Тема 2. 1 Архитектура компьютеров и компьютерных сетей

Тема 2. 1 Архитектура компьютеров и компьютерных сетей


Задачи и их решения по информатике и математике
Тема 1. 2 Дискретное представление информации -->> Тема 2. 2 Программная организация компьютеров

Тема 2. 1 Архитектура компьютеров и компьютерных сетей

Архитектура вычислительной машины (Computer architecture) – это концептуальная структура вычислительной машины.
Структура компьютера — это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Архитектура определяет взаимное соединение основных логических узлов компьютера и принципы их действия. 

Любой компьютер состоит из:
  • блока управления;
  • арифметико-логического устройства (процессор);
  • памяти;
  • устройств ввода-вывода.
Гарвардская архитектура
Исторически первой появилась гарвардская структура, разработанная Говардом Эйкеном в конце 1930-х годов в Гарвардском университете и реализованы в компьютере Марк-1.
В первом компьютере Эйкена «Марк I» для хранения инструкций использовалась перфорированная лента, а для работы с данными — электромеханические регистры. Это главный отличительный признак – раздельное хранение и обработка команд и данных (использование раздельных адресных пространств). Это позволяло одновременно пересылать и обрабатывать команды и данные, благодаря чему значительно повышалось общее быстродействие. Принципиально невозможно производить операцию записи в память программ, что исключает возможность случайного разрушения управляющей программы в случае неправильных действий над данными. Она почти не использовалась до конца 70-х годов. Однако оказалось, что в микрокомпьютерах объем данных очень невелик по сравнению с управляющей программой. Применение отдельной небольшой по объему памяти данных способствует сокращению длины команд и ускорению поиска информации в памяти данных. Гарвардская архитектура применяется в микроконтролерах, где требуется обеспечить высокую надёжность работы аппаратуры. Однако такая схема имеет очевидный недостаток — высокую стоимость. При разделении каналов передачи команд и данных процессор должен иметь почти в два раза больше выводов (раздельно для шины адреса и шины данных). 


Принципы фон Неймана; фоннеймановская архитектура
В большинстве современных IBM-совместимых компьютерах реализована архитектура фон Неймана, основанная на «принципах фон Неймана». Перечислим некоторые принципы, важные в рамках данного курса.
1. Для представления данных и команд используется двоичная система (логика. алгебра и арифметика);
2. Команды и данные хранятся в одной и той же памяти, над командами можно выполнять такие же (двоичные) действия, как и над данными;
3. Все команды располагаются в памяти и обычно выполняются последовательно. хотя возможен и условный переход – «перескакивание» через серию команд.

Такая организация позволяет производит загрузку и выгрузку управляющих программ в произвольное место памяти, которая в этой структуре не разделяется на память программ и память данных. Любой участок памяти может служить как памятью программ, так и памятью данных. Причём в разные моменты времени одна и та же область памяти может использоваться и как память программ и как память данных. Для того, чтобы программа могла работать в произвольной области памяти, её необходимо модернизировать перед загрузкой, то есть работать с нею как с обычными данными. Эта особенность архитектуры позволяет наиболее гибко управлять работой микропроцессорной системы. С другой стороны, это создаёт принципиальную возможность искажения управляющей программы, что понижает надёжность работы аппаратуры. Подавляющее большинство современных компьютеров основаны именно на указанных принципах, включая и сложные многопроцессорные комплексы, которые можно рассматривать как объединение фон-неймановских машин.


Архитектура компьютера IBM
Работа над первым персональным компьютером IBM PC была закончена в 1981 году компанией IBM. Разработчикам была предоставлена полная сводоба действий и очень ограниченный бюджет.  Свобода состояла в том, чтобы не заниматься разработкой персонального компьютера (ПК) «с нуля», а воспользоваться готовыми блоками других фирм. Сотрудники подразделения стали выбирать лучшие предложения, имеющиеся на тот момент. В качестве основного микропроцессора компьютера был выбран новенький тогда микропроцессор Intel-8088 (известнейшей на сегодняшний день фирмы Intel). Японский зеленый экран монитора (нет пореключаталя «вкл/выкл - ») (24 строки, 80 позиций), «кликающая» клавиатура с небольшими клавишами Shift и Return и дисковая операционная система DOS малоизвестной фирмы Microsoft.

Фирма IBM сделала компьютер не единым неразъемным устройством, а обеспечила возможность его сборки из независимо изготовленных частей аналогично детскому конструктору. Существовал некий базовый состав блоков, необходимый для работы ПК (осуществляет обработку информации). Он смонтирован на основной электронной плате компьютера IBM PC (системной, или материнской, плате). Узлы, управляющие всеми остальными устройствами компьютера – монитором, дисками, принтером – реализованы на отдельных платах (контроллерах), которые вставляются в стандартные разъемы на системной плате – слоты. К этим электронным схемам подводится электропитание из единого блока питания, а для удобства и надежности все это заключается в общий металлический или пластмассовый корпус – системный блок. Ни эти компоненты, ни система ввода-вывода не были лицензированы. Более того, методы сопряжения устройств с компьютером IBM PC не только не держались в секрете, но и были доступны всем желающим, принцип соединения частей в целое был подробно описан.

В этом состоит принципиальное отличие IBM-совместимых компьютеров с открытой архитектурой и Macintosh, которые построены на закрытой архитектуре.

Основополагающие принципы открытой архитектуры следующие:
  • конструкция предусматривает возможность расширения системы;
  • использование технических решений и технологий не требует лицензионных затрат;
  • возможно изменение базового состава системы самим пользователем.
 Компьютер получается модульным. Он легко расширяется и модернизируется с использованием этих гнезд, к которым пользователь может подключать разнообразные устройства, удовлетворяющие заданному стандарту, и тем самым конфигурировать свою машину в соответствии с личными предпочтениями.

Это возможно потому, что каждый из функциональных элементов (память, монитор или другое устройство) подсоединяется к единой общей для всего компьютера магистрали – системной шине. Можно сказать, что это провод с ответвлениями, идущими к слотам. Для согласования работы (интерфейсов) периферийные устройства подключаются к шине не напрямую, а через свои контроллеры или адаптеры (наборы электронных цепей, узлы), которые и соединяются со слотами.

Открытая архитектура позволяет другим производителям разрабатывать дополнительные устройства к системам с такой архитектурой. Детали компьютера совместимы и взаимозаменяемы, компьютер легко модернизировать, приобретая и устанавливая новые устройства, заменять вышедшие из строя и устаревшие детали новыми. Наибольшую выгоду от открытости архитектуры IBM PC получили пользователи, поскольку  открытость архитектуры IBM PC привела к появлению множества производителей «IBM PC-совместимых компьютеров» и росту конкуренции между производителями комплектующих, что  привело к удешевлению деталей компьютеров и их широкому распространению.

Архитектура сети
– это реализованная структура сети передачи данных, определяющая её топологию, состав устройств и правила их взаимодействия в сети.

Наиболее распространённые архитектуры:

Ethernet (англ. ether – эфир) – широковещательная сеть. Это значит, что все станции сети могут принимать все сообщения. Топология – линейная или звездообразная. Скорость передачи данных 10 или 100 Мбит/сек.

Arcnet (Attached Resource Computer Network – компьютерная сеть соединённых ресурсов) – широковещательная сеть. Физическая топология – дерево. Скорость передачи данных 2,5 Мбит/сек.

Token Ring (эстафетная кольцевая сеть, сеть с передачей маркера) – кольцевая сеть, в которой принцип передачи данных основан на том, что каждый узел кольца ожидает прибытия некоторой короткой уникальной последовательности битов – маркера – из смежного предыдущего узла. Поступление маркера указывает на то, что можно передавать сообщение из данного узла дальше по ходу потока. Скорость передачи данных 4 или 16 Мбит/сек.

FDDI (Fiber Distributed Data Interface) – сетевая архитектура высокоскоростной передачи данных по оптоволоконным линиям. Скорость передачи – 100 Мбит/сек. Топология – двойное кольцо или смешанная (с включением звездообразных или древовидных подсетей). Максимальное количество станций в сети – 1000. Очень высокая стоимость оборудования.

АТМ (Asynchronous Transfer Mode) – перспективная, дорогая архитектура, обеспечивает передачу цифровых данных, видеоинформации и голоса по одним и тем же линиям. Скорость передачи до 2,5 Гбит/сек. Линии связи оптические.

Основной задачей, решаемой при создании компьютерных сетей, является обеспечение совместимости оборудования по электрическим и механическим характеристикам и обеспечение совместимости информационного обеспечения (программ и данных) по системе кодирования и формату данных. Решение этой задачи относится к области стандартизации и основано на так называемой модели OSI (модель взаимодействия открытых систем – Model of Open System Interconnections). Модель OSI была создана на основе технических предложений Международного института стандартов ISO (International Standards Organization).

Согласно модели OSI архитектуру компьютерных сетей следует рассматривать на разных уровнях (общее число уровней – до семи). Самый верхний уровень – прикладной. На этом уровне пользователь взаимодействует с вычислительной системой. Самый нижний уровень – физический. Он обеспечивает обмен сигналами между устройствами. Обмен данными в системах связи происходит путем их перемещения с верхнего уровня на нижний, затем транспортировки и, наконец, обратным воспроизведением на компьютере клиента в результате перемещения с нижнего уровня на верхний.

Уровни управления и протоколы модели OSI
 
Для обеспечения необходимой совместимости на каждом из семи возможных уровней архитектуры компьютерной сети действуют специальные стандарты, называемые протоколами. Они определяют характер аппаратного взаимодействия компонентов сети (аппаратные протоколы) и характер взаимодействия программ и данных (программные протоколы). Физически функции поддержки протоколов исполняют аппаратные устройства (интерфейсы) и программные средства (программы поддержки протоколов).

Программы, выполняющие поддержку протоколов, также называют протоколами.

Каждый уровень архитектуры подразделяется на две части:
· спецификацию услуг;
· спецификацию протокола.

Спецификация услуг определяет, что делает уровень, а спецификация протокола – как он это делает, причем каждый конкретный уровень может иметь более одного протокола.

Рассмотрим функции, выполняемые каждым уровнем программного обеспечения:

1. Физический уровень осуществляет соединения с физическим каналом, так, отсоединения от канала, управление каналом. Определяется скорость передачи данных и топология сети.

2. Канальный уровень добавляет в передаваемые массивы информации вспомогательные символы и контролирует правильность передаваемых данных. Здесь передаваемая информация разбивается на несколько пакетов или кадров. Каждый пакет содержит адреса источника и места назначения, а также средства обнаружения ошибок.

3. Сетевой уровень определяет маршрут передачи информации между сетями, обеспечивает обработку ошибок, а так же управление потоками данных. Основная задача сетевого уровня – маршрутизация данных (передача данных между сетями).

4. Транспортный уровень связывает нижние уровни (физический, канальный, сетевой) с верхними уровнями, которые реализуются программными средствами. Этот уровень разделяет средства формирования данных в сети от средств их передачи. Здесь осуществляется разделение информации по определенной длине и уточняется адрес назначения.

5. Сеансовый уровень осуществляет управление сеансами связи между двумя взаимодействующими пользователями, определяет начало и окончание сеанса связи, время, длительность и режим сеанса связи, точки синхронизации для промежуточного контроля и восстановления при передаче данных; восстанавливает соединение после ошибок во время сеанса связи без потери данных.

6. Представительский – управляет представлением данных в необходимой для программы пользователя форме, производит компрессию и декомпрессию данных. Задачей данного уровня является преобразование данных при передаче информации в формат, который используется в информационной системе. При приеме данных данный уровень представления данных выполняет обратное преобразование.

7. Прикладной уровень взаимодействует с прикладными сетевые программами, обслуживающими файлы, а также выполняет вычислительные, информационно-поисковые работы, логические преобразования информации, передачу почтовых сообщений и т.п. Главная задача этого уровня – обеспечить удобный интерфейс для пользователя.

На разных уровнях обмен происходит различными единицами информации: биты, кадры, пакеты, сеансовые сообщения, пользовательские сообщения.