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».

Рандомно подобранные статьи с сайта:

Вычислительные системы, сети и телекоммуникации


Похожие статьи:

admin