С архитектурной точки зрения компьютерная система это автономная система которая имеет

Обновлено: 07.07.2024

Для введения в дисциплину ознакомимся с основными понятиями, которые определяют ее содержание. Рассмотрим понятия «вычислительная машина», «вычислительная система», определим разницу между компьютерами и информационной системой, между понятиями «архитектура» и «структура» аппаратных средств вычислительной системы.

Согласно ГОСТ 15971-90 вычислительная машина (ВМ) — совокупность технических средств, создающая возможность проведения обработки информации (данных) и получения результата в необходимой форме. Под техническими средствами понимают все оборудование, предназначенное для автоматизированной обработки данных. Как правило, в состав ВМ входит и системное программное обеспечение.

Вычислительную машину, основные функциональные устройства которой выполнены на электронных компонентах, называют электронной вычислительной машиной (ЭВМ).

В последнее время в отечественной литературе широкое распространение получил англоязычный термин «компьютер» (англ. Computer — вычислитель). Мы будем использовать эти термины как равноправные. Следует отметить, что в настоящее время активно ведутся разработки компьютеров, работа которых основана на оптических, фотонных, квантовых и других физических принципах. Например, оптические компьютеры в своей работе используют скорость света, а не скорость электричества, что делает их наилучшими проводниками данных. Сверхъестественный мир квантовой механики не подчиняется законам общей классической физики. Квантовый бит (qubit) не существует в типичных 0- или 1-бинарных формах сегодняшних компьютеров — квантовый бит может существовать в одной из них или же в обеих системах одновременно. В связи с этим понятие «электронная вычислительная машина», в котором акцентируется, что машина построена на основе электронных устройств, становится более узким, чем понятие «компьютер».

С развитием вычислительной техники появились многопроцессорные системы и сети, объединяющие большое количество отдельных процессоров и вычислительных машин, программные системы, реализующие параллельную обработку данных на многих вычислительных узлах. Появился термин «вычислительные системы».

Система (от греч. systema — целое, составленное из частей соединение) — это совокупность элементов (объектов), взаимодействующих друг с другом, образующих определенную целостность, единство.

Объект (от лат. objectum — предмет) — это термин, используемый для обозначения элементов системы.

Вычислительную систему (ВС) стандарт ISO/IEC2382/1 -93 определяет как одну или несколько вычислительных машин, периферийное оборудование и программное обеспечение, которые выполняют обработку данных.

Вычислительная система состоит из связанных между собой средств вычислительной техники, содержащих не менее двух основных процессоров, имеющих общую память и устройство ввода-вывода.

Формально отличие ВС от ВМ выражается в количестве вычислительных средств. Множественность этих средств позволяет реализовать в ВС параллельную обработку.

Таким образом, вычислительная система является результатом интеграции аппаратных средств и программного обеспечения, функционирующих в единой системе и предназначенных для совместного выполнения информационно-вычислительных процессов.

Аппаратное средство (hardware) включает в себя все внешние и внутренние физические компоненты компьютерной системы (из п. 3.7.2 ГОСТ Р 53394-2009).

Программное обеспечение (software) по ГОСТ Р 53394-2009 — это совокупность информации (данных) и программ, которые обрабатываются компьютерной системой.

С технической точки зрения вычислительная система — это комплекс вычислительных средств, объединенных в информационновычислительную сеть.

Основной отличительной чертой вычислительных систем по отношению к ЭВМ является наличие в них нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработку. Точного различия между вычислительными машинами и вычислительными системами определить невозможно, так как вычислительные машины даже с одним процессором обладают разными средствами распараллеливания, а вычислительные системы могут состоять из традиционных вычислительных машин или процессоров.

Необходимо понимать разницу между компьютерами и информационной системой: компьютеры оснащены специальными программными системами, являются технической базой и инструментом для информационных систем.

Информационная система — это организационно упорядоченная совокупность документов (массивов документов) и информационных технологий, в том числе с использованием средств вычислительной техники и связи, реализующих информационные процессы [1, ст. 2] (из п. 3.1.7 ГОСТ Р 54089-2010).

Информационная система немыслима без персонала, взаимодействующего с компьютерами и телекоммуникациями.

Информационная система с технической точки зрения — это взаимосвязанная совокупность средств, методов и персонала, используемых для хранения, обработки и выдачи информации в интересах достижения поставленной цели.

С развитием средств вычислительной техники изменился подход к созданию вычислительных машин. Вместо разработки аппаратуры и средств математического обеспечения стала проектироваться система, состоящая из синтеза аппаратных и программных средств. При этом на главный план выдвинулась концепция взаимодействия аппаратных и программных средств. Так возникло новое понятие — архитектура вычислительной машины.

Архитектура (architecture)— это базовая организация системы, воплощенная в ее компонентах, их отношениях между собой и с окружением, а также принципы, определяющие проектирование и развитие системы [ИСО/МЭК 15288:2008, определение 4.5].

Архитектура вычислительной машины (Computer architecture) — это концептуальная структура вычислительной машины, определяющая проведение обработки информации и включающая методы преобразования информации в данные и принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения [ГОСТ 15971-90, определение 29].

Таким образом, архитектуру вычислительной машины можно представить как множество взаимосвязанных компонентов, включающих элементы различной природы: программное обеспечение (software), аппаратное обеспечение (hardware), алгоритмическое обеспечение (brainware), специальное фирменное обеспечение (firmware), создающих возможность проведения обработки информации и получения результата в необходимой форме.

Следует отличать архитектуру вычислительной машины от ее структуры.

Структура — это отношение между элементами системы [ISO/ IEC2382/1 -93].

Структура вычислительной машины определяет отношение между ее элементами (множество взаимосвязанных компонентов) на уровне детализации. Элементами детализации могут быть различные функциональные узлы (блоки, устройства и т.д.). Графически описание вычислительной машины на любом уровне детализации представляется в виде структурных схем.

Под архитектурой вычислительной машины понимают общее описание принципов организации аппаратно-программных средств и основных их характеристик, определяющих функциональные возможности вычислительной машины.

Архитектура вычислительной системы — совокупность характеристик и параметров, определяющих функционально-логичную и структурно-организованную систему и затрагивающих в основном уровень параллельно работающих вычислителей.

Понятие архитектуры охватывает общие понятия организации системы, включающие такие высокоуровневые аспекты разработки компьютера, как система памяти, структура системной шины, организация ввода/вывода и т.п.

Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного запоминающего устройства (ЗУ), внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.

Презентацию к данной лекции Вы можете скачать здесь.

Введение

В данной лекции рассмотрим более подробно архитектуру компьютерной системы. Будут рассмотрены следующие вопросы:

функционирование компьютерной системы
архитектура ввода-вывода
структура памяти
иерархия памяти
аппаратная защита памяти
общая архитектура системы.

Архитектура компьютерной системы

Компьютерная система имеет модульную структуру. Для каждого устройства ( память , внешние устройства ) в системе имеется специальное устройство управления (иначе говоря, специальный процессор ), называемый контроллером устройства. Все модули ( центральный процессор , память и контроллер памяти, внешние устройства и их контроллеры) соединены между собой системной шиной (system bus),через которую они обмениваются сигналами. Как мы уже знаем, работой каждого контроллера управляет драйвер - специализированная низкоуровневая программа , являющаяся частью ОС.

Вот типичная структура современной настольной или портативной компьютерной системы, с указанием наиболее распространенных типов устройств и их характеристик.

Центральный процессор – устройство, выполняющее команды (instructions) компьютерной системы. В современных компьютерах, как правило, он является многоядерным (см. "Особенности ОС для различных классов компьютерных систем. ОС реального времени. ОС для облачных вычислений" ), т.е. имеет в своем составе от 2 до 32 ядер (копий) процессора, параллельно работающих на общей памяти, либо гибридным (см. "История ОС. Отечественные ОС. Диалекты UNIX. Режимы пакетной обработки, мультипрограммирования, разделения времени" ), состоящим из центрального и графического процессоров. Производительность каждого ядра – 3 – 3.2 GHz . Заметим, что под производительностью понимается в данном случае тактовая частота процессора (ядра) – время выполнения им одной самой простой машинной команды. Однако есть и другие важные факторы, определяющие общую производительность системы, - тактовая частота памяти и системной шины. Фактически итоговую производительность системы можно оценить по самой медленной из этих частей системы (обычно это системная шина ). Эти характеристики необходимо принимать во внимание при выборе и покупке компьютера.

Оперативная (основная) память, или просто память – устройство, хранящее обрабатываемые данные. Объем памяти – 1 – 16 гигабайт и более; меньший объем памяти использовать не рекомендуется, так как это может привести к значительному замедлению системы. Тактовая частота памяти – 667 MHz – 1.5 GHz .

Системная шина – устройство, к которому подсоединены все модули компьютера и через которое они обмениваются сигналами, например, о прерываниях. Тактовая частота шины – 1 – 1.5 GHz (это и есть фактически некая суммарная производительность системы). Обычно используется шина типа PCI (Peripheral Component Interconnect).К ней могут быть подсоединены процессор , память , диски, принтер, модем и другие внешние устройства .

Порты – устройства с разъемами для подключения к компьютеру внешних устройств . Каждый порт имеет свой контроллер (и, соответственно, свой драйвер ).

Чаще всего используется порт USB (Universal Serial Bus),с характерным плоским разъемом, размером порядка 1 см, с изображением трезубца. К портам USB могут подключаться большинство видов устройств, причем для этого не требуется предварительно отключать компьютер и подключаемое устройство, что очень удобно. Имеется несколько стандартов USB с различным быстродействием. Наиболее распространен ныне стандарт USB 2.0, обеспечивающий быстродействие порта 240 – 260 мегабит в секунду. Для сравнения, предыдущий стандарт – USB 1.0 – обеспечивал лишь 10 – 12 мегабит в секунду (как говорится, почувствуйте разницу). Распознать тип USB -порта на Вашем компьютере можно, если вывести информацию об устройствах; в Windows : Мой компьютер / (правая кнопка мыши) Свойства / Оборудование / Диспетчер устройств / Устройства USB. При этом контроллер порта USB 2.0 будет обозначен как расширенный (enhanced).Если это не так, Вам необходимо модернизировать порты USB или сам компьютер , иначе при переписи на флэшку Вам придется ждать в 20 раз дольше (!). Существуют также "переходники" USB 1.0 -> USB 2.0. Новейший стандарт USB 3.0, реализация которого только началась, обеспечит быстродействие не менее 1 гигабита в секунду. К порту USB можно подключать клавиатуру, мышь , принтеры, сканеры, внешние жесткие диски, флэшки и даже TV-тюнеры - устройства для приема телевизионного сигнала с антенны и показа телевизионного изображения на компьютере. Рекомендуется каждое устройство подключать всегда к одному и тому же порту USB , иначе для некоторых устройств (например, того же TV -тюнера) могут возникнуть проблемы.

Порты COM (communication ports) – порты для подключения различных коммуникационных устройств, например, модемов – устройств для выхода в Интернет и передачи информации по аналоговой или цифровой телефонной линии. Более старое название стандарта COM -порта – RS-232. В компьютерах 10-15 – летней давности к COM -порту часто подключалась мышка (сейчас она, разумеется, подключается через USB ). Разъемы COM -портов имеют два формата – "большой" (с 25 контактами - pins ) и "малый" (с 9 контактами). В современных компьютерах часто разъемы COM -порты отсутствуют, но операционная система , по традиции, имитирует наличие в системе виртуальных COM-портов – воображаемых COM -портов, которые ОС как бы инсталлирует в систему при установке, например, драйверов для взаимодействия через Bluetooth или через кабель компьютера с мобильным устройством . При этом физически мобильный телефон или органайзер может быть подключен к порту USB (или соединен с компьютером беспроводной связью), но все равно для взаимодействия с ним ОС использует виртуальный COM - порт , обычно с большим номером (например, 10 или 15). COM - порт иначе называют последовательным портом (serial port),так как, с точки зрения ОС и драйверов, COM - порт – это символьное устройство последовательного действия.

Порт LPT (от line printer ), или параллельный порт – это ныне уже устаревший вид порта для подключения принтера или сканера, с толстым в сечении кабелем и большим разъемом. Все новые модели принтеров и сканеров работают через USB -порты. Однако иногда приходится решать задачу подключения к новому компьютеру старого принтера. Если на компьютере нет LPT-порта , приходится покупать специальный переходник, подключаемый к USB или другим портам. Однако и здесь возможен сюрприз ( по личному опыту автора) – разъем LPT-порта имеет несколько не совместимых друг с другом модификаций. Лучше всего иметь в домашнем "вычислительном центре" один старый компьютер с LPT -портом и через него и подключать старые принтеры, обеспечивая обращение к ним с других компьютеров через домашнюю локальную сеть . Неудобство LPT-порта в том, что он требует предварительно выгрузить ОС и выключить принтер, и только после этого выполнять подсоединение к компьютеру, иначе возможен выход из строя принтера или компьютера. LPT - порт может, как правило, работать и для ввода информации, например, со сканером, но для этого требуется в низкоуровневой утилите Setup , запустив ее при загрузке ОС (обычно – клавишей Del ), установить для LPT-порта специальный режим работы: EPP – Extended Parallel Port.

Порты SCSI и SCSI-устройства. SCSI (Small Computer System Interface ; произносится " скАзи",с ударением на первом слоге) – интерфейс , адаптеры и порты для подключения широкого спектра внешних устройств – жестких дисков, CD-ROM / DVD-ROM , сканеров и др. Стандарт SCSI был предложен в начале 1980-х гг. и получил широкое распространение, благодаря фирме Sun , которая широко использовала его в своих рабочих станциях. Характерной удобной возможностью SCSI является возможность подключения к одному SCSI -порту гирлянды (цепочки) SCSI-устройств (до 10), каждый из которых имеет уникальный для данного соединения SCSI ID – число от 0 до 9, устанавливаемое обычно на задней панели SCSI -устройства. Например, по традиции, SCSI ID сканера обычно равен 4. На одном из концов цепочки – SCSI - порт с контроллером, на другом – терминатор – переключатель на задней панели устройства, устанавливаемый в определенное положение как признак конца SCSI -цепочки. Каждое устройство, кроме последнего, соединено со следующим SCSI -устройством специальным кабелем. SCSI - разъем напоминает разъем порта LPT , однако имеет по бокам специальные металлические захваты ("лапки") для большей надежности подключения. Преимущество SCSI , кроме возможности использования гирлянд устройств, в его быстродействии, а также надежности. Ранние модели SCSI имели скорость обмена информацией до 10-12 мегабит в секунду, сейчас – 240-250 мегабит в секунду. Имеется несколько стандартов SCSI (в том числе – Wide SCSI , Ultra Wide SCSI ), к сожалению, не совместимых по разъемам. Автор до сих пор использует SCSI - сканер 10-летней давности, подключенный к старому компьютеру, и имеет большой положительный опыт использования SCSI -устройств для рабочих станций SPARC .

Порт VGA (Video Graphic Adapter) используется для подключения монитора (дисплея),управляемого графическим контроллером (процессором).

IEEE 1394 (FireWire) – порты для подключения цифровых видеокамер или фотоаппаратов. Характерная особенность – небольшой блестящий плоский разъем шириной 3-5 мм (имеются два его стандарта). Порт работает в дуплексном режиме, т.е. позволяет управлять не только вводом информации с камеры в компьютер , но и установками самой камеры (например, перемоткой ленты) с помощью компьютерной программы (например, Windows Movie Maker). С помощью такого же порта может быть подключен также телевизор , имеющий интерфейс FireWire . Характерной особенностью современных компьютеров является то, что FireWire -порты монтируются прямо на материнской плате (motherboard) – основной печатной плате компьютера, на которой смонтированы процессор и память , - столь большое значение придают производители компьютеров портам для обмена мультимедийной информацией. В таких случаях в технических характеристиках компьютера обычно указывается: "FireWire on board (на борту)".Читателям рекомендуется не путать FireWire с Wi-Fi (см. "История ОС. Отечественные ОС. Диалекты UNIX. Режимы пакетной обработки, мультипрограммирования, разделения времени" ) – стандартом быстрой беспроводной связи; эти сокращения забавно напоминают друг друга из-за привязанности американцев к аббревиатурам в "детском стиле".

HDMI (High Definition Multimedia Interface) – интерфейс и порт . позволяющий подключить к компьютеру телевизор или другое видеооборудование, обеспечивающее наилучшее качество воспроизведения (HD – High Definition ). Разъем HDMI напоминает разъем USB . HDMI - порт входит в комплектацию всех современных портативных компьютеров.

Bluetooth – устройства для беспроводного подключения (с помощью радиосвязи) к компьютеру мобильных телефонов, органайзеров, а также наушников, плейеров и многих других полезных устройств. Удобство Bluetooth в том, что компьютер и телефон остаются соединенными, даже если отойти от компьютера с телефоном на некоторое расстояние (например, в другую комнату), не более 10-15 метров ( Bluetooth 2.0). Новый стандарт Bluetooth 3.0 обеспечивает взаимодействие на расстоянии 200-250 м. Обычно портативные компьютеры комплектуются встроенными адаптерами Bluetooth , либо можно приобрести адаптер Bluetooth , подключаемый через USB . Недостаток Bluetooth – относительно маленькая суммарная скорость передачи информации. Например, при пересылке на компьютер через Bluetooth с мобильного телефона Nokia 3230 цифровой фотографии объемом 500 килобайт требуется ждать порядка 10 – 15 секунд.

Инфракрасный порт (IrDA) – порт для подключения ноутбука к мобильному телефону (или двух ноутбуков друг к другу) через инфракрасную связь . Неудобство портов IrDA – необходимость установки двух соединяемых устройств рядом, на расстоянии 20-30 см друг от друга, без физических препятствий между ними. Скорость передачи информации – 10-12 мегабит в секунду. Современные ноутбуки уже не комплектуются портами IrDA .

Имеются также сетевые устройства – порты и адаптеры – для подключения компьютера к локальной сети.

Автономная компьютерная система — компьютерная система, отвечающая следующим критериям:

«знание самой себя» — её компоненты должны самоидентифицировать себя. Так как система может существовать на нескольких уровнях, то автономная система должна детально знать о своих компонентах, их текущем статусе, возможностях и всех связях с другими системами, влияющих на неё. Она должна знать собственные ресурсы, те ресурсы, которая она может одолжить или дать в долг.
Автономная система должна конфигурировать и переконфигурировать сама себя после изменений в окружающей, внешней среде. Конфигурация системы должна совершаться автоматически при изменении внешних условий.
Автономная система никогда не останавливает процесс оптимизации внутренней структуры и процедур с точки зрения достижения заранее предопределенных общих целей системы. Она постоянно отслеживает все процедуры и даже их части для оптимизации работы.
Автономная компьютерная система должна иметь возможность обнаружить нарушение обычной деятельности системы и найти в этом случае альтернативный способ использования ресурсов в случае нарушения обычной деятельности и соответственно самостоятельно переконфигурироваться.
Автономная компьютерная система должна быть способной защитить сама себя. Она должна быть способна обнаружить, идентифицировать и защититься от различного рода негативных внешних воздействий для сохранения системной стабильности.
Автономная компьютерная система должна получать информацию о внешней среде, особенно в контексте её собственной деятельности и действовать соответственно, что и означает быть адаптивной.
Автономная компьютерная система является открытой системой.
Автономная система прячет внутреннюю сложность предоставляемых ресурсов. Это необходимо для уменьшения разрыва между требованиями пользователя, логики (программной части) и технологической реализации системы.

Критерии были разработаны компанией IBM в 2001 году в рамках одноимённого проекта «Автономные компьютерные системы». Целью проекта было создание систем, способных работать в автоматическом режиме для облегчения роста вычислительных систем. То есть Автоматические компьютерные системы — это попытка создания распределённых компьютерных систем, которые способны самостоятельно реагировать на неожиданные ситуации. Предполагается, что подобные системы производят постоянную самооптимизацию и контроль своего состояния и состояния окружающей среды.

Современные компьютерные решения могут быть классифицированы, исходя из их отнесения к той или иной архитектуре. Но что она может представлять собой? Каковы основные подходы к пониманию данного термина?

Архитектура компьютерных систем как совокупность аппаратных компонентов

В чем заключается сущность понятия «архитектура компьютерной системы»? Под соответствующим термином прежде всего можно понимать совокупность электронных компонентов, из которых состоит ПК, взаимодействующих в рамках определенного алгоритма с использованием различных типов интерфейсов.

Основные компоненты, которые входят в состав компьютерной системы:

устройство ввода;
главный вычислительный чипсет;
устройства для запоминания данных;
компоненты, предназначенные для вывода информации.

В свою очередь, каждый из отмеченных компонентов может включать в себя большое количество отдельных устройств. Например, главный вычислительный чипсет может включать в себя процессор, набор микросхем на материнской плате, модуль обработки графических данных. При этом тот же процессор может состоять из иных компонентов: например, ядра, кэш-памяти, регистров.

Исходя, собственно, из структуры конкретных аппаратных компонентов ПК, определяется то, какая архитектура компьютерной системы выстроена. Рассмотрим основные критерии, в соответствии с которыми те или иные вычислительные решения могут классифицироваться.

Классификация компьютерных систем

В соответствии с распространенным в среде экспертов подходом, компьютерные системы по своей архитектуре могут относиться:

к большим ЭВМ;
к мини-ЭВМ;
к персональным компьютерам.

Следует отметить, что данная классификация вычислительных решений, в соответствии с которой может определяться архитектура компьютерной системы, многими экспертами признается устаревшей. В частности, те же персональные компьютеры сегодня могут подразделяться на большое количество разновидностей, очень несхожих по назначению и характеристикам.

Таким образом, по мере того как развиваются компьютерные системы, архитектура компьютера может быть классифицирована с использованием меняющихся критериев. Тем не менее обозначенная схема считается традиционной. Полезно будет рассмотреть ее подробнее. В соответствии с ней, первый тип ЭВМ — те, что относятся к архитектуре больших машин.

Большие ЭВМ

Большие ЭВМ ,или мейнфреймы, чаще всего используются в промышленности — как центры обработки данных по различным производственным процессам. В них могут быть инсталлированы мощные, исключительно высокопроизводительные чипы.

Рассматриваемая архитектура компьютерной системы может осуществлять до нескольких десятков миллиардов вычислений в секунду. Стоят большие ЭВМ несопоставимо дороже остальных систем. Как правило, их обслуживание требует участия довольно большого количества людей, имеющих необходимую квалификацию. Во многих случаях их работа осуществляется в рамках подразделений, организованных в качестве вычислительного центра предприятия.

Мини-ЭВМ

Архитектура вычислительных систем и компьютерных сетей на их основе может быть представлена решениями, классифицированными как мини-ЭВМ. В целом их назначение может быть аналогичным, что и в случае с мейнфреймами: весьма распространено применение соответствующего типа компьютеров в промышленности. Но, как правило, их использование свойственно для относительно небольших предприятий, средних бизнесов, научных организаций.

Современные мини-ЭВМ: возможности

Во многих случаях применение данных компьютеров осуществляется как раз в целях эффективного управления внутрикорпоративными сетями. Таким образом, рассматриваемые решения могут использоваться, в частности, как высокопроизводительные серверы. Они также оснащены очень мощными процессорами, такими как, например, Xeon Phi от Intel. Данный чип может работать со скоростью более 1 терафлопса. Соответствующий процессор рассчитан на производство по техпроцессу 22 нм и имеет пропускную способность памяти в значении 240 ГБ/с5.

Персональные компьютеры

Следующий тип компьютерной архитектуры — ПК. Вероятно, он является самым распространенным. ПК не столь мощны и высокопроизводительны как мейнфреймы и микро-ЭВМ, но во многих случаях способны решать задачи и в сфере промышленности, и в области науки, не говоря о типичных пользовательских задачах, таких как запуск приложений и игр.

Еще одна примечательная особенность, характеризующая персональные компьютеры, заключается в том, что их ресурсы могут быть объединены. Вычислительные мощности достаточно большого количества ПК, таким образом, могут быть сопоставимы с производительностью компьютерных архитектур вышестоящего класса, но, конечно, достигнуть их уровней номинально с помощью ПК весьма проблематично.

Тем не менее архитектура компьютерных систем, сетей на основе персональных компьютеров характеризуется универсальностью, с точки зрения реализации в различных отраслях, доступностью и масштабируемостью.

Персональные компьютеры: классификация

Как мы отметили выше, ПК могут быть классифицированы на большое количество разновидностей. В числе таковых: десктопы, ноутбуки, планшеты, КПК, смартфоны — объединяющие в себе ПК и телефоны.

Как правило, самыми мощными и производительными архитектурами обладают десктопы; наименее мощные - смартфоны и планшеты в связи с небольшими размерами и необходимостью существенно уменьшать ресурсы аппаратных компонентов. Но многие из соответствующих девайсов, особенно топовых моделей, по скорости работы, в принципе, сопоставимы с ведущими моделями ноутбуков и бюджетными десктопами.

Отмеченная классификация ПК свидетельствует об их универсальности: в тех или иных разновидностях они могут решать типичные пользовательские задачи, производственные, научные, лабораторные. ПО, архитектура компьютерных систем соответствующего типа во многих случаях адаптированы к использованию рядовым гражданином, не имеющим специальной подготовки, которая может потребоваться человеку, работающему с мейнфреймом или же мини-ЭВМ.

Как установить отнесение вычислительного решения к ПК?

Главный критерий отнесения вычислительного решения к ПК — факт его персональной ориентированности. То есть соответствующего типа компьютер рассчитан, главным образом, на задействование одним пользователем. Однако многие инфраструктурные ресурсы, к которым он обращается, носят неоспоримо социальный характер: это можно проследить на примере пользования интернетом. При том что вычислительное решение персональное, практическая эффективность в его задействовании может фиксироваться только лишь в случае получения человеком доступа к источникам данных, сформированным другими людьми.

Классификация ПО для компьютерных архитектур: мейнфреймы и мини-ЭВМ

Наряду с классификацией компьютеров, рассмотренной нами выше, существуют также критерии отнесения к тем или иным категориям программ, которые инсталлируются на соответствующие типы вычислительной техники. Что касается мейнфреймов и близких им по назначению, а в некоторых случаях и по производительности мини-ЭВМ, то на них, как правило, реализована возможность задействования нескольких операционных систем, адаптированных для решения конкретных производственных задач. В частности данные ОС могут быть приспособлены к запуску различных средств автоматизации, виртуализации, внедрения промышленных стандартов, интеграции с различными видами ПО прикладного назначения.

Классификация ПО: персональные компьютеры

Программы для обычных ПК могут быть представлены в разновидностях, оптимизированных для решения, в свою очередь, пользовательских задач, а также тех производственных, что не требуют того уровня производительности, который характеризует мейнфреймы и мини-ЭВМ. Есть, таким образом, программы для ПК промышленные, научные, лабораторные. ПО, архитектура компьютерных систем соответствующего типа зависит от конкретной отрасли, в которой они применяются, от предполагаемого уровня квалификации пользователя: очевидно, что профессиональные решения для промышленного дизайна могут быть не рассчитаны на человека, имеющего лишь базовые знания в области применения компьютерных программ.

Программы для ПК в тех или иных разновидностях имеют во многих случаях интуитивно понятный интерфейс, различную справочную документацию. В свою очередь, мощности мейнфреймов и мини-ЭВМ могут быть в полной мере использованы при условии не только следования инструкциям, но также и при регулярном внесении пользователем изменений в структуру запускаемых программ: для этого и могут понадобиться дополнительные знания, например, связанные с использованием языков программирования.

Уровни программной архитектуры ПК

Понятие «архитектура компьютерных систем» учебник информатики, в зависимости от взглядов его автора, может трактовать по-разному. Еще одна распространенная интерпретация соответствующего термина предполагает его соотнесение с уровнями программного обеспечения. При этом не имеет принципиального значения то, в какой конкретно вычислительной системе соответствующие уровни ПО реализованы.

В соответствии с данным подходом, под архитектурой компьютера следует понимать набор различных типов данных, операций, характеристик программного обеспечения, задействуемого в целях поддержания функционирования аппаратных компонентов компьютера, а также создания условий, при которых пользователь получает возможность применить данные ресурсы на практике.

Архитектуры программных уровней

Эксперты выделяют следующие основные архитектуры компьютерных систем в контексте рассматриваемого подхода к пониманию соответствующего термина:

цифровая логическая архитектура вычислительного решения — фактически, аппаратное обеспечение ПК в виде различных модулей, ячеек, регистров — например, находящихся в структуре процессора;
микроархитектура на уровне интерпретации различных микропрограмм;
архитектура трансляции специальных команд — на уровне ассемблера;
архитектура интерпретации соответствующих команд и их реализации в программный код, понятный операционной системе;
архитектура компиляции, позволяющая вносить изменения в программные коды тех или иных видов ПО;
архитектура языков высокого уровня, позволяющих приспособить программные коды к решению конкретных пользовательских задач.

Значение классификации программной архитектуры

Конечно, эта классификация в контексте рассмотрения данного термина как соответствующего уровням программного обеспечения, может быть очень условной. Архитектура компьютера и проектирование компьютерных систем, в зависимости от их технологичности и назначения, может потребовать иных подходов разработчиков в классификации уровней ПО, а также, собственно, к пониманию сущности термина, о котором идет речь.

Несмотря на то что данные представления теоретические, их адекватное понимание имеет большое значение, поскольку способствует разработке более эффективных концептуальных подходов к выстраиванию тех или иных типов вычислительной инфраструктуры, позволяет разработчикам оптимизировать свои решения к запросам пользователей, решающих конкретные задачи.

Резюме

Итак, мы определили сущность термина «архитектура компьютерной системы», то, каким образом он может рассматриваться в зависимости от того или иного контекста. В соответствии с одним из традиционных определений, под соответствующей архитектурой может пониматься аппаратная структура ПК, предопределяющая уровень его производительности, специализацию, требования к квалификации пользователей. Данный подход предполагает классификацию современных компьютерных архитектур на 3 основные категории — мейнфреймы, мини-ЭВМ, а также ПК (которые, в свою очередь, также могут быть представлены различными разновидностями вычислительных решений).

Как правило, каждый тип указанных архитектур рассчитан на решение определенных задач. Мейнфреймы и мини-ЭВМ чаще всего находят применение в промышленности. С помощью ПК также можно решать широкий круг производственных задач, осуществлять инженерные разработки — для этого также приспособлена соответствующая архитектура компьютерных систем. Лабораторные работы, научные эксперименты с такой техникой становятся понятнее и эффективнее.

Еще одна трактовка термина, о котором идет речь, предполагает его соотнесение с конкретными уровнями программного обеспечения. В этом смысле архитектура компьютерных систем — рабочая программа, обеспечивающая функционирование ПК, а также создающая условия для использования его вычислительных мощностей на практике в целях решения тех или иных пользовательских задач.

Архитектура системы–совокупность свойств системы, существенных для пользования.

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.

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. Это однопроцессорный компьютер.

К этому типу архитектуры относится и архитектура персонального компьютера с общей шиной. 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.

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.

Самой ранней и наиболее известной является классификация архитектур вычислительных систем, предложенная в 1966 году М.Флинном. Классификация базируется на понятии потока, под которым понимается последовательность элементов, команд или данных, обрабатываемая процессором. На основе числа потоков команд и потоков данных Флинн выделяет четыре класса архитектур: SISD,MISD,SIMD,MIMD.

SISD (single instruction stream / single data stream) – одиночный поток команд и одиночный поток данных. К этому классу относятся последовательные компьютерные системы, которые имеют один центральный процессор, способный обрабатывать только один поток последовательно исполняемых инструкций. В настоящее время практически все высокопроизводительные системы имеют более одного центрального процессора, однако каждый из них выполняет несвязанные потоки инструкций, что делает такие системы комплексами SISD-систем, действующих на разных пространствах данных. Для увеличения скорости обработки команд и скорости выполнения арифметических операций может применяться конвейерная обработка. В случае векторных систем векторный поток данных следует рассматривать как поток из одиночных неделимых векторов. Примерами компьютеров с архитектурой SISD могут служить большинство рабочих станций Compaq, Hewlett-Packard и Sun Microsystems.

MISD (multiple instruction stream / single data stream) – множественный поток команд и одиночный поток данных. Теоретически в этом типе машин множество инструкций должно выполняться над единственным потоком данных. До сих пор ни одной реальной машины, попадающей в данный класс, создано не было. В качестве аналога работы такой системы, по-видимому, можно рассматривать работу банка. С любого терминала можно подать команду и что-то сделать с имеющимся банком данных. Посколькубаза данных одна, а команд много, мы имеем дело с множественным потоком команд и одиночным потоком данных.

SIMD (single instruction stream / multiple data stream) – одиночный поток команд и множественный поток данных. Эти системы обычно имеют большое количество процессоров, от 1024 до 16384, которые могут выполнять одну и ту же инструкцию относительно разных данных в жесткой конфигурации. Единственная инструкция параллельно выполняется над многими элементами данных. Примерами SIMD-машин являются системы CPP DAP, Gamma II и Quadrics Apemille. Другим подклассом SIMD-систем являются векторные компьютеры. Векторные компьютеры манипулируют массивами сходных данных подобно тому, как скалярные машины обрабатывают отдельные элементы таких массивов. Это делается за счет использования специально сконструированных векторных центральных процессоров. Когда данные обрабатываются посредством векторных модулей, результаты могут быть выданы на один, два или три такта частотогенератора (такт частотогенератора является основным временным параметром системы). При работе в векторном режиме векторные процессоры обрабатывают данные практически параллельно, что делает их в несколько раз более быстрыми, чем при работе в скалярном режиме. Примерами систем подобного типа являются, например, компьютеры Hitachi S3600.

MIMD (multiple instruction stream / multiple data stream) – множественный поток команд и множественный поток данных. Эти машины параллельно выполняют несколько потоков инструкций над различными потоками данных. В отличие от упомянутых выше многопроцессорных SISD-машин, команды и данные связаны, потому что они представляют различные части одной и той же задачи. Например, MIMD-системы могут параллельно выполнять множество подзадач с целью сокращения времени выполнения основной задачи. Большое разнообразие попадающих в данный класссистем делает классификацию Флинна не полностью адекватной, поэтому существуют дополненные и расширенные классификации, именованные фамилиями разработчиков.

Классификация архитектур вычислительных систем нужна для того, чтобы понять особенности работы той или иной архитектуры, но она не является достаточно детальной, чтобы на нее можно было опираться при создании МВС, поэтому следует вводить более детальную классификацию, которая связана с различными архитектурами ЭВМ и с используемым оборудованием.

Читайте также: