Архитектура современных компьютеров.

Содержание:

Введение

Актуальность исследования. Несмотря на то что современные модели компьютеров представлены на рынке широким спектром брендов, собраны они в рамках небольшого количества архитектур. С чем это связано? Какова специфика архитектуры современных ПК? Какие программные и аппаратные компоненты ее формируют? Определение архитектуры Что такое архитектура ПК? Под этим довольно широким термином принято понимать совокупность логических принципов сборки компьютерной системы, а также отличительные особенности технологических решений, внедряемых в нее.

Архитектура ПК может быть инструментом стандартизации. То есть компьютеры в рамках нее могут собираться согласно установленным схемам и технологическим подходам. Объединение тех или иных концепций в единую архитектуру облегчает продвижение модели ПК на рынке, позволяет создавать программы, разработанные разными брендами, но гарантированно подходящие для нее. Единая архитектура ПК также позволяет производителям компьютерной техники активно взаимодействовать на предмет совершенствования тех или иных технологических компонентов ПК.

Целью данной работы является изучение архитектуры современных компьютеров, для достижения поставленной цели были выделены следующие задачи:

- рассмотреть теоретические аспекты архитектура компьютера;

- изучить архитектуру компьютера.

Объект исследования – архитектура ПК.

Предмет исследования - архитектура современных компьютеров.

Структура работы состоит из введения, основной части, заключения и списка литературы.

Теоретической и методологической базой данной работы послужили труды российских и зарубежных авторов в области информационных технологий, материалы периодических изданий и сети Интернет.

Глава 1 Теоретические аспекты архитектура компьютера

1.1 Понятие архитектура ПК

Под рассматриваемым термином может пониматься совокупность подходов к сборке компьютеров или отдельных его компонентов, принятых на уровне конкретного бренда. В этом смысле архитектура, которая разработана производителем, является его интеллектуальной собственностью и используется только им, может выступать конкурентным инструментом на рынке. Но даже в таком случае решения от разных брендов иногда могут быть классифицированы в рамках общей концепции, объединяющей в себе ключевые критерии, которые характеризуют компьютеры различных моделей.

Термин «архитектура ПК» информатика как отрасль знаний может понимать по-разному. Первый вариант трактовки предполагает интерпретацию рассматриваемого понятия как стандартизирующего критерия. В соответствии с другой интерпретацией архитектура — это, скорее, категория, позволяющая одному бренду-производителю стать конкурентным в отношении других. Интереснейший аспект — то, как соотносятся история и архитектура ПК^[1].

В частности, это появление классической логической схемы конструирования компьютеров. Рассмотрим ее особенности. Ключевые принципы, в соответствии с которыми предполагалось конструирование ПК по определенной логической схеме, предложил Джон фон Нейман, выдающийся математик. Его идеи были реализованы производителями ПК, относящихся к первым двум поколениям. Концепция, разработанная Джоном фон Нейманом, — это классическая архитектура ПК. Каковы ее особенности? Предполагается, что компьютер должен состоять из следующих основных компонентов: - арифметического и логического блока; - устройства для управления; - блока внешней памяти; - блока оперативной памяти; - устройств, предназначенных для ввода и вывода информации.

В рамках данной схемы взаимодействие технологических компонентов должно реализовываться по конкретной последовательности. Так, сначала в память ПК попадают данные из компьютерной программы, которые могут вводиться с помощью внешнего устройства. Затем устройство для управления считывает информацию из памяти компьютера, после чего направляет ее на выполнение. В этом процессе при необходимости задействуются остальные компоненты ПК.

1.2 Особенности архитектуры современных ПК

Архитектура современных компьютеров Рассмотрим, каковы основные особенности архитектуры современных ПК. Она несколько отличается от концепции, которую мы изучили выше, но во многом продолжает ее. Ключевая особенность ПК новейших поколений — арифметический, логический блок, а также то, что устройства для управления объединены в единый технологический компонент — процессор. Во многом это стало возможным благодаря появлению микросхем и дальнейшему их совершенствованию, что позволило уместить в сравнительно небольшой детали компьютера широкий спектр функций. Архитектура современного ПК также характеризуется тем, что в ней присутствуют контроллеры. Они появились как результат пересмотра концепции, в рамках которой процессор должен был выполнять функцию обмена данными с внешними устройствами. Благодаря возможностям появившихся интегральных схем соответствующий функциональный компонент производители ПК решили отделить от процессора.

Так появились различные каналы обмена, а также периферийные микросхемы, которые затем начали называться контроллерами. Соответствующие аппаратные компоненты на современных ПК могут, например, управлять работой дисков. Устройство и архитектура ПК современных образцов предполагают использование шины. Основное ее назначение — обеспечение коммуникаций между различными аппаратными элементами компьютера.

Ее структура может предполагать наличие специализированных модулей, отвечающих за ту или иную функцию. Архитектура IBM Компанией IBM была разработана архитектура ПК, ставшая фактически одним из мировых стандартов. Ее отличительная особенность — в открытости. То есть компьютер в рамках нее перестает быть готовым продуктом от бренда. Компания IBM — не монополист рынка, хотя один из его первопроходцев в аспекте разработки соответствующей архитектуры. Пользователь или компания, собирающие ПК на платформе IBM, могут самостоятельно определять то, какие компоненты будут включены в структуру компьютера. Также возможна замена того или иного электронного компонента на более совершенный.

Стремительное развитие компьютерных технологий позволило реализовать принцип открытой архитектуры ПК.

1.3 Особенности ПО для компьютеров архитектуры IBM

Важный критерий отнесения ПК к платформе IBM — его совместимость с разными операционными системами. И в этом также прослеживается открытость рассматриваемого типа архитектуры. Компьютеры, относящиеся к IBM-платформе, могут управляться ОС Windows, Linux в большом количестве модификаций, а также иными операционными системами, которые совместимы с аппаратными компонентами ПК рассматриваемой архитектуры. Не считая ПО от крупных брендов, на IBM-платформу можно устанавливать различные авторские программные продукты, выпуск и инсталляция которых обычно не требуют согласования с фирмами-производителями аппаратных элементов. В числе программных компонентов, которые есть практически в любом компьютере на платформе IBM, базовая система ввода и вывода, называемая также BIOS.

Она призвана обеспечивать выполнение основных аппаратных функций ПК вне зависимости от того, какого типа операционная система на нем установлена. И это еще один, по сути, признак открытости архитектуры, о которой идет речь: производители BIOS толерантны к производителям ОС и любого другого ПО. Собственно, тот факт, что BIOS может выпускаться разными брендами — это также критерий открытости. Функционально системы BIOS от разных разработчиков близки. Если на компьютере не установлена BIOS, то его работа практически невозможна. Не имеет значения, инсталлирована ли на ПК операционная система — необходимо обеспечение взаимодействия между аппаратными компонентами компьютера, и его возможно реализовать только с помощью BIOS^[2].

Переустановка BIOS на компьютере требует специальных программно-аппаратных инструментов, в отличие от инсталляции ОС или иного вида ПО, работающего в ней. Данная особенность BIOS предопределяется тем, что ее необходимо защищать от компьютерных вирусов. С помощью BIOS пользователь может управлять аппаратными компонентами ПК, выставляя те или иные настройки. И это также один из аспектов открытости платформы. В некоторых случаях работа с соответствующими настройкам позволяет обеспечить заметное ускорение работы ПК, более стабильное функционирование отдельных его аппаратных компонентов. Система BIOS во многих ПК дополнена оболочкой UEFI, как считают многие IT-специалисты, это достаточно полезное и функциональное программное решение.

Но базовое назначение UEFI принципиально не отличается от того, что характерно для BIOS. Собственно, это такая же система, но интерфейс в ней несколько ближе к тому, что характерен для операционной системы ПК. Важнейший вид ПО для компьютеров — драйвер. Он необходим для того, чтобы аппаратный компонент, инсталлируемый в компьютер, корректно функционировал. Драйверы обычно выпускаются производителями компьютерных устройств. При этом соответствующий вид ПО, совместимый с одной операционной системой, например Windows, обычно не подходит для других ОС.

Поэтому пользователю часто приходится подбирать драйверы, совместимые с конкретными типами программного обеспечения компьютера. В этом смысле IBM-платформа недостаточно стандартизована. Может получиться так, что устройство, прекрасно работающее под ОС Windows, будет невозможно запустить под Linux из-за того, что пользователь не сможет найти нужный драйвер, или же по причине того, что производитель аппаратного компонента попросту не успел выпустить нужный вид программного обеспечения. Важно, чтобы решение, которое предполагается включить в структуру компьютера, было совместимо не только с конкретной архитектурой, но также и иными технологическими элементами ПК.

В числе ключевых: материнская плата, процессор, оперативная память, видеокарта, жесткие диски. Рассмотрим специфику каждого из компонентов подробнее, определим, от чего зависит их совместимость с иными аппаратными элементами, а также выясним, каким образом наиболее корректно можно реализовать принцип открытой архитектуры ПК на практике. Материнская плата Один из ключевых компонентов современного компьютера — материнская, или системная, плата. На ней располагаются контроллеры, шины, мосты и иные элементы, позволяющие объединять между собой различные аппаратные компоненты. Благодаря ей фактически реализуется современная архитектура ПК.

Системная плата позволяет эффективно распределить функции компьютера по различным устройствам. Данный компонент размещает на себе большинство остальных, а именно процессор, видеокарту, оперативную память, жесткие диски и т. д. BIOS, важнейший программный компонент ПК, в большинстве случаев прописывается в одной из микросхем материнской платы. Важно, чтобы соответствующие элементы не были повреждены. Заменяя материнскую плату или выбирая нужную модель в процессе сборки ПК, необходимо удостовериться, что новая ее модель будет совместима с иными аппаратными компонентами.

Так, есть платы, поддерживающие процессоры Intel, а есть те, на которые можно устанавливать только микросхемы от AMD. Очень важно убедиться в том, что новая плата поддерживает существующие модули памяти. Что касается видеокарты и жестких дисков, обычно никаких проблем не возникает в силу достаточного высокого уровня стандартизации на соответствующих рынках. Но нежелательно, чтобы новая материнская плата и указанные компоненты слишком сильно различались по уровню технологичности. Иначе менее производительный элемент будет тормозить всю систему. Процессор Главная микросхема современного компьютера — процессор. Открытая архитектура ПК позволяет по усмотрению пользователя устанавливать на компьютер более мощный, производительный, технологичный процессор.

Однако подобная возможность может предполагать ряд ограничений. Так, заменить процессор Intel на AMD без замены другого компонента — материнской платы - в общем случае невозможно. Также проблематична установка одной микросхемы вместо другой того же бренда, но которая принадлежит к иного типа технологической линейке. Устанавливая более мощный процессор на ПК, необходимо убедиться, что оперативная память, жесткие диски и видеокарта не сильно отстают от него технологически. Иначе, как мы уже отметили выше, замена микросхемы может не принести ожидаемого результата — компьютер не будет работать быстрее. Основные показатели производительности процессора — тактовая частота, количество ядер, величина кэш-памяти. Чем они больше, тем быстрее работает микросхема^[3].

Оперативная память Данный компонент также непосредственным образом влияет на производительность ПК. Основные функции ОЗУ в целом те же, что были характерны для компьютеров первых поколений. В этом смысле оперативная память - классический аппаратный компонент. Однако тем самым подчеркивается ее важность: до сих пор производители ПК не придумали ей достойной альтернативы. Основной критерий производительности памяти — это ее объем. Чем он больше, тем быстрее работает компьютер. Также модули ПК обладают тактовой частотой, как и процессор. Чем она выше, тем более производителен компьютер. Замену ОЗУ следует осуществлять, убедившись, что новые модули совместимы с материнской платой.

Принципы архитектуры ПК первых серий не предполагали выделения видеокарты в отдельный компонент. То есть данное аппаратное решение — это также один из критериев отнесения компьютера к современным поколениям. Видеокарта отвечает за обработку компьютерной графики — одного из наиболее сложных типов данных, требующих высокой производительности микросхем. Заменять данный аппаратный компонент следует, соотнося основные его характеристики с мощностью и уровнем технологичности процессора, памяти и материнской платы. Закономерность здесь та же, что мы отметили выше: нежелательно, чтобы соответствующие элементы ПК сильно различались по уровню производительности. Для видеокарты ключевые критерии — это объем встроенной памяти, а также тактовая частота основной ее микросхемы. Бывает, что модуль, отвечающий за обработку компьютерной графики, встроен в процессор.

И это нельзя считать признаком того, что компьютер устаревший, наоборот, подобная схема наблюдается на многих современных ПК. Наибольшую популярность данная концепция приобретает в среде производителей ноутбуков. Это вполне логично: брендам необходимо обеспечивать компактность такого типа компьютеров. Видеокарта — это довольно объемный аппаратный компонент, ее размер чаще всего заметно больше процессора или модуля памяти. Жесткие диски Жесткий диск — это также классический компонент компьютера. Относится к категории постоянных запоминающих устройств. Типичен для архитектуры современных ПК. На жестких дисках часто хранится основной объем файлов. Можно отметить, что данный компонент в числе наименее требовательных к специфике материнской платы, процессора, ОЗУ и видеокарты. Но опять же, если жесткий диск характеризуется низкой производительностью, то есть вероятность, что работа компьютера будет медленной, даже если на нем будут установлены иные аппаратные компоненты, относящиеся к самым технологичным.

Основной критерий производительности дисков — скорость оборотов. Важен также и объем, но значимость этого параметра зависит от потребностей пользователя. Если на компьютере установлен небольшой по вместительности жесткий диск с очень высокими оборотами, то ПК будет работать быстрее, чем при высокой емкости и низкой скорости вращения соответствующих элементов устройства. Материнская плата, процессор, ОЗУ, а также видеокарта — внутренние компоненты ПК. Жесткий диск может быть как внутренним, так и внешним, и в этом случае чаще всего съемным^[4].

Основные аналоги жесткого диска - флешки, карты памяти. В ряде случаев они могут полностью его заменить, но по возможности рекомендуется все же оснащать ПК хотя бы одним жестким диском. Понятие архитектуры ПК открытого типа, конечно же, не ограничивается возможностью замены и выбора указанных пяти компонентов. Есть очень много устройств иного назначения, которые входят в состав компьютера. Это приводы DVD и Blue-ray, звуковые карты, принтеры, сканеры, модемы, сетевые карты, вентиляторы. Набор соответствующих компонентов может предопределять конкретная брендированная архитектура ПК. Системная плата, процессор, ОЗУ, видеокарта и жесткий диск — элементы, без которых современный ПК работать не сможет или его функционирование будет крайне затруднено. Они же главным образом определяют скорость работы. И потому, обеспечив установку на компьютере технологичных и современных компонентов соответствующего типа, пользователь сможет собрать высокопроизводительный и мощный ПК. Компьютеры Apple Какие еще есть типы архитектур ПК?

В числе тех, которые составляют прямую конкуренцию архитектуре IBM, совсем немного. Например, это компьютеры Macintosh от Apple. Конечно, по многим критериям они схожи с архитектурой IBM — в них также есть процессор, память, видеокарта, материнская плата и жесткие диски. Однако компьютеры от Apple характеризуются тем, что их платформа закрыта. Пользователь весьма ограничен в установке на ПК компонентов по своему усмотрению. Apple — это единственный бренд, который может легально выпускать компьютеры в соответствующей архитектуре. Аналогично Apple — единственный поставщик функциональных операционных систем, выпускаемых в рамках собственной платформы.

Глава 2 Архитектура компьютера

2.1.Аппаратные средства компьютера

Внутреннее устройство компьютера очень сложно. Достаточно в качестве примера взять только один из его узлов — микропроцессор. Даже самый первый микропроцессор Intel 4004 уже содержал в себе более двух тысяч транзисторов, а в последних моделях процессоров Intel Pentium счет идет уже на миллионы (7,5 миллионов в Pentium II). Очевидно, что изучение автомата такого уровня сложности представляет собой нелегкую задачу даже для специалистов, не говоря уже о рядовых пользователях компьютеров. В качестве приемлемого выхода из затруднительной ситуации современные учебники предлагают несколько способов.

Первый, самый простой, состоит в полном игнорировании сведений о внутреннем устройстве компьютера — так называемая теория «черного ящика», когда сложная система описывается в качестве совокупности реакций на определенные воздействия. Применительно к компьютеру это обычно звучит как «нажми вот сюда и он сделает вот это». Очевидно, что такой подход не пригоден для систематического использования компьютера, исключая, может быть, постоянную рутинную работу с единственной программой (клерк в банке, почтовый служащий или продавец супермаркета). Главная трудность, и она принципиально непреодолимая, в том, что компьютер имеет достаточно сложную логику работы и требуется запомнить слишком большое количество внешне не связанных между собой правил.

Второй подход, ненамного более сложный (он встречается во множестве книг для «чайников», занятых и даже «полных идиотов»), состоит в замене изучения внутреннего устройства компьютера его конструктивным устройством. При этом утверждается, что компьютер — это автоматический аппарат, состоящий из системного блока, монитора, клавиатуры, мыши и т.д., которые могут быть встроены в единый корпус, как у портативного компьютера.

Гораздо более логичным кажется изучение устройства компьютера на базе его функциональной структуры, когда за основу описания внутреннего функционирования машины берутся ее функциональные узлы.

Наконец, для специалистов в области применения компьютерной техники требуются более глубокие подходы, на которых мы не будем здесь останавливаться.

2.2 Конструктивное устройство компьютера

В нашей стране наиболее распространенными являются компьютеры типа IBM PC. Одной из главных черт данного семейства компьютеров является строгая унификация их устройства, благодаря которой состав (конфигурация) любого компьютера легко наращивается и изменяется.

Одним из следствий такой унификации является общность конструкции IBM-совместимых компьютеров. Каждый такой компьютер состоит из системного блока, в котором сосредоточена основная часть электронных устройств компьютера, и ряда устройств ввода/вывода, которые удобнее иметь в виде отдельных устройств. Не вызывает сомнения, что все устройства технически могут быть сделаны небольшими по размерам и собраны в единый корпус; тем не менее, от такой повышенной компактности будет больше неудобств, чем пользы. Например, системный блок в случае специализированных компьютерных столов часто размещают в их нижней части, что совсем не способствует конструктивному совмещению с клавиатурой^[5].

Как указано выше, в системном блоке компьютера IBM PC находится большая часть его устройств. Сюда входят центральный процессор и микросхемы, его «сопровождающие» (так называемый чипсет); оперативная память и специальное постоянное запоминающее устройство, благодаря которому компьютер при включении тестируется и загружается; основная плата, на которой смонтирована вся электронная схема компьютера (в просторечии ее часто именуют материнской платой); блок питания; разнообразные устройства внешней памяти, такие как дисковый накопитель для дискет, жесткий диск, устройство обслуживания компакт-дисков и многие другие устройства, входящие в состав компьютера.

В качестве отдельных устройств в компьютере типа IBM PC выполняются монитор, клавиатура и мышь, а также дополнительные устройства, подключаемые к компьютеру, такие как сканер, печатающее устройство и многие другие.

Учитывая, что большинство компьютеров в нашей стране принадлежат к семейству IBM PC, а также их однотипную конструкцию, из этого часто делается ошибочный вывод, что все компьютеры устроены именно так. Популярная литература даже утверждает, что любой персональный компьютер состоит из системного блока, монитора, клавиатуры, мыши и т.д. На самом деле, это не совсем так.

Например, существует еще одно семейство компьютеров, которое выпускается другой фирмой — Apple — и называется Macintosh. С точки зрения обсуждаемого вопроса, особый интерес представляет тот факт, что для семейства компьютеров Apple характерно объединение системного блока и монитора в одном корпусе.

Еще один пример. Все большее распространение в последнее время получают переносные портативные компьютеры (планшетные и карманные компьютеры), которые сконструированы так, что у них абсолютно все устройства (электронная часть, экран, клавиатура и даже эквивалент мыши) собраны в корпусе монитора.

Список примеров подобного рода можно расширить.

Таким образом, хотя понимание конструктивного устройства компьютеров полезно с практической точки зрения (например, при покупке IBM-совместимой машины или ее ремонте), определяющей чертой компьютера оно не является. Гораздо полезнее для понимания работы компьютера научиться использовать функции его устройств.

2.3 Функциональное устройство компьютера

Состав основных блоков электронного вычислительного устройства был подробно обоснован еще в 1946 году в классической статье А. Беркса, Г. Голдстейна и Дж. Неймана «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронного вычислительного устройства». Несмотря на то, что этой публикации около 60 лет, она заслуживает, чтобы ее процитировали.

«Очевидно, что машина должна быть способна запоминать некоторым образом не только цифровую информацию, необходимую для данного вычисления..., но также и команды, управляющие программой, которая должна производить вычисления над этими числовыми данными. В специализированной вычислительной машине эти команды являются неотъемлемой частью устройства и составляют часть его конструкции. В универсальной машине должна быть возможность отдать приказ устройству произвести вообще любое вычисление… Следовательно, в машине должен быть некоторый орган, способный хранить эти приказы программы. Кроме того, должно быть устройство, которое может понимать эти команды и управлять их выполнением».

«Выше мы в принципе указали на два различных вида памяти — память чисел и память приказов. Если, однако, приказы машине свести к числовому коду..., то орган памяти можно использовать для хранения как чисел, так и приказов».

«Если память для приказов является просто органом памяти, то должен существовать еще орган, который может автоматически выполнять приказы, хранящиеся в памяти. Мы будем называть этот орган управлением».

«Поскольку наше устройство должно быть вычислительной машиной, в нем должен иметься арифметический орган — устройство, способное складывать, вычитать, умножать, делить. Мы увидим также, что оно может выполнять и другие операции, которые встречаются довольно часто»^[6].

«Наконец, должен существовать орган ввода и вывода, с помощью которого осуществляется связь между оператором и машиной».

Приведенная цитата отчетливо показывает, что все функциональные блоки ЭВМ имеют вполне естественное назначение и образуют простую и логически обоснованную структуру. Последняя оказалась настолько удачной, что во многом сохранилась вплоть до наших дней. Для нее даже используется общепринятое название фон-неймановская архитектура, хотя, строго говоря, Джон фон Нейман не является единоличным автором всех принципов архитектуры.

Замечательно, что современные компьютеры сохранили такую же самую структуру. Сравним приведенное выше описание со строением современных компьютеров, которые состоят из следующих функциональных частей:

• устройство, в котором производятся все операции по обработке информации; по современной терминологии оно называется арифметико-логическим устройством (АЛУ);
• устройство, обеспечивающее организацию выполнения программы обработки информации и согласованное взаимодействие всех узлов машины в ходе этого процесса — устройство управления (УУ); АЛУ и УУ в настоящее время удается выполнить в виде единой интегральной схемы, которая называется микропроцессором;
• устройство, предназначенное для хранения исходных данных, промежуточных величин и результатов обработки, а также самой программы действий над информацией; данное устройство принято называть памятью;
• существуют различные виды памяти, в том числе оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), которая выполняется в виде микросхем — чипов памяти и внешняя память, например, на магнитных или оптических дисках;
• разнообразные устройства, способные преобразовывать информацию в форму, доступную компьютеру — устройства ввода;
• и, наконец, устройства, преобразующие результаты работы в доступную человеку форму — устройства вывода.

Заметим, что характерными особенностями современной вычислительной техники является наличие магистрали связи устройств (функциональных модулей) в компьютере — информационной шины (на практике — нескольких) для передачи информации между функциональными модулями компьютера, а также специальных контроллеров (треугольники с буквой «К» на рисунке), которые руководят работой «своих» устройств, освобождая от этого центральный процессор. Иными словами, основной принцип построения современного персонального компьютера — магистрально-модульный.

Наиболее важным функциональным блоком любого компьютера является процессор. Он предназначен для выполнения всех тех операций, которые машина умеет осуществлять над обрабатываемой информацией. Другой важной функцией процессора является управление согласованной работой всех устройств, входящих в состав компьютера.

Современные процессоры, несмотря на необычайно сложное внутренне устройство, удается изготовить в одном кристалле. Поэтому полученную микросхему, которая представляет собой законченный узел машины, принято называть микропроцессором.

Процессор функционирует по программе, которая хранится в оперативной памяти. Каждая программа состоит из отдельных команд, которые в свою очередь построены как набор простейших операций — микроопераций или машинных команд.

На практике при выборе компьютера прежде всего обращают внимание именно на его процессор. Наиболее важной характеристикой рассматриваемого узла является тактовая частота — т.е. частота, с которой компьютер выполняет отдельные элементарные действия (такты). Приближенно можно считать, что один такт эквивалентен для современного процессора одной микрооперации. Чем выше тактовая частота, тем быстрее процессор при прочих равных условиях будет выполнять предложенную ему программу. Тактовая частота современных моделей процессоров измеряется в гигагерцах, т.е. в миллиардах тактов за одну секунду.

Помимо тактовой частоты практическое значение также имеет разрядность, т.е. количество бит, которое процессор в состоянии обработать единовременно, то есть за один такт. Большинство процессоров сейчас 32-разрядные, но разработка новых, более мощных, процессоров не прекращается.

Поскольку главным модулем любого вычислительного устройства является процессор, то система команд последнего является базовой для всего компьютера в целом. Программное обеспечение, загружаемое в оперативную память, представляет собой комплекс программ, состоящих в свою очередь из огромного количества команд, а они — из наборов микроопераций. Так, программный комплекс — текстовой редактор — следуя командам, которые поступают от пользователя, «умеет» форматировать текст и проверять его синтаксис, а программный комплекс — математический процессор — упрощать выражения и брать производные. Но, в конечном счете, все эти и сотни других действий сводятся к длинной последовательности тех или иных машинных команд.

Несмотря на большое число разновидностей компьютеров, на самом низком («машинном») уровне они имеют много общего. Система команд любого процессора обязательно содержит следующие типичные группы команд обработки информации.

• Команды переписи данных, копирующие информацию из одного места памяти в другое.
• Арифметические операции, которым фактически обязана своим рождением вычислительная техника. Конечно, доля вычислительных действий в современном компьютере уменьшилась, но они по-прежнему играют в программах важную роль.
• Логические операции, позволяющие компьютеру производить анализ получаемой информации. Условный переход, поставленный после такой команды, позволяет процессору выбрать дальнейший ход выполнения программы. Примерами могут служить сравнение, а также логические операции И, ИЛИ, НЕ (инверсия). К ним часто добавляются анализ отдельных битов кода, их сброс или установка.
• Сдвиги двоичного кода влево и вправо.
• Команды ввода и вывода информации для обмена с внешними устройствами. Часто внешние устройства являются специальными служебными адресами памяти, тогда ввод и вывод осуществляется с помощью обычных команд перезаписи.
• Команды управления, реализующие нелинейные алгоритмы. Сюда, прежде всего, следует отнести условный и безусловный переход, а также команды обращения к подпрограмме (переход с возвратом). Некоторые компьютеры имеют специальные команды для организации циклов, но это не обязательно: любой цикл может быть сведен к той или иной комбинации условного и безусловного переходов. К этой же группе команд относят операции по управлению процессором и его состоянием^[7].

Обратим внимание на тот факт, что в систему команд компьютера входят наиболее универсальные микрооперации. Именно поэтому на их базе удается реализовать практически любую программу.

Для того, чтобы получить некоторое представление о том, как компьютер выполняет программу по обработке информации, в нашем практикуме рассматривается некоторая упрощенная его модель.

2.4 Модель для изучения компьютера

Современные IBM-совместимые компьютеры довольно сложны; при их реализации используется множество самых разнообразных принципов и технологий. Поэтому для понимания даже наиболее простых идей их работы требуется знание достаточно большого количества технических деталей.

Альтернативным способом изучения является метод моделирования. Его главная идея состоит в том, чтобы выявить все наиболее важные черты моделируемого объекта и отразить их в модели. Таким образом, модель оказывается «очищенной» от всех второстепенных деталей, зато в главном ведет себя также как и изучаемый объект. Очевидно, что изучение модели легче и, в то же время, позволяет отчетливо выделить все наиболее существенные черты.

Воспользуемся для знакомства с принципами выполнения программ некоторой простой моделью современного компьютера. Наша модель будет состоять из процессора и оперативной памяти; устройства ввода/вывода для простоты рассматривать не будем.

Процессор в такой модели выполняет наиболее простые операции (в основном арифметические). В его состав входят 4 регистра общего назначения R0-R3, а также программный счетчик PC (Program Counter).

Программа вычислений хранится в небольшом ОЗУ размером 256 байт, пронумерованных в шестнадцатеричной системе от 0 до FF.

Любая команда нашего процессора состоит из трех частей:

• кода операции (КОП), образующегося из 8 двоичных разрядов (или 2 шестнадцатеричных цифр), и определяющего, какую именно операцию необходимо выполнить над данными;
• двух операндов (ОП1 и ОП2), каждый из одной шестнадцатеричной цифры, кодирующей, где взять данные.

Наш учебный процессор имеет следующую систему команд:

Таблица 2.1 – Система команд

КОП	ОП1	ОП2	ПОЯСНЕНИЯ
00	0	0	нет операции
01	X	X	оп1 ==> оп2
02	X	X	оп2 + оп1 ==> оп2
03	X	X	оп2 — оп1 ==> оп2
05	X	X	оп2 * оп1 ==> оп2
06	X	X	оп2 / оп1 ==> оп2 (деление нацело)
0F	0	0	останов

В приведенной выше таблице вместо операндов, обозначенных символом X, можно подставить номер одного из регистров процессора от 0 до 3. В некоторых случаях может использоваться код D («данные»), который говорит о том, что операндом является число, расположенное в следующем слове команды.

Как нетрудно заметить, каждая команда состоит из 4 шестнадцатеричных цифр, т.е. из двух байт. В отдельных случаях, когда указан код операнда D, длина команды увеличивается вдвое. Приведем примеры команд, которые должны существенно облегчить понимание сказанного выше о структуре команд.

Таблица 2.2 – Содержание команд

Содержание

Код команды	Комментарии
0112	R1 ==> R2	значение из регистра R1 копируем в R2
0130	R3 ==> R0	значение из R3 копируем в R0
01D2 0003	3 ==> R2	в регистр R2 заносится константа 3, которая следует за командой
0212	R2 + R1 ==> R2	сложить числа, находящиеся в указанных регистрах, и записать результат во второй из них
02D2 0001	R2 + 1 ==> R2	увеличить R2 на1
0312	R2 — R1 ==> R2	из R2 вычесть R1, и записать результат в R2
02D2 0001	R2 — 1 ==> R2	уменьшить R2 на1
0F00	стоп	прекратить выполнение программы

Процессор производит требуемые действия над информацией; их последовательность определяется программой. Для хранения данных и программы их обработки в компьютере предусмотрен специальный функциональный блок — память.

Различают оперативную и внешнюю память. Первая служит для хранения информации текущей решаемой задачи и программ их обработки, а также служебных программ, например, резидентных программ операционной системы, а вторая — для запоминания и хранения программ и данных с целью их повторного использования. Содержимое оперативной памяти после окончания решения задачи не сохраняется, поэтому данные, которые могут в дальнейшем потребоваться, необходимо записать во внешнюю память, где они останутся сколь угодно долго и независимо от того, включен ли компьютер. Устройствами внешней памяти в современных компьютерах являются главным образом так называемые накопители на магнитных или оптических дисках.

Важнейшими характеристиками памяти являются ее объем и время доступа. Объем измеряется в специальных единицах — мега- или гигабайтах и отражает то количество информации, которое память в состоянии вместить. Время доступа есть то время, за которое компьютер может прочитать данные из памяти или записать их в нее. Очень важно подчеркнуть, что объем внешней памяти значительно превышает объем оперативной, зато время доступа к последней существенно меньше. Проще говоря, оперативная память меньше по объему, зато работает быстрее.

Важно подчеркнуть, что деление на оперативную и внешнюю память требуется компьютеру не по функциональным, а по технологическим причинам. Пользователей устроила бы единая память, но такая, чтобы она обладала большой емкостью и высоким быстродействием, сохраняла информацию при выключенном компьютере, а также была дешевой. К сожалению, удовлетворить всем этим противоречивым требованиям одновременно инженеры не могут, и приходится создавать целую иерархию различных видов памяти.

Все виды компьютерной памяти связаны между собой, образуя своеобразную иерархию.

Рис. 2.1 – Иерархия памяти

Из приведенной схемы можно заметить, что чем «выше по иерархии» рассматриваемая разновидность памяти, т. е. чем ближе она к процессору, тем меньше ее объем, но зато тем больше скорость ее работы. Иерархия памяти специально спроектирована так, что более нужная для данной задачи информация попадает в память более высокого уровня. Например, файлы, в которых хранятся требуемые для решения задачи данные, считываются в ОЗУ, а наиболее часто используемые из них через какое-то время попадут в кэш-память. Подчеркнем, что термин «кэширование» в вычислительной технике имеет довольно широкий смысл: сохранение информации в более быстродействующей памяти с целью повторного использования. В таком контексте ОЗУ кэширует внешнюю память, а данные из Интернет сохраняются на винчестере для ускорения загрузки при повторном использовании (речь идет о так называемых временных файлах Интернет, которые хранятся в специальной служебной папке). В дополнение к сказанному заметим, что и внутри внешних устройств компьютера, например, самого накопителя на жестких магнитных дисках, тоже возможно кэширование.

Оперативная память является функциональным блоком компьютера, предназначенным для хранения текущих данных и программы их обработки.

Характерными особенностями данного вида памяти являются следующие.

• Возможность немедленного доступа к информации, расположенной в любой части ОЗУ. Не случайно английской аббревиатурой, эквивалентной русскому термину ОЗУ, является RAM (Random Access Memory), что переводится в литературе как память с произвольным доступом.
• Байтовая структура ОЗУ — возможность доступа с помощью адреса к любому байту (или группе последовательных байтов).
• Высокая (по сравнению с другими видами памяти) скорость считывания и записи информации, соизмеримая со скоростью работы процессора.
• Необходимость принятия специальных мер по сохранению нужной информации из ОЗУ во внешнюю память после завершения работы.

Проследим, как происходило обращение к отдельно взятой ячейке ОЗУ у различных поколений ЭВМ.

Cамые первые ЭВМ использовали всего два типа информации — числа и программу их обработки. Чаще всего их длина выбиралась одинаковой (см. рис. а), типичное значение составляло 36-40 двоичных разрядов. Каждая такая ячейка ОЗУ получала свой собственный номер, так что адреса соседних чисел (или команд) отличались на единицу. Вся память, таким образом, состояла из абсолютно одинаковых ячеек, любая из которых могла вместить в себя ровно одно число или команду.

Гораздо реже использовалась архитектура, где длина команды составляла половину числа, как, например, в известной машине БЭСМ-6. Интересно, что классическая работа Д. Неймана с соавторами 1946 года предлагала реализовать именно такой формат команд и данных.

По мере развития вычислительной техники (при переходе от второго поколения к третьему) и расширения сферы ее применения появилась дополнительная потребность работать с текстовой информацией. Возникло существенное противоречие между использовавшимся «большим» размером ячеек ОЗУ и количеством разрядов, необходимым для хранения одного символа (для символа согласно стандарту ASCII выделяется 1 байт, т.е. 8 разрядов). Наиболее разумным выходом из положения явилось дробление ячеек памяти на более мелкие так, чтобы появилась возможность извлекать один отдельно взятый символ. В результате возникла байтовая структура памяти, изображенная на рис. в. В новой системе числа занимали 4 байта, так что номера двух соседних из них отличались уже не на единицу, а на четыре. Такова «плата» за введение возможности обработки текстов и прочих видов информации, требующих для хранения различного объема ОЗУ.

Объем памяти 32 разряда, который требовался для хранения одного числа, в ЕС ЭВМ третьего поколения стал называться машинным словом. Подчеркнем, что в тот момент оно не было связано с разрядностью какого-либо устройства и являлось чисто логической характеристикой обрабатываемой информации. С переходом к четвертому поколению, которое базируется на микропроцессорах, машинное слово обрело связь с аппаратной частью, а именно с разрядностью процессора.

При сохранении многобайтовых данных в последовательные байты ОЗУ возможно два равноценных варианта: сохранять байты, начиная либо с самого старшего, либо с самого младшего. Первый способ сохранения называется прямым порядком байтов (английский эквивалентный термин big endian), а второй — обратным (little endian). Процессоры фирмы Intel, использующиеся в компьютерах семейства IBM PC, всегда используют обратный порядок байт.

Байтовая структура памяти оказалась гибкой и удобной, так что она без изменений сохранилась не только в машинах третьего, но и в современных компьютерах четвертого поколения.

Для длительного хранения больших объемов данных и программ их обработки служат специальные устройства внешней памяти. Внешняя память принципиально отличается от внутренней (оперативной): во-первых, ее содержимое гарантированно сохраняется после выключения компьютера, а во-вторых, доступ к внешней памяти производится не отдельными байтами, как в ОЗУ, но блоками. Типичный блок на дискете, например, состоит из 512 байт, и называется сектором. Блок является минимально возможной порцией считывания или записи информации (иначе говоря, запись или чтение части блока принципиально невозможно)^[8].

Различают физический и логический доступ к секторам диска.

В отличие от устройств ввода/вывода, приспособленных для обмена данными с человеком, внешняя память предназначается для сохранения данных в машинной форме с целью их повторного использования в будущем. Информация, хранящаяся на носителях внешней памяти человеку без помощи компьютера недоступна.

Устройства внешней памяти можно разделить на следующие классы:

• по типу доступа:
  • с произвольным доступом (диски, флэш-карты);
  • с последовательным доступом (ленты);
• по используемой технологии считывания/записи информации:
  • с магнитными носителями (гибкие и жесткие диски — винчестеры);
  • с оптическими носителями (CD, DVD);
  • с магнитооптическими носителями;
  • использующие флэш-память;
• по типу носителя:
  • с постоянным носителем (жесткие диски);
  • со сменными носителями (гибкие диски, магнитные ленты, компакт-диски, стик-память, флеш-память).

Наиболее важными характеристиками внешней памяти являются емкость, время доступа к данным и некоторые другие.

Главная характеристика устройств внешней памяти — их емкость. Данная величина измеряется в единицах, производных от байта — в настоящее время обычно в мегабайтах или гигабайтах. Например, емкость стандартной дискеты составляет 1,4 Мб, оптического компакт-диска — 650-800 Мбайт, а емкость однослойного диска DVD 4,7 Гбайт.

Различают форматированную и неформатированную емкость. При форматировании создаются специальные служебные области, а также «пустые» промежуточные зоны между блоками, так что под информацию остается емкость примерно на 15% меньшая. Все указанные выше цифры представляют собой форматированную («полезную») емкость.

Другой важной характеристикой является время доступа к данным, под которым понимается усредненный интервал времени от запроса на передачу блока данных до фактического начала передачи. Дисковые устройства имеют время доступа от единиц до сотен миллисекунд (задержка для них связана с механическим позиционированием считывающей головки к месту расположения информации). Для электронных устройств (например, флэш-память) время доступа определяется быстродействием используемых микросхем и для чтения составляет доли микросекунд, хотя запись может происходить значительно дольше.

Скорость записи и считывания данных определяется как отношение объема считываемых или записываемых данных, ко времени, затрачиваемому на данную операцию. Время доступа также включается в общее время операции. В то же время скорость передачи данных, напротив, определяет «чистую» производительность обмена уже после завершения поиска.

Наконец, в компьютерной литературе в сравнительных таблицах часто используется так называемая удельная стоимость хранения информации, измеряемая обычно в долларах на 1 Мб носителя: 0,3 $/Мб для дискет и примерно 0,05 — для жесткого диска. В целом данный показатель имеют тенденцию к снижению.

Как известно, любой дисковый носитель состоит из блоков данных стандартного размера, которые называются секторами .

Различают логический и физический доступ к секторам диска. В первом случае считается, что все сектора образуют непрерывную пронумерованную последовательность. Во втором — учитывается реальное положение дел, согласно которому сектора образуют на диске концентрические окружности, называемые дорожками.

Программное обеспечение, как правило, использует логический доступ к диску; преобразованием логического номера сектора в его физические «координаты» занимается операционная система.

Заключение

Таким образом, те или иные виды архитектуры ПК могут различаться не столько аппаратными составляющими компьютера, сколько подходами брендов-производителей к выпуску соответствующих решений. В зависимости от собственной стратегии развития компания может делать акцент на открытости или же закрытости платформы. Итак, основные особенности архитектуры современных ПК на примере IBM-платформы: отсутствие монопольного бренда-производителя компьютеров, открытость. Причем как в программном, так и в аппаратном аспекте. Что касается главного конкурента IBM-платформы, компании Apple, основные признаки ПК соответствующей архитектуры — это закрытость, а также выпуск компьютеров единственным брендом.

В заключение заметим, что для облегчения доступа пользователей к информации, программное обеспечение пользуется специальной логической организацией данных на диске. Она называется файловой системой. Центральной идеей файловой системы является замена обращений к конкретным логическим секторам диска работой с файлами, операции с которыми осуществляются по их именам. Для хранения служебной информации о файлах на диске выделяются специальные области. Наглядным примером такой области является каталог, в котором хранится список файлов и данные, необходимые для их нахождения на диске.

Список литературы

1. Гашков С.Б., Применко Э.А., Черепнев М.А. Криптографические методы защиты информации. – М.: Академия, 2015. – 304 с.
2. Грибунин В.Г., Чудовский В.В. Комплексная система защиты информации на предприятии. – М.: Академия, 2012. – 416 с.
3. Гришина Н.В. Комплексная система защиты информации на предприятии. – М.: Форум, 2015. – 240 с.
4. Евстифеев, А. В. Микроконтроллеры AVR семейства Mega : руководство пользователя / А. В. Ев- стифеев. - Москва : Додэка -XXI, 2007. - 587 с.
5. Емельянова Н.З., Партыка Т.Л., Попов И.И. Защита информации в персональном компьютере. – М.: Форум, 2012. – 368 с.
6. Защита информации в системах мобильной связи. Учебное пособие. – М.: Горячая Линия - Телеком, 2015. – 176 с.
7. Комплексная система защиты информации на предприятии. Часть 1. – М.: Московская Финансово-Юридическая Академия, 2012. – 124 с.
8. Корнеев И.К, Степанов Е.А. Защита информации в офисе. – М.: ТК Велби, Проспект, 2014. – 336 с.
9. Максименко В.Н., Афанасьев, В.В. Волков Н.В. Защита информации в сетях сотовой подвижной связи. – М.: Горячая Линия - Телеком, 2014. – 360 с.
10. Малюк А.А, Пазизин С.В, Погожин Н.С. Введение в защиту информации в автоматизированных системах. – М.: Горячая Линия - Телеком, 2011. – 146 с.
11. Малюк А.А. Информационная безопасность. Концептуальные и методологические основы защиты информации. Учебное пособие. – М.: Горячая Линия - Телеком, 2014. – 280 с.
12. Маньков В.Д, Заграничный С.Ф. Методические рекомендации по изучению "Инструкции по применению и испытанию средств защиты, используемых в электроустановках". – М.: НОУ ДПО "УМИТЦ "Электро Сервис", 2011. – 132 с.
13. Пей, Ан. Сопряжение ПК с внешними устройствами / Ан Пей. - Москва : ДМК-Пресс, 2001. - 320 с.
14. Петраков А.В. Основы практической защиты информации. Учебное пособие. – М.: Солон-Пресс, 2015. – 384 с.
15. Попов, Т. А. Устройство ввода аналоговой информации в ПЭВМ / Т. А. Попов, В. В. Родин // Учебный эксперимент в высшей школе. - 2009. - № 1. - С. 67-76.
16. Попов, Т. А. Устройство ввода информации в ПЭВМ / Т. А. Попов, В. В. Родин // Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики : сборник научных трудов XI Международной научно-технической конференции в рамках II Всероссийского светотехнического форума с международным участием (г. Саранск, 3-4 дек. 2013 г.). - Саранск : Афанасьев В. С., 2013. - С. 433-435.
17. Родин, В. В. Канал ввода информации в ПЭВМ / В. В. Родин, О. Б. Шекера, В. Н. Ширчков // Учебный эксперимент в высшей школе. - 2005. - № 1. - С. 66-73.
18. Северин В.А. Комплексная защита информации на предприятии. – М.: Городец, 2012. – 368 с.
19. Сурис М.А., Липовских В.М. Защита трубопроводов тепловых сетей от наружной коррозии. – М.: Энергоатомиздат, 2013. – 216 с.
20. Хорев П.Б. Методы и средства защиты информации в компьютерных системах. – М.: Академия, 2012. – 256 с.
21. Хорев П.Б. Программно-аппаратная защита информации. – М.: Форум, 2012. – 352 с.
22. Шаньгин В.Ф. Комплексная защита информации в корпоративных системах. – М.: Форум, Инфра-М, 2015. – 592 с.

1. Попов, Т. А. Устройство ввода информации в ПЭВМ / Т. А. Попов, В. В. Родин // Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики : сборник научных трудов XI Международной научно-технической конференции в рамках II Всероссийского светотехнического форума с международным участием (г. Саранск, 3-4 дек. 2013 г.). - Саранск : Афанасьев В. С., 2013. - С. 433-435. ↑

2. Хорев П.Б. Программно-аппаратная защита информации. – М.: Форум, 2012. – с.18 ↑

3. Северин В.А. Комплексная защита информации на предприятии. – М.: Городец, 2012. – с.15 ↑

4. Малюк А.А. Информационная безопасность. Концептуальные и методологические основы защиты информации. Учебное пособие. – М.: Горячая Линия - Телеком, 2014. – с.152 ↑

5. Малюк А.А, Пазизин С.В, Погожин Н.С. Введение в защиту информации в автоматизированных системах. – М.: Горячая Линия - Телеком, 2011. – с.17 ↑

6. Петраков А.В. Основы практической защиты информации. Учебное пособие. – М.: Солон-Пресс, 2015. – с.175 ↑

7. Маньков В.Д, Заграничный С.Ф. Методические рекомендации по изучению "Инструкции по применению и испытанию средств защиты, используемых в электроустановках". – М.: НОУ ДПО "УМИТЦ "Электро Сервис", 2011. – с.75 ↑

8. Защита информации в системах мобильной связи. Учебное пособие. – М.: Горячая Линия - Телеком, 2015. – с.32 ↑