Вычислительные системы и сети

Для повышения надежности и производительности начиная 1960-хгг. несколько компьютеров связывались между собой, обра­зуя многомашинные и многопроцессорные вычислительные сис­темы и комплексы. Вначале такие комплексы предназначались для военных целей. Связь между отдельными компьютерами в них осу­ществлялась за счет доступа к общим наборам данных с помо­щью совместно используемых ВЗУ.

Если в вычислительной системе предусматривается несколько процессоров и они имеют доступ к общим данным, находящимся в оперативной памяти, a также могут взаимодействовать со всеми периферийными устройствами, то такой комплекс принято называть многопроцессорным. Если для их объединения между собой используют сети передачи данных, то­ несколько компьютеров, объединенных сетями передачи данных, называются вычислительной сетью. Если компьютеры удалены друг от друга и для их объединения использованы стандартные телефонные каналы — это глобальная вычислительная сеть (ГВС).

Разрабо­тан способ объединения этих компьютеров в локальную вычисли­тельную сеть (ЛВС) — совокупность компьютеров (обычно пер­сональных), расположенных на незначительных расстояниях друг от друга (на одном этаже, в одном здании или нескольких близле­жащих зданиях) и соединенных между собой высокоскоростны­ми каналами связи. Со временем были разработаны стандартные сетевые технологии, превратившие процесс созда­ния локальной сети в достаточно простую работу. Благодаря ново­му коммуникационному оборудованию — коммутаторам, маршрутизаторам, шлюзам - и новым каналам связи стало возмож­ным объединять в сеть тысячи компьютеров. Для управления та­кими корпоративными сетями требовались мощные серверы, в качестве которых стали использовать мейнфреймы.

Современные компьютеры представляют собой технические системы, отличающиеся сложной структурой, большим числом электронных элементов и электромеханических деталей, а также сложностью выполняемых функций. Поэтому изучение компь­ютера целесообразно начать с рассмотрения простейших частей, из которых он состоит. При множестве электронных элементов (миллионы), используемых и компьютере, число их типов срав­нительно невелико (десятки и сотни). Все уст­ройства имеют регулярную структуру, т.е. состоят из большого числа повторяющихся (ти­повых) схем.

Преобразование информации в компьютере выполняется при помощи электронных схем, имеющих различную сложность. По функциональной сложности принято делить электронные схемы компьютера на элементы, узлы (блоки) и устройства.

Элемент — это простейшая часть компьютера, выполняющая операции над двоичными цифрами (битами). Основные элементы могут быть логическими и или элементами памяти. Логические эле­менты выполняют двоичные (бинарные) операции, на основе которых осуществляются практически все преобразования инфор­мации. В качестве логических элементов используются элементы И, ИЛИ, НЕ, И–НЕ, ИЛИ–НЕ, И-ИЛИ-HЕ и т.д. Элементы памяти чаще всего представляют собой триггеры различных ти­пов.

Узлы (блоки) состоят из элементов и выполняют операции над байтами или словами, состоящими из нескольких байтов. К типовым узлам компьютера относятся регистры, счетчики, суммато­ры, дешифраторы, селекторы, мультиплексоры и др. Несколько узлов могут объединяться в функциональные блоки.

Устройства компьютера строятся из элементов и узлов и вы­полняют определенный набор однотипных операций. К устрой­ствам относятся запоминающие устройства, арифметико-логиче­ское устройство, центральное устройство управления, устройства ввода и вывода. Устройства компьютера конструктивно выполня­ют отдельно или несколько устройств объединяют в один конст­руктивный блок.

В зависимости от состава узлы могут быть комбинационного (комбинационные схемы - КС) или накапливающего типа (ав­томаты с памятью, последовательные схемы).

Узлы комбинационного типа состоят из логических элементов. Их главная особенность заключается в том, что выходной сигнал (Y) зависит только от комбинации входных сигналов (X) в дан­ный момент времени, при этом каждой комбинации сигналов на входе соответствует выходной сигнал. Выходной сигнал может измениться только при получении другого входного сигнала. Комбинационная схема фактически осуществляет перекодировку вход­ных сигналов в выходные. Несмотря на кажущуюся примитивность логики работы комбинационных схем, все основные преобразования информации в компьютере выполняются с их помощью, т.к. в основе преобразования данных в компьютере заложено выполнение логических операций.

Автоматы с памятью состоят из логических элементов и элементов памяти. Информация, записанная в памяти автомата, называется состоянием автомата (Q). Выходной сигнал автомата в общем случае зависит от сигнала на входе и состояния автомата, поэтому при одном и том же входном сигнале автомат может выдавать различные выходные сигналы. При работе автомата в его памяти накапливается обобщенная информация о всех входных сигналах, поступивших к данному моменту времени, поэтому состояние автомата и выходной сигнал зависят от всей предыстории входных сигналов. Наличие памяти позволяет авто­мату выполнять не только отдельные операции, но и последова­тельности взаимосвязанных операций, т.е. заданные алгоритмы обработки данных. Компьютер в целом представляет собой слож­ный автомат с памятью большой емкости.

Общие сведения о триггерах. В зависимости от способа хранения информации элементы памя­ти могут быть статическими, позволяющими хранить двоичную информацию сколь угодно долго, и динамическими, хранящими информацию в течение ограниченного отрезка времени. Их применяют при построении уст­ройств памяти. В качестве стати­ческих элементов памяти в настоящее время применяют тригге­ры.

Основу триггера составляет бистабильная ячейка, имеющая два устойчивых состояния. Бистабильные ячейки могут быть построены на двух логических элементах И–НЕ или ИЛИ–НЕ, соеди­ненных перекрестными связями.

Существование двух устойчивых состояний бистабильной ячейки объясняется наличием в ее схеме обратных связей, позволяющих сигналу с выхода элемента поступать на его же вход через второй элемент.

Бистабильная ячейка: а — на элементах ИЛИ—НЕ; б — на элементах И—НЕ

Триггер — это цифровая электронная схема с двумя устойчивыми состояниями, которые устанавливаются при подаче cooтветствующей комбинации входных сигналов и coхраняются.

Кроме бистабильной ячейки в состав триггера входит схема управления. Схема управления — это комбинационная схема, при помощи которой осуществляется запись информации в триггер. Конкретный вид схемы управления зависит от типа триггера.

Триггер имеет два выхода: прямой и инверсный. Сигналы на выходах триггера всегда имеют различные значения. Состояние триггера определяется значением сигнала на прямом выходе.

Триггеры могут быть асинхронными или синхронными. В асинхронных триггерах используются только основные или информа­ционные входы. Изменение состояния асинхронного триггера мо­жет происходить в произвольные моменты времени, определяе­мые изменениями сигналов на информационных входах.

В синхронных триггерах кроме информационных входов имеется вход синхронизации. На этот вход подается сигнал синхронизации С, который выполняет функции сигнала, разрешающего пе­реключение триггера из одного состояния в другое. Если сигнал синхронизации С ранен «0», то состояние синхронного триггера не изменяется при любой комбинации сигналов на информаци­онных входах. Для переключения синхронного триггера необходи­мо подать на информационные входы определенную, зависящую от типа триггера, комбинацию сигналов и, кроме того, устано­вить значение сигнала С, равное «1».