Институт №8 МАИ

15 день. Архитектуры компьютера. Вопросы 36-74.

Статью составил замечательный человек, которому тоже написать в телеграм: Телеграмм

36-47. Устройства внешней памяти. Интерфейсы и контроллеры.

Внешняя память (ВЗУ) предназначена для длительного хранения программ и данных, и целостность её содержимого не зависит от того, включен или выключен компьютер.

Одной из основных характеристик ВЗУ является общий объем хранимой информации, или емкость ВЗУ, обычно измеряемая в байтах. Из-за большого различия быстродействия оперативной памяти и ВЗУ обращения к внешней памяти вызывают потери производительности ПК. Поэтому быстродействие ВЗУ является показателем не менее важным, чем его емкость.

Основные характеристики ВЗУ прямо зависят от плотности записи информации на носитель. Поверхностная плотность записи информации является произведением продольной плотности записи на поперечную плотность записи.

Продольная плотность записи равна числу бит, записываемых на единицу длины дорожки.Поперечная плотность записи равна числу дорожек, приходящихся на единицу длины в направлении, перпендикулярном движению носителя. В отличие от оперативной памяти, внешняя память не имеет прямой связи с процессором. Для ускорения обмена с дисками широко применяется кэширование,

МБ и МД

ЗУ с магнитной записью информации широко используется в качестве внешней памяти ЭВМ, что объясняется их большой ёмкостью при относительно небольших размерах, возможностью многократного применения носителя информации при стирании старой записи, большим сроком хранения записанной информации без её искажения, относительно высокой скоростью записи и воспроизведения информации.

Накопители на магнитном барабане

Магнитные барабаны были одним из первых недорогих средств хранения больших массивов информации со сравнительно небольшим временем доступа.

Магнитный барабан представляет собой полый вращающийся цилиндр, поверхность которого покрыта слоем материала с прямоугольной петлей гистерезиса. Вдоль поверхности барабана устанавливается ряд головок, производящих запись и считывание информации.

При вращении барабана небольшой участок его поверхности непрерывно проходит под одной из головок. Этот участок называется дорожкой. Каждая дорожка делится на ячейки, а каждая ячейка может запомнить один бит информации. Такого вида память называют памятью с циклическим доступом. Так как каждая ячейка при вращении барабана периодически проходит под головками.

Размеры и ёмкость памяти магнитных барабанов весьма разнообразны от небольших барабанов емкостью менее 200 000 бит до очень больших барабанов, которые могут хранить до 10 в 9-ой бит информации.

Накопители на магнитных дисках

Память на магнитном диске очень напоминает по действию память на магнитном барабане. Носителем здесь является диск, покрытый с обоих сторон тонким слоем ферролака и немагнитной связки.

При одинаковом физическом объеме информационная емкость на магнитных дисках более чем в 20 раз превышает емкость накопителей на магнитных барабанах. Внешняя память на магнитных дисках способна хранить более 10 в 10-ой бит информации.

Винчестеры

Сам жесткий диск представляет собой набор пластин, количество которых может колебаться от четырех до девяти, соединенных между собой валом (осью), называемым шпинделем. Пластины располагаются одна над другой. Чаще всего материалом для их изготовления служат алюминий, латунь, керамика, стекло и т. д. Сами же пластины имеют специальное магнитное покрытие в виде материала, называемого платтером, на основе гамма-феррит-оксида, окиси хрома, феррита бария и т. д. Каждая такая пластина по толщине составляет около 2 мм.

За запись и чтение информации отвечают радиальные головки (по одной на каждую пластину), а в пластинах используются обе поверхности. За вращение шпинделя, скорость которого может составлять от 3600 до 7200 об./мин, и перемещение головок отвечают два электрических двигателя.

Гласс-фирит — защитное скользящее стекло (головки сделаны из него). Весь пересчет данных делается на самой ОС винчестера. Она и сжимает, и адресует сама. IDE — интегрирован в сам дисковой контроллер. IDE и SATA предназначены для домашнего использования.

Накопители на CD/DVD ROM, R, RW, RAM

CD(compact-disk) – это пластмассовый диск с односторонней записью информации; обычно он бывает покрыт тонким отражающим слоем, например, из алюминия. Этот слой и представляет собой запоминающую среду; цифровая информация заносится в нее в виде микроскопических углублений. Существует несколько типов компакт-дисков: допускающие только чтение (CD-ROM), однократную (CD-R) и многократную (CD-RW) запись.

CD-ROM

Компакт-диски, допускающие только чтение, выпускаются различного размера и емкости. Однако их диаметр не должен превышать 120 мм; диски такого размера могут быть установлены в устройство чтения на персональном компьютере. Информация записывается в виде секторов на спиралевидной дорожке.

Такая дорожка обеспечивает возможность воспроизведения аудио- и видеозаписей без наличия специальных буферных устройств, но затрудняет поиск данных, когда они хранятся в виде отдельных порций. Компакт-диски этого типа характеризуются сравнительно невысокой скоростью передачи информации (176,4 Кбайт/с), большим временем доступа и достаточно большой емкостью 650 Мбайт информации.

Обычно CD-ROM изготавливают методом «печати», т.е. переноса информации с мастер-диска. Вначале информация записывается на мастер-диск с помощью сфокусированного лазера достаточно большой мощности. Он «прожигает» углубления, которые и переносятся на компакт-диск. Затем компакт-диск покрывается прозрачным лаком, защищающим его от пыли и царапин.

Считывание информации с диска выполняется посредством маломощного лазера. Луч этого лазера направлен на записанную дорожку и освещает вращающийся диск. Интенсивность отраженного от поверхности диска луча меняется в зависимости от того, попадает ли он на углубление или нет. Отраженный луч фиксируется фотодетектором, который и преобразует изменение интенсивности луча в цифровые сигналы.

CD-R

Оптические диски с однократной записью и многократным чтением CD-R служат для сохранения больших объемов многократно используемой информации. Типичными областями применения таких дисков могут быть системы проектирования, бухгалтерский учет, резервное копирование и прочие системы архивного хранения документов.

Запись информации на CD-R осуществляется лазерным лучом относительно большой мощности. Пользователь с помощью достаточно мощного лазера форматирует диск в специальном накопителе, создавая на поверхности диска дорожку из последовательных пузырьков.

Для записи информации отформатированный пузырьками диск помещают в накопитель, где посредством маломощного лазера можно разрушить (взорвать) пузырек. При чтении лазерный луч освещает дорожку, позволяя распознать наличие или отсутствие «взорванных» пузырьков, так как взорванный пузырек обладает более высоким контрастом.

CD-RW

Диски с многократной записью и чтением. Цикл запись - чтение - перезапись выглядит примерно следующим образом. Рабочий слой оптического диска, находящийся в кристаллическом состоянии и подогретый лазером, переходит в расплав. За счёт быстрой диффузии тепла в подложку расплав быстро охлаждается и переходит в аморфное состояние.

Кристаллическому и стеклообразному состояниям присущи разные диэлектрическая проницаемость, коэффициент отражения, а следовательно, и интенсивность отражённого света, которая и несёт информацию о записи на диске. Считывание производится при пониженной интенсивности излучения лазера, не влияющей на фазовые переходы. Для новой записи необходимо вернуть рабочий слой в исходное кристаллическое состояние. Для этого используется средняя интенсивность лазера: лазер подогревает сплав примерно до 200°С, позволяя ему перейти в кристаллическое состояние.

DVD-RAM

DVD-RAM — перезаписываемый DVD-диск. Для перезаписи используется технология изменения фазы, благодаря которой DVD-RAM могут быть сравнимы со съёмными жёсткими дисками, поскольку данные на DVD-RAM могут быть перезаписаны 100 000 раз, в отличие от DVD-RW и DVD+RW, допускающих лишь 1000 перезаписей. Первые DVD-RAM диски ёмкостью 2,6 Гб (односторонние) и 5,6 Гб (двусторонние) появились в продаже весной 1998 года.

SSD диски

SSD представляют собой устройства, хранящие данные в микросхемах вместо вращающихся металлических дисков или магнитных лент. Причина их появления отражает тот факт, что скорость обработки данных в процессоре намного превышает скорость записи данных в HDD. Магнитные диски на протяжении десятилетий доминировали в корпоративном сегменте хранения данных, за это время (с 1950-х) ёмкость носителей выросла в двести тысяч раз, скорость работы процессоров тоже сильно возросла, но скорость доступа к данным изменилась значительно меньше и диски стали «узким местом».

Проблему решают твердотельные накопители — они обеспечивают намного большие скорости работы с данными по сравнению с жёсткими дисками. SSD за счёт использования микросхем флеш-памяти по своим характеристикам существенно отличаются от жёстких дисков с магнитными пластинами.

Флеш-память

Флеш-память — разновидность твердотельной полупроводниковой энергонезависимой перезаписываемой памяти.

Она может быть прочитана сколько угодно раз (в пределах срока хранения данных, типично — 10-100 лет), но писать в такую память можно лишь ограниченное число раз (максимально — около миллиона циклов [1]). Распространена флеш-память, выдерживающая около 100 тысяч циклов перезаписи — намного больше, чем способна выдержать дискета или CD-RW.

Не содержит подвижных частей, так что, в отличие от жёстких дисков, более надёжна и компактна.

Благодаря своей компактности, дешевизне и низкому энергопотреблению флеш-память широко используется в цифровых портативных устройствах — фото- и видеокамерах, диктофонах, MP3-плеерах, КПК, мобильных телефонах, а также смартфонах и коммуникаторах. Кроме того, она используется для хранения встроенного программного обеспечения в различных устройствах (маршрутизаторах, мини-АТС, принтерах, сканерах, модемax), различных контроллерах.

Также в последнее время широкое распространение получили USB флеш-накопители («флешка», USB-драйв, USB-диск), практически вытеснившие дискеты и CD.

Основным недостатком, не позволяющим устройствам на базе флеш-памяти вытеснить с рынка жёсткие диски, является высокое соотношение цена/объём.

Современные SSD-накопители базируются на многоканальных контроллерах, обеспечивающих параллельное чтение сразу из нескольких микросхем флеш памяти. За счет этого их производительность выросла на столько, что ограничивающим фактором стала уже пропускная способность интерфейса SerialATA II.

48-60. Устройства межмашинной связи.

Примеры: телефонная сеть с аналоговыми или цифровыми модемами, локальная сеть Ethernet с множественным случайным доступом на толстом или тонком кабеле, витой паре и с оптоволокном. Беспроводные сети. Сетевые адаптеры, хабы, свитчи, роутеры.

Межмашинное взаимодействие — общее название технологий, которые позволяют машинам обмениваться информацией друг с другом, или же передавать её в одностороннем порядке. Это могут быть проводные и беспроводные системы мониторинга датчиков или каких-либо параметров устройств.

Телефонная сеть с аналоговыми или цифровыми модемами

Деление станций на аналоговые и цифровые производится по типу коммутации. Телефонная связь, действующая на основе преобразования речи (голоса) в аналоговый электрический сигнал и передачи его по коммутируемому каналу связи (аналоговая телефония), долгое время была единственным средством передачи речевых сообщений на расстояние.

Возможность дискретизации (по времени) и квантования (по уровню) параметров аналогового электрического сигнала (амплитуды, частоты или фазы) позволили преобразовывать аналоговый сигнал в цифровой (дискретный), обрабатывать его программными методами и передавать по цифровым телекоммуникационным сетям.

Для передачи аналогового речевого сигнала между двумя абонентами в сети ТфОП (телефонные сети общего пользования) предоставляется так называемый стандартный канал тональной частоты (ТЧ), полоса пропускания которого составляет 3100 Гц.

В системе цифровой телефонии над аналоговым электрическим сигналом выполняются операции дискретизации (по времени), квантования (по уровню), кодирования и устранения избыточности (сжатия), после чего сформированный таким образом поток данных направляется принимающему абоненту и по «прибытию» в пункт назначения подвергается обратным процедурам.

Ethernet

Ethernet – это наиболее распространённая технология организации локальных сетей. Стандарты Ethernet описывают реализацию двух первых уровней модели OSI – проводные соединения и электрические сигналы (физический уровень), а так же форматы блоков данных и протоколы управления доступом к сети (канальный уровень). Начнём с идеи, лежащей в основе Ethernet. Название Ethernet произошло от двух английских слов – ether (эфир) и net (сеть).

Ethernet использует концепцию общего эфира. Каждый ПК посылает данные в этот эфир и указывает, кому они адресованы. Данные могут дойти до всех ПК сети, но обрабатывает их только тот ПК, которому они предназначены. Остальные ПК чужие данные игнорируют. 

Типы технологии Ethernet:

– Ethernet (10Мбит) – Fast Ethernet (100Мбит) – Gigabit Ethernet (1Гбит) – 10G Ethernet (10Гбит)

Виды сетевых кабелей:

Оптоволокно 

Волоконно-оптический кабель (он же оптоволоконный кабель, ВОК) - это кабельное изделие, в котором полезные сигналы передаются по оптическим волокнам, а не по медным жилам. Передача информации осуществляется в оптическом формате при помощи светового излучения.

В конструкцию ВОК входят от двух до нескольких сотен оптических волокон, количество которых зависит от назначения оптоволоконного кабеля. Оптоволокно производится из разных типов кварцевого стекла с добавлением определенных легирующих материалов, которые изменяют коэффициент преломления светового луча.

Структура оптоволоконного кабеля очень проста и похожа на структуру коаксиального электрического кабеля, только вместо центрального медного провода здесь используется тонкое (диаметром порядка 1-10 мкм) стекловолокно, а вместо внутренней изоляции - стеклянная или пластиковая оболочка, не позволяющая свету выходить за пределы стекловолокна.

Коаксиальный (тонкий и толстый)

Коаксиальный кабель состоит из центрального проводника и экрана из алюмопропиленовой пленки. Они расположены соосно, отделены друг от друга изоляционным материалом и воздушной прослойкой. Экран играет роль внешнего проводника.

Кабель покрыт оболочкой из стойкого к УФ полиэтилена черного цвета. Применяется для передачи высокочастотного сигнала в компьютерных сетях, кабельном телевидении, различных отраслях электроники, системах видеонаблюдения. Принцип работы коаксиального кабеля связи основан на идеальном совпадении осей внешнего и внутреннего проводников.

Оболочка должна точно обжимать всю конструкцию и удерживать проводники в правильном положении. В этом случае электромагнитное поле удерживается в воздушной прослойке и не выходит наружу. 

Коаксиальный кабель имеет немало видов. В том числе толстый Ethernet (Thicknet), как и тонкий Ethernet (Thinnet).

Тонкий Ethernet имеет диаметр примерно 6 миллиметров. Высокая гибкость дает ему возможность быть проложенным практически в любых местах. Толстый Ethernet имеет диаметр примерно 12 миллиметров и более толстый центральный проводник. Плохо гнется и стоит дорого.

Витая пара

Витая пара – является одним из видов кабелей связи. Состоит из одного или нескольких пар проводников в изоляции, которые скручены между собой и покрыты защитной оболочкой. Используются для передачи данных между сетевыми устройствами. 

Витую пару можно встретить в качестве компонента кабельных сетей, применяются в компьютерных и телекоммуникационных сетях, являются самым распространенным вариантом для создания локальных сетей. К преимуществам витой пары традиционно относят простоту монтажа и ее дешевизну.

Существуют два типа кабеля Ethernet витой пары: неэкранированная витая пара (UTP) и экранированная витая пара (STP). 

Беспроводные сети

Беспроводные сети — элементы информационных технологий, предназначенные для передачи данных между приемником и отправителем на большие или малые расстояния без применения проводов. Для передачи данных могут использоваться разные технологии, например, радиоволны, оптические, инфракрасные и лазерные системы.

Основные категории беспроводных сетей:

WPAN

Беспроводная персональная технология, которая обеспечивает связь между устройствами на расстоянии до 100 метров. Для подключения устройства должны находиться в зоне прямой видимости. Представитель такой технологии — Bluetooth. Он применяется для обмена данными между ПК, мобильными телефонами, фотоаппаратами, джойстиками и т. д.

WLAN (локальная сеть

Представитель wifi.

WMAN

Такая беспроводная сеть — это телекоммуникационная технология, которая работает в пределах определенного населенного пункта или площади. Представитель — WiMAX.

WWAN

Технология объединяет разные города и государства с помощью антенны и спутниковой связи. Они бывают разных типов — GPRS, CSD, LTE, HSPA, 2G и 3G. Услуги предоставляются на платной основе. Благодаря такому виду связи, человек может с телефона или ноутбука подключиться к Интернету, находясь в стационарном состоянии и в движении.

Сетевые адаптеры, хабы, свитчи, роутеры

Хаб

Сетевой хаб или концентратор – это сетевое устройство для объединения компьютерных устройств в цельное образование. Главной его задачей является получение сигнала с информацией на один из портов и передача дальше на другие порты. Однако в работе хаба возможны коллизии из-за возможного столкновения пакета данных на одном из портов, что значительно замедляет процесс передачи данных.

Хаб представляет собой простейший разветвитель, обеспечивающий прямое соединение между клиентами сети. Свитч — более “умное” устройство, распределяющее пакеты данных между клиентами в соответствии с запросом.

Коммутатор

Коммутатор, или как его еще называют свитч – это устройство обеспечивающее соединение узлов компьютерной сети для организации единой системы доступа пользователей к программным, техническим и информационным ресурсам. С его помощью можно соединить несколько сетевых узлов.

Роутер

Маршрутизатор или роутер - это физическое сетевое устройство, которое облегчает и устанавливает соединение между локальной сетью и Интернетом путем передачи информации в сети. Он выполняет эту функцию посредством анализа заголовка пакета данных, который содержит IP-адрес назначения пакета. На основе пакета данных маршрутизатор определяет наиболее эффективный маршрут к адресу назначения.

61-71. Терминальные устройства как УВВ. Интерфейсы и контроллеры.

Терминальные устройства как УВВ: текстовые и Х-терминалы, сетевые компьютеры, нулевые клиенты

Компьютерный терминал — устройство, используемое для взаимодействия пользователя с компьютером или компьютерной системой, локальной или удалённой. Выводимая терминалом информация может быть как текстовой, так и графической. Терминал с возможностями обработки данных и памятью назывался интеллектуальным.

К одному компьютеру может быть подключено несколько терминалов. 

Терминал — это устройство ввода-вывода, его основные функции заключаются в отображении и вводе данных. В зависимости от того, насколько сильно зависит терминал от хост машины их называют толстым и тонким клиентом.

Текстовый терминал (или чаще просто терминал, иногда также текстовая консоль) — это интерфейс компьютера для последовательной передачи данных — ввода и отображения текста. Информация представляется в виде массива предопределённых знаков.

X-терминал это такая специализированная машина, которая умеет выполнять практически одно-единственную програму - X-сервер. Но благодаря клиент-серверной природе основной графической среды Unix - X Window, эта одна единственная программа позволяет программам, выполняющимся на другой машине, взаимодействовать с пользователем, сидящим перед терминалом не хуже, чем перед сидящим за локальной консолью.

X-терминалы бывают аппаратные и сделанные из дешевых персональных компьютеров. К аппаратным обычно прилагается специализированная ОС, которая содержит в себе необходимые драйвера и X-сервер. Если вы собираетесь делать X-терминал из старой писишки, то в качестве такой ОС, вы, несомненно будете использовать Linux.

Сетевой компьютер — компьютер, являющийся компонентом архитектуры компьютер-сеть и имеющий упрощённые структуры в отличие от персонального компьютера(небольшой объём памяти, возможно отсутствие дисковода и т. п.). Это аппаратная часть для выполнения программы сетевого компьютерного терминала. В качестве сетевого компьютера могут использоваться устаревшие модели персональных компьютеров объединённые в большую иерархичную сеть грид-вычислений, в которой также присутствуют сервера.

В сетевом компьютере может отображаться экран входа в учётную запись пользователя в операционную систему с дальнейшим отображением рабочего стола. А сама операционная система установлена на сервере.

Zero Client не имеет собственного программного обеспечения, операционной системы и драйверов. Отсутствуют также центральный процессор и память, но при этом обеспечивается полная функциональность настольного компьютера. Образно говоря, ПК разрезается на две части, которые соединяются по IP сети. На рабочем месте остается только дисплей, клавиатура и мышь, а вся вычислительная мощность располагается на сервере.

Преимущества на ПЭВМ

72-74. Функциональные компьютеризированные устройства: смартфон, смарт телевизор, роутер, проектор

Смартфон

Смартфон — мобильный телефон (современный — как правило, с сенсорным экраном), дополненный функциональностью умного устройства.

Смартфоны отличаются от обычных мобильных телефонов наличием операционной системы, открытой для разработки программного обеспечения сторонними разработчиками (операционная система обычных мобильных телефонов закрыта для сторонних разработчиков). Установка дополнительных приложений позволяет значительно улучшить функциональность смартфонов по сравнению с обычными мобильными телефонами.

Smart TV

Smart TV — это традиционный телевизор с интегрированным интернетом и интерактивными функциями, которые позволяют пользователям получать музыку и видео, просматривать веб-сайты и фотографии. Телевизоры Smart TV — это технологическое слияние компьютеров, телевизоров и цифровых медиаплееров.

Помимо традиционных функций телевизоров, обеспечиваемых традиционными средствами вещания, эти устройства могут предоставлять доступ к дополнительным медиауслугам, таким как стриминговые сервисы и интернет-радио, а также доступ к домашней сети.

В Smart TV операционная система предварительно загружается в прошивку телевизора, что обеспечивает доступ к приложениям и другому цифровому контенту. В отличие от этого, традиционные телевизоры выполняют в основном функции дисплеев. Программные приложения могут быть предварительно загружены в устройство, обновляться или устанавливаться по требованию через магазин приложений, аналогично тому, как приложения интегрируются в современные смартфоны

Роутер — одноплатный бездисковый компьютер, который управляется бездисковой версией Unix с самыми необходимыми компонентами для связи с интернетом. (см. вопросы 48-60)

Проектор (см вопросы 16-35)