Что понимается под структурой компьютера
ТЕМА 1.5. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА РЕАЛИЗАЦИИ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ
Оглавление
1.5.1. Структура персонального компьютера. Назначение основных блоков
Понятие архитектуры и структуры компьютера
Архитектура компьютера обычно определяется совокупностью ее свойств, существенных для пользователя. Основное внимание при этом уделяется структуре и функциональным возможностям машины, которые можно разделить на основные и дополнительные.
Основные функции определяют назначение ЭВМ: обработка и хранение информации, обмен информацией с внешними объектами.
Дополнительные функции повышают эффективность выполнения основных функций: обеспечивают эффективные режимы ее работы, диалог с пользователем, высокую надежность и др. Названные функции ЭВМ реализуются с помощью ее компонентов: аппаратных и программных средств.
Структура компьютера — это некоторая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия входящих в нее компонентов.
Структура персонального компьютера
Рассмотрим состав и назначение основных блоков персонального компьютера (ПК) (рис. 1).
Рис. 1. Структурная схема персонального компьютера
Микропроцессор (МП)
Это центральный блок персонального компьютера, предназначенный для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операций над информацией.
В состав микропроцессора входят:
Регистры — быстродействующие ячейки памяти различной длины (в отличие от ячеек ОП, имеющих стандартную длину 1 байт и более низкое быстродействие);
Генератор тактовых импульсов
Он генерирует последовательность электрических импульсов; частота генерируемых импульсов определяет тактовую частоту микропроцессора и соответственно персонального компьютера в целом.
Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта работы машины или просто такт работы машины.
Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик персонального компьютера и во многом определяет скорость его работы, ибо каждая операция в машине выполняется за определенное количество тактов.
Основная память
Она предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками машины. Основная память содержит два вида запоминающих устройств: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) или постоянная память и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) или оперативная память.
ПЗУ служит для хранения неизменяемой (постоянной) программной и справочной информации, позволяет оперативно только считывать хранящуюся в нем информацию (изменить информацию в ПЗУ нельзя).
ОЗУ предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в вычислительном процессе, выполняемом персональным компьютером в текущий период времени.
Главными достоинствами оперативной памяти являются ее высокое быстродействие и возможность обращения к каждой ячейке памяти отдельно (прямой адресный доступ к ячейке). В качестве недостатка ОЗУ следует отметить невозможность сохранения информации в ней после выключения питания машины (энергозависимость).
Внешняя память
Она относится к внешним устройствам персонального компьютера и используется для долговременного хранения любой информации, которая может когда-либо потребоваться для решения задач. В частности, во внешней памяти хранится все программное обеспечение компьютера. Внешняя память реализована на материальных носителях, доступ к которым реализован на различных физических принципах, например магнитный или оптический. Считывание данных с носителей внешней памяти и запись на них осуществляется с помощью специальных устройств – накопителей, часто их называют дисководами. Наиболее распространенными, имеющимися практически на любом компьютере, являются накопители на жестких (НЖМД), накопители на гибких (НГМД) магнитных дисках, накопители на оптических дисках (НОД).
Назначение этих накопителей — запись и выдача хранимой на носителях информации по запросу в оперативное запоминающее устройство. Различаются накопители конструктивно, временем поиска, записи и считывания информации, объемами хранимой информации на носителях.
В качестве устройств внешней памяти иногда используются также запоминающие устройства на кассетной магнитной ленте (стриммеры).
Внешние устройства
Это важнейшая составная часть любого вычислительного комплекса. От состава и характеристик внешних устройств во многом зависят возможность и эффективность применения персонального компьютера.
Драйвер — специальная программа, управляющая работой памяти или внешними устройствами компьютера и организующая обмен информацией между микропроцессором, основной памятью и внешними устройствами ЭВМ. Драйвер, управляющий работой памяти, называется диспетчером памяти.
Внешние устройства весьма разнообразны и могут быть классифицированы по ряду признаков. Так, по назначению можно выделить следующие виды внешних устройств:
Диалоговые средства пользователя включают в свой состав Мониторы (дисплеи) и устройства речевого ввода-вывода информации.
Монитор (дисплей) — устройство для отображения вводимой и выводимой из персонального компьютера информации на экране электронно-лучевой трубки или жидкокристаллическом экране.
В состав монитора на базе ЭЛТ входят: панель ЭЛТ, блок разверток, видеоусилитель, блок питания и др. В зависимости от вида управляющего лучом сигнала мониторы бывают ана логовые и цифровые.
Важными характеристиками мониторов являются разрешающая способность и размер зерна (точки).
Измеряется разрешающая способность максимальным количеством пикселей, размещающихся по горизонтали и по вертикали на экране монитора. Зависит разрешающая способность как от характеристик монитора, так, даже в большей степени, и от харак теристик видеоадаптера. Стандартные значения разрешающей способности современных мониторов: 640×480, 800×600, 1024×768, 1600×1200.
Четкость изображения на экране монитора определяется размером зерна (точки, dot pitch) люминофора. Чем меньше зерно, тем, естественно, выше четкость и тем меньше устает глаз. У мониторов с большим зерном не может быть достигнута высокая разрешающая способность.
Размер экрана монитора задается обычно величиной его диагонали в дюймах. Важной характеристикой монитора является частота его кадровой развертки. Смена изображений (кадров) на экране с частотой 25 Гц воспринимается глазом как непрерывное движение, но глаз при этом из-за мерцания экрана быстро устает. Для большей устойчи вости изображения и снижения усталости глаз у качественных мониторов поддерживается частота смены кадров на уровне 70 — 80 Гц.
Устройства речевого ввода-вывода относятся к быстроразвивающимся средствам мультимедиа. Устройства речевого ввода — это различные микрофонные акус тические системы, позволяющие распознавать произносимые человеком буквы и слова, идентифицировать их и закодировать.
Устройства речевого вывода — это различные синтезаторы звука, выполняющие преобразование цифровых кодов в буквы и слова, воспроизводимые через громкоговорители (динамики) или звуковые колонки, подсоединенные к компьютеру.
К устройствам ввода информации относятся:
К устройствам вывода информации относятся принтеры и графопостроители.
Принтеры — печатающие устройства для регистрации информации на бумажный носитель. Принтеры являются наиболее развитой группой внешних устройств персонального компьютера, насчитывающей до 1000 различных модификаций. Принтеры разнятся между собой по различным признакам:
Наиболее распространены лазерные и струйные. Все еще используются матричные принтеры.
Лазерные принтеры. В лазерных принтерах применяется электрографический способ формирования изображений, используемый в одноименных копировальных аппаратах. Лазер служит для создания сверхтонкого светового луча, вычерчивающего на поверхности предварительно заряженного светочувствительного барабана контуры невидимого точечного электронного изображения — электрический заряд стекает с засвеченных лучом лазера точек на поверхности барабана. После проявления электронного изображения порошком красителя (тонера), налипающего на разряженные участки, выполняется печать — перенос тонера с барабана на бумагу и закрепление изображения на бумаге разогревом тонера до его расплавления.
Лазерные принтеры обеспечивают наиболее качественную печать с разрешением до 50 точек/мм (1200 dpi) и скорость печати до 1000 зн./с. Широко используются цветные лазерные принтеры. Например, лазерный принтер фирмы Tektronix (США) Phaser 550 имеет разрешение и по горизонтали, и по вертикали 1200 dpi; скорость цветной печати — 5 страниц формата А4 в минуту, скорость монохромной печати — 14 стр./мин.
Струйные принтеры. В печатающей головке этих принтеров вместо иголок имеются тонкие трубочки — сопла, через которые на бумагу выбрасываются мельчайшие капельки красителя (чернил). Это безударные печатающие устройства. Матрица печатающей головки обычно содержит от 12 до 64 сопел. В последние годы в их совершенствовании достигнут существенный прогресс: созданы струйные принтеры, обеспечивающие разрешающую способность до 20 точек/мм и скорость печати до 500 зн./с при отличном качестве печати, приближающемся к качеству лазерной печати. Имеются цветные струйные принтеры.
Матричные принтеры. В матричных принтерах изображение формируется из точек ударным способом, поэтому их более правильно называть ударно-матричные принтеры, тем более что и прочие типы знакосинтезирующих принтеров тоже чаще всего используют матричное формирование символов, но безударным способом. Тем не менее «матричные принтеры» — это их общепринятое название, поэтому и будем его придерживаться.
Матричные принтеры могут работать в двух режимах — текстовом и графическом.
В текстовом режиме на принтер посылаются коды символов, которые следует распечатать, причем контуры символов выбираются из знакогенератора принтера.
В графическом режиме на принтер пересылаются коды, определяющие последовательность и местоположение точек изображения.
В игольчатых (ударных) матричных принтерах печать точек осуществляется тонкими иглами, ударяющими бумагу через красящую ленту. Каждая игла управляется собственным электромагнитом. Печатающий узел перемещается в горизонтальном направлении, и знаки в строке печатаются последовательно. Многие принтеры выполняют печать как, при прямом, так и при обратном ходе. Количество иголок в печатающей головке определяет качество печати. Недорогие принтеры имеют 9 игл. Матрица символов в таких принтерах имеет размерность 7×9 или 9×9 точек. Более совершенные матричные принтеры имеют 18 игл и даже 24.
Быстродействие матричных принтеров при печати текста в режиме Draft находится в пределах 100-300 символов/с, что соответствует примерно двум страницам в минуту (с учетом смены листов).
Графопостроители (плоттеры) — для вывода графической информации (графиков, чертежей, рисунков) из ПК на бумажный носитель; плоттеры бывают векторные с вычерчиванием изображения с помощью пера и растровые: термографические, электростатические, струйные и лазерные. По конструкции плоттеры подразделяются на планшетные и барабанные. Основные характеристики всех плоттеров примерно одинаковые: скорость вычерчивания — 100 — 1000 мм/с, у лучших моделей возможны цветное изображение и передача полутонов; наибольшая разрешающая способность и четкость изображения у лазерных плоттеров, но они самые дорогие.
Устройства связи и телекоммуникации используются для связи с приборами и другими средствами автоматизации, для подключения персонального компьютера к каналам связи, к другим компьютерам и вычислительным сетям (сетевые интерфейсные платы, «стыки», мульти плексоры передачи данных, модемы).
В частности, показанный на рис. 1 сетевой адаптер является внешним интерфейсом персонального компьютера и служит для подключения его к каналу связи для обмена информацией с другими компьютерами, для работы в составе вычислительной сети. В глобальных сетях функции сетевого адаптера выполняет модем.
Системная шина
Это основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой.
Системная шина включает в себя:
Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:
Источник питания
Это блок, содержащий системы автономного и сетевого энергопитания персонального компьютера.
Таймер
Это внутримашинные электронные часы, обеспечивающие при необходи мости автоматический съем текущего момента времени (год, месяц, часы, минуты, секунды и доли секунд). Таймер подключается к автономному источнику питания — аккумулятору и при отключении машины от сети продолжает работать.
Средства мультимедиа
Многие из названных выше устройств относятся к условно выделенной группе — средствам мультимедиа (multimedia — многосредовость).
Дополнительные схемы
К системной шине и к МП ПК наряду с типовыми внешними устройствами могут быть подключены и некоторые дополнительные платы с интегральными микросхемами, расширяющие и улучшающие функциональные возможности микропроцессора: математический сопроцессор, контроллер прямого доступа к памяти, сопроцессор ввода-вывода, контроллер прерываний и др.
Математический сопроцессор широко используется для ускоренного выполнения операций над двоичными числами с плавающей запятой над двоично-кодированными десятичными числами, для вычисления некоторых трансцендентных, в том числе тригонометрических, функций. Математический сопроцессор имеет свою систему команд и работает параллельно с основным МП, но под управлением последнего. Ускорение операций происходит в десятки раз.
Контроллер прямого доступа к памяти освобождает микропроцессор от прямого управления накопителями на магнитных дисках, что существенно повышает эффективное быстродействие персонального компьютера. Без этого контроллера обмен данными между внешними запоминающими устройствами и ОЗУ осуществляется через регистр микропроцессора, а при его наличии данные передаются непосредственно, минуя микропроцессор.
Сопроцессор ввода-вывода за счет параллельной работы с микропроцессором значительно ускоряет выполнение процедур ввода-вывода при обслуживании нескольких внешних устройств (дисплей, принтер, НЖМД, НГМД и др.); освобождает микропроцессор от обработки процедур ввода-вывода, в том числе реализует и режим прямого доступа к памяти.
Важнейшую роль играет в персональном компьютере контроллер прерываний.
Прерывание — временный останов выполнения одной программы в целях оперативного выполнения другой, в данный момент более важной (приоритетной) программы.
Прерывания возникают при работе компьютера постоянно. Достаточно сказать, что все процедуры ввода-вывода информации выполняются по прерываниям, например, прерывания от таймера возникают и обслуживаются контроллером прерываний 18 раз в секунду, что совершенно незаметно для пользователя.
Контроллер прерываний обслуживает процедуры прерывания, принимает запрос на прерывание от внешних устройств, определяет уровень приоритета этого запроса и выдает сигнал прерывания в микропроцессор персонального компьютера. Микропроцессор, получив этот сигнал, приостанавливает выполнение текущей программы и переходит к выполнению специальной программы обслуживания того прерывания, которое запросило внешнее устройство. После завершения программы обслуживания восстанавливается выполнение прерванной программы. Контроллер прерываний является программируемым.
Элементы конструкции персонального компьютера
Конструктивно ПК выполнены в виде центрального системного блока, к которому через разъемы подключаются внешние устройства: дополнительные устройства памяти, клавиатура, дисплей, принтер и др.
На системной (материнской) плате (Mother Board), как правило, размещаются:
Внутримашинный системный интерфейс
Важнейшими функциональными характеристиками системной шины являются: количество обслуживаемых ею устройств и ее пропускная способность, т.е. максимально возможная скорость передачи информации. Пропускная способность шины зависит от ее разрядности (32- и 64-разрядные) и тактовой частоты, на которой шина работает.
В качестве системной шины в разных персональных компьютерах могут использоваться:
Функциональные характеристики персонального компьютера
Основными характеристиками ПК являются:
1. Быстродействие, производительность, тактовая частота.
Единицами измерения быстродействия служат:
Оценка производительности ЭВМ всегда приблизительная, ибо при этом ориентируются на некоторые усредненные или, наоборот, на конкретные виды операций. Реально, при решении различных задач используются и различные наборы операций. Поэтому для характеристики персонального компьютера вместо производительности обычно указывают тактовую частоту, более объективно определяющую быстродействие машины, так как каждая операция требует для своего выполнения вполне определенного количества тактов. Зная тактовую частоту, можно достаточно точно определить время выполнения любой машинной операции.
2. Разрядность машины и кодовых шин интерфейса.
Разрядность — это максимальное количество разрядов двоичного числа, над которым одновременно может выполняться машинная операция, в том числе и операция передачи информации; чем больше разрядность, тем, при прочих равных условиях, будет больше и производительность персонального компьютера.
3. Типы системного и локальных интерфейсов.
Разные типы интерфейсов обеспечивают разные скорости передачи информации между узлами машины, позволяют подключать разное количество внешних устройств и различные их виды.
4. Емкость оперативной памяти.
Емкость оперативной памяти измеряется в мегабайтах (Мбайт).
Следует иметь в виду, что увеличение емкости оперативной памяти в 2 раза, дает повышение эффективной производительности ЭВМ при решении сложных задач примерно в 1,7 раза.
5. Емкость накопителя на жестких магнитных дисках <винчестера).
Емкость винчестера измеряется обычно в гигабайтах (1 Гбайт = 1024 Мбайт).
6. Виды и емкость КЭШ-памяти.
КЭШ-память — это буферная, не доступная для пользователя быстродействующая память, автоматически используемая компьютером для ускорения операций с информацией, хранящейся в более медленно действующих запоминающих устройствах. Например, для ускорения операций с основной памятью организуется регистровая КЭШ-память внутри микропроцессора (КЭШ-память первого уровня) или вне микропроцессора на материнской плате (КЭШ-память второго уровня); для ускорения операций с дисковой памятью организуется КЭШ-память на ячейках электронной памяти.
Следует иметь в виду, что наличие КЭШ-памяти емкостью 256 Кбайт увеличивает производительность ПК примерно на 20%.
7. Тип видеомонитора (дисплея) и видеоадаптера.
9. Наличие математического сопроцессора.
Математический сопроцессор позволяет в десятки раз ускорить выполнение операций над двоичными числами с плавающей запятой и над двоично-кодированными десятичными числами.
10. Имеющееся программное обеспечение и вид операционной системы.
Надежность — это способность системы выполнять полностью и правильно все заданные ей функции. Надежность ПК измеряется обычно средним временем наработки на отказ.
1.5.2. Запоминающие устройства персонального компьютера
Регистровая кэш-память
Регистровая КЭШ-памятъ — высокоскоростная память, являющаяся буфером между оперативной памятью и микропроцессором, и позволяющая увеличить скорость выполнения операций.
Регистры КЭШ-памяти недоступны для пользователя, отсюда и название КЭШ (Cache), в переводе с английского означает «тайник».
В КЭШ-памяти хранятся данные, которые микропроцессор будет использовать в ближайшие такты своей работы. Быстрый доступ к этим данным и позволяет сократить время выполнения очередных команд программы. При выполнении программы данные, считанные из оперативной памяти с небольшим опережением, записываются в КЭШ-память.
Следует иметь в виду, что для всех микропроцессоров может использоваться дополнительная КЭШ-память (КЭШ-памятъ 2-го уровня), размещаемая на материнской плате вне микропроцессора, емкость которой может достигать нескольких мегабайтов.
Основная память
Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) предназначено для хранения информации (программ и данных), непосредственно участвующей в вычислительном процессе на текущем этапе функционирования ПК.
ОЗУ — энергозависимая память: при отключении напряжения питания информация, хранящаяся в ней, теряется. Основу ОЗУ составляют большие интегральные схемы, содержащие матрицы полупроводниковых запоминающих элементов (триггеров). Запоминающие элементы расположены на пересечении вертикальных и горизонтальных шин матрицы; запись и считывание информации осуществляются подачей электрических импульсов по тем шинам матрицы, которые соединены с элементами, принадлежащими выбранной ячейке памяти.
Конструктивно элементы оперативной памяти выполняются в виде отдельных микросхем или в виде модулей памяти типа SIMM (Single In line Memory Module — модуль памяти с одноразрядным расположением выводов). Модули SIMM имеют емкость 512 Кбайт, 1, 4, 8, 16, 32, 64 Мбайта. На материнскую плату можно установить несколько модулей SIMM.
Основная память компьютера делится на две логические области: непосредственно адресуемую память, занимающую первые 1024 Кбайта ячеек с адресами от 0 до 1024 Кбайт, и расширенную память, доступ к ячейкам которой возможен при использовании специальных программ-драйверов.
Непосредственно адресуемая память в диапазоне от 0 до 640 Кбайт называется стандартной памятью (СМА — Conventional Memory Area).
Непосредственно адресуемая память в диапазоне адресов от 640 до 1024 Кбайт называется верхней памятью (UMA — Upper Memory Area). Верхняя память зарезервирована для памяти дисплея (видеопамяти) и постоянного запоминающего устройства. Однако обычно в ней остаются свободные участки — «окна», которые могут быть использованы при помощи диспетчера памяти в качестве оперативной памяти общего назначения.
Расширенная память — это память с адресами 1024 Кбайта и выше. Расширенная память может быть использована главным образом для хранения данных и некоторых программ операционной системы. Часто расширенную память используют для организации виртуальных (электронных) дисков.
Исключение составляет небольшая 64-Кбайтная область памяти с адресами от 1024 до 1088 Кбайт (так называемая высокая память, иногда ее называют старшая: НМА — High Memory Area), которая обычно используется для хранения программ и данных операционной системы.
Внешняя память
Устройства внешней памяти, часто называемые накопителями, весьма разнообразны. Их можно классифицировать по целому ряду признаков: по виду носителя, типу конструкции, по принципу записи и считывания информации, методу доступа и т.д. Носитель — материальный объект, способный хранить информацию.
Наиболее распространенными носителями являются диски. Диски относятся к машинным носителям информации с прямым доступом. Понятие прямой доступ означает, что персональный компьютер может «обратиться» к дорожке, на которой начинается участок с искомой информацией или куда нужно записать новую информацию, непосредственно, где бы ни находилась головка записи/чтения накопителя.
Время доступа — средний временной интервал, в течение которого накопитель находит требуемые данные — представляет собой сумму времени для позиционирования головок чтения/записи на нужную дорожку и ожидания нужного сектора.
Накопители на дисках более разнообразны:
Логическая структура магнитного диска
Магнитные диски относятся к магнитным машинным носителям информации. В качестве запоминающей среды у них используются магнитные материалы со специальными свойствами (с прямоугольной петлей гистерезиса), позволяющими фиксировать два магнитных состояния — два направления намагниченности. Каждому из этих состояний ставятся в соответствие двоичные цифры: 0 и 1. Диски бывают жесткими и гибкими, сменными и встроенными в персональный компьютер. Устройство для чтения и записи ин формации на магнитном диске называется дисководом (накопителем на магнитных дисках – НМД) .
Все магнитные диски характеризуются своим диаметром или, иначе, форм-фактором.
Информация на магнитный диск (рис.2) записывается и считывается магнитными головками вдоль концентрических окружностей — дорожек (треков). Количество дорожек на магнитный диск и их информационная емкость зависят от его типа, конструкции накопи теля (дисковода), качества магнитных головок и магнитного покрытия.
Каждая дорожка МД разбита на сектора. В одном секторе дорожки может быть помещено 128, 256, 512 или 1024 байт, но обычно 512 байт данных. Обмен данными между НМД и оперативной памятью осуществляется последовательно целым числом секторов. Клacmер — это минимальная единица размещения информации на диске, состоящая из одного или нескольких смежных секторов дорожки.
Рис. 2. Логическая структура поверхности магнитного диска
При записи и чтении информации магнитный диск вращается вокруг своей оси, а механизм управления магнитной головкой подводит ее к дорожке, выбранной для записи или чтения информации.
Данные на дисках хранятся в файлах, которые обычно отождествляют с участком (областью, полем) памяти на этих носителях информации.
Файл — это именованная область внешней памяти, выделенная для хранения массива данных.
Поле памяти создаваемому файлу выделяется кратным определенному количеству кластеров. Кластеры, выделяемые одному файлу, могут находиться в любом свободном месте дисковой памяти и необязательно являются смежными. Файлы, хранящиеся в разбросанных по диску кластерах, называются фрагментированными.
Для пакетов магнитных дисков (диски установлены на одной оси) вводится понятие «цилиндр». Цилиндром называется совокупность дорожек МД, находящихся на одинаковом расстоянии от его центра.
Накопители на гибких магнитных дисках
На гибком магнитном диске (дискете) магнитный слой наносится на пластиковую основу. Используемые в персональном компьютере стандартные диски имеют форм-фактор 3,5″.
Дискета имеет жесткую конструкцию, тщательно защищена от внешних воздействий. Режим запрета записи на этих дискетах устанавливается специальным переключателем, расположенным на корпусе дискеты.
Каждую новую дискету в начале работы с ней следует отформатировать.
Форматирование дискеты — это создание структуры записи информации на ее поверхности: разметка дорожек, секторов, записи маркеров и другой служебной информации.
В качестве справки приведем некоторые характеристики накопителя на магнитных гибких дисках (3,5″):
плотность записи – 558 бит/мм;
плотность дорожек – 5,3 дорожек/мм;
среднее время доступа – 65 мс;
скорость передачи – 150 Кбайт/с;
скорость вращения – 7200 об./мин;
число секторов – 18;
емкость сектора дорожки – 512 байт.
Накопители на жестких магнитных дисках
В качестве накопителей на жестких магнитных дисках (НЖМД) широкое распространение в персональном компьютере получили накопители типа «винчестер».
Термин винчестер возник из жаргонного названия первой модели жесткого диска емкостью 16 Кбайт (IBM, 1973 г.), имевшего 30 дорожек по 30 секторов, что случайно совпало с калибром «30/30» известного охотничьего ружья «Винчестер».
В этих накопителях один или несколько жестких дисков, изготовленных из сплавов алюминия или из керамики и покрытых ферролаком, вместе с блоком магнитных головок считывания/записи помещены в герметически закрытый корпус. Емкость этих накопителей благодаря чрезвычайно плотной записи, получаемой в таких несъемных конструкциях, достигает нескольких тысяч мегабайт; быстродействие их также значительно более высокое, нежели у НГМД.
НЖМД весьма разнообразны. Диаметр дисков чаще всего 3,5′ (89 мм). На иболее распространенная высота корпуса дисковода 25 мм у настольных ПК, 41 мм — у машин-серверов, 12 мм — у портативных ПК и др.
Для повышения скорости обмена данными процессора с дисками НЖМД следует кэшировать. КЭШ-память для дисков имеет то же функциональное назначение, что и КЭШ для основной памяти, т.е. служит быстродействующим буфером памяти для кратковременного хранения информации, считываемой или записываемой на диск. КЭШ-память может быть встроенной в дисковод, а может создаваться программным путем в оперативной памяти.
Один физический диск может быть разделен программными средствами на несколько «логических» дисков. Тем самым имитируется несколько дисководов на одном насителе.
Дисковые массивы RAID
В машинах-серверах баз данных и в суперЭВМ часто применяются дисковые массивы RAID (Redundant Array of Independent Disks — матрица с резервируемыми независимыми дисками), в которых несколько накопителей на жестких дисках объединены в один большой логический диск. При этом используются основанные на введении информационной избыточности методы обеспечения достоверности информации, существенно повышающие надежность работы системы. Это позволяет при обнаружении искаженной информации автоматически ее скорректировать, а неисправный накопитель в режиме Plug and Play (вставляй и работай) заместить исправным.
Существует несколько уровней базовой компоновки массивов RAID:
1-й уровень включает два диска, второй из которых является точной копией первого;
2-й уровень использует несколько дисков специально для хранения контрольных сумм и обеспечивает самый сложный функционально и самый эффективный метод исправления ошибок;
3-й уровень включает четыре диска: три информационных, а четвертый хранит контрольные суммы, обеспечивающие исправление ошибок в первых трех;
4-й и 5-й уровни используют диски, на каждом из которых хранятся свои собственные контрольные суммы.
Дисковые массивы второго поколения — RAID 6 и RAID 7. Последние могут объединять до 48 физических дисков любой емкости, формирующих до 120 логических дисков; имеют внутреннюю КЭШ-память и разъемы для подключения внешних интерфейсов.
Среднее время наработки на отказ в дисковых массивах RAID — сотни тысяч часов, а при 2-м уровне компоновки — до миллиона часов. В обычных НМД эта величина не превышает тысячи часов.
Основные направления улучшения характеристик НМД:
Накопители на оптических дисках
В последние годы все большее распространение получают накопители на оптических дисках (НОД).
Сущность процессов записи/считывания обусловлена следующим. Активный слой на поверхности магнитооптического диска может быть перемагничен магнитной головкой только при высокой температуре. Такая температура (сотни градусов) создается лазерным импульсом длительностью порядка 0,1 мкс. При считывании информации вектор поляризации отраженного от поверхности диска лазерного луча на несколько градусов изменяет свое направление в зависимости от направления намагниченного участка активного слоя. Изменение направления поляризации и воспринимается соответствующим датчиком.
Основными достоинствами НОД являются:
Характеристики запоминающих устройств
Персональные компьютеры имеют четыре иерархических уровня памяти: микропроцессорную КЭШ-память, регистровую КЭШ-память, основную память, внешнюю память.
Быстродействие первых трех видов памяти измеряется временем обращения tобр к ним (сумма времени поиска, считывания и записи информации), а быстродействие внешней памяти — двумя параметрами: временем доступа t д (время поиска информации на носителе) и скоростью считывания V сч (скорость считывания смежных байтов информации подряд — трансфер).
1.5.3. Классификация современных компьютеров
Классификация компьютеров по назначению
По назначению компьютеры можно разделить на три группы (рис.3): универсальные (общего назначения), проблемно-ориентированные и специализированные.
Рис. 3. Классификация компьютеров по назначению
Универсальные компьютеры предназначены для решения самых различных инженерно-технических задач, экономических, математических, информационных и др. задач, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных.
Характерными чертами универсальных компьютеров являются:
Проблемно-ориентированные компьютеры предназначены для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами; регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных; выполнением расчетов по относительно несложным алгоритмам. Они обладают ограниченными, по сравнению с универсальными компьютерами, аппаратными и программными ресурсами.
К проблемно-ориентированным компьютерам можно отнести, в частности, всевозможные управляющие вычислительные комплексы.
Специализированные компьютеры предназначены для решения определенного узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций. Такая узкая ориентация компьютеров позволяет четко специализировать их структуру, существенно снизить их сложность и стоимость при сохранении высокой производительности и надежности их работы.
К специализированным компьютерам можно отнести, например: программируемые микропроцессоры специального назначения; адаптеры и контроллеры, выполняющие логические функции управления отдельными несложными техническими устройствами, агрегатами и процессами; устройства согласования и сопряжения работы узлов вычислительных систем.
Классификация компьютеров
по функциональным возможностям и использованию
По функциональным возможностям и использованию компьютеры можно разделить на несколько классов (рис.4): мэйнфреймы и суперкомпьютеры, персональные и портативные, кластеры.
Рис. 4. Классификация компьютеров по размерам и функциональным возможностям
Функциональные возможности компьютеров обусловлены такими важнейшими технико-эксплуатационными характеристиками, как:
Персональные компьютеры
Персональный компьютер — это настольная или переносная ЭВМ, удовлетворяющая требованиям общедоступности и универсальности применения.
Персональный компьютер стал обязательным атрибутом в любом современном офисе. Это основная техническая база информационной технологии. Профессионалы, работающие вне компьютерной сферы, считают непременной составляющей своей компетентности знание основных технических характеристик аппаратной части персонального компьютера.
Возможности персонального компьютера определяются характеристиками его функциональных блоков. Замена одних блоков на другие в настоящее время не представляет особой проблемы, и при необходимости можно достаточно быстро произвести модернизацию персонального компьютера.
Персональный компьютер должен обладать такими качествами как:
Персональные компьютеры, работающие в сети компании, часто называются рабочими станциями. Для рабочих станций характерно:
Портативные компьютеры
Наращивание аппаратных средств у многих переносных компьютеров выполняется подключением плат специальной конструкции.
Применяются в портативных компьютерах и сенсорные экраны, в которых прикосновение к их поверхности обусловливает перемещение курсора в место прикосновения или выбор процедуры по меню, выведенному на экран.
Рассмотрим кратко некоторые типы переносных ПЭВМ.
Имеют жидкокристаллические монохромные и цветные дисплей небольшого размера. Питание Note Book осуществляется кА от сети так и от портативных аккумуляторов, обеспечиваюших автономную работу в течение 3-4-х часов, а в случае использования ионно-литиевых аккумуляторов и до 12 часов.
Карманные компьютеры (PalmTop, что значит «наладонные») имеют массу около 300 г; типичные размеры в сложенном состоянии 150х80х25 мм. Это полноправные персональные компьютеры, имеющие микропроцессор, оперативную и постоянную память, обычно монохромный жидкокристаллический дисплей, портативную клавиатуру; имеют порт-разъем для подключения к стационарному персональному компьютеру.
Большинство PDA имеют модемы и могут обмениваться информацией с другими персональными компьютерами, а при подключении к вычислительной сети могут получать и отправлять электронную почту и факсы. Некоторые модели PDA оборудованы радиомодемами и инфракрасными портами для дистанционного беспроводного обмена информацией с другими компьютерами.
Есть разъем для подключения к компьютеру, небольшой монохромный жидкокристаллический дисплей. Благодаря низкому потреблению мощности питание от аккумулятора обеспечивает без подзарядки хранение информации до 5 лет.
Мэйнфреймы
К мэйнфреймам (Mainframe) относят, как правило, компьютеры, имеющие:
В результате развития рынка персональных компьютеров применение мейнфреймов сократилось, хотя они сохраняют сильные позиции в обороной, финансовой и промышленной сферах. Мейнфреймы позволяют производить большое количество сложных вычислений и обычно к ним подсоединено множество терминалов.
Основными причинами использования мейнфреймов является то, что, во-первых, организация и эксплуатация распределенных вычислительных систем оказалась задачей существенно более сложной, чем предполагалось. Во-вторых, многие специалисты и пользователи считают, что распределенная вычислительная среда не обладает достаточной надежностью при решении ответственных задач.
В начале 90-х годов компания IBM выпустила на рынок мейнфреймы с новой концептуальной архитектурой ESA/390 (Enterprise System Architecture — архитектура систем предприятия). ESA/390 предлагает широкий спектр функциональных возможностей для использования мейнфрейма в качестве центра интеграции неоднородного вычислительного комплекса.
Зарубежными фирмами рейтинг мэйнфреймов определяется по многим показателям, среди них:
По данным экспертов, на мэйнфреймах сейчас находится около 70% «компьютерной» информации. Современные мейнфреймы обеспечивают соответствие стандартным спецификациям открытых систем, возможность использования протоколов сетевого взаимодействия OSI и TCP/IP и даже предоставляя возможность работы под управлением операционной системы другого производителя.
Среди лучших современных разработок мэйнфреймов за рубежом следует в первую очередь отметить: американские IBM 3090, IBM 4300 (4331, 4341, 4361, 4381), пришедшие на смену IBM 380 в 1979 году, и IBM ES/9000, созданные в 1990 году, а также японские компьютеры М 1800 фирмы Fujitsu.
Серверы в сети часто специализируются. Специализированные серверы используются для устранения наиболее «узких» мест в работе сети: создание и управление базами данных и архивами данных, поддержка многоадресной факсимильной связи и электронной почты, управление многопользовательскими терминалами (принтеры, плоттеры) и др. Ниже приводятся примеры специализированных серверов.
Суперкомпьютеры
Типовая модель суперкомпьютера характеризуется следующим образом:
Напомним. 1 MFloPS это 1 миллион операций с плавающей запятой в секунду.
Создать такой высокопроизводительный суперкомпьютер на одном микропроцессоре (МП) не представляется возможным ввиду ограничения, обусловленного конечным значением скорости распространения электромагнитных волн (300 000 км/сек), ибо время распространения сигнала на расстояние несколько миллиметров (линейный размер стороны микропроцессора) при быстродействии 100 Млрд. операций в секунду становится соизмеримым с временем выполнения одной операции. Поэтому суперкомпьютер создается в виде высокопараллельных многопроцессорных вычислительных систем (МПВС).
Высокопараллельные МПВС имеют несколько разновидностей: магистральные, векторные, матричные.
Магистральные (конвейерные) МПВС, в которых в процессоре одновременно выполняются разные операции над последовательным потоком обрабатываемых данных. По принятой классификации такие МПВС относятся к системам с многократным потоком команд и однократным потоком данных.
Кластеры
Кластеры используются при построении вычислительных систем высокой производительности и продолжительного функционирования для критически важных приложений, связанных с обработкой транзакций, управлением базами данных и обслуживанием телекоммуникаций. Наиболее эффективным способом достижения заданного уровня производительности является применение параллельных масштабируемых архитектур, когда для увеличения вычислительного ресурса или ресурса памяти добавляются дополнительные устройства.
Кластерную архитектуру можно определить как комплекс специальным образом соединенных вычислительных машин, который воспринимается единым целым операционной системой, системным программным обеспечением и прикладными программами пользователей. Аппаратурная и программная избыточность комплекса позволяет при обнаружении отказа одного процессора быстро перераспределить работу на другие процессоры внутри кластера. Работа кластерной системы определяется высокоскоростным механизмом связи процессоров и соответствующими системными программными средствами, обеспечивающими пользователей прозрачным доступом к системному сервису.
Важными характеристиками кластеров являются: надежность, готовность и удобство обслуживания. Повышение надежности базируется на предотвращении неисправностей путем снижения интенсивности отказов и сбоев. Повышение уровня готовности предполагает снижение степени влияния отказов и сбоев на работу системы с помощью средств контроля и коррекции ошибок, а также автоматического восстановления вычислительного процесса после проявления неисправности., Основные эксплуатационные характеристики системы зависят, в частности, от её контролепригодности и ремонтопригодности.