6 TEMA

 

Bendrieji šiuolaikinių kompiuterių kūrimo principai

  • Funkcinė ir struktūrinė kompiuterio organizacija;
  • Programinis kompiuterio veikimo principas;
  • Kompiuterinės sistemos.

 

 

Funkcinė ir struktūrinė kompiuterio organizacija

 

          Kompiuteris labai sudėtinga sistema, ją sudaro milijonai elementarių elektroninių komponentų. Šią sudėtingą sistemą aiškiai aprašyti problemiška, tačiau principinę kompiuterio struktūrą (Von Neumano kompiuterį) galime pavaizduoti taip:

 

 

Pav. 1 Principinė kompiuterio struktūra

 

 

 

Pav. 2 Personalinio kompiuterio struktūra

 

          Funkcinė kompiuterio organizacija. Ir kompiuterio struktūra, ir kompiuterio funkcionavimas iš esmės labai paprasti:

Pav. 3 Kompiuteris funkcijų požiūriu

          Kaip matome, yra tik keturios pagrindinės funkcijos:

ü             Duomenų apdorojimas;

ü             Duomenų saugojimas;

ü             Keitimasis duomenimis;

ü             Valdymas.

          Kompiuterio funkcijos. Kompiuteris turi gebėti apdoroti duomenis (process data). Taip pat labai svarbu, kad kompiuteris duomenis saugo (store data). Net jei duomenys apdorojami tučtuojau (t. y. duomenys įeina, apdorojami ir rezultatai iš karto išvedami), turi laikinai išlikti bent ta duomenų dalis, su kuria šiuo metu dirbama. Tai trumpalaikis duomenų saugojimas. Tačiau kompiuteris atlieka ir ilgalaikio duomenų saugojimo funkciją. Duomenų failai kompiuteryje saugomi, kad vėliau galėtų būti peržiūrimi ir atnaujinami. Kompiuteris turi gebėti atlikti keitimąsi duomenimis (move data) – vidinį ir su išoriniu pasauliu. Kompiuterio darbo aplinka – įrenginiai, kurie yra arba duomenų šaltiniai, arba jų sankaupos (destinations of data). Duomenų priėmimo iš įrenginio, kuris tiesiogiai prijungtas prie kompiuterio, arba siuntimo į jį procesas vadinamas įvestimi/išvestimi (Į/I) {Input-Output – I/O}, o atitinkami įrenginiai – periferiniais, keitimosi duomenimis per didelį atstumą procesas – skaitmeniniu ryšiu, telekomunikacija (data communication). Šios trys funkcijos valdomos (kontroliuojamos) (control). Kontrolę faktiškai atlieka asmenys, teikiantys kompiuteriui instrukcijas. Kompiuterio sistemoje kontrolės įrenginys pagal šias instrukcijas valdo kompiuterio išteklius ir ,,diriguoja“ jo funkcinių dalių galimybėms.

          Kompiuteris gali veikti kaip keitimosi duomenimis įrenginys, paprastai duomenis siunčiant iš vieno periferinio įrenginio arba komunikacijos linijos į kitą.

          Kompiuteris gali veikti kaip duomenų saugojimo įrenginys, kuris duomenis siunčia iš išorinės kompiuterio aplinkos į kaupiklį (skaitymo operacija {read}) arba priešinga kryptimi (rašymo operacija {write}).

          Operacijos duomenis apdorojant. Atliekant vieną iš jų apdoroti duomenys sugrąžinami į kaupiklį, o kitą – siunčiami į išorinį įrenginį.

         

 

Programinis kompiuterio veikimo principas

 

          Programa – tai kompiuterio procesoriui vykdyti skirtų komandų rinkinys.

 

Pav. 4 Komandos struktūra

         

          Panagrinėkime tai elementaraus kompiuterio, naudojančio vieno baito (8 bitų) ilgio komandas, pavyzdžiu. Tegul operacijų kodui bus skirta 3 bitai, o adreso daliai liks 5 bitai. Toks kompiuteris gali vykdyti 23 = 8 komandas ir adresuoti 25=32 atminties ląsteles. Tegul operacijų kodai yra:

 

OPK

Veiksmai

000

SUSTOTI

001

ĮRAŠYTI ALĮ registre A nurodytos ląstelės turinį

010

ĮSIMINTI registro A reikšmę nurodytu adresu

011

SUDĖTI registro A reikšmę su nurodytos ląstelės turiniu

100

ATIMTI iš registro A reikšmės nurodytos ląstelės turinį

101

PEREITI nurodytu adresu besąlygiškai

110

PEREITI, jei registre A nulinė reikšmė

111

PASTUMTI kairėn per vieną skiltį registro A reikšmę

 

         

          Dviejų skaičių sudėties programa. Komandų seka, lemianti kompiuterio “elgesį”, vadinama programa. Kaip ir duomenys, ji saugoma pagrindinėje kompiuterio atmintyje dvejetainiu pavidalu. Kaip atrodytų programa ir atminties turinys atlikti elementarų dviejų skaičių sudėties veiksmą, pvz., skaičių 3, esantį 8-toje ląstelėje ir skaičių 7, esantį 9-oje ląstelėje? Rezultatą reikia užrašyti į 10-tą ląstelę. Pagrindinės atminties “vaizdas” būtų toks: (žr. pav. 5)

 

Pav. 5 Pagrindinės atminties „vaizdas“  

 

 

 

Kompiuterinės sistemos

 

          Kompiuteris yra elektroninių ir elektromechaninių įtaisų sistema, kuri gali dekoduoti ir vykdyti įvairias programas. Kompiuterį (kompiuterinę sistemą) sudaro dviejų tipų įranga: techninė ir programinė.

Kompiuterio techninė įranga skirstoma į 6 grupes:

ü             įvesties (klaviatūra);

ü             apdorojimo (centrinis procesorius ir pagrindinė atmintinė);

ü             saugojimo (išorinė atmintinė – diskai);

ü             išvesties (displėjaus ekranas, spausdintuvas);

ü             ryšio įrenginiai (tinklo adapteriai, modemai);

ü             pagalbinė įranga (skeneriai, strimeriai, saugaus elektros maitinimo įrenginiai ((UPS’ai) ir t.t.).

 

          Programinė įranga. Programinė įranga yra skirstoma į dvi grupes:

1.    Sisteminę programinę įrangą:

– Valdo kompiuterio išteklius. Tačiau ji nesprendžia specifinių problemų, susijusių su verslu ar profesija.

2.    Taikomąją programinę įrangą:

– Programų rinkinys, skirtas specifinių vartotojo poreikių tenkinimui, vadinamas taikomąja programine įranga. Tai teksto procesoriai, skaičiuoklės, duomenų bazių valdymo sistemos ir kt.

         

          Kompiuterių tipai. Kompiuteriai gali būti įvairaus dydžio ir galingumo. Priklausomai nuo kompiuterio klasės kompiuterinės sistemos skirstomos į sistemas:

ü             superkompiuterių;

ü             universaliųjų kompiuterių;

ü             mini - ir mikrokompiuterių:

serveriai;

darbo stotys;

asmeninių (personalinių) kompiuterių:

ü                  bendros paskirties;

ü                  specialios paskirties;

Jie čia išvardinti galingumo mažėjimo tvarka. Reikia pastebėti, kad šis galingumo skirstymas yra gana santykinis.

          Apskritai, kompiuterio tipą apsprendžia tokie 5 faktoriai:

1.    Pagrindinio procesoriaus (procesorių) tipas;

2.    Pagrindinės atminties kiekis - kompiuteris, kuris turi didesnę atmintinės talpą, gali greičiau vykdyti sudėtingesnes programas;

3.    Išorinės atminties įrenginių talpa - didesnės kompiuterinės sistemos turi didesnės talpos atminties įrenginius;

4.    Apdorojimo greitis, kuris matuojamas milijonais instrukcijų per sekundę ( mips ) - mažesnių kompiuterių greitis yra 3 – 4 mips, galingų kompiuterių - 70-100 mips ar daugiau, superkompiuterių greitis yra didesnis už 200 mips;

5.    Skaičius vartotojų, kurie gali naudotis kompiuteriu vienu metu - personaliniai kompiuteriai vienu metu gali aptarnauti tik vieną vartotoją, o galingi kompiuteriai vienu metu gali aptarnauti tūkstančius vartotojų.

 

          Asmeniniai kompiuteriai. Plačiausiai paplitę yra  asmeniniai (personaliniai) kompiuteriai (AK). Kiekvienu AK naudojasi vienas žmogus (konkrečiu laiko momentu). Personalinių kompiuterių šeimą sudaro dvi grupės:

          Bendrosios paskirties AK

ü             Staliniai ( desktop);

ü             Nešiojamieji ( laptop, notebok);

ü             Kišeniniai (delninukai – palmtop).

Yra AK, kurie gali būti naudojami kaip nešiojami ir kaip staliniai. Jie turi dvi dalis: nešiojamą AK ir stalinio AK monitorių, klaviatūrą, pelę bei prisijungimo stotelę (docking station). Šių AK konfigūracija leidžia išnaudoti abiejų kompiuterių tipų privalumus.

          Specialios paskirties AK

ü             plunksna valdomi kompiuteriai;

– vartotojai įveda duomenis, pasirenka komandas ar jų grupes specialia plunksna.

ü             asmeniniai skaitmeniniai pagalbininkai;

– yra nešiojami AK, kurie dar turi radiotelefonus, įgalinančius siųsti ir gauti faksus, prisijungti prie Interneto. Todėl galima gauti norimą informaciją bet kuriuo metu. Duomenys ir įvairūs nurodymai įvedami plunksna arba liečiant ekraninius klavišus.

ü             tinklo kompiuteriai;

– gali dirbti tik įjungti į kompiuterių tinklą. TK turi sąlyginai negalingą procesorių ir mažiau pagrindinės atminties. Jie neturi išorinės atminties disko. TK skaičiavimų ir duomenų saugojimo galimybės tiesiogiai priklauso nuo centrinio tinklo kompiuterio. Jie pigesni už AK, nereikalauja atskiros programinės priežiūros.

 

          Darbo stotys, serveriai, universalieji kompiuteriai.

          Darbo stotys ;

– Tai galingesnis AK, skirtas profesinei veiklai. Labiau tinka inžinieriams, dizainieriams, atliekantiems projektavimo darbus įvairiomis CAD/CAM/CAE sistemomis, mokslo – tiriamajam darbui.

          Serveriai (tarnybinės stotys);

– Tai kompiuteris, dirbantis tinkle, kurio resursais – duomenimis, programine ir technine įranga – dalijasi visi į tinklą įjungti vartotojų asmeniniai kompiuteriai ar terminalai. Serveriai yra labai įvairios paskirties: duomenų bazių, failų, spausdinimo, bei tinklo servisų (E-mail, WWW, FTP, Proxy).

          Universalieji kompiuteriai ;

– Paprastai naudojami stambiose organizacijose, bankuose. Vartotojas bendrauja su centriniu universaliuoju kompiuteriu per savo AK ar tinklo kompiuterį. Su vienu universaliuoju kompiuteriu gali dirbti šimtai ir tūkstančiai vartotojų.

 

          Superkompiuteriai. Tai ypač galingi kompiuteriai, kurie apdoroja informaciją dešimtis kartų greičiau negu galingiausi universalieji kompiuteriai. Superkompiuteriai pirmiausia yra skirti spręsti tokius uždavinius, kuriuose viską lemia kompiuterio greitis. Juose vykdomos programos, kurios modeliuoja sudėtingus procesus (branduolines reakcijas, biocheminius procesus, lėktuvų skrydžius, autoavarijas), apdoroja oro prognozių duomenis, kuria grafiką ir specialius efektus kino industrijoje, analizuoja galimų žemės drebėjimų duomenis. Superkompiuteriai – tai dažniausiai daugiaprocesorinės lygiagrečiosios sistemos, kurias sudaro nuo kelių dešimčių iki kelių tūkstančių mazgų (nodes) su 1 ir daugiau procesorių kiekviename. VGTU SC turi tokio tipo lygiagretųjį kompiuterį – IBM RS/6000 SP,

tik, deja, su 4 mazgais bei 10 dviprocesorinių PK klasterį, sujungtą gigabitiniu komutatoriumi, taip pat skirtą lygiagretiesiems skaičiavimams vykdyti.

 

          Kompiuterinių sistemų architektūra. Kompiuterinių sistemų architektūra apima klausimus, susijusius su aparatinių ir programinių priemonių sandara, kurią apsprendžia sistemos loginė struktūra. Kompiuterinių sistemų architektūra – tai kompiuterio ar sistemos loginės struktūros charakteristikų visuma. Ją nusako tokie sistemos bruožai:

ü             Mašininės kalbos ir komandų sistemos charakteristikos, lemiančios procesoriaus galimybes;

ü             Techninės ir eksploatacinės charakteristikos: darbo našumas, patikimumas, atminties talpa ir t.t.

ü             Bazinės konfigūracijos funkcinių modulių sudėtis ir charakteristikos;

ü             Galimybė įjungti papildomus modulius;

ü             Programinės įrangos sudėtis ir jos ryšio su technine įranga principai.

 

          Modulinė kompiuterio sandara. Kompiuterį sudarančių struktūrų ir funkcijų sąryšis pagrįstas moduliniu kompiuterio sandaros principu. Jo esmė ta, kad kompiuterį sudaro rinkinys modulių – įtaisų ir blokų, realizuojančių užbaigtas funkcijas ir konstrukciniu požiūriu nepriklausančių vienas nuo kito. Didžiausias šio principo privalumas – galimybė tobulinti kompiuterį įjungiant į jį naujus tobulesnių funkcijų modulius. Fiziškai moduliai sujungiami kabeliais. Jungimo būdų, taip pat informacijos mainų algoritmų ir susitarimų visuma vadinama kompiuterio techniniu interfeisu. Interfeisas yra svarbi kompiuterio architektūros dalis. Svarbiausi jo parametrai – perduodamo žodžio ilgis ir duomenų mainų sparta, taip pat kurio nors viešai priimto standarto atitikimas. Reikėtų aiškiai skirti techninį ir vartotojo interfeisus: techninis interfeisas nustato įtaisų sąveikos taisykles, o vartotojo interfeisas – kokiu būdu vartotojas bendrauja su sistema ir valdo jos darbą.

          Modulinis sandaros principas realizuojamas:

ü             hierarchine architektūra (universalieji kompiuteriai) ir

ü             magistraline architektūra (mini ir mikro kompiuterių klasė).

 

          Hierarchinė architektūra. Siekiant patogiau ir efektyviau naudoti tiek visą kompiuterį, tiek jo įtaisus, klasikinėje kompiuterių schemoje padaryta pakeitimų: išryškėjo centrinė, arba apdorojančioji, dalis ir periferinė, arba išorinė, dalis. Išoriniai įtaisai prijungiami prie centrinės dalies per įvesties - išvesties kanalus, valdančius informacijos mainus. Įvesties-išvesties įtaisai – tai nepriklausomi specialūs procesoriai, vykdantys duomenų mainus.   Tai hierarchinė kompiuterio struktūra, kurios aukščiausiame hierarchijos lygyje yra centrinis procesorius (CP) ir operatyvioji atmintis (OP), žemesniame lygyje – įvesties-išvesties kanalai, dar žemesniame – išorinių įtaisų valdikliai-kontroleriai. Žemiausiame lygyje – išoriniai įtaisai. Tokios struktūros yra didelio pajėgumo, daugiavartotojiški universalieji kompiuteriai (žr. pav. 6).

Pav. 6 Hierarchinė universalaus kompiuterio architektūra

         

          Magistralinė kompiuterio architektūra. Mini- ir mikro- kompiuterių klasė, kuriai priklauso ir personaliniai kompiuteriai, pasižymi paprastesne struktūra ir nedideliu išorinių įtaisų skaičiumi. Jų architektūra pagrįsta bendros interfeiso magistralės naudojimu. Interfeiso magistralė – jungiamasis kanalas. Magistralinėje architektūroje nėra aiškios hierarchijos, visi įtaisai palaiko ryšį per magistralę. Duomenų mainų tvarką nusako tokios taisyklės:

ü             Duomenys perduodami žodžiais;

ü             Interfeiso plotis turi būti lygus mašininio žodžio ilgiui;

ü             Vienu laiko momentu duomenų mainus atlieka viena įtaisų pora;

ü             Negalimi tiesioginiai mainai tarp dviejų išorinių įrenginių.

Bendrąja interfeiso magistrale siunčiami duomenys, komandos, adresai arba valdymo signalai, įtaiso, kuriam siunčiama informacija, sisteminis adresas (žr. pav. 7).

Pav. 7 Magistralinė kompiuterio architektūra

 

          Kompiuterinių sistemų topologija. Pagal kompiuterinių sistemų topologiją išskiriami tokie sistemų architektūros tipai:

ü             Centralizuotos kompiuterinės sistemos;

ü             Asmeninės kompiuterinės sistemos;

ü             Paskirstytosios kompiuterinės sistemos.

 

          Centralizuotos kompiuterinės sistemos. Centralizuotose kompiuterinėse sistemose vienas kompiuteris atlieka daugelio vartotojų skaičiavimus. Dažniausiai tai daro universalieji ar superkompiuteriai. Tai gali būti ir mini kompiuterių klasei priskiriami serveriai.

ü             Teigiamos CKS savybės – didesnis saugumas, vieningesnis ir racionalesnis sistemos išteklių (atminties, duomenų, laiko) organizavimas, patogesnis aptarnavimas.

ü             Neigiamos CKS savybės – papildomi pajėgumai ir rūpesčiai išoriniams terminalams valdyti, visiška vartotojų priklausomybė nuo centrinio kompiuterio; jam sutrikus, sutrinka visa sistema.

          Naudoja bankai, kitos stambios bei geografiškai išsibarsčiusios firmos, turinčios centralizuotas duomenų bazes.

 

          Asmeninės kompiuterinės sistemos. Pagrindinė asmeninės kompiuterinės sistemos idėja: kompiuteris turi bet kuriuo momentu tarnauti kaip individualaus darbo ir jo našumo didinimo įrankis. Asmeninė kompiuterizuotoji sistema efektyvi atliekant individualius darbus: rengiant tekstus, prezentacijas, dirbant su skaičiuoklėmis, atliekant paprastus projektavimo darbus. Tokios sistemos taip pat naudingos mažose įmonėse ir įstaigose.

          Teigiamos savybės :

ü             didesnis lankstumas atliekant individualias užduotis;

ü             mažesnis poveikis kitiems darbuotojams.

          Neigiamos savybės :

ü             sunku paskirstyti darbus atskiriems vartotojams;

ü             dubliuojama techninė ir programinė įranga;

ü             apsunkintas aptarnavimas.

 

          Paskirstytos kompiuterinės sistemos. Paskirstytosiose kompiuterinėse sistemose vartotojai naudoja AK, darbo stotis arba terminalus, taip pat ryšių tinklo jungtis su kitais sistemos mazgais. Duomenys ir kiti sistemos ištekliai – programos, procesoriai – gali būti vietiniame arba bet kuriame kitame sistemos mazge.

          Teigiamos savybės :

ü             didesnė galimybė racionaliau paskirstyti darbus, informaciją ir kitus išteklius;

ü             galima tęsti darbą ir tada, kai dalis sistemos mazgų neveikia ar nedirba dėl kitų priežasčių.

          Neigiamos savybės :

ü             sunku valdyti;

ü             sunkiau organizuoti duomenų apsaugą;

ü             apsunkintas vieningų standartų laikymasis.

 

          Šiuolaikiniai paskirstytųjų kompiuterinių sistemų organizavimo būdai.

          1. Kliento – serverio architektūra. Kliento – serverio architektūroje įvairūs tinkle esantys kompiuteriai tarnauja kaip klientai arba serveriai. Kompiuteriai - klientai pateikia užklausas kokiai nors paslaugai, pvz., spausdinimui ar duomenų paieškai. Šios užklausos siunčiamos specialiems kompiuteriams – serveriams, kurie atlieka nurodytą darbą (užduotį). Klientu dažniausiai būna AK, kurio paskirtis – tenkinti vartotojo poreikius tiek aptarnaujant juos pačiame AK (pvz., rengiant tekstus ar lenteles), tiek kreipiantis į atitinkamą serverį, siekiant tuos duomenis apibendrinti ir pateikti vartotojui. Serveriai gali būti AK, minikompiuteriai, universalieji kompiuteriai ar superkompiuteriai. Klientą su serveriu jungia tinklas, kurio paskirtis – ne tik sujungti, bet ir valdyti ryšį. Tinklas perduoda kliento prašymą atitinkamam serveriui ir grąžina užduoties rezultatus. Kliento – serverio architektūra įgalina kompiuterių atliekamus darbus organizuoti moduliniu principu, t.y. suskaidyti sistemą į modulius arba tam tikras visuotinės struktūros funkcines sudėtines dalis. Tai plačiai taikoma sistema, nes ji :

ü             patogi vartotojui;

ü             plati techninių galimybių skalė ir lankstus technikos panaudojimas;

ü             didesnė galimybė pritaikyti ir suderinti skirtingų gamintojų techninę ir programinę įrangą.

         

          2. Lygiateisių mazgų architektūra. Lygiateisių mazgų (angl. peer-to peer) architektūra svarbi kliento – serverio architektūros alternatyva mažiems kompiuterių tinklams. Čia kiekviena darbo stotis gali tinkle tiesiogiai bendrauti su kita darbo stotimi, nesinaudodama specialiojo serverio paslaugomis. Ji tinka tada, kai vartotojai daugumą savo darbų atlieka su savo AK ir tik retkarčiais keičiasi duomenimis su kitais vartotojais. Gali iškilti problemų su to paties dokumentų kopijų vienodumu (vienas vartotojas padarė pakeitimus dokumente ir neperdavė kitiems, kurie naudojasi sena versija), prisijungimu prie kitų kompiuterių (išjungtas, pakeistos prisijungimo teisės).

         

 Literatūra:

  1. Kompiuterika moksleiviams ir studentams / B. Burgis ir kt., Kaunas: Technologija.-1999.
  2. D. Janickienė. INFORMATIKA. Vadovėlis, Vytauto didžiojo universitetas, Kaunas, 2001.
  3. O.Barčkutė ir kt. Ekonominė informatika. Vadovėlis, L-kla “Aldorija”, Vilnius, 1999.
  4. J.Adomaitis ir kt. Informatika I dalis Vadovėlis, L-kla “Technolgija”, Kaunas, 1999.
  5. http://www.el.vtu.lt/distancija/index.htm
  6. http://distance.ktu.lt/kursai/informatika1/index.html