — пути и направления передачи управляющих сигналов.
Рис. 4.1. Общая схема компьютера
Функции памяти:
- приём информации из других устройств;
- запоминание информации;
- выдача информации по запросу в другие устройства машины.
Функции процессора:
-
обработка данных по заданной программе путем выполнения
арифметических и логических операций; - программное управление работой устройств компьютера.
| Та часть процессора, которая выполняет команды, называетсяарифметико-логическим устройством (АЛУ), а другая его часть, выполняющая функции управления устройствами, называется устройством управления (УУ). |
Обычно эти два устройства выделяются чисто условно, конструктивно они не
разделены.
В составе процессора имеется ряд специализированных дополнительных ячеек
памяти, называемых регистрами.
| Регистр выполняет функцию кратковременного хранения числа или команды. Над содержимым некоторых регистров специальные электронные схемы могут выполнять некоторые манипуляции. Например, «вырезать» отдельные части команды для последующего их использования или выполнять определенные арифметические операции над числами. |
Основным элементом регистра является электронная схема, называемая триггером,
которая способна хранить одну двоичную цифру (разряд двоичного кода).
|
Регистр представляет собой совокупность триггеров, связанных друг с другом определённым образом общей системой управления. |
Существует несколько типов регистров, отличающихся видом выполняемых
операций. Некоторые важные регистры имеют свои названия, например:
-
сумматор —
регистр АЛУ, участвующий в выполнении каждой операции; -
счетчик команд — регистр УУ, содержимое которого соответствует адресу
очередной выполняемой команды; служит для автоматической выборки программы из
последовательных ячеек памяти; -
регистр команд — регистр УУ для хранения кода команды на период
времени, необходимый для ее выполнения. Часть его разрядов используется для
хранения кода операции, остальные — для хранения кодов адресов
операндов.
Операционная система
Вопрос посетителя
Программное управление работой периферийного устройства производится через программу —
(*ответ*) драйвер
инсталлятор
адаптер
конвейер
Программы, записанные в BIOS, считывают данные о составе оборудования компьютера из микросхемы
(*ответ*) CMOS
SIMM
RAM
CISC
Промышленный стандарт _ позволил связать все устройства системного блока между собой и обеспечить простое подключение новых устройств через стандартные разъемы (слоты)
(*ответ*) ISA
CMOS
SIMM
RAM
С точки зрения физического принципа действия различают динамическую память _ и статическую память _
(*ответ*) DRAM
(*ответ*) SRAM
CISC
RISC
Системная _ — системная магистраль передачи информации внутри компьютера
(*ответ*) шина
Системная шина состоит из трех частей:
(*ответ*) шина данных
(*ответ*) шина адреса
(*ответ*) шина управления
шина чтения
шина записи
Системная шина характеризуется _ и _.
(*ответ*) тактовой частотой
(*ответ*) разрядностью
разрешением
размером кэш-памяти
Специализированный процессор, управляющий работой внешнего устройства по специальным встроенным программам обмена – это _
(*ответ*) контроллер
Тактовая _ характеризует число элементарных операций по передаче информации за 1 секунду
(*ответ*) частота
Устройство, создающее последовательность электрических сигналов, на основе которых вырабатываются сигналы управления в устройстве управления – это _ тактовых импульсов
(*ответ*) генератор
Фактический набор компонентов ЭВМ, которые составляют компьютер, называют
(*ответ*) конфигурацией
системным блоком
архитектурой
конвейером
Шина _ — шина, по которой передается обрабатываемая информация
(*ответ*) данных
адреса
управления
ввода
Шина _ — шина, по которой передаются адреса памяти или внешних устройств, к которым обращается процессор
(*ответ*) адреса
ЭВМ относят к тому или иному _ в зависимости от используемых в ней физических элементов или технологии их изготовления
(*ответ*) поколению
Устройство сопряжения, с помощью которого центральный процессор или оперативная память ЭВМ могут быть связаны с другими устройствами с целью передачи информации – это _
(*ответ*) порт
По способу организации записи и считывания оптические диски могут быть разделены на три класса:
(*ответ*) CD-ROM
(*ответ*) СD-R
(*ответ*) CD-RW
CGA
EGA
VGA
IBM 360/370, EC ЭВМ, СМ ЭВМ относятся к машинам _ поколения
(*ответ*) третьего
первого
второго
четвертого
Оценивание
Главными показателями оценивания уровня освоения дисциплины являются своевременность и качество выполнения обучающимся всех видов учебной нагрузки и контрольных мероприятий.
6 семестр
|
Модули |
Баллов |
|
|
минимум |
максимум |
|
|
Модуль 1 «ВССТ |
2 |
35 |
|
Посещение аудиторных занятий |
4 |
11 |
|
Контрольная работа |
16 |
24 |
|
Модуль 2 «Лабораторный практикум |
22 |
35 |
|
Посещение аудиторных занятий |
4 |
11 |
|
Лабораторный практикум |
18 |
24 |
|
Экзамен |
18 |
30 |
|
Итого |
60 |
100 |
Перевод процентов в 4-балльную шкалу
| менее 60 | НЕУД |
| 60 и выше | УДОВЛ |
| 75 и выше | ХОР |
| 90 и выше | ОТЛ |
Текущая аттестация
Текущая аттестация (контрольная работа) как правило проводится в середине семестра в форме тестирования на персональном компьютере. Тест оформляется в специализированном ПО Moodle.
Максимальные и минимальные баллы (проценты) можно посмотреть в таблице выше. Баллы ниже минимального значения обнуляются (не учитываются), а задание считается не выполненным.
Пересдача возможна в конце семестра, по предварительному согласованию с преподавателем.
Экзамен
Экзамен (промежуточная аттестация) проводится в зимнюю экзаменационную сессию. Возможны две формы: в письменной форме и в форме тестирования в специализированном ПО Moodle (наиболее вероятно).
Максимальные и минимальные баллы (проценты) можно посмотреть в таблице выше. По правилам высшей школы, на экзамене проверяются знания, умения и навыки. Поэтому экзамен состоит из 2-х частей: ответы на вопросы (или тест, или 2 вопроса из билета) и практическое задание за компьютером. От практического задания можно получить освобождение по предварительному согласованию с преподавателем, если лабораторный практикум сдан в срок.
Баллы ниже минимального значения обнуляются (не учитываются), а экзамен считается не сданным. Невыполненное практическое задание и/или отсутствие письменного ответа на 1 из вопросов также приводят к обнулению баллов за экзамен.
Экзаменационные вопросы можно получить у преподавателя не ранее чем за неделю до экзамена.
Экзаменационные билеты нельзя увидеть раньше экзамена.
Типовые вопросы к экзамену
1. Информация. Вычислительные системы. Классификация ВС. (Л1)2. Микропроцессор. Ассемблер. (Л1.1)3. Регистры и регистровые пары. (Л1.1)4. Параллельные вычисления. Предпосылки. (Л1.2)5. Опишите архитектуры ВС: RISC, CISC, VLIW, EPIC. (Л1.2)6. Классификация вычислительных машин. (Л1.3)7. Понятие «кластер» (Л1.3)8. Раскройте понятие «микроконтроллеры» (Л1.4)9. Классификация ИВС (Л2.1)10. Классификация ЛВС (Л2.2)11. Сравните одноранговые сети и сети клиент-сервер (Л2.2)12. ЛВС. Типы серверов (Л2.3)13. Частные адреса. Проблемы выхода в интернет. (Л2.3)14. Способы коммутации (Л2.4)15. Опишите кабельные системы (Л2.5)16. Опишите устройства коммутации (Л2.6)17. Изложите суть модели OSI (Л2.7)18. Изложите принципы адресации (Л2.8)19. Опишите технологии локальных сетей (Л2.9)20. Классифицируйте прокси-сервера (Л2.10)
Материалы для скачивания
- Лекция 1.1
- Лекция 1.2
- Лекция 1.3
- Лекция 1.4
- Лекция 2.1
- Лекция 2.2
- Лекция 2.3
- Лекция 2.4
- Лекция 2.5
- Лекция 2.6
- Лекция 2.7
- Лекция 2.8
- Лекция 2.9
- Лекция 2.10
- Лабораторный практикум
- Программное обеспечение Дистрибутив
- Программное обеспечение Архив
- Программное обеспечение Исходный код