Теория системной интеграции

Теория системной интеграции - раздел современной информатики, изучающий построение комплексов (конфигураций) из стандартных наборов комплектующих. Полученная при этом конфигурация должна обладать принципиально новыми свойствами по сравнению со свойствами комплектующих, входящих в ее состав. Современный ПК рассматривается как комплекс, синтезированный на основе теории системной интеграции. На заре развития ЭВМ они подразделялись на универсальные и специализированные. Применение теории системной интеграции к ПК позволяет решить этот вопрос иначе. Каждый ПК должен быть специализированным в соответствии с требованиями отдельного пользователя. Серийными должны быть не ПК, а наборы комплектующих. Сборка комплекса должна быть очень простой. Этим обеспечивается низкая цена ПК при индивидуальном подходе, возможность его дальнейшего совершенствования и наращивания (upgrade), простота его ремонта.

Глава 2. Обзор Hardware и методов его применения в профессиональной деятельности

Во второй главе вводятся основные понятия Brainware, а также дается обзор базовой конфигурации ПК и периферии, методов их применения в профессиональной деятельности. В соответствии с теорией системной интеграции ПК как отрытая система, как комплекс подразделяется на базовую конфигурацию (базовый комплекс) и периферию (периферийные устройства). Базовая конфигурация - это наиболее распространенный в данное время комплекс, точнее, это комплектующие, которые в него входят. Периферия - это комплектующие, не входящие в базовую конфигурацию ПК и служащие для дополнительного расширения его функций.

Основные понятия Hardware

Электронная вычислительная машина, компьютер (ЭВМ, computer) - это вычислительная машина (ВМ), технически реализованная средствами электроники. Вычисления на ЭВМ моделируются изменениями значений физических величин (обычно это электрическое напряжение или сила тока) вследствие работы электронных приборов, входящих в состав ЭВМ.

Значения физических величин могут изменяться плавно или дискретно. В первом случае машина называется аналоговой ВМ (АВМ), во втором - цифровой ВМ (ЦВМ).

Английское слово computer (вычислитель) происходит от глагола compute (вычислять). Формально термин "computer" - синоним термина ВМ.

Фактически в настоящее время в связи с широким распространением ЦВМ термины ЦВМ, ЭВМ и компьютер (computer) являются синонимами. Ниже они будут использоваться именно в этом смысле. В настоящее время принято выделять:

- встроенные (бортовые) компьютеры,

- персональные компьютеры (ПК),

- супер-ЭВМ (мэнфреймы).

Встроенные (бортовые) компьютеры - это специализированные компьютеры, управляющие техническими устройствами или технологическими процессами. Такие компьютеры регулируют подачу топлива в двигателе автомобиля, они могут быть встроены в станки с ЧПУ и в другое промышленное оборудование, они управляют поездами, судами, самолетами, ракетами. Такие компьютеры чаще всего не имеют ни клавиатуры, ни дисплея. Они сопряжены с датчиками информации и с управляющими механизмами. Эти компьютеры очень дороги из-за того, что выпускаются в малом количестве экземпляров. Для снижения их стоимости в их конструкции по возможности стараются использовать комплектующие ПК.

Персональные компьютеры, персональные ЭВМ (ПК, ПЭВМ) в настоящее время рассматриваются как класс ЭВМ (в настольном, портативном или карманном исполнении), ориентированных для работы с человеком в дружественном интерактивном (диалоговом) режиме. По назначению ПЭВМ можно разделить на профессиональные ПЭВМ (ППЭВМ) и игровые приставки.

Профессиональная ПЭВМ (ППЭВМ) - это машина, ориентированная на какую-либо профессиональную деятельность человека (например, математика, дизайнера, инженера-конструктора, музыканта, бухгалтера, секретаря-референта). ППЭВМ также могут с успехом использоваться и для компьютерных игр. Наиболее известные в настоящее время направления ППЭВМ - это IBM PC и Macintosh.

Игровая приставка - это ПК, ориентированный главным образом на компьютерные игры. Наиболее известные в настоящее время направления этих ПК - это Sony Play Station и Microsoft X-box. В отличие от ППЭВМ игровые приставки обычно не имеют в своем составе дисплея (предполагается вывод на бытовой телевизор), не имеют полноценной алфавитно-цифровой клавиатуры и мыши (вместо них обычно встроен какой-нибудь манипулятор типа ручки управления - джойстика), не имеют полноценной оперативной и дисковой памяти (имеются специальные кассеты с записанными на них играми).

Рабочие станции в настоящее время рассматриваются как класс наиболее мощных ППЭВМ. В зависимости от назначения рабочие станции имеют очень мощные ресурсы по быстродействию (процессор и оперативная память, бывают многопроцессорные рабочие станции), по долговременной памяти на жестких дисках - винчестерах, по работе с графикой (графические станции - мощные дисплеи, видеопроцессоры, видеопамять) и т. п. Наиболее известны рабочие станции направлений Alpha и Sun.

Супер-ЭВМ (мэнфреймы) -в настоящее время ими считаются современные универсальные ЭВМ, по геометрическим размерам превосходящие ЭВМ в настольном исполнении или реализованные в виде кластерной системы. В настоящее время чаще всего используется последнее. Кластерная система - это компьютер с несколькими процессорами ПК или несколько компьютеров, объединенных при помощи скоростной локальной сети (1000 Мбит/сек и выше) и функционирующих вследствие работы специальной сетевой программы как единый суперкомпьютер-мэнфрейм. Говорить о каких-то конкретных значениях быстродействия или памяти, которые разграничивают мэнфреймы и рабочие станции, бессмысленно, поскольку ресурсы современных рабочих станций в несколько раз превосходят ресурсы мэнфреймов, разработанных много лет назад. Интерес к мэнфреймам в последние годы заметно снизился в пользу компьютерных сетей. Однако существует достаточно узкий класс задач, требующих наличия больших ресурсов, сосредоточенных в одном узле сети. В этих случаях и используют мэнфреймы.

Компьютерная сеть - это комплекс, состоящий из нескольких ЭВМ, соединенных между собой линиями связи (металлическими, телефонными, оптиковолоконными, спутниковыми и т. п.). Компьютерные сети позволяют интегрировать (суммировать) ресурсы нескольких компьютеров для решения особо сложных задач и, таким образом, дают технологию, в определенном смысле альтернативную созданию мэнфреймов.

Рисунок 2.1. Звездообразная сеть, условные обозначения:
комп+сп - компьютер с сетевой платой;
конц - концентратор;
n - разъем RJ-45 для кабеля "витая пара"

По протяженности различают локальные (до 1-2 км) и глобальные (более 1-2 км) компьютерные сети. Для их организации используются существенно различные технологии. Для локальных сетей характерны высокая скорость передачи информации и дешевые линии связи за счет малых расстояний. Для глобальных сетей характерны высокая скорость передачи информации при дорогих линиях связи и низкая скорость передачи при дешевых.

По топологии различают звездообразные сети (Рисунок 2.1), шинные сети (Рисунок 2.2), а также смешанные сети (Рисунок 2.3, Рисунок 2.4). На этих рисунках приведены примеры сетей соответствующей топологии. По роли компьютеров в сети различают одноранговые сети (все компьютеры равноправны) и клиент-серверные сети (среди компьютеров различаются клиенты и серверы).

Клиенты - это компьютеры, для которых главной целью является решение задач своего пользователя. Обычно в качестве компьютеров-клиентов используются ПК, в частности - рабочие станции.

Рисунок 2.2. Шинная сеть, условные обозначения кроме указанных выше (Рисунок 2.1):
с - концевое нагрузочное сопротивление;
Т - BNC-разъем для коаксиального кабеля

Рисунок 2.3. Смешанная сеть со звездообразными участками, условные обозначения указанны выше (Рисунок 2.1)

Серверы - это компьютеры, для которых главной целью является обеспечение решения задач пользователей сети, работающих на других компьютерах. Как правило, сервер должен:

- успевать выполнять работы по запросам нескольких клиентов, т. е. иметь мощные память и процессор или быть многопроцессорным;

- быть способным работать длительное время (недели и месяцы) без выключения и без присутствия человека, сервер лишь изредка настраивается оператором.

Несмотря на это, как правило, сервер является компьютером в настольном исполнении, однако в некоторых случаях в качестве серверов используют мэнфреймы.

Рисунок 2.4. Смешанная сеть с шинным и звездообразным участками, условные обозначения указанны выше (Рисунок 2.1, Рисунок 2.2)

Металлические линии связи - это обычно медные провода, их, как правило, используют в локальных сетях. Их преимущества: относительная дешевизна (0.3 - 1.5 $ за 1 м), высокая скорость передачи данных (до 1000 Мбит/сек). Недостаток - быстрое затухание передаваемого сигнала. Через каждые 100 м длины провода необходимо ставить повторитель сигнала. Повторителем сигнала может быть компьютер или концентратор (hub). Компьютер для соединения с металлическим проводом должен иметь внутри системного блока специальную сетевую плату. Среди металлических линий связи различают коаксиальные кабели и кабели "витая пара" (Рисунок 2.5).

Коаксиальные кабели (Рисунок 2.5) используются в шинных участках сетей. Эти участки относительно дешевые и медленные (цена 0.3 - 0.4 $ за 1 м, скорость 1 - 10 Мбит/сек). Для подсоединения к ним необходимы сетевые платы или концентраторы с Т-разъемами (называемыми также BNC-разъемами). Фактически коаксиальные кабели практически вышли из употребления много лет назад.

Рисунок 2.5. Коаксиальный кабель (сверху) и кабель "витая пара" (снизу)

Рисунок 2.6. Вилки RJ-45 на концах кабеля "витая пара" (вилки и розетки RJ-45 похожи по форме и немного больше по размеру распространенных телефонных вилок и розеток)

Кабели "витая пара" (Рисунок 2.5) используются в звездообразных участках сетей. Эти участки по сравнению с коаксиальными относительно дороже и быстрее (цена 0.4 - 1.5 $ за 1 м, скорость 10 - 1000 Мбит/сек). Для подсоединения к ним необходимы сетевые платы и концентраторы с разъемами RJ-45, называемыми также розетками RJ-45. Вилки RJ-45 крепятся к обоим концам кабеля "витая пара" (Рисунок 2.6) методом обжима при помощи специальных щипцов. В настоящее время кабели "витая пара" употребляются в локальных сетях чаще всего. При этом скорость 10 Мбит/сек обеспечивает совместное использование данных несколькими компьютерами, а скорость 100 Мбит/сек - также и совместное использование программ.

Телефонные линии связи как правило используются в глобальных сетях. Их преимущество - широкая доступность, соответствующая уровню телефонизации населения и организаций, относительная дешевизна, если это не выделенная (прямой провод между абонентами) и не междугородная линии. Недостатки - относительно низкая скорость передачи данных (до 56 Кбит/сек на обычной линии, до 256 Кбит/сек на выделенной линии), низкое качество передачи данных, зависимое от качества данной телефонной линии (на выделенной линии качество выше). Компьютер для соединения с телефонной линией должен быть оснащен факс-модемом. Заметим, что одна выделенная линия может обеспечить и подключение к Internet сразу нескольких клиентов через локальную сеть.

Оптиковолоконные линии связи как правило используются в глобальных сетях при подключении к ним наиболее важных серверов и провайдеров, а также в локальных сетях при создании кластерных систем. Информация передается лучиками света, идущими по оптическому волокну. Такие сигналы практически не затухают даже при передаче на тысячи километров. Оптический кабель имеет огромную пропускную способность (сотни и тысячи Мбит/сек), но он очень дорог (десятки долларов за 1 м). Компьютер для соединения с оптиковолоконной линией должен быть оснащен специальной сетевой платой.

Спутниковые и радио линии связи как правило используются в глобальных сетях, информация передается радиоволнами. Компьютер для соединения с такой линией должен быть оснащен специальной сетевой платой, соединенной со спутниковой или радиоантенной. Спутниковые и радиолинии связи имеют большую пропускную способность (десятки и сотни Кбит/сек), уступая оптиковолоконным линиям связи.

Протокол связи - это соглашение о правилах передачи и приема информации. Каждое устройство, предназначенное для передачи и приема информации (сетевая плата, факс-модем и т. п.) обычно обладает несколькими протоколами связи. Обычно они записаны во флеш-памяти этого устройства. При настройке соединения двух таких устройств они из множества имеющихся у обоих протоколов автоматически выбирают наилучший, исходя из конкретных условий функционирования линии связи.

Так, например, сетевые платы и концентраторы типа 10 имеют только один протокол связи на 10 Мбит/сек, а типа 100 - только на 100 Мбит/сек, а типа 100/10 - два протокола связи на 100 Мбит/сек и на 10 Мбит/сек. Значит, два устройства: одно типа 10, другое типа 100 не имеют общих протоколов, поэтому непосредственно друг с другом они связаться не могут. Но они могут связаться через третье устройство типа 100/10.

Еще пример. Пусть связываются между собой два факс-модема: более новый IDC 5614 (имеет протоколы V90 и V34+) и более старый IDC 2814 (имеет V34+, а V90 нет). Протокол V90 обеспечивает скорость до 56 Кбит/сек при приеме и до 33.6 Кбит/сек при передаче, а V34+ до 33.6 Кбит/сек при передаче и приеме. Пусть качество телефонной линии отличное. Несмотря на это, скорость не может быть более 33.6 Кбит/сек.

Наиболее известные протоколы утверждаются ITU (International Telecommunication Union - Международный Телекоммуникационный Союз) в качестве международных стандартов. Таковы протоколы для факс-модемов V34+, V90, V92 (прием до 56 Кбит/сек, передача до 44 Кбит/сек). А например, протокол для особо неблагоприятных условий на телефонной линии HST (прием и передача до 16.8 Кбит/сек) является интеллектуальной собственностью фирмы USR и имеется только в факс-модемах серии Courier этой фирмы.

Оперативная память, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) хранит только те программы и данные, которые обрабатываются компьютером в данный момент. Она позволяет многократно записывать, стирать и считывать информацию из любого своего участка, а не обязательно сразу всю. Такую память называют памятью с произвольным доступом. Оперативная память отличается исключительным быстродействием, превосходящим в сотни раз быстродействие винчестера и устройств, работающих с лазерными дисками, флопи-дискетами и т. п. Но в отличие от последних оперативная память энергозависима, т. е. при выключении электропитания записанная информация стирается.

Постоянная память, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) в процессе работы с ПК обычно позволяет лишь считывать информацию, предварительно записанную на это устройство. ПЗУ, как правило, энергонезависимые устройства, при выключении электричества они не теряют записанную информацию. Предварительная запись информации в ПЗУ называется прошивкой. ПЗУ бывают однократно прошиваемые и перепрошиваемые. В ПЗУ различных устройств обычно записывают важнейшую для их функционирования информацию. Например, в ПЗУ сетевых плат, концентраторов, факс-модемов записываются протоколы обмена информацией, в ПЗУ сканеров - программы интерполяции изображения и т. п. Однократно прошиваемое ПЗУ отличается высокой надежностью хранения такой информации, устойчивостью к компьютерным вирусам.

Перепрошиваемая постоянная память, перепрошиваемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ) - это вид ПЗУ, позволяющих стирать записанную на них информацию и после этого прошивать их снова - перепрошивать. Среди ППЗУ бывают стираемые и перепрошиваемые довольно трудоемко с помощью специальных устройств (программаторов), а бывают относительно легко, без программаторов. К последним относится так называемая флеш-память.

Флеш-память - это вид ППЗУ с произвольным доступом (как и ОЗУ), стирание и перепрошивка которого производятся электрическими импульсами. Таким образом, от ОЗУ флеш-память отличает почти полная энергонезависимость. Без подключения электропитания информация там может храниться месяцы и годы. В настоящее время имеется тенденция преимущественного использования флеш-памяти в качестве ПЗУ различных устройств. Это, с одной стороны, дает возможность последующего совершенствования хранимой информации, использования новых протоколов, последних версий программ и т. п., а с другой - делает хранение важнейшей информации менее надежным, в частности, делает ее доступной для компьютерных вирусов.

Рисунок 2.7. Центральный процессор (микросхема-ядро - снизу) и система его охлаждения (кулер-вентилятор - сверху; держатель кулера - слева; радиатор - справа)

Центральный процессор - это устройство, выполняющее команды программ, находящихся в оперативной памяти компьютера. Время выполнения процессором различных команд может быть различным. Выполнение каждой команды внутри процессора представляется в виде множества одинаковых по времени выполнения микрокоманд. Время выполнения микрокоманды называется тактом.

Рисунок 2.8. Процессорный разъем на материнской плате (Socket) для вставки в нее центрального процессора

Центральный процессор ПК в процессе работы сильно нагревается и нуждается в системе охлаждения (Рисунок 2.7). При недостаточной мощности системы охлаждения или при сбое в ее работе процессор может сгореть. Если процессор и его система охлаждения продаются вместе (такое изделие носит название BOX-процессор), то это значит, что фирма-производитель процессора гарантирует его нормальную работу с прилагаемой системой охлаждения.

Микросхема-ядро центрального процессора с обратной не показанной на рисунках стороны имеет большое количество игольчатых контактов. Процессорный разъем на материнской плате (Рисунок 2.8) должен иметь аналогичное этим контактам количество отверстий. Т. е. процессор и процессорный разъем должны соответствовать друг другу.

CISC и RISC-процессоры. Если длина двоичного кода одинакова для всех команд процессора, то такой процессор называют RISC-процессором, в противном случае CISC-процессором. RISC-процессор имеет, как правило, большую скорость выполнения команд, чем CISC-процессор. Однако CISC-команда обычно более результативна, чем RISC-команда. В результате компьютеры с процессорами этих двух типов не имеют каких-либо существенных преимуществ друг перед другом в производительности. Центральные процессоры Macintosh - это RISC-процессоры. Центральные процессоры IBM PC - это CISC-процессоры.

Производительность компьютераопределяется скоростью решения им различных тестовых задач. По разным тестам могут выходить вперед разные компьютеры. Для тестирования комплектующих, например, центральных процессоров, берут компьютеры, оснащенные этими процессорами и мало различающиеся между собой по другим комплектующим.

Измерение скорости компьютера.Гц (Hz) - количество повторений в секунду некоторого периодического процесса. Величина названа по имени немецкого ученого-физика Генриха Герца. КГц (KHz) - величина, равная 1000 Гц (Hz). МГц (MHz) - величина, равная 1000 КГц (KHz). ГГц (GHz) - величина, равная 1000 МГц (MHz). Выполнение процессором ЭВМ одной команды программы за другой, последовательная смена кадров на экране дисплея и т. п. могут рассматриваться как периодические процессы.

Скорость процессора, тактовая частота, внутренняя тактовая частота процессора- это количество тактов, выполняемое процессором в секунду. Процессоры, имеющие одинаковую скорость могут отличаться по производительности, которая зависит также от таких факторов, как кеш-память, конвейеризация, внешняя тактовая частота и т. п.

Кеш-память, буферная память- это вспомогательная память, расположенная обычно внутри какого-нибудь устройства компьютера, служащая для повышения его производительности и работающая быстрее, чем память, являющаяся для этого устройства основной. В качестве примеров можно привести кеш-память центрального процессора, кеш-память винчестера, кеш-память принтера и т. п.

Кеш-память процессора обычно работает на внутренней частоте процессора, т. е. гораздо быстрее оперативной, являющейся для процессора основной. Различают два вида кеш-памяти процессора - первого уровня (L1) и второго уровня (L2). L2-кеш позволяет размещать внутри процессора большие блоки взятых из оперативной памяти команд и необходимых для их выполнения данных. L1-кеш обслуживает выполнение микрокоманд и необходимых им данных.

Кеш-память винчестера обычно выполнена по той же технологии, что и оперативная память компьютера. Время считывания и записи для кеш-памяти винчестера гораздо меньше, чем для вращающихся магнитных пластин (дисков) винчестера. Большое количество кеш-памяти винчестера обеспечивает плавность его работы и долгое время службы магнитных головок и пластин.

Кеш-память принтера позволяет формировать печатаемое изображение или его часть до печати их на бумаге. Она обычно выполнена по той же технологии, что и оперативная память компьютера. Время записи изображения или его части для кеш-памяти принтера гораздо меньше, чем время их печати. Большое количество кеш-памяти принтера обеспечивает скорость и плавность его работы, а также выполнение им большего количества функций.

Конвейеризация. Для увеличения производительности современный процессор выполняет параллельно несколько команд, располагая их как бы на различных ступенях сборочного конвейера. Количество этих ступеней называют глубиной конвейеризации. Следовательно, за один такт выполняется сразу несколько микрокоманд, взятых по одной из каждой стоящей на конвейере команды.

Внешняя тактовая частота процессора - это частота, которую материнская плата подает на процессорный разъем. Эта частота характеризует скорость общения процессора через материнскую плату с внешним миром. Отношение внутренней частоты к внешней называют коэффициентом умножения. При больших значениях коэффициента умножения команды и данные просто не успевают поступать из внешнего мира, и процессор работает "на холостом ходу". Применение же большой внешней частоты ведет к усложнению и удорожанию материнских плат.