Архітектура комп'ютерів

Контрольні запитання

1. Назвіть основні функції комп’ютера.

2. Накресліть структурну схему комп’ютера

Тема: ПОНЯТТЯ АРХІТЕКТУРИ КОМП’ЮТЕРА

1. Поняття архітектури комп’ютер

Вперше означення терміну «архітектура комп’ютера» було зроблене в 1964 році розробниками комп’ютера ІВМ 360 Г. Амдалем та його колегами. Архітектура комп’ютера з їх точки зору – це структура і поведінка як їх бачить програміст на асемблерній мові. Вона включає наступне: формати даних і команд, методи адресації, систему команд, а також загальну організацію процесора, основної пам’яті і пристроїв введення-виведення. Пізніше А. Пейджез з тієї ж фірми запропонував розуміти під архітектурою комп’ютера інтерфейс між його апаратним та програмним забезпеченням.

Як відомо, в комп’ютері використовується двійкове представлення команд. При написанні програми крім двійкової можуть використовуватись вісімкова, шістнадцяткова, символьна (мнемонічна) форми представлення команд. Використання вісімкового і шістнадцяткового кодування дозволяє скоротити записи і спростити роботу програміста. Мнемонічне кодування спрощує процес написання, читання і відлагодження програми. Основний принцип такого кодування – кожна команда представляється 3-х або 4-х буквеним символом, який показує назву команди. Деякі приклади мнемонічного кодування: add – додати, sub – відняти, load – зчитати дані з пам’яті, store – записати дані в пам’ять. Операнди також представляються символічно. Наприклад, команда add R, Y означає додавання значення вмісту комірки пам’яті Y до вмісту регістра R. Зауважимо, що операція виконується над вмістом, а не над адресою комірки пам’яті та регістра. Таким чином, з’являється можливість написання машинних програм в символічній формі. Повний набір символічних назв і правила їх використання утворюють мову програмування, відому як асемблерна мова. Запис деякої програми на асемблерній мові представляє собою символічний запис цієї ж програми, написаної на внутрішній мові комп’ютера, тобто в формі послідовності команд, представлених в двійкових кодах.

Означення. Архітектурою комп’ютера називають інтерфейс зв’язків між його апаратним та програмним забезпеченням.

З наведених вище означень можна зробити висновок про існування множини можливих варіантів архітектури комп’ютера. Значна кількість типів архітектури комп’ютера може бути виділена залежно від організації його вузлів, а саме процесора, пам’яті і пристроїв введення-виведення. Наприклад, це можуть бути комп’ютери з паралельною та конвеєрною обробкою даних, з ієрархічною та лінійною пам’яттю і т. д.

Архітектура комп’ютера має визначальний вплив на його споживчі характеристики: коло вирішуваних на комп’ютері задач, продуктивність, ємність основної пам’яті, ємність зовнішньої пам’яті, вартість, організація технічного обслуговування, надійність і т.д. Для вибору кращої з множини можливих варіантів архітектури комп’ютера потрібно знати зв’язок між архітектурою комп’ютера та його характеристиками.

2. Нейманівська архітектурa

Описана в 1946 році Джоном фон Нейманом архітектура комп’ютера дістала назву його імені, головними особливостями якої є:

1. Інформація в комп’ютері ділиться на команди і дані;

2. Команди вказують комп’ютеру, які дії і над якими операндами виконувати;

3. Послідовність команд, за якою виконується алгоритм вирішення задачі, називають програмою;

4. Весь набір виконуваних комп’ютером команд називають системою команд комп’ютера;

5. Дані – це числа і закодовані символи, які використовуються командами як операнди. Одні команди для інших також можуть бути операндами;

6. Команди і дані представлено двійковим кодом;

>7. Немає відмінностей в представленні команд і даних. Наприклад, двійкове число 100011011100 може бути як командою, так і даним;

8. Команди і дані зберігаються в одній пам’яті;

9. Команди і дані зберігаються в пам’яті за відповідними адресами;

10.Пам’ять має довільну адресацію, тобто в кожному такті можна звернутися до довільної її комірки;

11.Пам’ять є лінійною. Її адресу кодують двійковим кодом, починаючи від молодшої, всі розряди якої рівні нулю (00...0), до старшої, всі розряди якої рівні одиниці (1 1... 1).

В основу роботи такого комп’ютера покладено принцип програмного керування. Тобто функціонування цього комп’ютера здійснюється потактово за вказівкою команд програми. Програма разом з даними, які підлягають обробці, спочатку записується до основної пам’яті. В кожному такті, залежно від типу архітектури комп’ютера, виконується команда або частина команди – мікрокоманда. Команда вказує тип виконуваної операції та місце розміщення операндів і результату операції. Для виконання однієї команди необхідно провести наступні дії: записати до програмного лічильника адресу команди, зчитати із основної пам’яті команду за вмістом програмного лічильника, провести дешифрування команди з метою її розпізнання, визначити адреси комірок пам’яті, в яких знаходяться операнди та до яких мають бути записані результати, зчитати ці операнди з пам’яті та подати в арифметико-логічний пристрій для опрацювання, виконати операцію над операндами та записати результати до основної пам’яті. Таким чином проводиться виконання всіх команд програми. По закінченню в основній пам’яті будуть знаходитися результати виконання програми.

Контрольні запитання

1. Що розуміють під архітектурою комп’ютера?

2. Що розуміють під нейманівською архітектурою комп’ютера?

Тема: ГАРВАРДСЬКА, ДУАЛЬНА, АСОЦІАТИВНА АРХІТЕКТУРА. ПАРАЛЕЛЬНІ КОМП’ЮТЕРНІ АРХІТЕКТУРИ

1. Гарвардська архітектура

До цього часу більшість універсальних комп’ютерів будують за принципами архітектури Джона фон Неймана. Але недоліки цієї архітектури, пов’язані з закладеним в ній послідовним характером організації обчислень, ставлять перепони в пошуку шляхів побудови швидких комп’ютерних систем. Тому крім неймановської архітектури за час існування комп’ютерної техніки було створено цілий ряд інших архітектур. До них, зокрема, належать гарвардська архітектура. Гарвардська архітектура вперше була реалізована Ховардом Айкеном в комп’ютері Марк-1 в Гарварді. Вона передбачає розділення пам’яті на пам’ять даних і пам’ять команд. Тим самим розділяються шини передачі керуючої і оброблюваної інформації, рис. 1.5.1. При цьому підвищується продуктивність комп’ютера за рахунок суміщення в часі пересилання та обробки даних і команд.

Необхідність використання гарвардської архітектури можна пояснити так. Ядро комп’ютера неймановської архітектури складається з процесора та основної пам’яті. Бажано, аби обидві компоненти ядра не пригальмовували одна одну, тобто працювали із рівною швидкодією. На практиці вузол пам’яті є значно (на порядок) повільнішим від процесора і цей розрив у швидкодії з прогресом інтегральних технологій лише зростає. Зменшити розрив можна структурними методами, збільшуючи розрядність інформаційного слова пам’яті. Саме цей підхід реалізує гарвардська архітектура з двома запам’ятовувальними пристроями. Зрозуміло, що тут паралельно виконуються операції вибирання команд програми, з одного боку, а з другого – вибирання та запис кодів даних і результатів обчислень.

2. Дуальна неймансько-гарвардська архітектура

Швидкі комп’ютери гарвардської архітектури є складнішими щодо програмування порівняно з комп’ютерами нейманської архітектури. Зрозуміло, що бажано створити комп’ютер з дуальною архітектурою, яка водночас запозичує нову якість – швидкодію від гарвардської архітектури та стандартну парадигму розробки програм від нейманської архітектури. Злиття двох архітектур виконують на рівні кеш пам’яті шляхом її поділу на кеш даних та кеш команд, рис. 1.6.1.

Злиттям архітектур програмісту надано зручність програмних технологій нейманської архітектури, а з боку процесора реалізовано гарвардську архітектуру, в результаті чого він значно менше пригальмовується з боку основної пам’яті.

3. Асоціативна архітектура

Асоціативна архітектура передбачає маніпуляції з даними не відповідно до їх адрес, як це є в нейманівській архітектурі, а відповідно до значення цих даних або їх частин. Базовими тут є операції пошуку і порівняння. Основою асоціативної архітектури є асоціативна пам’ять, яка забезпечує одночасний доступ до багатьох даних, в яких співпадають значення відповідних розрядів. Тим самим за рахунок високої паралельності обробки досягається висока продуктивність на класі операцій, для виконання яких ця машина є ефективною 3 (зокрема, логічні операції, операції пошуку та сортування). Асоціативна архітектура є складовою практично кожного сучасного комп’ютера.

4. Паралельні комп’ютерні архітектури

Перші комп’ютерні системи, в основі яких застосовано паралельну архітектуру, до складу яких входило лише два процесори, були побудовані в кінці 60-х років минулого століття. В 70-х роках такі системи мали в своєму складі до 64-х процесорів, в 80-х роках – до 1000, а в кінці 90-х років фірма ІВМ анонсувала конструкцію суперкомп’ютера з паралельною архітектурою, який включав понад мільйон процесорів і на даний час є найпродуктивнішим у світі. Паралельна обробка інформації є ключовим напрямком побудови високопродуктивних комп’ютерних систем. Однак і паралельні комп’ютерні системи мають обмеження. По-перше, зі збільшенням кількості процесорів ускладнюється задача розподілу завдань між процесорами. Для її вирішення використовуються додаткові процесори, кількість яких може значно перевищувати кількість процесорів, зайнятих безпосередньо виконанням алгоритму. По-друге, послідовна природа багатьох алгоритмів обмежує прискорення, якого можна досягти, використовуючи багатопроцесорну організацію.

Контрольні запитання

1. Що розуміють під гарвардською архітектурою комп’ютера?

2. Що розуміють під неймансько-гарвардською архітектурою комп’ютера?

3. Що розуміють під асоціативною архітектурою комп’ютера?

4. Чим відрізняється нейманівська архітектура комп’ютера від гарвардської?

5. Чим відрізняється неймансько-гарвардська архітектура комп’ютера від асоціативної?

6. За рахунок чого можна збільшити швидкість роботи комп’ютера?

Тема: : ОРГАНІЗАЦІЯ ЗВ’ЯЗКІВ МІЖ ФУНКЦІОНАЛЬНИМИ ВУЗЛАМИ КОМП’ЮТЕРА.

1. Організація зв’язків між функціональними вузлами комп’ютера

Для забезпечення роботи комп’ютера його функціональні вузли повинні бути відповідним чином з’єднані. Обмін інформацією між вузлами комп’ютера проводиться по шинах, до складу яких входять п ліній, де п - розрядність інформаційного слова. Є три головних типи шин: шина даних, шина керування (або шина команд) та шина адрес, які використовуються відповідно для пересилання даних, команд та їх адрес

Три найуживаніших структури комп’ютера, які відрізняються організацією зв’язку між його функціональними вузлами, розглянуто нижче.

В двошинній структурі комп’ютера з обміном через процесор (рис. 1.6) введення інформації з пристрою введення до основної пам’яті, та виведення інформації з основної пам’яті до пристрою виведення здійснюється через процесор.

Недоліком цієї структури є те, що процесор витрачає свій час на виконання операцій введення та виведення інформації, безпосередньо працюючи з пристроями введення-виведення, які в більшості випадків є значно повільнішими порівняно з ним, що знижує ефективність роботи комп’ютера.

В двошинній структурі комп’ютера з обміном через пам’ять (рис. 1.7) процесор звільнений від організації операцій введення-виведення інформації.

Оскільки основна пам’ять не має засобів керування, для організації введення-виведення тут використовується спеціальний процесор введення-виведення (часто його називають каналом або периферійним процесором), який отримує завдання на виконання операцій введення-виведення від процесора (в цьому випадку останній називають центральним процесором), та керує взаємодією пам’яті та пристроїв введення-виведення. Дана структура була використана при побудові багатьох комп’ютерів, зокрема комп’ютерів серій ІВМ/360 та ІВМ/370 фірми IBM.

В одношинній структурі комп’ютера (рис. 1.8) всі його функціональні вузли з’єднані через одну спільну шину. Шина розподіляється між ними в часі, тому одночасно посилати дані на шину може тільки один вузол.

Для узгодження швидкодії повільних і швидких вузлів комп’ютера в одношинній структурі на виході кожного повільного вузла (в даному випадку пристрої введення та виведення) використовують буферну пам’ять, яка дозволяє швидкий обмін блоками даних.

Кожний пристрій введення та виведення складається з двох частин - контролера та самого пристрою, наприклад, накопичувача на диску. Контролер є спеціалізованим комп’ютером, який керує своїм пристроєм та його доступом до спільної шини

Для керування розподілом шини між підключеними до неї пристроями використовується арбітр шини. При одночасному поступленні кількох запитів арбітр шини вирішує, чия черга є першою, і підключає до шини відповідний пристрій. Зазвичай перевага віддається пристроям введення-виведення, оскільки роботу дисків та інших пристроїв з рухомою механікою не можна переривати, щоб не втратити інформації.

Наявність спільної шини суттєво спрощує реалізацію комп’ютера та дозволяє легко замінювати його склад. Тому така структура отримала широке розповсюдження. Вона була покладена в основу зокрема комп’ютерів PDP-8 та PDP- 11 фірми Digital Equipment Corporation, СМ-4 Київського заводу управляючих машин, та знайшла широке застосування в мікропроцесорних системах.

Для забезпечення одночасного обміну інформацією між різними пристроями в сучасних комп’ютерах використовується багатошинна організація.

Контрольні запитання

1. Що собою являє одношинна структура?

2. Що собою являє двошинна структура?

Тема: ТИПИ СУЧАСНИХ КОМП’ЮТЕРІВ. ПЕРСОНАЛЬНІ КОМП’ЮТЕРИ

1. Типи сучасних комп’ютерів

Аналіз сфер використання комп’ютерів показує, що можна виділити два основних напрямки їх використання. Перший напрямок – це поліпшення інтелектуальних можливостей людини. Мається на увазі прискорення обчислень, зберігання великих об’ємів інформації, швидкий пошук та відображення необхідної інформації і т. д. Комп’ютери цього напрямку повинні мати велику ємність пам’яті, потужне програмне забезпечення, розвинуті засоби взаємодії з людиною.

Другий напрямок – це використання комп’ютера як системи керування, інформаційно-вимірювальної системи, системи передачі даних і т. д. Основна вимога до комп’ютерів даного напрямку – забезпечення необхідного часу реакції на події в системі, проведення обробки вхідних даних в темпі їх надходження, тобто в реальному масштабі часу, і видача результатів відповідно до часових вимог системи. Комп’ютери цього напрямку повинні мати швидкісні зовнішні інтерфейси, володіти високою продуктивністю та надійністю роботи. Часто ці комп’ютери є вбудованими в мобільні засоби, тому додатково вимагається, щоб вони мали малі габарити та низьку споживану потужність.

Залежно від сфери застосування та технічних характеристик, розрізняють наступні типи комп’ютерів:

1. Персональні комп’ютери – комп’ютери, орієнтовані на користування однією особою;

2. Робочі станції – комп’ютери, орієнтовані на вирішення інженерних задач, в першу чергу в складі локальних комп’ютерних мереж;

3. Багатотермінальні системи – набір стандартних терміналів, підключених до сервера;

Сервери – центральні комп’ютери для побудови інформаційних систем;

5. Мейнфрейми – великі універсальні комп’ютерні системи;

6. Кластерні комп’ютерні системи – об’єднання комп’ютерів, що сприймається операційною системою, системним програмним забезпеченням, прикладними програмами і користувачами як єдине ціле;

7. Суперкомп’ютери – найпотужніші на даний час комп’ютери;

8. Мікроконтролери – комп’ютери на кристалі, призначені для керування електронними пристроями.

9. Спеціалізовані комп’ютери, це – комп’ютери, що орієнтовані на вирішення задач, котрі неможливо або недоцільно виконувати на універсальних комп’ютерах.

2. Персональні комп’ютери

Персональні комп’ютери (ПК) з’явилися в результаті еволюції мінікомп’ютерів при переході елементної бази з малим і середнім ступенем інтеграції на великі і надвеликі інтегральні схеми. ІІК, завдяки низькій вартості, дуже швидко завоювали тверді позиції на комп’ютерному ринку і створили передумови для розробки нових програмних засобів, що орієнтувалися на кінцевого користувача. ПК класифікуються за їх розмірами та конструктивним виконанням наступним чином.

1. Настільні комп’ютери. До складу настільного комп’ютера входить системний блок (в якому розміщена материнська плата, центральний процесор, основна пам’ять, карта розширення, блок живлення і т. д.), дисплей, клавіатура, мишка. В системний блок також вбудовані драйвер оптичного диску і зовнішня дискова пам’ять. Настільні комп’ютери призначені для офісного використання.

2. Ноутбуки. Це близькі за характеристиками до настільного ПК, але конструктивно виконані в придатному для перенесення виконанні.

3. Персональні цифрові асистенти. Це кишенькові ПК, спеціально створені як персональні асистенти людини. Вони надають наступний сервіс: годинник, комп’ютерні ігри, доступ до мережі інтернет, електронна пошта,записна книжка, адресна книжка, мобільний телефон, медіа плеєр та інше.

4. Смартфони. Це мобільні телефони, які мають вбудовану операційну систему та можливості вище описаних персональних цифрових асистентів.

5. Портативні комп’ютери. Це ПК типу настільних, але виконані в придатному для перенесення та роботи в не офісних умовах конструктивному виконанні.

6. Переносимі комп’ютери. Це комп’ютери, які надають інформаційні послуги людині під час її руху в навколишньому середовищі. До переносимих ПК належать, зокрема, комп’ютери для моніторингу стану людини.

Потрібно відзначити, що названі вище типи персональних комп’ютерів в даний час активно розвиваються та вдосконалюються, тому як термінологія так і сфера їх застосування ще не є чітко встановленими.

Контрольні запитання

1. Які типи сучасних комп’ютерів ви знаєте?

2. Які комп’ютери називають персональними?

Тема: РОБОЧІ СТАНЦІЇ. БАГАТОТЕРМІНАЛЬНІ СИСТЕМИ. СЕРВЕРИ

1. Робочі станції

Мінікомп’ютери стали прародичами й іншого напрямку розвитку сучасних 32 та 64-розрядних комп’ютерів, що сьогодні відомі як робочі станції. Початкова орієнтація робочих станцій на професійних користувачів призвела до того, що робочі станції – це добре збалансовані комп’ютерні системи, які, разом з високою продуктивністю, характеризуються великою ємністю основної і зовнішньої пам’яті, мають високошвидкісні внутрішні магістралі, високоякісну і швидкодіючу графічну підсистему і різноманітні пристрої введення-виведення.

2. Багатотермінальні системи

ПК та робочі станції часто застосовуються в якості дорогих дисплеїв і в цьому випадку не повністю використовується їх обчислювальна потужність. Разом з тим, багато користувачів терміналів хотіли б покращити їхні графічні характеристики та мати можливість роботи в багатовіконній системі. Ці проблеми були вирішені шляхом створення багатотермінальних систем, які є набором стандартних терміналів, підключених до сервера. Як тільки стали доступними потужні графічні робочі станції, з’явилася тенденція застосування «підлеглих» терміналів, що використають робочу станцію в якості локального сервера.

На комп’ютерному ринку багатотермінальні системи займають проміжне положення між персональними комп’ютерами і робочими станціями. Постачальники терміналів заявляють, що їхні вироби ефективніші в вартісному вираженні, ніж робочі станції високого цінового класу, і пропонують збільшений рівень продуктивності у порівнянні з персональними комп’ютерами, що робить цю технологію доступною для широкого кола користувачів. Вартість терміналів складає біля половини вартості близького за конфігурацією ПК без зовнішньої пам’яті і приблизно чверть вартості повністю оснащеної робочої станції.

Типовий термінал включає наступні елементи: екран високої роздільної здатності; головний процесор, який підтримує двопроцесорну архітектуру; окремий графічний співпроцесор, що забезпечує швидше малювання на екрані і прокручування екрану; базові системні програми; програмне забезпечення сервера; локальну пам’ять для дисплею та мережного інтерфейсу, що підтримує протокол TCP/IP та інші мережні протоколи; порти для підключення клавіатури і миші.

Термінали відрізняються від ПК і робочих станцій не тільки тим, що не виконують функції звичайної локальної обробки. Робота терміналів залежить від головної системи, до якої вони підключені через мережу. Для того, щоб термінал міг працювати, користувачі повинні встановити програмне забезпечення багатовіконного сервера на головному процесорі, що виконує прикладну задачу. Локальна обчислювальна потужність терміналу зазвичай використовується для виконання програм обробки зображень, а не прикладних програм, які виконуються на головному процесорі. Термінал може відображати на одному і тому ж екрані декілька задач. Користувач може змінювати розміри вікон, їхнє місцезнаходження і маніпулювати ними в будь-якому місці екрана.

3. Сервери

Прикладні комерційні та бізнесові системи, розраховані на багато користувачів, включаючи системи керування базами даних і обробки транзакцій, великі видавничі системи, мережні системи і системи обслуговування комунікацій, системи розробки програмного забезпечення і обробки зображень, вимагають переходу до моделі обчислень «клієнт-сервер» і розподіленої обробки. В розподіленій моделі «клієнт-сервер» частину роботи виконує сервер, а частину – комп’ютер користувача (в загальному випадку частини сервера і користувача можуть виконуватись і на одному комп’ютері). Існує декілька типів серверів для різних застосувань: файловий сервер, сервер бази даних, принт-сервер, обчислювальний сервер, сервер застосувань. Таким чином, тип сервера визначається ресурсом, яким він володіє (файлова система, база даних, принтери, процесори або прикладні пакети програм).

З іншого боку існує класифікація серверів за масштабом мережі, в якій вони використовуються: сервер робочої групи, сервер відділу або сервер підприємства (корпоративний сервер). Ця класифікація надто умовна. Наприклад, розмір групи може змінюватися в діапазоні від декількох людей до декількох сотень людей, а сервер відділу може обслуговувати від 20 до 150 користувачів.

Файлові сервери невеликих робочих груп (не більше 20-30 людей) простіше всього реалізуються на платформі персональних комп’ютерів і програмному забезпеченні Novell Net Ware. Файл- сервер в даному випадку виконує роль центрального сховища даних. Типовими до складу невеликих файл-серверів входять процесор, основна та зовнішня пам’ять, а також адаптер Ethernet. До складу таких серверів часто включаються дисковод гнучких дисків і дисковод компакт-дисків. Графіка для більшості серверів несуттєва, тому достатньо мати звичайний монохромний монітор з невисокою роздільною здатністю. Бажано застосувати пристрій безперебійного живлення.

Для файл-серверів загального доступу, з якими водночас можуть працювати декілька десятків, а то і сотень людей, простої од- нопроцесорної платформи і програмного забезпечення Novell може виявитися недостатньо. В цьому випадку використовуються потужні багатопроцесорні сервери з можливостями нарощування основної пам’яті до декількох ГБ, дискового простору до сотень ГБ, швидкими інтерфейсами дискового обміну (типу Fast SCSI-2, Fast&Wide SCSI-2 і Fiber Channel) і декількома мережними інтерфейсами. Ці сервери використовують операційну систему UNIX, мережні протоколи TCP/IP і NFS. На базі багатопроцесорних UNIX-серверів зазвичай будуються також сервери баз даних великих інформаційних систем, бо на них покладається основне навантаження з обробки інформаційних запитів. Сервери подібного типу отримали назву суперсерверів.

За загальносистемною продуктивністю, функціональними можливостями окремих компонентів, стійкістю до відмов, а також ступенем підтримки багатопроцесорної обробки, системного адміністрування і дискових масивів великої ємності суперсервери вийшли в нинішній час на один рівень з мейнфреймами. Сучасні суперсервери характеризуються наявністю двох або більше центральних процесорів, багатошинною структурою, мають достатні можливості нарощування дискового простору і обчислювальної потужності, засоби забезпечення надійності зберігання даних і захисту від несанкціонованого доступу.

Контрольні запитання

1. Який комп’ютер називають ноутбуком, переносним цифровим асистентом, портативним комп’ютером?

2. Сформулюйте визначення робочої станції?

3. Сформулюйте визначення багатотермінальної системи?

4. Що називають сервером? Де вони використовуються?

Тема: ВЕЛИКІ УНІВЕРСАЛЬНІ КОМП’ЮТЕРНІ СИСТЕМИ. КЛАСТЕРНІ КОМП’ЮТЕРНІ СИСТЕМИ

1. Великі універсальні комп’ютерні системи

Великі універсальні комп’ютерні системи (мейнфрейми) і до сьогоднішнього дня залишаються найпотужнішими (не рахуючи суперкомп’ютерів) комп’ютерними системами загального призначення, що забезпечують безперервний цілодобовий режим експлуатації. Вони можуть включати один або декілька процесорів, кожний з яких, у свою чергу, може снаряджатися векторними спеціалізованими процесорами (прискорювачами операцій з продуктивністю суперкомп’ютерів). Зазвичай мейнфрейми асоціюються з великими за габаритами комп’ютерами, що вимагають спеціально обладнаних приміщень із системами водяного охолоджування і кондиціювання. Однак прогрес в області елементної та конструкторської бази дозволив істотно зменшити габарити основних пристроїв. Поряд з надпотужними мейнфреймами, що вимагають організації двоконтурної водяної системи охолоджування, є менш потужні моделі, для охолоджування яких достатньо примусової повітряної вентиляції, та моделі, побудовані за блоковомодульним принципом, які не вимагають спеціальних приміщень і кондиціонерів.

Стрімкий ріст продуктивності персональних комп’ютерів, робочих станцій і серверів призвів до зниження потреби в мейнфреймах. Однак цей процес останнім часом дещо уповільнився. Основною причиною відродження інтересу до мейнфреймів експерти вважають складність переходу до розподіленої архітектури клієнт-сервер, що виявилася вищою, ніж припускалося. Крім того, багато користувачів вважають, що розподілене середовище, на противагу мейнфреймам, не є достатньо надійним для найвідповідальніших застосувань.

Головним недоліком мейнфреймів у нинішній час залишається відносно низьке співвідношення продуктивність/вартість. Однак постачальники мейнфреймів докладають значних зусиль для поліпшення цього показника. Слід також пам’ятати, що в світі існує величезна інстальована база мейнфреймів, на якій працюють десятки тисяч прикладних програмних систем. Відмовитися від роками напрацьованого програмного забезпечення просто нерозумно. Тому в нинішній час очікується зростання об’ємів продажу мейнфреймів, які з одного боку, дозволять модернізувати існуючі системи, забезпечивши скорочення експлуатаційних видатків, а з іншого боку, створять нову базу для найвідповідальніших застосувань.

2. Кластерні комп’ютерні системи

Двома основними проблемами побудови комп’ютерних систем для критично важливих застосувань, зв’язаних з обробкою транза- кцій, керуванням базами даних і обслуговуванням телекомунікацій, є забезпечення високої продуктивності та тривалого функціонування систем. Найефективнішим засобом для досягнення заданого рівня продуктивності є застосування паралельних архітектур, які піддаються масштабуванню. Завдання забезпечення тривалого функціонування системи має три складових: надійність, готовність і вартість обслуговування. Всі три складові передбачають, в першу чергу, боротьбу з несправностями системи, що породжуються відмовами і збоями в її роботі. Ця боротьба ведеться по всіх трьох напрямках, що взаємозв’язані і застосовуються спільно.

Підвищення надійності базується на принципі відвертання несправностей шляхом зниження інтенсивності відмов і збоїв за рахунок застосування електронних схем і компонентів з високим і надвисоким ступенем інтеграції, зниження рівня завад, полегшених режимів роботи схем, забезпечення теплових режимів їхньої роботи, а також за рахунок вдосконалення засобів монтажу апаратури. Підвищення рівня готовності передбачає зниження в певних межах впливу відмов і збоїв на роботу системи з допомогою засобів контролю і корекції помилок, а також засобів автоматичного відновлення обчислювального процесу після прояву несправності, включаючи апаратну і програмну надлишковість, на основі якої реалізуються різноманітні варіанти стійкої до відмови архітектури.

В останні роки в літературі з обчислювальної техніки все частіше вживається термін «системи високої готовності». Всі типи систем високої готовності орієнтовані на мінімізацію часу простою. Є два типи часу простою комп’ютера: плановий і неплановий. Плановий час простою зазвичай включає час, прийнятий для проведення робіт по модернізації системи і для її обслуговування. Неплановий час простою є результатом відмови системи або її компоненти. Існує декілька типів систем високої готовності, що відрізняються своїми функціональними можливостями і вартістю. Певно тому найбільше розповсюдження отримали кластерні системи завдяки їх здатності забезпечити достатньо високий рівень готовності при відносно низьких витратах. Термін «кластеризація» на сьогодні в комп’ютерній промисловості має багато різноманітних значень. Точне визначення могло б звучати так: «реалізація об’єднання машин, що представляється єдиним цілим для операційної системи, системного програмного забезпечення, прикладних програм і користувачів». Машини, кластеризовані таким способом, можуть при відмові одного процесора дуже швидко перерозподілити роботу на інші процесори всередині кластера. Першою концепцію кластерної системи анонсувала компанія ОЕС визначивши її як групу об’єднаних між собою комп’ютерів, що представляють собою єдиний вузол обробки інформації. По суті кластер цієї компанії був слабко зв’язаною багатомашинною системою з спільною зовнішньою пам’яттю, що забезпечує єдиний механізм керування і адміністрування. Робота будь-якої кластерної системи визначається двома головними компонентами: високошвидкісним механізмом зв’язку процесорів між собою і системним програмним забезпеченням, що надає клієнтам прозорий доступ до системного сервісу.

В даний час широке розповсюдження отримала технологія паралельних баз даних. Ця технологія дозволяє великій кількості процесорів поділяти доступ до єдиної бази даних. Розподіл завдань між процесорними ресурсами і паралельне їх виконання дозволяє досягнути вищого рівня пропускної спроможності транзакцій, підтримувати більше число одночасно працюючих користувачів і прискорити виконання складних запитів. Для вирішення цих завдань використовується архітектура зі спільними (розподіленими) дисками. Це типовий випадок побудови кластерної системи. Ця архітектура підтримує єдину базу даних при роботі з декількома комп’ютерами, об’єднаними в кластер, кожний з яких працює під керуванням своєї копії операційної системи. В таких системах всі вузли поділяють доступ до загальних дисків, на яких власне і розміщується єдина база даних. Продуктивність таких систем може збільшуватися як шляхом нарощування числа процесорів і ємності основної пам’яті в кожному вузлі кластера, так і шляхом, збільшення кількості самих вузлів. У випадку відмови одного з таких вузлів, вузли, що залишилися, можуть взяти на себе завдання, що виконувалися на вузлі, який відмовив, не зупиняючи загальний процес роботи з базою даних. Оскільки логічно в кожному вузлі системи є образ бази даних, доступ до неї буде забезпечуватися до тих пір, доки в системі є принаймні один справний вузол.

Контрольні запитання

1. Сформулюйте визначення великої універсальної комп’ютерної системи.

2. Яку комп’ютерну систему називають кластерною?

Тема: СУПЕРКОМП’ЮТЕРИ. МІКРОКОНТРОЛЕРИ. СПЕЦІАЛІЗОВАНІ КОМП’ЮТЕРИ

1. Суперкомп’ютери

До класу суперкомп’ютерів належать комп’ютери, що мають максимальну в даний час продуктивність, а також максимальну ємність основної та зовнішньої пам’яті. Нижче подано декілька прикладів, що показують основні характеристики комп’ютерів цього класу, які використовуються в даний час.

CRAY Т932, векторно-конвеєрний комп’ютер фірми CRAY Research Inc. (на сьогодні це є підрозділ Silicon Graphics Inc.), уперше випущений у 1996 році. Максимальна продуктивність одного процесора дорівнює майже 2 млрд операцій за секунду, основна пам’ять нарощується до 8 Гбайт, дисковий простір до 256000 Гбайт. Комп’ютер у максимальній конфігурації вміщує 32 процесори, що працюють із загальною пам’яттю, тому максимальна продуктивність всієї комп’ютерної системи складає більше 60 млрд операцій за секунду.

Суперкомп’ютер ASCI RED, результат виконання програми Accelerated Strategic Computing Initiative. Побудований на замовлення Міністерства енергетики США, він об’єднує 9152 процесори Pentium Pro, має 600 Гбайт сумарної основної пам’яті та. загальну продуктивність 1800 мільярдів операцій за секунду.

2. Мікроконтролери

Мікроконтролери - це комп’ютери на кристалі, призначені для керування електронними пристроями, зокрема побутовими пристроями, виробничими лініями, вимірювальними пристроями і т. д. До складу мікроконтролера входять наступні вузли:

1. Центральний процесор, розрядністю від 4 до 64 бігів, залежно від потрібної точності обчислень;

2. Інтерфейси введення-виведення, в першу чергу послідовні порти;

3. Периферійні пристрої, такі як: таймери та схеми захисту, цифроаналогові та аналогоцифрові перетворювачі;

4. Пам’ять з довільним доступом для зберігання даних;

5. Постійний запамятовуючий пристрій (ПЗП);

6. Генератор тактів

Така інтеграція названих пристроїв на кристалі дозволяє забезпечити малі габарити та споживання і сприяє широкому використанню мікроконтролерів у різного роду вбудованих системах. Наприклад, в сучасному автомобілі використовується понад 50 мікроконтролерів. Вони також використовуються в побутовій електроніці, мобільних телефонах, виробничих лініях тощо. Розробники мікроконтролерів забезпечують спеціальний сервіс для користувачів, можливість підключення зовнішньої оперативної пам’яті в якості пам’яті програм, та інше.

3. Спеціалізовані комп’ютери

За допомогою універсальних комп’ютерів та комп’ютерних - систем (УКС) можна вирішувати багато задач наукового, виробничо-технічного та іншого характеру. Однак існують надзвичайно важливі класи задач і окремі задачі, для розв’язку яких математичні та техніко- економічні якості універсальних комп’ютерних систем недостатні. Загальний аналіз причин створення і використання спеціалізованих комп’ютерних систем (СКС) показує, що ці причини можна віднести до трьох основних груп.

Перша група об’єднує причини, що виникли внаслідок суперечностей між формальними математичними методами постановки і розв’язку задач, з одного боку, і загальними принципами організації та функціонування, а також технічними можливостями УКС, з іншого боку. Саме математична сутність задач часто обумовлює необхідність створення СКС для їх розв’язку. Як приклади тут можна навести нові нестандартні та неалгоритмічні методи, системи алгебраїчних, диференційних та інтегральних рівнянь великої розмірності, логічні та імовірнісно-статистичні задачі, дії над матрицями та векторами, задачі в багатовимірних просторах та багато інших.

До другої групи входять причини, які обумовлені змістовною стороною задач, вирішуваних СКС, та відображають специфіку відповідних предметних областей

Третя група причин обумовлена особливими вимогами до якості реалізації комп’ютерних систем, які полягають в екстремалізації (тобто в максимальному наближенні до теоретичних границь) деяких їх характеристик, наприклад, продуктивності, надійності (безвідмовності, живучості, відновлюваності, довговічності), точності, і т.п. Сюди ж належать вимоги, що визначають такі якості комп’ютерних систем, як їх повна або часткова імплантація (конструктивне та функціональне суміщення) в інші системи, інформаційне поєднання з ними, пристосованість до умов експлуатації та кваліфікації обслуговуючого персоналу і т.д.

Для СКС характерні наступні риси, які відрізняють їх від універсальних комп’ютерних систем:

1. Орієнтація структури на вирішувані задачі;

2. Вузький, в основному постійний клас вирішуваних задач;

3. Особливі вимоги до точності, часто нестандартна довжина розрядної сітки;

4. Спеціальна система обміну, в тому числі наявність анало- гоцифрових та цифро-аналогових каналів зв’язку;

5. Використання орієнтованих на область застосування мов програмування та широкі можливості їх апаратної інтерпретації;

6. Наявність спеціальних функцій і процедур в наборі операцій та команд;

7. Необхідність обробки вхідних даних в темпі їх надходження та видачі результатів обчислень в темпі надходження вхідних даних;

8. Суміщення в часі приймання, обробки та видачі даних;

9. Висока продуктивність;

10. Малі габарити;

11. Низька споживана потужність;

12. Орієнтація конструкції на конкретне застосування.

Контрольні запитання

1. Яку комп’ютерну систему називають суперкомп’ютерною?

2. Що розуміють під мікропроцесором і де вони застосовуються?

3. Сформулюйте визначення спеціалізованої комп’ютерної системи.

Тема: ПРОГРАМНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ПК

31. Програмне забезпечення ПК

Програмне забезпечення являє собою сукупність програм, призначених для розв’язання завдань на комп’ютері. Програма – це впорядкований набір команд. Програмне та апаратне забезпечення працюють взаємопов’язано і в неперервній взаємодії. Будь-який апаратний пристрій управляється програмно.

Програмне забезпечення можна поділити на три класи: системне, прикладне та інструментальне. Наведена класифікація є досить умовною. Інтеграція програмного забезпечення призвела до того, що практично будь-яка програма має риси кожного клас

Системне ПЗ призначено для управління роботою комп'ютера, розподілу його ресурсів, підтримки діалогу з користувачами, надання їм допомоги в обслуговуванні комп'ютера, а також для часткової автоматизації розробки нових програм.

Системне ПЗ — це комплекс програм, багато з яких постачаються разом з комп'ютером та документацією до неї. Системне ПЗ можна розділити на три основні частини: операційні системи (ОС), системи програмування та сервісні програми.

Основними компонентами загальносистемного програмного забезпечення являються: операційні системи, які вирішують задачі взаємозв’язаного функціонування окремих компонентів.

Існують 4 типи операційних систем:

1)операційні системи пакетної обробки: порівняно велика швидкість логічних і автоматичних операцій, але в свою чергу мала швидкість вводу і виводу завантаженість процесора на 20 – 30%.

2)операційна система з розподілом задач по часу (організовується черга вводу і виходу задач, і обслуговується до 15 користувачів і процесор завантажений на 80-90%).

3)операційна система реального часу, використовується для керування різними процесами.

Системне програмне забезпечення здійснює управління роботою обчислювальної системи. Як правило, системні програми забезпечують взаємодію інших програм з апаратними складовими, організацію інтерфейсу користувача. Сюди відносять операційні системи, сервісні системи.

Прикладне програмне забезпечення призначене для розв’язання прикладних завдань фахової діяльності людини (тобто, прикладене до практики). Спектр таких програм надзвичайно широкий: від виробничих та наукових до навчальних та розважальних. Сюди відносять розрахункові, навчаючі, моделюючі програми, комп’ютерні ігри, тощо.

Інструментальне програмне забезпечення призначене для розробки всіх видів інформаційно-програмного забезпечення. При цьому під інформаційним забезпеченням розуміють сукупність попередньо підготовлених даних, необхідних для роботи програмного забезпечення. Наприклад, будь-яка сучасна програма має вбудовану довідку для роботи з цією програмою. Файл довідки являє собою інформаційне забезпечення. До інструментального програмного забезпечення відносять: редактори (текстові, графічні, музичні), системи табличної обробки даних (табличні процесори), системи управління базами даних, транслятори мов програмування, інтегровані системи діло виробництва, тощо.

Системи програмування призначені для полегшення та для часткової автоматизації процесу розробки та відлагодження програм. Основними компонентами цих систем є транслятори з мов високого рівня, наприклад, Паскаль, Сі, Бейсик та ін. Особлива роль належить Ассамблерам. Програму мовою Ассамблера називають машинно-орієнтованою. Мовою Ассамблера користуються, як правило, системні програмісти.

Транслятори здійснюють перетворення програм з мов високого рівня на машинну мову. Крім того, транслятори звичайно здійснюють синтаксичний аналіз програми, яка транслюється. Вони можуть також відлагожувати та оптимізувати програми, які одержують, видавати документацію на програму та виконувати ряд інших сервісних функцій.

Ассамблери перетворюють програми, які представлені у машинноорієнто-ваних мовах, на машинну мову.

Сервісні програми розширюють можливості ОС. Їх, звичайно, називають утілітами. Утіліти дозволяють, наприклад, перевірити інформацію у шістнад-цятковому коді, яка зберігається в окремих секторах магнітних дисків; організувати виведення на принтер текстових файлів у визначеному форматі, виконувати архівацію та розархівацію файлів та ін.

У структурі прикладного програмного забезпечення можна виділити: прикладні програми як загального, так і спеціального призначення.

Прикладне ПЗ загального призначення — це комплекс програм, який одержав широке використання серед різних категорій користувачів. Найбільш відомими серед них є: текстові редактори, графічні системи, електронні таблиці, системи управління базами даних та ін.

Текстові редактори дозволяють готувати текстові документи: технічні описи, службові листи, статті та ін. Найбільш відомі такі текстові редактори: Лексикон, Write, Word.

Графічні системи багаточисельні, а їх функції — різноманітні. Серед них можна виділити системи ділової графіки (Microsoft PowerPoint, Lotus Freelance Graphics), художньої графіки, які ще називають просто графічними редакторами (Раіntbrush), інженерної графіки та автоматизованого проектування (Autodesk AutoCad), системи обробки фотографічних зображень (Adobe Photoshop), а також універсальні графічні системи (CorelDRAW!).

Програми роботи з електронними таблицями (ЕТ) дозволяють розв'язувати широке коло задач, зв'язаних з числовими розрахунками. Найширше використовують серед програм такого класу Supercalk, Місrosoft Excel та Lotus 1-2-3.

Системи управління базами даних (СУБД) призначені для об'єднання наборів даних з метою створення єдиної інформаційної моделі об'єкта. Ці програми дозволяють накопичувати, обновляти, коригувати, вилучати, сортувати інформацію, організовану спеціальним засобом у вигляді банку даних. Найпоширеніші СУБД: dВаsе III Рlus, FохBase+, Сlірреr, Оrасlе, Ассеs, FохРrо, Раrаdох.

Крім перерахованих систем до складу прикладного ПЗ загального призначення слід віднести й інтегровані системи. Ці системи об'єднують у собі можливості текстових редакторів, графічних систем, електронних таблиць та систем управління базами даних. Головна перевага інтегрованих систем перед окремими системами прикладного ПЗ загального призначення полягає у тому, що вони створюють єдині правила роботи для користувача, тобто вони мають єдиний інтерфейс як при роботі з текстом, так і при роботі з електронними таблицями та ін. Найвідоміші серед них: Місrosoft Works, Місrosoft Office, Lotus SmartSuite, Perfect Office.

Прикладні програми спеціального призначення використовують у специфічній діяльності користувачів.

Функції специфічних систем залежать від їх призначення. Наприклад, для систем навчального призначення це можуть бути інструментальні засоби для розробки комп'ютерних уроків (гіпермедійні та гіпертекстові системи, авторські та інші системи), імітаційне моделюючі програми навчального призначення, програми для розробки та підтримки шкільного розкладу, педагогічні про- грамні засоби різного призначення та ін.

До складу прикладних програм спеціального призначення можна також віднести пакети прикладних програм (ППП), які широко використовуються, наприклад, для статистичної обробки даних, бухгалтерського обліку, розрахунку будівельних конструкцій та ін. Наявність у комп'ютері різноманітних ППП дозволяє розв'язувати значну частину простих прикладних задач, майже без програмування. В цьому випадку завдання на розв'язування тієї чи іншої задачі записується у вигляді директиви спеціальною проблемно- орієнтованою мовою та повідомляється комп'ютеру.

Тема: АПАРАТНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ КОМП’ЮТЕРА. ВЗАЄМОДІЯ ПРОГРАМНОГО ТА АПАРАТНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ.

1. Апаратне забезпечення комп’ютера

До апаратного забезпечення обчислювальних систем відносяться пристрої і прилади, що утворюють апаратну конфігурацію. Сучасні комп’ютери й обчислювальні комплекси мають блоково-модульну конструкцію – апаратну конфігурацію, необхідну для виконання конкретних видів робіт, можна складати з готових вузлів і блоків.

Усі моделі комп’ютера (від найстарішої до найсучаснішої) мають однаковий блоковий принцип компонування.

Основний блок ПК – системний блок. Він містить блок електроживлення (power supply), кріпильні елементи для материнської (системної) плати, електронних плат і дисководів (disks drive).

Стандартним пристроєм виведення ПК є дисплей (монітор), а пристроєм введення – клавіатура.

За способом розташування пристроїв щодо центрального процесора розрізняють внутрішні й зовнішні пристрої. Зовнішніми, як правило, є більшість пристроїв введення-виведення даних (їх також називають периферійними пристроями) і деякі пристрої, призначені для тривалого зберігання даних.

Деякі пристрої (наприклад, модеми чи жорсткі диски) мають як зовнішні, так і внутрішні варіанти виконання. Крім того, різні класи ПК мають також різне конструктивне виконання. Так, у настільному комп’ютері дисплей, клавіатура і “мишка” – зовнішні пристрої, а портативні комп’ютери являють собою один системний блок, у який вбудовано і дисплей, і клавіатуру, і аналог “мишки”.

Узгодження між окремими вузлами й блоками виконують за допомогою перехідних апаратно-логічних пристроїв, названих апаратними інтерфейсами (interfaces). Стандарти на апаратні інтерфейси в обчислювальній техніці називають протоколами (protocols). Таким чином, протокол – це сукупність умов, які повинні бути забезпечені розроблювачами пристроїв для успішного узгодження їхньої роботи з іншими пристроями.

Нижче розглядаються основні пристрої комп’ютера та найбільш поширені додаткові пристрої, використовувані в комп’ютері для виконання проектних і науково-інженерних робіт, а також пристрої оброблення і введення-виведення звукових та відеоданих.

2. Взаємодія програмного та апаратного забезпечення

Будь-який комп’ютер у процесі роботи оперує не тільки своїми апаратними компонентами, названими апаратним забезпеченням, але і збереженими в пам’яті програмами чи програмами, що завантажуються в пам’ять, названими програмним забезпеченням.

Засоби програмного забезпечення й апаратні засоби – це два основні компоненти сучасних комп’ютерів. Програмне забезпечення доповнює комп’ютер тими можливостями, які важко чи економічно невигідно реалізовувати тільки апаратними засобами, а також виконує роль посередника між користувачами і комп’ютером, створюючи для користувача зручність взаємодії з комп’ютером.

Використовувані програми висувають певні вимоги до апаратних засобів комп’ютера (наприклад, вимоги до ємності оперативної пам’яті та пам’яті на диску, наявності тих чи тих пристроїв введення-виведення). В свою чергу, більшість апаратних засобів (наприклад, “мишка”, сканер чи звукова карта (audio card)) потребують для функціонування наявності в пам’яті комп’ютера відповідних програм – драйверів пристроїв.

Контрольні запитання

1. Що таке структура комп’ютера?

2. Що таке архітектура комп’ютера?

3. Охарактеризуйте класифікацію комп’ютерів за рівнем спеціалізації.

4. Наведіть приклади спеціалізованих комп’ютерів.

5. Охарактеризуйте класифікацію комп’ютерів за типорозмірами.

6. Що таке апаратне забезпечення комп’ютера?