Обобщенная структура ЭВМ и пути её развития

Развитие архитектуры неизбежно ведет к развитию структуры ЭВМ. Реализация принципов интеллектуализации, которые все больше определяют развитие архитектуры ЭВМ, возможна при совершенствовании структурной организации, обеспечивающей повышение эффективности вычислительного процесса и, как следствие этого, рост производительности ЭВМ. В конечном счете, условием и критерием развития структуры является рост производи­тельности ЭВМ.

Основной тенденцией в развитии структуры ЭВМ является разделение функций системы и максимальная специализация подсистем для выполнения этих функций.

Обобщенная структура ЭВМ приведена на рис.2.1. Она состоит из сле­дующих составных частей:

- обрабатывающей подсистемы;

- подсистемы памяти;

- подсистемы ввода-вывода;

- подсистемы управления и обслуживания.

Для каждой подсистемы выделены основные направления их развития.

Обрабатывающая подсистема

Развитие обрабатывающей подсистемы в большей степени, чем всех ос­тальных подсистем, идет по пути разделения функций и повышения специа­лизации составляющих ее устройств. Создаются специальные средства, кото­рые осуществляют функции управления системой, освобождая от этих функ­ций средства обработки. Такое распределение функций сокращает эффектив­ное время обработки информации и повышает производительность ЭВМ. В то же время средства управления, как и средства обработки, становятся более специализированными. Устройство управления памятью реализует эффек­тивные методы передачи данных между средствами обработки и подсисте­мой памяти. Меняются функции центрального устройства управления. С од­ной стороны, ряд функций передается в другие подсистемы (например, функции ввода-вывода), с другой - развиваются средства организации парал­лельной обработки нескольких команд (суперскалярная обработка) с одно­временным повышением темпа исполнения последовательности команд. Для повышения темпа выполнения последовательности команд применяются ме­тоды конвейерной обработки наряду с совершенствованием алгоритмов дис­петчеризации и исполнения команд. Бурно развивается управление межпро­цессорным обменом как эффективное средство передачи информации между несколькими центральными процессорами, входящими в состав вычисли­тельной системы или комплекса.

Операционные устройства (АЛУ) обрабатывающей подсистемы, кроме традиционных средств скалярной (суперскалярной) и логической обработки, все шире стали включать специальные средства векторной обработки. При этом время выполнения операций можно резко сократить как за счет исполь­зования арифметического конвейера (одного или нескольких), так и за счет сокращения такта работы конвейера. Возможности задач к распараллелива­нию алгоритма счета снимают принципиальные ограничения к организации существенно параллельной обработки информации и использованию струк­тур с глубокой конвейеризацией. В устройствах скалярной обработки все шире появляются специальные операционные блоки, оптимизированные на эффективное выполнение отдельных операций.

Подсистема памяти

Подсистема памяти современных компьютеров имеет иерархическую структуру, состоящую из нескольких уровней:

- сверхоперативный уровень (локальная память процессора, кэш­память первого и второго уровня);

- оперативный уровень (оперативная память, дисковый кэш);

- внешний уровень (внешние ЗУ на дисках, лентах и т.д.). Эффективными методами повышения производительности ЭВМ явля­ются увеличение количества регистров общего назначения процессора, ис­пользование многоуровневой кэш-памяти, увеличение объема и пропускной способности оперативной памяти, буферизация передачи информации между ОП и внешней памятью. Увеличение пропускной способности оперативной памяти достигается за счет увеличения их расслоения и секционирования.

Подсистема ввода-вывода

В состав подсистемы ввода-вывода входит набор специализированных устройств, между которыми распределены функции ввода-вывода, что по­зволяет свести к минимуму потери производительности системы при опера­циях ввода-вывода. Эти устройства можно условно разделить на критичные и некритичные по быстродействию. К критичным по быстродействию устрой­ствам относятся обработчики команд ввода-вывода и контроллеры интерфей­сов. Эти устройства определяют пропускную способность подсистемы ввода-вывода. Некритичные по быстродействию устройства управляют распреде­лением линий в подсистеме ввода-вывода.

Основными направлениями развития подсистем ввода-вывода являются канальная технология ввода-вывода, матричная топология коммутации пери­ферийных устройств (ПУ), увеличение количества и пропускной способности каналов.

Подсистема управления и обслуживания

Подсистема управления и обслуживания — это совокупность аппаратно-программных средств, предназначенных для обеспечения максимальной про­изводительности, заданной надежности, ремонтопригодности, удобства на­стройки и эксплуатации. Она обеспечивает проблемную ориентацию и за­данное время наработки на отказ, подготовку и накопление статистических сведений о загрузке и прохождении вычислительного процесса, выполняет функции "интеллектуального" интерфейса с различными категориями обслу­живающего персонала, осуществляет инициализацию, тестирование и отлад­ку. Подсистема управления и обслуживания позволяет поднять на качествен­но новый уровень эксплуатацию современных ЭВМ.

При разработке структуры ЭВМ все подсистемы должны быть сбалан­сированы между собой. Только оптимальное согласование быстродействия обрабатывающей подсистемы с объемами и скоростью передачи информации подсистемы памяти, с пропускной способностью подсистемы ввода-вывода позволяет добиться максимальной эффективности использования ЭВМ.

Важнейшими факторами, определяющими функциональную и структур­ную организацию ЭВМ, являются выбор системы и форматов команд, типов данных и способов адресации.

14 Определение понятия суперкомпьютер

Определение понятия «суперкомпьютер» не раз было предметом многочисленных споров и обсуждений.

Чаще всего авторство термина приписывается Джорджу Майклу (George Anthony Michael) и Сиднею Фернбачу (Sidney Fernbach), в конце 60-х годов XX века работавшим в Ливерморской национальной лаборатории, и компании CDC. Тем не менее, известен тот факт, что ещё в 1920 году газета New York World (англ.) рассказывала о «супервычислениях», выполнявшихся при помощи табулятора IBM, собранного по заказу Колумбийского университета.

В общеупотребительный лексикон термин «суперкомпьютер» вошёл благодаря распространённости компьютерных систем Сеймура Крэя, таких как, CDC 6600, CDC 7600, Cray-1, Cray-2, Cray-3 (англ.) и Cray-4 (англ.). Сеймур Крэй разрабатывал вычислительные машины, которые по сути становились основными вычислительными средствами правительственных, промышленных и академических научно-технических проектов США с середины 60-х годов до 1996 года. Не случайно в то время одним из популярных определений суперкомпьютера было следующее: — «любой компьютер, который создал Сеймур Крэй». Сам Крэй никогда не называл свои детища суперкомпьютерами, предпочитая использовать вместо этого обычное название «компьютер».

Компьютерные системы Крэя удерживались на вершине рынка в течение 5 лет с 1985 по 1990 годы. 80-е годы XX века охарактеризовались появлением множества небольших конкурирующих компаний, занимающихся созданием высокопроизводительных компьютеров, однако к середине 90-х большинство из них оставили эту сферу деятельности, что даже заставило обозревателей заговорить о «крахе рынка суперкомпьютеров». На сегодняшний день суперкомпьютеры являются уникальными системами, создаваемыми «традиционными» игроками компьютерного рынка, такими как IBM, Hewlett-Packard, NEC и другими, которые приобрели множество ранних компаний, вместе с их опытом и технологиями. Компания Cray по-прежнему занимает достойное место в ряду производителей суперкомпьютерной техники.

Из-за большой гибкости самого термина до сих пор распространены довольно нечёткие представления о понятии «суперкомпьютер». Шутливая классификация Гордона Белла и Дона Нельсона, разработанная приблизительно в 1989 году, предлагала считать суперкомпьютером любой компьютер, весящий более тонны. Современные суперкомпьютеры действительно весят более 1 тонны, однако далеко не каждый тяжёлый компьютер достоин чести считаться суперкомпьютером. В общем случае, суперкомпьютер — это компьютер значительно более мощный, чем доступные для большинства пользователей машины. При этом скорость технического прогресса сегодня такова, что сегодняшний лидер легко может стать завтрашним ведомым.

Архитектура также не может считаться признаком принадлежности к классу суперкомпьютеров. Ранние компьютеры CDC были обычными машинами, всего лишь оснащёнными быстрыми для своего времени скалярными процессорами, скорость работы которых была в несколько десятков раз выше, чем у компьютеров, предлагаемых другими компаниями.

Большинство суперкомпьютеров 70-х оснащались векторными процессорами, а к началу и середине 80-х небольшое число (от 4 до 16) параллельно работающих векторных процессоров практически стало стандартным суперкомпьютерным решением. Конец 80-х и начало 90-х годов охарактеризовались сменой магистрального направления развития суперкомпьютеров от векторно-конвейерной обработки к большому и сверхбольшому числу параллельно соединённых скалярных процессоров.

Массово-параллельные системы стали объединять в себе сотни и даже тысячи отдельных процессорных элементов, причём ими могли служить не только специально разработанные, но и общеизвестные и доступные в свободной продаже процессоры. Большинство массово-параллельных компьютеров создавалось на основе мощных процессоров с архитектурой RISC, наподобие PowerPC или PA-RISC.

В конце 90-х годов высокая стоимость специализированных суперкомпьютерных решений и нарастающая потребность разных слоёв общества в доступных вычислительных ресурсах привели к широкому распространению компьютерных кластеров. Эти системы характеризует использование отдельных узлов на основе дешёвых и широко доступных компьютерных комплектующих для серверов и персональных компьютеров и объединённых при помощи мощных коммуникационных систем и специализированных программно-аппаратных решений. Несмотря на кажущуюся простоту, кластеры довольно быстро заняли достаточно большой сегмент суперкомпьютерного рынка, обеспечивая высочайшую производительность при минимальной стоимости решений.

В настоящее время суперкомпьютерами принято называть компьютеры с огромной вычислительной мощностью («числодробилки» или «числогрызы»). Такие машины используются для работы с приложениями, требующими наиболее интенсивных вычислений (например, прогнозирование погодно-климатических условий, моделирование ядерных испытаний и т. п.), что в том числе отличает их от серверов и мэйнфреймов (англ. mainframe) — компьютеров с высокой общей производительностью, призванных решать типовые задачи (например, обслуживание больших баз данных или одновременная работа с множеством пользователей).

Иногда суперкомпьютеры используются для работы с одним-единственным приложением, использующим всю память и все процессоры системы; в других случаях они обеспечивают выполнение большого числа разнообразных приложений.

15 Сервер — выделенный компьютер

Серверы Википедии в Тампа, Флорида

Сервером называется компьютер, выделенный из группы персональных компьютеров (или рабочих станций) для выполнения какой-либо сервисной задачи без непосредственного участия человека. Сервер и рабочая станция могут иметь одинаковую аппаратную конфигурацию, так как различаются лишь по участию в своей работе человека за консолью.

Некоторые сервисные задачи могут выполняться на рабочей станции параллельно с работой пользователя. Такую рабочую станцию условно называют невыделенным сервером.

Консоль (обычно — монитор/клавиатура/мышь) и участие человека необходимы серверам только на стадии первичной настройки, при аппаратно-техническом обслуживании и управлении в нештатных ситуациях (штатно, большинство серверов управляются удалённо). Для нештатных ситуаций серверы обычно обеспечиваются одним консольным комплектом на группу серверов (с коммутатором, например, KVM-переключателем, или без такового).

Специализация серверного оборудования идёт несколькими путями, выбор того, в каком направлении идти, каждый производитель определяет для себя сам. Большинство специализаций удорожают оборудование.

Надёжность[править | править код]

Двухсокетная серверная материнская плата

Серверное оборудование зачастую предназначено для обеспечения работы сервисов в режиме 24/7, поэтому часто комплектуется дублирующими элементами, позволяющими обеспечить «пять девяток» (99,999 %; время недоступности сервера или простой системы составляет менее 6 минут в год). Для этого конструкторами при создании серверов создаются специальные решения, отличные от создания обычных компьютеров:

память обеспечивает повышенную устойчивость к сбоям. Например для i386-совместимых серверов, модули оперативной памяти и кэша имеет усиленную технологию коррекции ошибок (англ. Error Checking and Correction, ECC). На некоторых других платформах, например SPARC (Sun Microsystems), коррекцию ошибок имеет вся память. Для собственных мэйнфреймов IBM разработала специальную технологию Chipkill™.

Повышение надёжности сервера достигается резервированием, в том числе с горячими подключением и заменой (англ. Hot-swap) критически важных компонентов:

при необходимости вводится дублирование процессоров (например, это важно для непрерывности выполнения сервером задачи долговременного расчёта — в случае отказа одного процессора вычисления не обрываются, а продолжаются, пусть и на меньшей скорости)

блоков питания,

жёстких дисков в составе массива RAID и самих контроллеров дисков,

групп вентиляторов, обеспечивающих охлаждение компонентов сервера.

В функции аппаратного мониторинга вводят дополнительные каналы для контроля большего количества параметров сервера: датчики температуры контролируют температурные режимы всех процессоров, модулей памяти, температуру в отсеках с установленными жёсткими дисками; электронные счётчики импульсов, встроенные в вентиляторы, выполняют функции тахометров и позволяют, в зависимости от температуры, регулировать скорость их вращения; постоянный контроль напряжения питания компонентов сервера позволяет сигнализировать об эффективности работы блоков питания; сторожевой таймер не позволяет остаться незамеченным зависанию системы, автоматически производя принудительную перезагрузку сервера.

Размеры и другие детали внешнего исполнения[править | править код]

Серверы (и другое оборудование), которые требуется устанавливать на некоторое стандартное шасси (например, в 19-дюймовые стойки и шкафы), приводятся к стандартным размерам и снабжаются необходимыми крепёжными элементами.

Серверы, не требующие высокой производительности и большого количества внешних устройств зачастую уменьшают в размерах. Часто это уменьшение сопровождается уменьшением ресурсов.

В так называемом «промышленном исполнении», кроме уменьшенных размеров, корпус имеет бо́льшую прочность, защищённость от пыли (снабжён сменными фильтрами), влажности и вибрации, а также имеет дизайн кнопок, предотвращающий случайные нажатия.

Конструктивно аппаратные серверы могут исполняться в настольном, напольном и стоечном вариантах. Последний вариант обеспечивает наибольшую плотность размещения вычислительных мощностей на единицу площади, а также максимальную масштабируемость. С конца 1990-х всё большую популярность в системах высокой надёжности и масштабируемости получили так называемые блейд-серверы (от англ. blade — лезвие) — компактные модульные устройства, позволяющие сократить расходы на электропитание, охлаждение, обслуживание и т. п…

Ресурсы[править | править код]

По ресурсам (частота и количество процессоров, количество памяти, количество и производительность жёстких дисков, производительность сетевых адаптеров) серверы специализируются в двух противоположных направлениях — наращивании ресурсов и их уменьшении.

Наращивание ресурсов преследует целью увеличение ёмкости (например, специализация для файл-сервера) и производительности сервера. Когда производительность достигает некоторого предела, дальнейшее наращивание продолжают другими методами, например, распараллеливанием задачи между несколькими серверами.

Уменьшение ресурсов преследует цели уменьшения размеров и энергопотребления серверов.

Аппаратные решения[править | править код]

Крайней степенью специализации серверов являются так называемые аппаратные решения (аппаратные роутеры, сетевые дисковые массивы, аппаратные терминалы и т. п.). Аппаратное обеспечение таких решений строится «с нуля» или перерабатывается из существующей компьютерной платформы без учёта совместимости, что делает невозможным использование устройства со стандартным программным обеспечением.

Программное обеспечение в аппаратных решениях загружается в постоянную и/или энергонезависимую память производителем.

Аппаратные решения, как правило, более надёжны в работе, чем обычные серверы, но менее гибки и универсальны. По цене аппаратные решения могут быть как дешевле, так и дороже серверов в зависимости от класса оборудования.

Псевдоаппаратные решения[править | править код]

В последнее время появилось большое количество бездисковых серверных решений на базе компьютеров (как правило x86) формфактора Mini-ITX и меньше со специализированной переработкой GNU/Linux на SSD-диске (ATA-флэш или флеш-карте), позиционируемых как «аппаратные решения». Данные решения не принадлежат к классу аппаратных, а являются обычными специализированными серверами. В отличие от (более дорогих) аппаратных решений они наследуют проблемы платформы и программных решений, на которых основаны.

Производительность [править | править код]

Основная статья: Вычислительная мощность компьютера

Масштабируемость[править | править код]

Основная статья: Масштабируемость

Масштабируемость — это возможность увеличить вычислительную мощность сервера или операционной системы (в частности, их способности выполнять больше операций или транзакций за определённый период времени, либо запускать больше различных служб) за счёт установки большего числа процессоров, оперативной памяти и т. д. или их замены на более производительные. Это масштабируемость аппаратная. Изначально серверы в продаже идут в базовой комплектации, но с заложенным потенциалом к «апгрейду» — аппаратная масштабируемость. К примеру, базовый набор сервера имеет один процессор, два модуля памяти, например 2х2 гб и дисковый массив из двух жёстких дисков, допустим, 146 гб. Далее (или сразу) по мере потребности можно доустановить ещё один процессор, память или добавить диски в массив.

Масштабируемость бывает вертикальная и горизонтальная. Под вертикальной масштабируемостью подразумевается создание одной системы с множеством процессоров, а под горизонтальной — объединение компьютерных систем в единый виртуальный вычислительный ресурс. Каждый из этих подходов рассчитан на использование в различных областях. Так, горизонтальное масштабирование лучше всего подходит для балансировки нагрузки Web-приложений, а вертикальное масштабирование лучше всего подходит для больших баз данных, управлять которыми на одной системе проще и эффективнее.

Так же бывает программная масштабируемость.

16 Персональные компьютеры.

Что такое ПК?

Персональный компьютер или ПК – это прежде всего компьютер, предоставляющий возможность его использования пользователем в течение одной рабочей сессии.

В англоязычных источниках ПК звучит как Personal Computer и имеет сокращение PC. У нас же можно встретить и другое название ПЭВМ – это аббревиатура от Персональная Электронно-вычислительная машина. Вообще ПК, как понятно из терминологии, является вычислительной машиной, служащей для работы, доступа и использования возможности сетей; это платформа для игр и мультимедийных возможностей, подробнее об этом можно узнать в материалах статей: для чего используют компьютер и что такое компьютер.

Предыстория появления ПК

Персональным компьютером в простонародье называют, в основном, привычный компьютер с системным блоком, монитором, клавиатурой и мышью, но это не совсем так. Многие даже не представляют, что на самом деле может являться персональным компьютером, потому что не знают какие бывают компьютеры и как велико их разнообразие.

Что же послужило персонализации компьютера? В начале своего развития компьютеры были большой редкостью, а основными их покупателями были именно организации, но со временем, они стали появляться в открытых продажах, что сделало их более доступными для простых покупателей, с возможностью использования их в личных целях, что и утвердило название таких вычислительных машин - персональными компьютерам. Ранее Термин ПК (персональный компьютер) как и винчестер считался жаргоном.

Сам термин персональный компьютер был использован впервые в 1964 году итальянской фирмой Olivetti. В 1975 году массовый выпуск компьютера Альтаир 8800 послужил началом линии производства персональных компьютеров, а вот персональные компьютеры похожие на современные появились только в 80-х годах 20-го столетия. В те годы ПК называли любой компьютер, который имел архитектуру IBM PC, что означало совместимость составных компонентов одних компьютеров с другими.

Массовый выпуск ПК аналогичных современным компьютерам начался в 1995 году, чему способствовал выход такой операционной системы как Windows 95. Навыков для использования компьютеров под её управлением если и требовалось, то намного меньше, чем до её выхода. В СССР широко использовался термин ПЭВМ, собственно это были всё те же вычислительные машины, а персональное использование таких компьютеров служило их предназначением по определению.

Современный персональный компьютер

Современный персональный компьютер может использоваться несколькими людьми одновременно. ПК может использовать вся семья, не только в порядке очереди, но и одновременно: просмотр фильма и совместное прослушивание музыки, одновременная игра. Хоть с развитием компьютеров их возможности и расширяются, такой компьютер всё равно будет считаться персональным, вне зависимости от того, какими бы вычислительными возможностями он бы не обладал, при условии использования его в персональных целях.

Если не так давно ПК считались IBM совместимые устройства (однотипные компьютеры), то в наши дни понимание персонального компьютера расширилось. Любой компьютер, используемый человеком по своей прихоти, может считаться персональным и конструктивность сегодня далеко не самый важный критерий персонального компьютера.

Заканчивая ответ на вопрос, что такое ПК или персональный компьютер, можно сделать вывод о том, что практический любой компьютер может стать персональным, в зависимости от необходимости и возможностей его использования, но всё же большинство пользователей используют в качестве ПК в основном стационарные версии или портативные версии компьютеров.

17 Тенденции развития компьютеров.

 По многим направлениям микроэлектроники человечество уже достигает технологических пределов, но одновременно благодаря вычислительной мощи и технологическому уровню, достигнутому на сегодняшний день, происходит интенсивный поиск новых путей. Направления развития определяются, как и ранее, не только техническими и технологическими параметрами, но и социальными. Например, вряд ли кто-то из составлявших в 1998 г. руководство «PC 99 System Design Guide» мог себе представить, что такая категория компьютеров, как Consumer PC, просто исчезнет, поскольку сегодня просто невозможно себе представить домашний компьютер, не оснащенный самыми современными средствами мультимедиа. Мультимедиа-компьютер, игровой компьютер и интернет-компьютер в одной упаковке – вот что такое современный домашний компьютер. Во многих случаях домашний компьютер – это еще и узел домашней локальной сети.

Беспроводные технологии, еще недавно вызывавшие оживленные дискуссии, сегодня стали повседневной реальностью, и ноутбук, если в нем нет устройства для беспроводной связи Wi-Fi, выглядит неполноценным. То же самое можно сказать о наладонных компьютерах. Компьютеры все более интегрируются в сети, стано­вясь узлами глобальной, городской и домашней сетей.

Хорошим примером того, как для достижения новых высот в одной области применяются достижения в другой, служит адронный коллайдер, запущенный недавно в Швейцарии. Для обработки результатов от миллионов каналов данных с коллайдера вычислительных мощностей CERN (от франц. Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire – Европейский совет по ядерным исследованиям) не хватило быстродействия, поэтому в обработке участвовало множество компьютеров, объединенных в единое вычислительное пространство по технологии GRID.

GRID (от англ. решетка, сеть) – специальная технология объединения вычислительных ресурсов множества компьютеров для решения специальных задач: получения вычислительных мощностей в широком диапазоне по требованию или увеличения производительности каналов ввода и вывода информации.

Результаты, полученные от коллайдера, в свою очередь, помогут микротехнологиям преодолеть нано-барьер и от нанотехнологий перейти к куда более «миниатюрным» петатехнологиям. А этот переход поможет создавать принципиально новые по принципу действия микропроцессоры.

На самом деле оценка перспектив развития компьютерной техники и информатики сегодня – дело весьма неблагодарное: слишком широким фронтом идет наука, слишком быстры темпы. Тем не менее, можно выделить важные направления, в которых это развитие происходит, попытавшись представить, как разовьется компьютерная технология через 10 лет:

· Интеграция в сеть. Все больше компьютеров подключается к Интернету, и, ве­роятно, в ближайшие 10 лет автономных компьютеров просто не останется. В свою очередь, это приведет к тому, что Интернет станет не только основным источником информации (заменив собой книги, радио и телевидение), но и основным каналом связи. Мало того, Интернет станет основным поставщиком программного обеспечения. Уже сейчас корпорация Google реализовала концепцию виртуального офиса. Вам не надо устанавливать на компьютер текстовый редактор или электронную таблицу, достаточно зайти на сайт в Интернете и вызвать на экран нужную программу.

Обучение и образование также в основном станут компьютерными, чему по­может массовое подключение компьютеров к сети. Уже сейчас дистанционные системы обучения позволяют получить диплом государственного образца. Сегодня многие школы оснащены электронными дневниками и журналами. Дистанционное образование, вероятно, не станет полной заменой классного школьного образования, поскольку самостоятельно, не задавая учителю вопро­сов, может учиться не каждый. Однако ситуация, когда классы будут виртуальными, вполне вероятна.

Двусторонняя связь через веб-камеры и трансляция урока в режиме телеконференции, опрос, тестирование – все это технически возможно уже сегодня и частично реализовано в некоторых учебных заведениях. Во многих университетах США такие формы обучения, как дистанционные семинары, давно уже стали повседневностью.

· Конструкция. Сами компьютеры будут претерпевать все более радикальные изменения. Ноутбуки и плоские жидкокристаллические экраны вошли в нашу жизнь почти незаметно. Следующий этап развития компьютеров, по-видимому, будет куда более революционным. Сейчас уже есть промышленные образцы проецируемых клавиатур. Не нужно обладать очень уж богатой фантазией, чтобы представить развитие этих принципов до проецируемых мыши и экрана. Таким образом, с учетом миниатюризации элементов памяти и других элементов компьютера, лет через десять персональный компьютер, скорее всего, будет напоминать футляр для очков. После включения из корпуса спроецируются экран (вначале на поверхности, а затем, вероятно, и в пространстве), клавиатура и мышь.

Встроенный микрофон будет воспринимать голосовые команды, микродинамики – воспроизводить звук. После окончания работы компьютер можно просто уложить в нагрудный карман.

· Интеллектуальность. Сегодня исследования, посвященные машинному само­обучению, составляют немалую долю в общем объеме компьютерной науки, а в промышленном производстве уже появились первые образцы нейропроцессоров, способные на микроэлектронном уровне реализовывать топологию нейронной сети. Машинное обучение и быстрое развитие теоретических основ нейронных сетей и машин с нечеткой логикой позволят в скором будущем создавать компьютеры, которые будут узнавать своего хозяина и даже поддерживать беседы на определенные темы. «Умный дом», «умный автомобиль» – эти словосочетания давно на слуху, но мы плохо себе представляем, что произойдет, когда от ступени автоматизации компьютеры шагнут в область активного самообучения. Ведь, как уже отмечалось, в распоряжении этих компьютеров будет не только информация, вводимая владельцем, но и Интернет. Кажется, самые смелые прогнозы фантастов 1970-х гг. могут стать реальностью.

Выход в пограничные области знаний. О том, что компьютер – это не обязательно микроэлектронное устройство, мы уже говорили. Однако реальные шаги к реализации типов компьютеров, отличных от электронных, до недавнего времени были очень малы и несмелы. Только в последние годы новое дыхание обрели исследования, направленные на создание оптических, биологических, квантовых, химических и других неэлектронных типов компьютеров. Пока рано говорить о каких-то устойчивых прогнозах. Только в области квантовых компьютеров есть более или менее завершенные эксперименты и работающие системы. Хотя с точки зрения производительности и размера эти компьютеры даже близко не могут сравниться с микроэлектронными, никто не может пред­сказать, какое ускорение этим технологиям могут придать научные факты, полученные во время экспериментов, скажем, на том же адронном коллайдере.

Таким образом, подводя итог, можно сказать, что компьютеры развиваются именно в том направлении, которое лучше всего разработано писателями-фантастами: они становятся вездесущими, все менее заметными, все более интеллектуальными, все более включенными как в глобальное информационное пространство (Интернет), так и в наш быт.

18. Назначение и краткая характеристика основных компонентов вычислительных сетей

1. Операционные возможности

2. Время реакции сетей

3. Пропускная способность

4. Надежность

5. Расширяемость и маштабируемость сети

6. Производительность сети

7. Прозрачность, управляемость и совместимость

8. Стоимость обработки данных

1. Это перечень основных услуг предоставляемых сетью пользователю по обработке, хранению и передачи данных. Все остальные характеристики определяют качество предоставляемых пользователю услуг.

2. Это интервал времени между возникновением запроса пользователя к какой-либо услуге сети и моментом получения ответа на данный запрос.

Время реакции сети (Т) состоит:

- Время подготовки запроса пользователя

- Время доступа запроса к средствам передачи данных

-Время передачи запроса до адресата через промежуточные средства телекоммуникации

- Время обработки запроса и подготовки ответа

- Время передачи ответа

- Время обработки ответа источником запроса

3 и 5 – качество непосредственной передачи данных (задержка передачи) зависит от промежуточных каналов связи от средств коммуникации и т.д. Задержки образуются только в конечных узлах, где они и выполняются.

3. Это объем данных (бит/с) передаваемых сетью в единицу времени и является наряду с задержкой передачи характеристикой, показывающей непосредственно качество передачи данных. Т~1/V

4.Надежность складывается из:

4.1 Коэффициент готовности сети – это доля времени в течении которого сеть выполняет возложенные на нее функции

4.2 Вероятность доставки данных без искажений (вероятность потери данных)

4.3 Безопасность – защита данных от несанкционированного доступа

4.4 Отказоустойчивость – способность сети работать при отказе отдельных структурных функциональных элементов сети

5.Расширяемость – характеризует степень легкости замены или добавления / удаления отдельных элементов сети.

Маштабируемость – возможность расширения сети в широких пределах без заметного ухудшения качества функционирования сети.

6.Это суммарная производительность всех вычислительных систем, входящих в сеть, характеризует вычислительную мощность всей сети.

7.Прозрачность – характеризует степень простоты работы пользователя в сети

Управляемость – это возможность контроля состояния сети и ее отдельных компонентов, возможность разрешения возникающих в сети проблем, возможность анализа качества функционирования сети.

Совместимость – возможность сети включать в себя разнообразное программное, техническое обеспечение, произведенное самыми разными производителями (интегрируемость). Она достигается соблюдением разными производителями единых правил производства продукции (стандартов).

8.Характеризует эффект и целесообразность построения и использования сети. Определяется из стоимости средств используемых для обработки, передачи и хранения данных с учетом их объема.

19. Топология и архитектура сетей

Архитектура сети

Сетевая архитектура сродни архитектуре строений. Архитектура здания отражает стиль конструкций и материалы, используемые для постройки. Архитектура сети описывает не только физическое расположение сетевых устройств, но и тип используемых адаптеров и кабелей. Кроме того, сетевая архитектура определяет методы передачи данных по кабелю.

Топология сети

Топология сети описывает схему физического соединения компьютеров. Существуют 3 основных типа сетевой топологии:

Общая шина.

При использовании шинной топологии компьютеры соединяются в одну линию, по концам которой устанавливают терминаторы. Преимущества шинной топологии заключаются в простоте организации сети и низкой стоимости. Недостатком является низкая устойчивость к повреждениям - при любом обрыве кабеля вся сеть перестает работать, а поиск повреждения весьма затруднителен.

Звезда.

При использовании топологии "звезда", каждый компьютер подключается к специальному концентратору (хабу). Преимуществом этой топологии является ее устойчивость к повреждениям кабеля - при обрыве перестает работать только один из узлов сети и поиск повреждения значительно упрощается. Недостатком является более высокая стоимость.

Кольцо.

При такой топологии узлы сети образуют виртуальное кольцо (концы кабеля соединены друг с другом). Каждый узел сети соединен с двумя соседними. Эту топологию активно продвигает фирма IBM (сети Token Ring). Преимуществом кольцевой топологии является ее высокая надежность (за счет избыточности), однако стоимость такой сети достаточно высока за счет расходов на адаптеры, кабели и дополнительные приспособления.

Спецификации IEEE

Каждая сеть должна следовать определенным правилам (протоколам) при передачи данных от одного компьютера к другому. Протокол определяет способ доступа узла к передающей среде (кабелю) и способ передачи информации от одного узла к другому.

В настоящее время используется два типа протоколов доступа к среде:

передача маркера (token) используется в сетях IBM Token Ring и FDDI;

множественный доступ с детектированием несущей (CSMA) используется в сетях Ethernet.

Протокол Ethernet был разработан в 1973 году компанией Xerox и развит впоследствии ею совместно с Intel и Digital Equipment Corp. С тех пор этот протокол стал международным стандартом организации компьютерных сетей. Стандарт был документирован и развит институтом IEEE и получил известность как спецификация IEEE 802.3. IEEE представляет собой организацию Международного Комитета по Стандартам (ISO), ответственной за выработку сетевых стандартов.

20. Принципы адресации компьютеров, пользователей и ресурсов в сети Интернет.

Архитектура и принципы работы сети Интернет

Глобальные сети, охватывая миллионы людей, полностью изменили процесс распространения и восприятия информации.

Глобальные сети (Wide Area Network, WAN) – это сети, предназначенные для объединения отдельных компьютеров и локальных сетей, расположенных на значительном удалении (сотни и тысячи километров) друг от друга. Глобальные сети объединяют пользователей, расположенных по всему миру, используя при этом самые разнообразные каналы связи.

Современный Интернет — весьма сложная и высокотехнологичная система, позволяющая пользователю общаться с людьми, находящимися в любой точке земного шара, быстро и комфортно отыскивать любую необходимую информацию, публиковать для всеобщего сведения данные, которые он хотел бы сообщить всему миру.

 В действительности Internet не просто сеть, — это структура, объединяющая обычные сети. Internet — это «сеть сетей».

Чтобы описать сегодняшний Internet, полезно воспользоваться строгим определением.

В своей книге «The Matrix: Computer Networks and Conferencing Systems Worldwide» Джон Квотерман описывает Internet как «метасеть, состоящую из многих сетей, которые работают согласно протоколам семейства TCP/IP, объединены через шлюзы и используют единое адресное пространство и пространство имен».

В Internet нет единого пункта подписки или регистрации, вместо этого вы контактируете с поставщиком услуг, который предоставляет вам доступ к сети через местный компьютер. Последствия такой децентрализации с точки зрения доступности сетевых ресурсов также весьма значительны. Среду передачи данных в Internet нельзя рассматривать только как паутину проводов или оптоволоконных линий. Оцифрованные данные пересылаются через маршрутизаторы, которые соединяют сети и с помощью сложных алгоритмов выбирают наилучшие маршруты для информационных потоков (рис.1).

В отличие от локальных сетей, в составе которых имеются свои высокоскоростные каналы передачи информации, глобальная (а так­же региональная и, как правило, корпоративная) сеть включает под­сеть связи (иначе: территориальную сеть связи, систему передачи ин­формации), к которой подключаются локальные сети, отдельные ком­поненты и терминалы (средства ввода и отображения информации) (рис. 2).

Подсеть связи состоит из каналов передачи информации и коммуни­кационных узлов, которые предназначены для передачи данных по сети, выбора оптимального маршрута передачи информации, комму­тации пакетов и реализации ряда других функций с помощью компь­ютера (одного или нескольких) и соответствующего программного обеспечения, имеющихся в коммуникационном узле. Компьютеры, за которыми работают пользователи-клиенты, называются рабочими станциями, а компьютеры, являющиеся источниками ресурсов сети, предоставляемых пользователям, называются серверами. Такая струк­тура сети получила название узловой.

Рис.1 Схема взаимодействия в сети Интернет

Интернет – это глобальная информационная система, которая:

·   логически взаимосвязана пространством глобальных уникальных адресов, основанных на Интернет-протоколе (IP);

·   способна поддерживать коммуникации с использованием семейства протокола управления передачей - TCP/IP или его последующих расширений/преемников и/или других IP-совместимых протоколов;

·    обеспечивает, использует или делает доступными на общественной или частной основе высокоуровневые услуги, надстроенные над описанной здесь коммуникационной и иной связанной с ней инфраструктурой.

Инфраструктура Интернет (рис.2):

1. магистральный уровень (система связанных высокоскоростных телекоммуникационных серверов).

2. уровень сетей и точек доступа (крупные телекоммуникационные сети), подключенных к магистрали.

3. уровень региональных и других сетей.

4. ISP – интернет-провайдеры.

5. пользователи.

К техническим ресурсам сети Интернет относятся компьютерные узлы, маршрутизаторы, шлюзы, каналы связи и др.

Рис.2 Инфраструктура сети Интернет

В основу архитектуры сетей положен многоуровневый принцип передачи сообщений. Формирование сообщения осуществляется на самом верхнем уровне модели ISO/OSI.. Затем (при передаче) оно после­довательно проходит все уровни системы до самого нижнего, где и передается по каналу связи адресату. По мере прохождения каждого из уровней системы сообщение трансформируется, разбивается на сравнительно короткие части, которые снабжаются дополнительны­ми заголовками, обеспечивающими информацией аналогичные уров­ни на узле адресата. В этом узле сообщение проходит от нижнего уровня к верхнему, снимая с себя заголовки. В результате адресат принимает сообщение в первоначальном виде.

В территориальных сетях управление обменом данных осуществ­ляется протоколами верхнего уровня модели ISO/OSI. Независимо от внутренней конструкции каждого конкретного протокола верхнего уровня для них характерно наличие общих функций: инициализация связи, передача и прием данных, завершение обмена. Каждый прото­кол имеет средства для идентификации любой рабочей станции сети по имени, сетевому адресу или по обоим этим атрибутам. Активиза­ция обмена информацией между взаимодействующими узлами начи­нается после идентификации узла адресата узлом, инициирующим обмен данными. Инициирующая станция устанавливает один из ме­тодов организации обмена данными: метод дейтаграмм или метод сеансов связи. Протокол предоставляет средства для приема/переда­чи сообщений адресатом и источником. При этом обычно накладыва­ются ограничения на длину сообщений.

TCP/IP — технология межсетевого взаимодействия

Наиболее распространенным протоколом управления обменом данных является протокол TCP/IP. Главное отличие сети Internet от других сетей заключается именно в ее протоколах TCP/IP, охватыва­ющих целое семейство протоколов взаимодействия между компью­терами сети. TCP/IP — это технология межсетевого взаимодействия, технология Internet. Поэтому глобальная сеть, объединяющая мно­жество сетей с технологией TCP/IP, называется Internet.

Протокол TCP/IP — это семейство программно реализованных протоколов старшего уровня, не работающих с аппаратными пре­рываниями. Технически протокол TCP/IP состоит из двух частей — IP и TCP.

Протокол IP (Internet Protocol — межсетевой протокол) является главным протоколом семейства, он реализует распространение ин­формации в IP-сети и выполняется на третьем (сетевом) уровне модели ISO/OSI. Протокол IP обеспечивает дейтаграммную доставку паке­тов, его основная задача — маршрутизация пакетов. Он не отвечает за надежность доставки информации, за ее целостность, за сохране­ние порядка потока пакетов. Сети, в которых используется протокол IP, называются IP-сетями. Они работают в основном по аналоговым каналам (т.е. для подключения компьютера к сети требуется IP-мо­дем) и являются сетями с коммутацией пакетов. Пакет здесь называ­ется дейтаграммой.

Высокоуровневый протокол TCP (Transmission Control Protocol — протокол управления передачей) работает на транспортном уровне и частично — на сеансовом уровне. Это протокол с установлением ло­гического соединения между отправителем и получателем. Он обес­печивает сеансовую связь между двумя узлами с гарантированной доставкой информации, осуществляет контроль целостности переда­ваемой информации, сохраняет порядок потока пакетов.

Для компьютеров протокол TCP/IP — это то же, что правила раз­говора для людей. Он принят в качестве официального стандарта в сети Internet, т.е. сетевая технология TCP/IP де-факто стала техноло­гией всемирной сети Интернет.

Ключевую часть протокола составляет схема маршрутизации паке­тов, основанная на уникальных адресах сети Internet. Каждая рабо­чая станция, входящая в состав локальной или глобальной сети, име­ет уникальный адрес, который включает две части, определяющие адрес сети и адрес станции внутри сети. Такая схема позволяет пере­давать сообщения как внутри данной сети, так и во внешние сети.

21 Назначение Интернета

Назначение любой компьютерной сети, большой или малой, в том числе и Интернета, можно выразить в нескольких словах: совместный доступ и совместное использование. Под совместным доступом понимается совместный доступ разных пользователей к общим информационным ресурсам, например к документам. Под совместным использованием понимается совместное использование аппаратных и программных ресурсов, например принтеров, компьютеров, серверных программ. Говоря об Интернете, мы можем заменить слово совместное на слово массовое.

World Wide Web.

Необходимость в наличии служб в полной мере относится и к Интернету. В нем существует немало сетевых служб, как широкоизвестных, так и узкоспециализированных. Самая распространенная служба — World Wide Web (WWW). Для ее работы необходима пара программ: Web-cepeep и Web-клиент. Web-серверы устанавливают организации, поставляющие информацию. Web-клиенты работают на компьютерах пользователей. За Web-клиентам и закрепилось другое название — броузеры. Существует немало различных версий броузеров для различных компьютерных платформ и операционных систем. Сегодня для компьютеров IBM PC, работающих в операционной системе Windows, наиболее распространен броузер Microsoft Internet Explorer.

Начиная с операционной системы Windows 98, он входит в стандартный комплект системных программ и имеет имя собственное — Обозреватель. То есть для работы со службой World Wide Web никакие специальные клиентские программы устанавливать не нужно. В операционной системе уже есть все необходимое для просмотра любых сайтов в Интернете, будь то новостные сайты или фотогаллереи, правда, для просмотра флэш-анимации дополнения к IE устанавливать всё-таки придётся. Не случайно операционную систему Windows 98 и последующие называют Интернет-ориентированными. Чем выше номер версии операционной системы Windows, тем сильнее ее ориентация на Интернет.

Служба передачи файлов FTP.

В тех случаях, когда надо отправить или получить не просто текстовое сообщение, а файл произвольного формата, например программу, используют службу FTP, основанную на одноименном протоколе (File Transfer Protocol — Протокол передачи файлов).

На многих узловых компьютерах Интернета работают FTР-серверы, а на пользовательских компьютерах полезно иметь программу FTP-клиента. Впрочем, если компьютер работает в операционной системе Windows, без клиента FTP можно обойтись. Простейший FТР-клиент уже встроен в Обозреватель Internet Explorer, так что когда в ходе работы со службой WWW пользователь сталкивается с архивом или файлом, передаваемым по протоколу FTP, Обозреватель автоматически обеспечивает его прием и сохранение на жестком диске.

Надо отметить, что клиент FTP, встроенный в Обозреватель, существенно упрощен. В частности, он не позволяет отправлять файлы по протоколу FTP. Тем, кому необходимо заниматься этим часто, надо установить специализированную программу FTР-клиента. Если же потребность в пересылке файлов возникает редко, можно пользоваться специальным механизмом электронной почты, который называется почтовым вложением.

Особенности сети интернет как средства распространения информации

Cлово "Интернет" происходит от англ. Internet (сокр. от Interconnected Networks - объединённые сети) - глобальная телекоммуникационная сеть информационных и вычислительных ресурсов. Служит физической основой для Всемирной паутины Всемирная Паутина (World Wide Web) - основная служба в сети Интернете, позволяющая получать доступ к информации по заданной теме независимо от места ее расположения. самое большое хранилище информации в электронном виде, миллионы связанных между собой документов, которые расположены на компьютерах по всему земному шару. . Представляет собой хаотичное объединение автономных систем, что не гарантирует качества связи, но обеспечивает хорошую устойчивость и независимость функционирование системы в целом от работоспособности какого-либо ее участка. Клиенты Интернета также могут подключаться к другим компьютерам, обмениваться сообщениями по электронной почте, получать разнообразную информацию с многочисленных баз данных. В настоящее время подключиться к Интернету можно через спутники связи, радио-каналы, кабельное телевидение, телефон, сотовую связь, специальные оптико-волоконные линии или электропровода. Всемирная сеть стала неотъемлемой частью жизни в развитых и развивающихся странах.

К середине 2009 года число пользователей, регулярно использующих Интернет, составило около 2 млрд человек. По последним данным в России уже более 40% населения страны пользуются услугами Интернет сети. Другим средствам массовой информации требовалось гораздо больше времени для достижения такой популярности.

22. Классификация программного обеспечения по степени взаимодействия с аппаратной частью компьютера.