Принципи побудови та функціонування обчислювальних систем

Основні визначення

Вхідний контроль:

1 Які засоби обчислювальної техніки Ви знаєте?

2 Які задачі Ви розв’язували за допомогою цих засобів?

3 Якими мовами програмування Ви пишете програми?

4 Опишіть відомі Вам великі інтегральні схеми (ВІС).

5 За якими технологіями виготовлені відомі Вам ВІС?

Обчислювальна техніка (ОТ) (computer science, computing machinery) – це систематизована сукупність наукових дисциплін і галузей техніки, що досліджує обчислювальні машини, принципи їхньої побудови і використання; займається розробленням і тестуванням апаратних засобів для оброблення і зберігання інформації; архітектури обчислювальних систем; різні аспекти програмування, в тому числі питання розроблення і створення будь-якого програмного забезпечення; інформаційні структури; мови програмування тощо.

При цьому обчислювальна техніка розв’язує задачі оптимізації апаратних засобів з точки зору їхньої побудови, енергоспоживання, надійності, вартості тощо.

Крім того, термін “обчислювальна техніка” застосовується для описування сукупності обчислювальних засобів, призначених для автоматизації розв’язання будь-яких задач керування процесами і збирання даних, таких як мікропроцесор, абонентські термінали, пристрої обміну даними тощо, а також окремі функціональні вузли цих засобів.

Електронна обчислювальна машина (ЕОМ), комп’ютер – комплекс технічних засобів, призначених для автоматизованого оброблення інформації в процесі розв’язання обчислювальних та інформаційних задач.

Під обчислювальним пристроєм зазвичай розуміють будь-який пристрій оброблення цифрової інформації: електронна обчислювальна машина (ЕОМ), мікропроцесор, персональний комп’ютер (ПК), мікропроцесорна система тощо.

Обчислювальна система (ОС) – це сукупність програм та технічних засобів, призначених для оброблення інформації.

Архітектура обчислювальної системи – це загальна логічна організація обчислювальної системи, яка визначає процес оброблення даних у ній та поєднує методи кодування даних, склад, призначення, принципи взаємодії технічних засобів і програмного забезпечення.

Процесор – це функціональний пристрій, що забезпечує конкретне застосування сукупності команд.

Мікропроцесор (МП) – це оброблювальний та керувальний цифровий пристрій, виконаний за технологією великих інтегральних схем (ВІС), який під програмним керуванням здатний виконувати оброблення інформації, а саме арифметичні та логічні операції, введення-виведення та зберігання інформації, а також приймати рішення.

За типом архітектури розрізняють МП з фоннейманівською архітектурою і МП з гарвардською архітектурою.

За типом побудови мови програмування розрізняють CISC-процесори (Complete Instruction Set Computing) з повним набором команд та RISC-процесори (Reduced Instruction Set Computing) – зі зменшеним набором команд.

Сучасні мікропроцесори мають ознаки, як CISC, так і RISC-архітектури.

Мікропроцесорна система (МПС) – це багатофункційна програмно-керована система обробки інформації, яка складається з підсистеми центрального процесора, підсистеми пам’яті та підсистеми введення-виведення, об’єднаних інформаційними каналами. Мікропроцесорні системи будують на мікропроцесорних комплектах і поділяють на МПС керувальні, обчислювальні, контрольно-вимірювальні, збирання даних.

Комп’ютер сам по собі є також мікропроцесорною системою.

Різниця між обчислювальною системою та мікропроцесорною системою є тільки у масштабах розв’язуваних задач, кількості та складності обладнання.

Класичним варіантом ОС є багатокомп’ютерний або багатопроцесорний комплекс.

Вимоги до сучасних ОС – це, перш за все, здатність до інформаційного обслуговування користувачів, сервіс та якість цього обслуговування. Для суперкомп’ютерів, які будуються на основі багатопроцесорних систем, найбільш важливими вимогами є продуктивність та надійність.

Обчислювальні системи можуть будуватись на базі кількох комп’ютерів або на базі кількох процесорів.

У багатокомп’ютерних системах інформаційно комп’ютери взаємодіють один з одним по мережі, і кожен з них може працювати під керуванням своєї операційної системи, що знижує динамічні характеристики та надійність ОС.

Багатопроцесорні ОС працюють під керуванням однієї операційної системи, мають більш високу швидкодію та надійність.

Універсальні мікропроцесорипризначені для застосування в обчислювальних системах та керувальних персональних комп’ютерах, робочих станціях, серверах, у суперкомп’ютерах. Основною характеристикою універсальних мікропроцесорів є наявність розвинених пристроїв для ефективної реалізації операцій з плаваючою точкою над 64-розрядними і більш довгими операндами та можливість підімкнення розвиненої системи введення-виведення інформації, яка забезпечує різноманітні види зовнішніх пристроїв. Вони призначені, в основному, для розв’язання науково-технічних, економічних, математичних, інформаційних та інших задач, які характеризуються складністю алгоритмів та великим обсягом даних, що обробляються.

Процесори цифрового оброблення сигналів (сигнальні процесори) – розраховані на оброблення у реальному часі цифрових потоків. Сучасні сигнальні процесори здатні виконувати цілочислові операції та операції з плаваючою точкою над 32-40-розрядними операндами.

Сигнальні процесори апаратно підтримують фільтрацію та згортання сигналів, обчислення кореляційної функції двох сигналів, пряме та обернене Фур’є-перетворення сигналу тощо.

Медійні та мультимедійні мікропроцесори забезпечують апаратну підтримку оброблення аудіосигналів, графічної інформації, відеозображень тощо. Вони застосовуються у мультимедіакомп’ютерах, приставках для ігор, побутовій техніці тощо.

Мікроконтролер є інтегрована на одному кришталі ВІС мікропроцесорна система, яка складається з одного або кількох мікропроцесорів, іноді з різною архітектурою та призначенням, підсистеми пам’яті та набору периферійних пристроїв. Мікроконтролери знаходять широке застосування у телекомунікаціях (комунікаційні мікроконтролери), засобах автоматизації, апаратурі зв’язку, контрольно-вимірювальній техніці тощо.

Мікропроцесорний комплект – це сукупність інтегральних мікросхем різного ступеня інтеграції: ВІС мікропроцесорів, ВІС пристроїв пам’яті, ВІС пристроїв введення-виведення, ВІС контролерів зовнішніх пристроїв, службових інтегральних схем – тактовий генератор, модулі, з яких складається інтерфейс з пам’яттю, контролери шин, арбітри шин тощо, які є сумісні за своїми електричними, інформаційними та конструктивними параметрами. Мікропроцесорні комплекти призначені, в основному, для побудови мікропроцесорних систем.

Контролером називається пристрій, часто вбудований, який призначений для керування технологічним пристроєм або процесом. Контролер будується на основі одного або кількох процесорів або мікроконтролера.

Трансп’ютери– це мікрокомп’ютери з власною внутрішньою пам’яттю та каналами (лінками) для підключення до інших трансп’ютерів з метою створення багатопроцесорних систем та паралельних обчислювальних систем.

Контрольні питання:

1 З яких пристроїв можуть складатись ОС?

2 Які вимоги пред’являються до сучасних ОС?

3 Які задачі можуть вирішуватись за допомогою обчислювальної техніки?

4 Як можна класифікувати МПС за їх функціональним призначенням?

5 Чим різняться між собою мікропроцесори, мікроконтролери та мікропроцесорні системи?

6 Що таке мікропроцесорний комплект?

Контрольні питання підвищеної складності:

1 Назвіть відомі Вам моделі ЕОМ; в якому році вони були виготовлені?

2 Назвіть відомі Вам моделі ПК; в якому році вони були виготовлені?

Принципи побудови та функціонування обчислювальних систем

Вхідний контроль: