Архитектура современных компьютеров. Основные устройства компьютера, их функции и взаимосвязь.

Компьютер— это универсальное (многофункциональное) программно управляемое устройство для хранения, обра­ботки и передачи информации.

Архитектура ПК— это общее описание структуры и фун­кций компьютера на уровне, достаточном для понимания принципов его работы.

Несмотря на огромное разнообразие, подавляющее боль­шинство современных компьютеров построено с использова­нием общих принципов:

1. Собраны по принципу открытой архитектуры.Специ­фикации на создание тех или иных устройств разраба­тываются отраслевыми объединениями и известны всем заинтересованным производителям. Это позволя­ет собирать компьютеры, подбирая комплектующие в зависимости от заявленных критериев. Архитектуры также предусматривают обмен данными с любыми устройствами — это позволяет разрабатывать устрой­ства любого назначения, не предусматривавшиеся при проектировании.

2. Соблюдается магистра л ьно-модульный принциппо­строения. В соответствии с этим принципом, компью­тер представляет собой набор блоков, взаимодействую­щих на основе общего канала обмена информацией. Каждый блок выполняет специализированные опера­ции. Обмениваются блоки данными по общему каналу

(шине). Микросхемы поддержки шины и средства взаимодействия блоков собраны на основной плате компьютера — материнской. Такая архитектура позво­ляет организовать обработку любых данных, которые могут быть представлены в цифровой форме.

В 1945 году в своем докладе математик Джон фон Ней­ман описал, как должен быть устроен компьютер для того, чтобы быть универсальным устройством для работы с ин­формацией. Эти принципы носят его имя; говорят о принци­пах фон Неймана или об архитектуре фон Неймана:

• принцип программного управления, согласно которому программа состоит из набора команд, которые выпол­няются процессором друг за другом в определенной по­следовательности ;

• принцип однородности памяти, согласно которому про­граммы и данные хранятся в одной и той же памяти (оперативном запоминающем устройстве — ОЗУ);

• принцип адресности, согласно которому основная па­мять состоит из пронумерованных ячеек и процессору в любой момент времени доступна любая ячейка.

Конструктивно современные компьютеры реализуются в виде взаимодействующих специализированных устройств, созданных из микросхем (основные модули - СБИС), напа­янных на печатных платах.

Процессор— центральное устройство компьютера, вы­полняющее все арифметические и логические операции и управляющее другими устройствами компьютера.

Внутренняя память компьютераделится на две части. ОЗУ — оперативное запоминающее устройство — быстрая, полупроводниковая, энергозависимая память, хранит дан­ные, с которыми непосредственно работает процессор. Ис­пользуется для чтения и для записи информации в адрес­ные ячейки памяти.

ПЗУ — постоянное запоминающее устройство — энерго­независимая память.

В ПЗУ хранится информация, присутствие которой по­стоянно необходимо в компьютере (программы проверки оборудования и первоначальной загрузки ПК). ПЗУ — это память только для чтения, микросхема программируется один раз в заводских условиях.

Объем оперативной памяти, тактовая частота и разряд­ность процессора — это основные характеристики компью­тера.

Данные и программы для обработки сохраняются в опе­ративной памяти, для сохранения их при отключении элек­тропитания используются различные устройства внешней памяти(накопители на жестких («винчестер»), гибких маг­нитных дисках и оптических дисках (CD, DVD-диски)).

Периферийные устройстваслужат для увеличения фун­кциональных возможностей компьютера, удобства ввода и вывода информации.

Основные виды устройств и их взаимодействие показаны на следующей схеме:

Для ввода данных в компьютер и демонстрации результа­тов обработки применяются различные устройства вво­да/вывода(от клавиатуры до принтера).

К компьютеру могут быть подключены как внешние устройства (т. е. вне корпуса компьютера), так и внутрен­ние. Внешние устройства подключаются с помощью специальных преобразователей сигналов (адаптеров) или более сложных устройств управления (контроллеров).

Для подавляющего большинства современных устройств разного назначения предусмотрены стандартные средства подключения — адаптеры и контроллеры, которые уже смонтированы на материнской плате компьютера.

Для обеспечения возможности установки и подключения устройств предусмотрены либо разъемы подключения внеш­них и внутренних устройств (USB, Fire Wire, различные шины подключения устройств внешней памяти) либо воз­можность установки дополнительной платы-контроллера или адаптера в резервные разъемы системной шины.

Билет № 13

Компьютерные сети. Аппаратные средства компьютер­ных сетей. Топология локальных сетей. Характеристики каналов (линий) связи.

Одной из наиболее полезных возможностей, предоставля­емых современными компьютерами, является возможность использования его для автоматизированного обмена инфор­мацией с другими компьютерами по линиям связи. Реализу­ется эта возможность с помощью компьютерных сетей — объединений компьютеров.

Под компьютерной телекоммуникационной (вычислите­льной) сетьюпонимается программно-аппаратный комп­лекс, обеспечивающий автоматизированный обмен данными между компьютерами по линиям связи. Для организации такого обмена, в первую очередь, требуется ряд аппаратных средств, позволяющих организовать специальные или ис­пользовать уже существующие линии связи для приема и передачи цифровой информации.

При использовании аналоговой линии связи (например, телефонной) для обмена данными требуется устройство модулятор-демодулятор (модем), выполняющий преобра­зование цифровых сигналов в аналоговые. Пример такого устройства — модем для коммутируемой телефонной ли­нии.

При использовании цифровой линии связи (например, специализированной компьютерной сети) применяется

устройство-адаптер, выполняющее преобразование кодов в стандарт, используемый сетью. Примером такого устрой­ства может служить адаптер для подключения к сети Ethernet.

Комплекс из линии связи и устройств, передающих и принимающих информацию, называется каналом связи.

К основным характеристикам любого канала связи отно­сят:

• Пропускную способность. Это количество информации, которое можно передать через этот канал за единицу времени. Единицей измерения, таким образом, оказы­вается количество битов в секунду. В некоторых случа­ях указывают два числа — пропускную способность при приеме и при передаче данных.

• Надежность канала. Под надежностью канала пони­мают вероятность возникновения ошибки при передаче данных. Чем меньше вероятность, тем надежнее канал. Надежность канала — интегральная характеристика, которая зависит от типа линии, используемой техноло­гии и конкретного канала. Если возникает необходи­мость, ее рассчитывают как отношение времени, когда канал не мог передавать данные, ко времени, когда он эти данные передавал.

• Максимальную дальность. В зависимости от использу­емой технологии передачи данных, канал связи может иметь некоторую максимальную длину. Например, в сети, построенной по стандартам FastEthernet, макси­мальная длина медного кабеля между узлом и устрой­ством сети — 100 метров.

Основными характеристиками технологий обмена данны­ми, применяемыми при создании сетей, являются характе­ристики максимальной пропускной способности, количества объединяемых в сеть компьютеров и максимального рассто­яния, на котором возможен обмен данными.

По этим характеристикам среди технологий выделяют:

1. Локальные сети.Это сети, с потенциально ограничен­ным числом компьютеров и/или небольшой длиной линий связи. Такие сети обладают высокой скоростью при сравнительно небольшой цене, но могут увеличиваться только до определенных пределов. Например, в сети FastEthernet не должно быть более 1024 узлов. Если возникает необходимость, то такие сети делят на отдельные сегменты и объединяют с помощью специ­ального оборудования.

2. Территориальные сети.Это сети с потенциально нео­граниченным числом компьютеров, но сравнительно небольшой длиной линий связи (т. е. расположенные на сравнительно небольшой территории — одного го­рода, например).

3. Глобальные сети.Это сети, объединяющие большие территории. Такие сети, как правило, создаются круп­ными организациями для предоставления услуг связи. В них используют высокоскоростные, специализиро­ванные линии дальней связи. Основное назначение глобальных сетей — организация взаимодействия между более мелкими территориальными сетями.

При создании локальных сетей важное значение имеет общий принцип соединения компьютеров и устройств сети линиями связи. Такой принцип соединения называется то­пологией сети.

Рассматривают три основные топологии (фактически, способа соединения):

• Общая шина.Для связи всех компьютеров в сети созда­ется общий канал обмена данными, к которому под­ключаются все машины (самый простой пример — все компьютеры подключаются к общему кабелю). Способ логически самый простой, но небезопасный, ограничи­вающий количество компьютеров в сети и иногда при­водящий к техническим проблемам.

• Звезда. Компьютеры соединяются со специальным устройством — концентратором (или коммутатором) от­дельными линиями связи. При этом возрастает надеж­ность, такая сеть менее чувствительна к отказам, но она требует центрального устройства, прокладки боль­шего количества линий и зависит от работы централь­ного устройства. Это самый популярный сейчас способ построения сетей.

• Кольцо.В этой топологии компьютеры соединяются по кругу. Физически это реализуется с помощью устройств-коммутаторов, логически — специальным программным обеспечением. Такая топология требует сложных программ, но позволяет контролировать со­стояние сети (устраняя ошибки или используя резерв­ное «кольцо» связи) и не теряет производительности под большой нагрузкой.

Сети соединяются между собой с помощью специализиро­ванных компьютеров на основе общих межсетевых протоко­лов обмена. Межсетевые протоколы обмена — наборы пра­вил, позволяющие передавать информацию независимо от технологии, использованной для организации сети. Такие протоколы позволяют организовать транзитную передачу данных, объединяя так сети. Образованное таким образом самое крупное объединение сетей называется межсетевой средой — Интернетом.