Ответы на вопросы по ОЭВМ
реклама
Вопросы по «ЭВМ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ» 1. Понятие АСОИУ Под АСОИУ понимают кибернетическую человеко-машинную систему, основанную на комплексном использовании математических методов и технических средствах обработки информации для решения задач управления во всех сферах человеческой деятельности. Термин кибернетика произошел от греческого «кибернетос»-управляющий, рулевой. 2. Кодирование информации. Принцип действия ЭВМ Способы кодирования числовой информации используемые в современных ЭВМ при хранении, передаче и выводе данных. При обозначении количественных характеристик объектов, явлений используются последовательности символов. Набор символов, правил счета и записи в виде последовательности символов из этого набора образуют систему счисления (СС). Набор символов СС называется алфавитом, а сами символы – цифрами. Различают позиционные (арабская, десятичная) и непозиционные (римская) СС. В первых вес цифры в записи числа зависит от её вида и позиции. Позиции в таких системах называют разрядами, которые нумеруются числами 0,1,2,…, крайняя левая позиция – старший разряд, крайняя правая – младший разряд числа. В непозиционных СС количественное значение цифры зависит только от её вида или взаимного расположения цифр. Число q равное количеству различных цифр в алфавите позиционной СС называется основанием СС (арабская q=10,~называют десятичной). В общем виде число Nв позиционной СС с основанием q и алфавитом A может быть представлено в виде: N q an an1 ,..., a1a0 a1 ...am an q n an1q n1 ...a1q1 ...am q m a0,an-1,a1 - цифры алфавита А, n,n-1,m - номер разряда. Разряды с номерами большими или равными нулю образуют целую часть числа, с номерами меньше нуля – дробную (в записи числа такие разряды отделяются точкой или запятой). Если дробная часть отсутствует, то число называют целым, в противном случае – число дробное. В ЭВМ используется позиционная СС. Каждый разряд содержит одну из q цифр. Поэтому для представления чисел требуются устройства, имеющие q-устойчивых состояний. Наиболее просто с технической точки зрения реализуются устройства, имеющие два таких состояния (электронная схема, имеющая высокое или низкое напряжение на выходе, магнитный материал намагничен, либо размагничен и т.д.). Это и является причиной использования двоичной СС в ЭВМ. Алфавит такой системы счисления имеет две цифры (0 и 1). Кроме данной СС для ввода-вывода информации используются десятичные, восьмеричные и шестнадцатеричные СС. Запись чисел здесь значительно компактнее, но с технической точки зрения гораздо труднее создать устройство, имеющее 10 или 16 устойчивых состояний. Принцип действия ЭВМ ЭВМ – совокупность технических устройств, предназначенных для автоматизированной обработки дискретных сообщений по требуемому алгоритму. Идея автоматизации процесса обработки данных заложена в принципе действия ЭВМ. АЛУ и УУ – образуют процессор (П). Любая ЭВМ содержит основные устройства: АЛУ, УУ, УВВ. Память состоит из запоминающих устройств и предназначена для хранения алгоритма обработки данных и самих данных. Состоит из l ячеек, каждая из которых для запоминания одного двоичного числа заданной разрядности. Запись и чтение осуществляется только при указании места хранения. В современных ЭВМ память представлена сложной многоуровневой системой. Здесь определяют уровни: сверхоперативной памяти (СОЗУ), оперативной памяти (ОЗУ), буферной памяти (БЗУ), внешней памяти (ВЗУ). Основным запоминающим устройством памяти ЭВМ, предназначенной для хранения всей информации, непосредственно участвующей в вычислительном процессе, является ОЗУ. Арифметико-логическое устройство (АЛУ) – выполняет арифметические и логические операции над поступающими в него двоичными кодами команд и данных. Устройство управления (УУ) - под воздействием поступающих в него данных автоматически координирует работу всех устройств посредством своевременной выдачи на них управляющих сигналов. Предписывает АЛУ выполнение конкретной операции, управляет обменом между ЗУ и П, управляет работой УВВ. Алгоритм – последовательность операций, выполнение которых над исходными данными приводит к конечному результату, решению. В памяти ЭВМ этот алгоритм хранится в виде двоичных многоразрядных чисел, машинных кодах команды. Программа – описание алгоритма в форме, воспринимаемой ЭВМ. Она состоит из отдельных команд, каждая из которых предписывает определенное действие и указывает над какими данными (операндами) эти действия производятся. Перед началом решения задачи в ЗУ через УВВ в кодированном виде записываются программа и данные, подлежащие обработке. В ходе вычислительного процесса при выполнении очередной команды из ЗУ считывается эта команда; по адресной части которой определяется местонахождение обрабатываемых данных, они извлекаются из ЗУ. П выполняет над ними указанную в коде операцию и записывает результат на хранение в ЗУ. Затем определяется местонахождение следующей команды и повторяется аналогичный цикл. 3. Общие принципы построения современных ЭВМ Архитектурно-функциональные принципы были разработаны в 1946г. венгерским математиком и физиком Дж. Фон Нейманом. Принципы Фон Неймана: Программное управление работой ЭВМ. Программы состоят из шагов – команд, осуществляющих единичный акт преобразования информации. Последовательность команд, необходимых для реализации алгоритма – является программой. Все разновидности команд, используемые конкретной ЭВМ, в совокупности называются языком машины или системой команд машины. Принцип условного перехода. Возможность перехода в процессе вычисления на тот или иной участок программы, в зависимости от промежуточных данных. Реализация такого принципа позволяет легко организовывать циклы с автоматическим выходом из них, уменьшает громоздкость программы за счет уменьшения числа повторяющихся фрагментов. Принцип хранения программы. Заключается в том, что команды представляются в числовой форме и хранятся в том же ОЗУ, что и исходные данные. Команды для исполнения выбираются из ОЗУ в УУ, а числа - в АЛУ. Для ЭВМ команда и число являются машинным словом и если команду направить в АЛУ, то над ней можно производить арифметические операции, изменить её. Это дает возможность преобразования программ в ходе выполнения вычислительного процесса. Принцип использования двоичной системы счисления. Для представления информации в ЭВМ используется двоичная СС, что значительно упрощает техническую конструкцию последней. Принцип иерархичности ЗУ. Это компромисс между емкостью и временем доступа к данным, обеспечение дешевизны. 4. Архитектура ЭВМ общего назначения Архитектура ЭВМ – совокупность её свойств и характеристик, рассматриваемых с точки зрения пользователя, машины. Это полный комплекс значимых общих вопросов для пользователя функциональной и структурной организации вычислительного процесса, включающий совокупность характеристик и параметров ЭВМ, влияющих на решение этих вопросов, охватывается понятием архитектура ЭВМ. Важнейшие для пользователя группы характеристик, которые определяют её архитектуру: - Характеристики машинного языка и системы команд (количество, состав и форматы команд; система адресации, наличие программно-доступных регистров в процессоре), которые определяют алгоритмические возможности процессора. - Технические и эксплуатационные характеристики (производительность, надежность, точность, емкость памяти, потребляемая мощность, стоимость). - Характеристики и состав функциональных модулей базовых конфигураций (наличие возможности подключения дополнительных модулей: сверхоперативной памяти, каналов доступа к памяти – с целью расширения базовой конфигурации или улучшения технических характеристик базовых модулей). - Состав программного обеспечения и принципы его взаимодействия с техническими средствами ЭВМ. К ресурсам ЭВМ относят те реальные, аппаратные и программные средства (машинное время процессора, емкость ОЗУ, количество подключаемых УВВ), которые ЭВМ может выделить, процессу обработки данных, на время решения задач пользователя. Характеристика основных уровней современных ЭВМ Иерархический принцип построения аппаратных средств ЭВМ определяется наличием совокупности элементов i – того уровня, которые при объединении в систему могут рассматриваться в качестве элементов в системе более высокого уровня. Это позволяет использовать иерархический принцип описания структуры и функционирования аппаратных средств. 1-й иерархический уровень – уровень электрических схем. Элементами являются – электрические компоненты (транзисторы, диоды). Средством описания служат аппараты теория электромагнитных цепей. 2-й иерархический уровень – уровень логических схем. Здесь в качестве элементов выступают логические и запоминающие схемы. К логическим схемам относят простейшие комбинационные схемы, функционирование которых описывается одной переключательной функцией. Запоминающий элемент – простейшее устройство памяти, обеспечивающее запись, хранение и чтение информации. Средствами описания на данном уровне являются методы теории переключательной функции и структурная теория автоматов. 3-й иерархический уровень – уровень операционных узлов. Его элементами служат операционные узлы, выполняющие одну или несколько элементарных операций и построенных из логических и запоминающих элементов. Этот уровень описывается средствами второго уровня с детализацией информационных процессов до элементарных операций над словами (микроопераций). 4-й иерархический уровень – уровень структурных схем. Элементами здесь являются операционные блоки, интегрирующие операционные узлы и выполняющие определенные законченные действия, указываемые командами программы. Средства описываются с детализацией до отдельных операций из набора команд ЭВМ, как последовательности элементарных операций. Средствами описания чаще всего служат простейшие формальные языки, типа операторных описаний. 5-й иерархический уровень – программный уровень. Предполагает детализацию процессов обработки информации до команд из операционных ресурсов ЭВМ или до отдельных программ. Элементами являются АЛУ, УУ, ОЗУ, ПУ и коммуникационное оборудование ЭВМ. Средствами описания являются машинно-ориентированные языки программирования. Аппаратные средства любой алгоритмически универсальной ЭВМ можно условно разделить на 3 части: 1.Процессор 2.Память 3.Периферийные устройства 5. Структура ЭВМ с общей шиной Структура мини и микро ЭВМ проще, чем ЭВМ общего назначения, что обусловлено использованием МП БИС, имеющие относительно малое количество выводов и осуществление обмена между модулями ЭВМ через многопроводные шины (магистрали) общего пользования. Все малые ЭВМ имеют магистрально – модульную организацию. Система обмена данных малых ЭВМ через общую шину эффективна при сравнительно небольшом количестве ПУ. 6. Режимы работы ЭВМ однопрограммный; мультипрограммный; пакетной обработки; разделения во времени; диалоговый; в реальном масштабе времени. Однопрограммный режим. В памяти машины присутствует только одна рабочая программа, которая, начав выполняться, завершается до конца. Мультипрограммный режим. В памяти ЭВМ хранится несколько программ и выполнение одной из них может быть прервано при переходе к выполнению другой, с последующим возвратом. Это дает возможность уменьшить простои оборудования, повысить производительность, за счет увеличения числа решаемых одновременно задач. Режим пакетной обработки. Для обеспечения мультипрограммной работы необходимо наличие нескольких задач ожидающих обработки. Для эффективной загрузки ЭВМ используется данный режим, когда задачи пользователя собираются в пакеты. Пакет состоит из заданий относящихся ко многим задачам, обработка которых требует не менее часа машинного времени. Режим разделения времени. Он обеспечивает непосредственно одновременный доступ некоторому количеству абонентов, обычно с удаленных терминалов. ЭВМ предоставляет каждому активному терминалу квант времени, при этом у отдельных пользователей создается иллюзия непрерывного контакта с ЭВМ. Диалоговый режим. (запрос - ответ). Режим взаимодействия человека с системой обработки информации, при котором человек и система обмениваются информацией в темпе, соизмеримым с темпом обработки информации человеком. Режим реального времени. Обеспечивает взаимодействие системы с внешними, по отношению к ней, процессами в темпе, соизмеримым со скоростью протекания этих процессов. 7. Логические основы ЭВМ В ЭВМ используются потенциальные и импульсные способы представления двоичных чисел электрическими сигналами. При первом из них (рис 1) цифре соответствует высокий Uв и низкий Uн уровни напряжения, которые сохраняются в течении всего времени t представления двоичного числа. При импульсном способе представления информации (рис 2) единичные и нулевые значения переменной изображаются наличием или отсутствием импульса. Рис.7.1 а) потенциальное и б)импульсное кодирование С переменой кода происходит изменение уровня электрического сигнала в дискретные моменты времени. Временной интервал между этими моментами называется тактом. Для передачи двоичной кодовой информации в ЭВМ используется последовательный, параллельный и параллельно-последовательный способы. При последовательном способе передаваемое двоичное число передается по одному каналу связи – разряд за разрядом. При параллельном способе все разряды двоичного числа передаются по одной шине, причем каждый разряд по своему каналу. При смешанном способе число делится на группы (байты), разряды каждой группы передаются параллельно, а сами группы последовательно. Устройство преобразующее дискретную информацию, в общем случае, имеет n кодов для входных сигналов и m выходов, с которых снимается выходной сигнал. Преобразование информации производится электрическими схемами двух видов: комбинационные; цифровые автоматы. В комбинационных схемах совокупность выходных сигналов, т.е. выходное слово У в любой момент времени однозначно определяется входными сигналами, т.е. входным словом Х, поступающим на входы в этот же момент времени. Реализуемые в этих схемах способы обработки информации называются комбинационными, т.к. результат обработки зависит от комбинации входных сигналов, вырабатывающихся сразу при подаче входной информации. Закон функционирования КС определен, если задано соответствие между её входными и выходными словами (в виде таблицы или в аналитическом виде с использованием булевых функций). Пусть переменные Х1, Х2…Хn, принимают только два значения – ноль и единица, тогда функция f(Х1, Х2…Хn) называется булевой функцией, если она принимает такие же значения. В цифровых автоматах в отличие от КС результат преобразования информации зависит не только от значения сигнала на входах в данный момент времени, но и от последовательности предыдущих входов и выходов, т.е. внутренних состояний цифрового автомата, в связи с чем он должен содержать элементы памяти. КС используется для построения шифраторов, дешифраторов, сумматоров, преобразователей кодов. Цифровые автоматы используются для построения регистров и счетчиков. 8. Классификация узлов и элементов ЭВМ. ЭВМ м.б. представлена как совокупность узлов, а каждый из этих узлов как совокупность элементов. Элемент – наименьшая, функциональная часть, на которые м.б. разбита ЭВМ при логическом проектировании и технической реализации. Классификация: по функциональному назначению: логические, запоминающие, вспомогательные; по типу сигналов: аналоговые и цифровые; по способу представления входных и выходных сигналов: потенциальные, импульсные и импульсно-потенциальные; по способу изготовления: дискретные и интегральные; Узел – совокупность элементов, которые реализуют выполнение одной из машинных операций. Выделяют следующие типы: комбинационные; накапливающие. ЭВМ III поколения строились на основе базовых логических элементов (И-НЕ, ИЛИ-НЕ). Важнейшими характеристиками любого базового ЛЭ является потребляемая мощность и быстродействие. В зависимости от потребляемой мощности различают следующие ЛЭ: микроватные (до 300 мкВт); маломощные (до 3 мВт); средней мощности (до 30 мВт); мощные (свыше 30 мВт). По величине среднего времени задержки на группы ЛЭ: с низким быстродействием (более 50 нсек); со средним быстродействием (10-50 нсек); с высоким быстродействием (5-10 нсек); со сверхвысоким быстродействием (менее 5 нсек); Каждый логический элемент характеризуется ещё величиной напряжения соответствующие уровням логических нуля и единицы, коэффициенту объединения по входу и коэффициенту разветвления по выходу. ЛЭ объединяются в группы – серии интегральных микросхем – К155, К500. Для всех ЛЭ повышение быстродействия сопровождается ростом энергопотребления, а повышение плотности элементов на кристалле снижает быстродействие. 9. Узлы комбинационного типа Сумматор. В каждом I – том разряде одноразрядный сумматор должен формировать сумму Si и перенос старшего разряда. Различают полусумматоры (HS), которые не учитывают сигнал переноса и полные сумматоры (SM), которые его учитывают. Si – выход; pi – перенос; Xi – входные сигналы. Различают сумматоры: по способу осуществления операции: последовательные и сдвигающие; по типу базовых элементов: комбинационные и накапливающие. Дешифратор. Узел ЭВМ, в котором любой комбинации входных сигналов соответствует наличие сигнала на одной, определенной шине на выходе. Максимально возможное количество шин дешифратора m = 2 n. Роль дешифратора состоит в преобразовании двоичных кодов (кода операции и кода адреса) в управляющие сигналы для различных устройств ЭВМ. Каждая команда имеет двоичный код, который поступает на входы дешифратора и на одном из выходов последнего вырабатывается сигнал. Шифратор. Узел ЭВМ преобразующий унитарный код в некоторый позиционный. Если выходной код двоичный, то и шифратор называется двоичным. Преобразователь кодов. Узел ЭВМ, на выходе которого, в зависимости от знака, может быть получено двоичное число, как в прямом, так и в обратном/дополнительных кодах. Если на вход поступает положительное число, то с выходов преобразователя снимаются прямые коды двоичных чисел и, наоборот. Мультиплексор. Схема осуществляющая передачу сигналов с одной из входных линий в выходную. Выбор входной линии (РОН) производится кодом, поступающим на его управляющие коды. 10. Узлы накапливающего типа Элементарный цифровой автомат. Име6ет два устойчивых состояния: состояние триггера и значение хранимой двоичной информации определяется прямым (Q) и инверсным (Qи) входными сигналами. Если Q=1, то триггер находится в единичном состоянии. Под влиянием входного сигнала триггер может скачкообразно переходить из одного состояния в другое, при этом скачкообразно изменяется уровень напряжения его выходного сигнала. Классификация триггеров: - по способу организации логических связей, определяющих особенности функционирования (RS, D, T, JK); - по способу записи информации (синхронные и асинхронные). Если хотя бы по одному входу информация в триггер заносится принудительно, под воздействием синхронизирующего сигнала, то такой триггер называется синхронным, если нет - асинхронным. Регистры. Строятся на основе триггеров. Это узлы ЭВМ, служащие для хранения информации в виде машинных слов или его частей, а также для выполнения над словами некоторых логических преобразований. Регистр представляет собой совокупность триггеров, число которых соответствует числу разрядов в слове. Различают, в зависимости от способа представления информации, параллельные (регистры памяти) и последовательные (сдвигающие) регистры. Параллельные применяются для ввода, хранения и вывода двоичной информации в параллельном коде. Сдвигающие/последовательные регистры выполняют сдвиг двоичной информации вправо/влево по регистру в зависимости от управляющего сигнала. Счетчик. Узел, осуществляющий счет и хранение кода числа, подсчитанных сигналов. Их делят на: - суммирующие; - вычитающие; - реверсивные. 11. Форма представления чисел в ЭВМ ЭВМ оперирует с числами, содержащими конечное число разрядов, количество которых ограничено длиной разрядной сетки машины. Наименьшая единица информации – бит, группа двоичных разрядов, изображающая символы называется слогом. 8 битовый слог – байт. Для представления информации в ЭВМ используется машинное слово – совокупность символов, которая считывается из ОП или заносится в неё за одно обращение. Машинное слово содержит целое число байтов. В качестве операндов используются следующие форматы данных: байт; полуслово; слово; двойное слово. Для представления чисел используются две формы: естественная (с фиксированной запятой); нормальная (полулогарифмическая, с плавающей точкой). Первая форма предполагает, что положение запятой, отделяющей целую часть от дробной, фиксировано в разрядной сетке ЭВМ. Для представления знака выделяется специальный знаковый разряд (обычно крайний левый разряд). Если там 0 – число положительно, если 1 – число отрицательно. Обычно используются два способа расположения фиксированной запятой. Перед старшим разрядом, или после младшего. В первом случае могут быть записаны лишь правильные дроби с точным определением веса младшего разряда. Диапазон представления чисел в этом случае следующий: Если при выполнении вычислений числа выйдут за пределы разрядной сетки, то возникнет ошибка. Представление чисел с фиксированной точкой используется в системе передачи данных, для управления ТП, обработки измерительной информации. Т.о., достоинство такого представления чисел – это возможность построения несложных операционных устройств с высоким быстродействием. Общий вид числа с плавающей p запятой имеет форму: Мb . М – мантисса, b – основание СС, p – порядок. Т.к. вся информация представлена в двоичном коде, то основание системы может быть опущено и представление числа примет вид: pM . Порядок p – есть число целое. В случае +p оно представляется в виде двоичного кода, а в случае –p - в виде двоичного числа в дополнительном коде, что неудобно. Для упрощения операций с числами с плавающей запятой порядок числа представляется всегда увеличенным на 64 ( для 32-х разрядной сетки). Так что порядку –63 соответствует машинный порядок +1, а порядку +63 – машинный порядок +127. поэтому порядок во всех случаях рассматривается как положительное число. Обозначение знака порядка чисел отпадает. Смещенный порядок числа называют характеристикой. Мантисса в ЭВМ обычно представляется правильной дробью в нормализованном виде (первая цифра справа от запятой отлична от нуля). 1/d <= M <= 1, где d – основание системы. Количество разрядов отводимых для изображения порядка определяют диапазон представляемых чисел. Количество разрядов, отводимых под изображение мантиссы, определяют точность представляемых чисел. Если необходимо повысить точность вычислений, числа с плавающей точкой представляются в формате двойного слова, а под ман7тиссу отводится не 24, а 56 разрядов. Диапазон представляемых чисел в это случае останется прежним, а точность увеличится в два и более раз. Устройства, реализующие операции с числами с плавающей запятой более сложные и менее быстродействующие. Для представления отрицательных чисел в ЭВМ используются обратные и дополнительные коды. Чтобы записать число в обратном коде необходимо: поставить единицу в знаковый разряд; в числовых разрядах нули заменить единицами, а единицы нулями; Для того чтобы записать число в дополнительном коде необходимо: поставить единицу в знаковый разряд; во всех числовых разрядах нули заменить единицами, а единицы нулями; к младшему разряду полученного результата прибавить единицу. ЭВМ обрабатывает числовую и алфавитно-цифровую информацию представленную машинными кодами. Совокупность элементарных символов, с помощью которых на языке записывается программы, составляют алфавит входного языка. Такой алфавит содержит: графические символы (символы, буквы и знаки препинания, математических операций и управляющие символы). Каждому символу входного языка ставится в соответствие группа двоичных символов – двоичный код. Если количество символов входного языка N, то количество двоичных символов необходимых для их кодирования равно: Log 2 N n . В ЭВМ используются несколько стандартных систем кодирования алфавитно-цифровых символов отличающихся длиной кодов n. При выборе способа кодирования учитываются объем алфавита и требования, связанные с облегчением автоматической обработки данных и эффективным использованием памяти. Соответствие символов входного языка и двоичных кодовых комбинаций задается с помощью кодовых таблиц DKOI, KOI – 8. 12. Функциональная и структурная организация ЭВМ. Существует два взгляда на построение и функционирование ЭВМ: 1. взгляд пользователя, не интересующегося технической реализацией ЭВМ, а озабоченным только некоторым набором функций и услуг, обеспечивающие эффективное решение задач; 2. взгляд разработчика ЭВМ, усилия которого направлены на рациональную реализацию необходимых функций пользователю. Функциональная организация – абстрактная модель описания функциональных возможностей ЭВМ и предоставляемых ею услуги. Она определяется предъявляемыми к ЭВМ требованиями, типом решаемых задач, потребностями в ресурсах ЭВМ (емкость ЗУ, разрядность, состав ЭВМ). Структурная организация – физическая модель, устанавливающая состав, порядок, принципы взаимодействия функциональных основных частей ЭВМ без изменения технической детализации. По степени детализации структурные схемы ЭВМ могут составляться на уровне устройств, блоков, узлов, элементов. Важные характеристики ЭВМ, определяющие её функциональную и структурную организацию, являются системы и форматы команд, способы адресации, т.е. внутренний язык ЭВМ. 13. Формат и структура команд. Формат и структура команд. ЭВМ работает под управлением программы, реализуемой в виде последовательности машинных команд алгоритма решения задачи. Под командой понимают совокупность информации (в виде двоичных кодов), занимающие определенные места в команде (поля) и необходимые П для выполнения требуемых действий. Это сведения о типе операций и адресной информации об операндах, месте хранения результата. Команда – код, определяющий операцию и данные в ней участвующие. Формат команды – оговоренная структура полей, её кода. В общем случае она состоит из операционной и адресной части. В первой из этих частей содержится код операции, вторая – задает вид операции. [ Код операции, А1, А2, А3, А4 ] А1 – адрес первого операнда, А2 – адрес второго операнда, А3 – адрес хранения результата, А4 – адрес следующей команды. Структура команды определяется составом, назначением и расположением полей в команде. По числу адресов команды делят на трех-, двух-, одно- и безадресные. Число двоичных разрядов, отводимых под код операции, должно быть таким, чтобы можно было представить все выполняемые машиной операции. Число команд теоретически не ограничено, практически их число невелико: примерно около 200-250 команд Log 2 N nоп . N – число команд, которое м.б. реализовано, nоп – код операции. Совокупность всех выполняемых Процессором команд, называется системой команд. Она должна быть полной, т.е. содержать все команды необходимые для реализации выполнения заданного алгоритма в машинных кодах. Команды подразделяются на группы: 1. обработки данных; 2. перемещения/пересылки данных; 3. передачи управления; 4. дополнительные 5. прочие Для упрощения аппаратуры и повышения быстродействия длина формата команды должна быть согласована с выбираемой, исходя из требований точности измерений, с длиной обрабатываемых машинных слов, составляющих обычно 16-32-64 бита. Формат команды должен быть короче и укладываться в машинное слово или полуслово. 14. Способы адресации ЭВМ Существует два принципа поиска операндов в ЗУ: ассоциативный и адресный. Ассоциативный поиск – поиск по содержанию – просмотр содержимого всех ячеек для выявления кодов содержащих заданной командой ассоциативных признаков. Эти коды выбираются в качестве искомых операндов. Адресный поиск – искомый операнд извлекается из ячейки памяти, номер которой формируется на основе информации в адресном поле команд. Исполнительный адрес Аисп – двоичный номер ячейки памяти, которая является источником или приемником операнда. Этот код направляется в регистр адреса памяти и по нему происходит фактическое обращение к указанной ячейке. Адресный код команды – информация об адресе операнда, содержится в адресном поле команды. Как правило, адресный и исполнительный коды не совпадают. Способ адресации – способ формирования Аисп из адресного кода. Одни из способов позволяют увеличивать объем адресуемой памяти без удлинения команды, другие ускоряют операции над массивами, упрощают работу с подпрограммами. Для указанного способа адресации в некоторых системах команд выделяют специальное поле – указатель адресации. [КОП, Ак ] [КОП, УА, Ак] Классификация способов адресации: Явная и неявная. Явная адресация – в команде присутствует Ак. Неявная адресация – Ак отсутствует. Применяется при стековой адресации. Непосредственная, прямая и косвенная. Прямой называется такая адресация, при которой Ак совпадает с Аисп. Недостатком способа является – нерациональное использование памяти, т.к. при большом объеме адресного поля требуется длинное адресное поле команды. Достоинство состоит в том, что обеспечивается простота программирования. Непосредственная адресация – в адресном поле команды располагается операнд. В этом случае не производится обращение к памяти и время выполнения сокращается. Способ используется для задания констант длиной меньше адресного поля команды. Косвенная адресация – Ак команды указывает адрес ячейки памяти, в которой находится адрес операнда. Адрес указателя может быть неизменным, а косвенный адрес может меняться, что упрощает обработку массивов и списковых структур данных, упрощает передачу параметров в подпрограмму. Используется в ЭВМ с коротким машинным словом. Абсолютная и относительная. Абсолютная адресация – преобразование кода адреса (Аисп) не производится. Относительный способ адресации – код адреса ячейки памяти образуется из нескольких составляющих (кода базы, кода индекса, кода смещения). Схемы формирования относительных адресов способами суммирования (рис. 14.1), совмещения (рис. 14.2), при индексной адресации и базировании (рис. 3). Относительная адресация. Адрес указывается не абсолютно, а относительно некоторого числа записанного в специальном регистре – регистре базового адреса или просто базе, само число при этом называется базовым. Для хранения базового адреса в ЭВМ может быть предусмотрены специальные регистры или специально выделенные ячейки памяти. Относительная адресация позволяет при меньшей длине адресного кода получить доступ к любой ячейке. С помощью такого метода адресации удается получить перемещаемый программный модуль, который одинаково выполняется П независимо от адресов, в которых он расположен. Индексная адресация эффективна для организации однотипных операций над элементами массива. Применяется в мини и ПЭВМ, является сочетанием косвенной и индексной адресации, содержание РегП увеличивается/уменьшается до и после выполнения операции с О на постоянную величину. При небольших аппаратных затратах этот способ высоко эффективен при обработке массивов. Стековая адресация. Стек реализуется аппаратно или программно. При первом способе реализации стека он представляет собой группу последовательных регистров или ячеек памяти. Для чтения и записи доступен один регистр – вершина стека. Стек реализует правило: «последний пришел, первый обслуживается». Практическая реализация производится на основе обычной памяти с использованием указателя стека и автоиндексной адресации. Записи в стек производятся с увеличением индекса на единицу, а считывание с уменьшением. В отладочном устройстве «Электроника - 580» - наоборот, используется перевернутый стек. 15. Состав и основные функции ЦП П – совокупность УУ, АЛУ и связанных с ними триггеров и регистров. Он организует процесс обработки информации путем выборки и последующего выполнения команд программы, находящейся в памяти ЭВМ. Различают следующие виды процессоров: - центральный; - специальный; - ввода - вывода; - передачи данных; - коммуникационный. Основные функции ЦП: 1. дешифрирование кода и выполнение команд; 2. инициализация и контроль работы процессов ВВ; 3. прием и обработка сигналов прерывания. Структурная схема ЦП. Фон неймановская модель ЭВМ. Благодаря её простоте и большой гибкости при управлении вычислительным процессом самых первых образцов ЭВМ она является доминирующей. В последние годы, стремясь достигнуть существенного повышения производительности ЭВМ, конструкторы, в ряде случаев, отходят от этой модели. Возможности построения ЭВМ с отдельными модулями памяти и шинами передачи и хранения команд и данных, допускающие параллельные во времени извлечение их из памяти и передачу по шинам привела к построению новой модели. Такая модель получила название гарвардской, т.к. впервые реализована в гарвардском университете, в 1944 г., на релейной вычислительной машине. Основные функциональные блоки: АЛУ. Предназначено для выполнения арифметических и логических операций над операндами, поступающими из ОЗУ или РОН, под действием управляющих сигналов ЦУУ. Имеет в своем составе несколько регистров, предназначенных для хранения операндов в процессе выполнения вычислительных операций и функционирования схемы, для выполнения преобразований операндов при передаче их из одного регистра в другой. УУ. Предназначено для формирования распределенных во времени и пространстве последовательности управляющих сигналов. Обеспечивает выборку очередной команды из памяти, дешифрирования кода команды, формирования адресов операндов, выборку их из памяти, передачу операндов в АЛУ (где выполняется операция соответствующая коду операции), передачу полученного в АЛУ результата операции в память или аккумулятор, инициализацию операций ВВ, организацию реакции П на запросы прерывания. Блок управляющих регистров. Предназначен для временного хранения управляющей информации. Он содержит счетчики, регистры и управляющие триггеры, участвующие в управлении вычислительным процессом. РОН. Местная память, предназначенная, для хранения результатов операций из АЛУ и повышения быстродействия и логических возможностей П. Регистры этого блока указываются в командах программы путем укороченной регистровой адресации, и служит для хранения операндов в качестве аккумуляторов (регистров результатов операции), базовых и индексных регистров, указателя стека, вершины стека и т.д. Эта память выполняется главным образом в виде быстродействующих полупроводниковых ЗУ. Блок связи с ОП или интерфейс П. Организует обмен информации ЦП с ОЗУ, каналами, ПУ и внешними устройствами по отношению к ЭВМ (другие ЭВМ, приборы контролирующие ТП). Блок прерываний. Обеспечивает реакцию ЦП на запросы прерывания, поступающих от внешних источников. Прерывание – основной элемент реализации мультипрограммной работы. Прерывание программы – способность ЭВМ, при возникновении определенной ситуации, прервать выполнение текущей программы, запомнить её состояние и передать управление программе реализующей реакцию ЭВМ на конкретное прерывание. Блок контроля и диагностики. Обнаруживает сбои и отказы в функционировании аппаратуры ЭВМ. Блок защиты памяти. Предотвращает несанкционированный доступ к программам и данным, памяти. Процессор – является устройством, которое непосредственно осуществляет процесс обработки данных и программное управление этим процессом. ЦП дешифрирует и выполняет команды программы, организует обращение к ОЗУ, в необходимых случаях инициирует работу ПУ, воспринимает и обрабатывает запросы на прерывание, поступающие от различных устройств ЭВМ и внешней среды. Запросы на прерывание. Выполнение команды может быть разделено на мелкие этапы – микрооперации – во время которых выполняются определенные элементарные действия. Конкретный состав микроопераций и последовательность их выполнения определяется системой команд, логической структурой и особенностями конкретной ЭВМ. Для определения временных соотношений между различными операциями или их этапами используется понятие машинный такт. Границы тактов задаются синхросигналами, которые вырабатываются специальной схемой – генератором синхросигналов. В соответствии с этим устанавливается следующая реализация алгоритмов в процессоре: Программа – команда – микрооперация. Все возможные преобразования дискретной информации могут быть сведены к видам: 1. передача информации в пространстве (из одного блока в другой); 2. передача информации во времени (хранение); 3. логические; 4. арифметические. Т.к. ЭВМ является универсальным преобразователем цифровой информации, то она выполняет все эти виды преобразований. Программа – представляет собой алгоритм обработки информации, записанной виде интегрированной последовательности команд, которые должны быть выполнены ЭВМ для формирования результатов реализации алгоритма. Команда – код, определяющий операцию и данные в ней участвующие. В ней содержатся не сами операнды, а информация об адресах в памяти. Команда состоит из операционной и адресной части. Структура команды определяется составом, назначением и расположением полей в команде. Форматом команды называют её структуру с разметкой номеров разрядов, определяющих границы отдельных полей команды. 16. Центральное устройство управления Предназначено для автоматического выполнения программ путем выработки управляющих сигналов, необходимых для выполнения всех команд, координирующих работу узлов и блоков ЭВМ. В соответствии с принципом программного управления ЦУУ формирует управляющие сигналы для реализации следующих функций: o выборка из ОЗУ кода очередной команды; o расшифровка кода операции и признаков команды; o формирование исполнительного адреса; o выборка операндов; o выполнение машинной операции; o анализ запросов на прерывание исполняемой программы; o формирование адреса следующей команды; o запись результатов в ОЗУ. Для этого ЦУУ содержит: регистр команд; блок адреса команды; блок управления операциями прерываний; блок тактовых импульсов. Устройства управления классифицируются следующим образом: 1. микропрограммные; 2. аппаратные; 3. смешанные. В микропрограммных УУ каждому управляющему сигналу соответствует определенное слово, хранимое в специальной памяти ПЗУ, называемое микрокомандой. Совокупность микрокоманд образует микропрограммы и соответствующие последовательности управляющих сигналов для выполнения некоторых операций. Управление осуществляется путем чтения из микропрограммной памяти микрокоманд и их преобразование в сигналы по управляющим цепям. Изменение набора команд, выполняемых П сводится к замене содержимого памяти микропрограмм и не требует изменения состава аппаратных средств, что является достоинством устройства. Недостаток: частое обращение к ПЗУ, следовательно большое время выполнения. В аппаратных УУ управляющие сигналы формируются специальными аппаратными средствами (электронными схемами) и изменение ранее заложенной структуры последовательностей соответствующих сигналов без изменения в аппаратных средствах невозможно, что является главным недостатком. Достоинство: нет обращений к памяти. УУ смешанного типа. Здесь управляющие сигналы осуществляются частью по микропрограммному, а частью по аппаратному способам. По способу построения рабочего цикла выделяют УУ: 1. с прямым циклом (в два этапа: выборка команды и её выполнение); 2. с обратным циклом (выполнение команды предыдущего цикла и выборка следующей команды); 3. с совмещенным циклом (используются многокомандные процедуры, совмещающие оба способа). По способу выработки управляющих сигналов определяют УУ: 1. централизованные (вырабатывает всю последовательность сигналов для всех команд); 2. смешанные (применяются в программах с собственными узлами управления); ЦУУ вырабатывает основные сигналы, а затем передает управление местному узлу управления, само при этом приостанавливает работу. Применяется для выполнения длинных операций. По способу синхронизации выделяют УУ: 1. с постоянным числом тактов; 2. с переменным числом тактов. 17. Арифметико­логическое устройство Выполняет арифметические и логические операции над двоичными кодами команд и данных, поступающих в него. Единственное устройство, которое преобразует информацию, все остальные передают или хранят её. Состав АЛУ: 1. регистр для хранения кодов операций; 2. сдвигатели на единицу или на несколько разрядов; 3. преобразователи кода; 4. сумматоры (накапливающего и комбинационного типа, последовательные и параллельные); 5. схема управления. Типы АЛУ: по системам счисления: с двоичной и десятичной арифметикой; по формам представления числовых данных: естественной и нормальной формы; по виду связей между узлами: с непосредственными связями (рис. 1) и с магистральной структурой (рис. 2); по типу использования элементов и узлов: блочные (для каждого вида представляемых чисел свой блок) и многофункциональные (для мини и средних ЭВМ 18. Понятие состояния процессора. Вектор состояния Состояние регистровых структур П после выполнения каждого цикла команды изменяется. Совокупность всех состояний регистров П носит название вектора состояний процессора, который создает всю необходимую и достаточную информацию для восстановления прерванной программы или повторного пуска с данной точки. ВС записывается в соответствующих регистрах П и претерпевает изменения после выполнения команды. В ВС входят не все регистры процессора, при этом предполагается, что остальная информация процесса может быть восстановлена или загружена из основной памяти. Обычно под ВС понимают совокупность: регистров состояний; регистров команд; аккумулятор и др. регистры. Т.е., на момент прерывания ВС различен для разных ЭВМ и зависит от конструкционных особенностей каждой. ВС МП 580 включает: 16 разрядный счетчик команд; 8 разрядный регистр признаков; Аккумулятор . 19. Принципы организации системы прерываний. Прерывание – реакция системы на некоторый запрос и выполнение специальной программы, предназначенной для обработки данного запроса. Во время выполнения программы внутри машины и, связанной с ней внешней средой, могут возникать события, требующие немедленной реакции на них со стороны ЭВМ. Эта реакция заключается в том, что машина прерывает обработку текущей программы и переходит к выполнению другой, специально разработанной для идентификации этого события. По завершению специальной программы ЭВМ возвращается к текущей в точку прерывания. Каждое событие, требующее прерывания сопровождается специальным сигналом, который называется запросом на прерывание. Программу, затребованную запросом прерывания, называют прерывающей; противопоставляя её прерываемой программе, выполняющейся до запроса. Запросы могут возникать как внутри ЭВМ, так и в её внешней среде. Запросы прерываний могут формироваться следующими параллельными во времени процессами: выполнение самой программы; контроль правильности функционирования; процессы ВВ; взаимодействие с внешними объектами. Т.о., прерывание программы относится к важному архитектурному свойству, которое обеспечивает эффективное использование ресурсов П при наличии нескольких параллельно протекающих во времени процессов (работа П и ПУ, и управление в реальном масштабе времени внешними процессами). Это позволяет вести несколько программ одновременно. Для организации эффективной работы по организации прерываний программ в ЭВМ используются соответствующие аппаратные и программные средства, совокупность которых получила название системы прерываний программ. Она выполняет следующие функции: 1.определение приоритетных соотношений; 2.запоминание ВС П; 3.осуществление перехода к прерывающей программе; 4.восстановление состояния прерванной программы и возврат к её продолжению. При наличии нескольких источников запросов прерываний должен быть установлен определенный порядок в обслуживании поступающих запросов, т.е. должны быть установлены приоритетные соотношения, определяющие, какой из нескольких поступающих запросов подлежит обработке первым и имеет или не имеет право прервать ту или иную программу. Приоритет выбора запросов прерывания входит в процедуру перехода к прерывающей программе. Оценка эффективности систем прерывания определяется следующими характеристиками: 1.общее количество запросов на прерывание, т.е. общее количество входов в систему прерывания; 2.время реакции, т.е. время между появлением запроса и началом выполнения прерывающей программы; Для одного и того же запроса задержки в использовании прерывающей программы зависят от того, сколько программ со старшими приоритетами ждет обслуживания. Затраты времени на переключение программ - tп=tз+tв – складывается из времени запоминания и времени восстановления. 20. Уровни и глубина прерываний. Если после перехода к прерывающей программе и вплоть до её окончания прием других запросов запрещен, то, говорят, что система имеет глубину прерываний 1. Глубина прерываний равна n, если допускается последовательное прерывание до n программ. Т.о., глубина прерываний характеризуется максимальным числом программ, которые могут прервать друг друга. Обычно она совпадает с числом уровней приоритета. Система с большей глубиной прерываний обеспечивает большую реакционную способность вычислительных системы. Число уровней прерываний (классов) – это совокупность запросов трактующихся одним уровнем приоритета, инициирующим одну и ту же обрабатывающую программу. Число уровней прерываний обычно совпадает с глубиной прерываний. 21. Дисциплина обслуживания Дисциплина обслуживания. Различают виды: 1.программный (циклический опрос входов системы, приоритет запросов соответствует расположению этого запроса в регистре флагов); 2.аппаратный (основан на схемах жесткой логики); 3.векторный (используются либо регистр масок, либо специальные регистры типа дескрипторных, в которой хранится начальный адрес прерывающей программы). Если запрос окажется необслужанным к моменту прихода нового запроса от того же источника, то возникает насыщение системы. В этом случае ЗНП от указанного источника будет утерян, что недопустимо. Поэтому при конструировании машин быстродействие, характеристики системы прерываний, число источников прерывания и частота возникновения запросов должны быть взаимно согласованы таким образом, чтобы не произошло насыщения системы. Большей частью в ЭВМ прерывания допускаются после окончания любой текущей программы, время реакции системы характеризуется длительностью выполнения соответствующей команды. Однако, для ЭВМ предназначенной для работы в реальном масштабе времени это время реакции может оказаться большим, потому для такой ЭВМ реакции прерывания осуществляются после любого такта выполнения команд. При этом возрастает количество информации, которое необходимо при запоминании и восстановлении, и при переключении программ для прерываемой и прерывающей программ. В этом случае необходимо запомнить также состояние на уровне микроопераций в момент прерывания (счетчика тактов, регистра кода операции и т.д.). Предложенная система реализации прерываний возможна только в ЭВМ с быстродействующими СОЗУ. В вычислительных машинах число различных ЗНП может достигать нескольких десятков. Запросы, в этом случае, разбивают на отдельные классы/уровни. Схема распознавания классов прерывания Запросы всех источников прерывания поступают на регистр ЗНП, устанавливающий соответствующие его разряды/флажки в единичное состояние, определяя т.о. наличие запроса прерывания от соответствующего источника. Запросы: ЗПК 1, ЗПК i, ЗПК k - формируются логическим элементом ИЛИ объединяющим разряды регистра запросов, который характеризует соответствующие классы прерывания. Общая схема ИЛИ объединяет запросы классов и формирует ОСП, который поступает в УУ. Информация о действительной системе прерывания, породившая запрос данного класса содержится в коде прерывания, который отражает состояние разрядов регистра запросов, относящихся к данному классу прерываний. После принятия запросов и передачу управления прерывающей программе соответствующий триггер РГЗП сбрасывается. Объединение запросов в классы позволяет уменьшить количество АС, но уменьшает быстродействие работы системы прерываний. 22. Память ЭВМ Память - совокупность устройств, служащих для фиксации хранения и выдачи информации. Отдельные устройства этой совокупности называются запоминающими устройствами или памятью определенного типа. Термин ЗУ упоминается, если речь идет о принципе построения некоторого устройства, термин память – если необходимо подчеркнуть логическую функцию, выполняемую устройством, или место расположения в составе ЭВМ. Процесс фиксации ЗУ – запись, процесс выдачи – считывание. Запись и чтение есть основные операции в ЗУ и определяются как обращение при записи обращение при чтении. При обращении к памяти осуществляется запись некоторой величины данных (байт, слово, блок данных). Характеристики ЗУ: емкость памяти (мак. количество хранимых в ней данных); удельная емкость (отношение емкости к физическому размеру); быстродействие. Быстродействие памяти определяется продолжительностью операции обращения, т.е. временем необходимым для поиска места хранения нужной информации в памяти или места последующей записи. В некоторых устройствах памяти считывание сопровождается стиранием и в этом случае цикл обращения содержит операцию восстановления считанной информации. Время обращения к памяти при чтении определяется выражением: чтен чтен tобр tдост t чтен t реген , чтен t дост = время доступа при чтении – время от начала момента чтения до возможности обращения к данной единице информации. t чтен = время физического процесса чтения. t чтен раген = время регенерации утраченной информации. Время обращения к памяти при записи определяется выражением: зап зап зап t обр t дост t подг t зап зап t подг t зап = время на приведение в исходное состояние запоминающего элемента. = время внесения информации в ЗЭ. 23. Оперативная память и организация запоминающей среды (на ферритовых сердечниках, полупроводниковое ОЗУ) ОП представляет устройство, обеспечивающее хранение информации (программа, данные) непосредственно используемых в процессе выполнения операции в АЛУ и УУ. Характеристики ОП в значительной степени влияют на показатели: быстродействия в первую очередь. ОП высокопроизводительных ЭВМ должна иметь 128:512Мб, цикл обращения должен находиться в наносекундном диапазоне. ЗЭ ОП могут строиться на магнито-ферритовых сердечниках, интегральных микросхемах, магнитных лентах. Организация запоминающей среды. Hc –коэрцитивная сила необходимая для того, чтобы изменить намагниченность и превысить Hc.Процесс рассматривается на основе петли гистерезиса, которая имеет форму близкую к прямоугольнику. Запоминание двоичных кодов основано на наличии у сердечников двух устойчивых состояний остаточного намагничивания противоположных знаков (ферромагнетики). Остаточная намагниченность, соответствующая единице (+Br), соответствующая нулю (-Br). Запись единицы в сердечник происходит подачей тока, создающей поле +Hm превышающее коэрцитивную силу сердечника +Hc, при этом сердечник после снятия поля устанавливается в состояние +Br. Для записи нуля во входную обмотку подается импульс тока создающий поле -Hm, после снятия, которого сердечник перейдет в состояние -Br. Полупроводниковые запоминающие устройства. По сравнению с ферритовыми имеют ряд достоинств: большее быстродействие; компактность; дешевизна; совместимость по сигналу с логическими схемами. Недостаток заключается в их энергозависимости. По типу ЗУ делят на: биполярные (на основе биполярных транзисторов, построенных на основе ТТЛ, ЭСЛ схемах); МОП ЗУ (на основе МОП транзисторов). В биполярных интегральных ЗУ в качестве ЗЭ используется статический триггер на двух многоэмиттерных транзисторах. Эмиттеры 1.1,2.1 – являются парафазными информационными входами ЗЭ и служат для записи информации в триггер. Адресные эмиттеры 1.2,2.2,1.3,2.3 образуют два связных входа выборки. 0.4В ~0, 2.4B ~ 1, 1.5B ~ промежуточное состояние. Состояния нуля и единицы распознаются по наличию тока в разрядной линии нуль (открыт Т1), или в разрядной линии единица (открыт Т2). В режиме хранения, когда ЗЭ не выбран, эмиттерный ток открытого транзистора замыкается на землю через адресные эмиттеры, адресные линии и адресные дешифраторы, находятся под потенциалами логического нуля. При этом информационные эмиттеры должны быть заперты, для чего на них подается 1,5В, которые больше потенциалов адресных эмиттеров. При выборке ЗЭ на его адресный эмиттеры с адресных дешифраторов подается логическая единица (напряжение 2,4В), превышающий потенциал информационного эмиттера. Поэтому информационные эмиттеры остаются запертыми, а коллекторный ток открытого транзистора течет в его информационный эмиттер, чем обеспечивает считывание из ЗЭ или запись в него. Считывание происходит без разрушения хранимой информации в ЗЭ. При считывании на входы обоих усилителей записи подается логический ноль, в результате на их выходах оказывается потенциал логической единицы, запирающий усилители записи, тем самым, предотвращающий ответвления в них тока считывания (тока информационных эмиттеров). Для записи в ЗЭ нуля или единицы соответствующего усилителя записи с его выхода на подключенный информационный эмиттер подключается потенциал логического нуля, а на другой информационный эмиттер продолжает поступать, с его невозбужденного усилителя потенциал 1,5В. при записи единицы триггер, который перед этим находился в состоянии единицы (открыт Т2) подача потенциала низкого уровня на эмиттер 2.1 не меняет состояние триггера. Если находился в состоянии нуля до записи (открыт Т1), то при подаче потенциала низкого уровня откроется Т2, а Т1 закроется и триггер переходит в состояние единицы. Интегральная микросхема биполярных ЗУ строится на основе кристалла кремния. В нем образуется массивы ЗЭ (т.е. триггеров с соответствующими соединениями, с адресными дешифраторами, усилителями формирования чтения, записи, схемы для управления выборкой). В настоящее время биполярные ЗУ дороже и, следовательно, используются в качестве СОЗУ. Для построения ОЗУ используются МОП транзисторы с быстродействием 10-100 нсек. Этот тип относится к динамическим МОП ЗУ. 24. Стековая память. ПЗУ Стековая память реализует безадресное задание оператора и является эффективным элементом архитектуры. В такой памяти ячейки образуют одномерный массив, в котором соседние ячейки связаны разрядными цепями передачи слов. Запись нового слова производится в верхние ячейки, при этом все ранее записанные слова сдвигаются вниз в соседние ячейки с большим номерами. Считывание и запись возможны только из верхней ячейки, причем считывание сопровождается удалением. Считывание элементов производится с уменьшением индекса. Стек реализует правило «последний пришел, первым обслуживается». Иногда стековая память снабжается счетчиком, показывающим количество записанных слов. Чаще всего такая память организуется с использованием адресной памяти. Счетчик стека отсутствует, т.к. используется указатель стека. Постоянно запоминающее устройство. В рабочем режиме допускает только считывание хранимой информации. В зависимости от типа ПЗУ, занесение информации в него производится или в процессе изготовления, или в эксплуатационных условиях (путем программ настройки). Во втором случае такие ПЗУ называют программируемыми. ПЗУ строят как адресное ЗУ. Функционирование можно рассматривать как выполнение однозначного преобразования k – разрядного адреса ячейки ЗМ в n – разрядный код хранящейся в ней информации. В соответствии со схемой функционирования ПЗУ можно считать преобразователем кодов или комбинационной схемой. По сравнению с ОЗУ конструкция ПЗУ проще, выше быстродействие и надежней, стоимость ниже. В ПЗУ хранятся микропрограммы, программы запуска, тестирования и т.д. ЗМ образуется системой взаимно перпендикулярных линий, в пересечении которых устанавливаются ЗЭ, которые либо связывают (состояние единицы), либо не связывают (состояние нуля) между собой соответствующие адресные и разрядные линии. Дешифратор по коду адреса в РгА выбирает одну из адресных линий, в который подается сигнал выборки. Сигнал «1» появляется на тех вертикальных линиях, которые имеют связь с возбужденной адресной линией, при этом происходит считывание кода в РгИ. В зависимости от связывающих элементов выделяют следующие виды ПЗУ: 1. резисторные; 2. емкостные; 3. индуктивные; 4. полупроводниковые. Наибольшее распространение получили последние. Достоинством полупроводниковых ПЗУ в том, что имеется возможность программирования их в условиях эксплуатации и многократного перепрограммирования. ПЗУ является энергонезависимой. По типу ЗЭ принято выделять ПЗУ: 1. биполярные (время выборки ~30нсек., емкость одного кристалла~16кбит); 2. МОП схемы. По способу занесения информации ПЗУ бывает: 1. с программируемым в процессе изготовления путем нанесения при помощи фотошаблонов контактных перемычек; 2. с программированием путем выжигания перемычек или пробоем p-n переходов (возможно выполнение пользователем); 3. с электрическим программированием, при котором информация заносится в ЗЭ электрическим путем, а её стирание воздействием на ЗЭ ультрафиолетового излучения. Допускается многократное программирование. Рассмотрим ПЗУ, которая представлена биполярным транзисторным ЗЭ с выжигаемой перемычкой, которая соединяет адресные и разрядные линии. На базу транзистора поступает сигнал, который открывает Т и при наличии перемычки на разрядной линии У передается потенциал коллектора 5В. 25. Пропускная способность процессора и памяти Рост производительности ЭВМ проявляется в повышении скорости, которая достигается за счет использования более новых быстродействующих электронных схем, специальных архитектурных решений, к которым относятся: конвейерная и веерная обработка информации связанной с работой ОП. Быстродействие ОП также растет, однако это быстродействие все время отстает от быстродействия П, потому что одновременно происходит рост её объема, что делает более трудным уменьшение времени цикла работы ОП. Без согласования пропускных способностей П и ОП невозможно реализовать производительность соответствующую быстродействию П. Для решения указанных проблем используются следующие структурные решения: 1. конвейеризация процедур цикла выполнения команды. Принцип ак. Глушкова; 2. расслоение ОП путем многомодульного построения с веерной адресацией; 3. буферизация (использование более быстродействующей, чем ОП буферной памяти). Эта буферная память является структурным элементом процессора и включается между П и ОП. Такая память является скрытой для пользователя (или кэш - память), к ней нет возможности обращения и её обнаружения. Но присутствие её позволяет повысить быстродействие системы в целом. При обращении П к ОП для считывания, в кэш – память передается блок информации из ОП, содержащий нужное слово. Происходит опережающая выборка, т.к. высока вероятность того, что ближайшее обращения будут происходить к словам этого же блока, уже находящихся в кэш. Это приводит к уменьшению среднего времени, которое затрачивается на выбор данных. Эффективность кэш – памяти зависит от её емкости, размера блока, соотношения времени считывания слова из кэш и блока из ОП проявляется в уменьшении среднего времени, которое затрачивается на выборку данных и определяется выражением: t оп.блок , где tкэш – время считывания слова из кэш; tоп.блок – время считывания блока из ОП; t ср.счит t кэш k ср kср – среднее число обращений к кэш между двумя последовательными обращениями к ОП. По способу запоминания новой информации выделяют: запоминание в кэш и ОП одновременно (всегда в ОП есть последняя копия хранящейся в кэш информации); запоминание только в кэш (копирование в ОП происходит только передачи к другим устройствам или вытеснении из кэш). 26. Организация систем ввода­вывода В ЭВМ кроме П и памяти, которые образуют обрабатывающее ядро, содержится также разнообразные по выполняемым функциям и принципам действия ПУ, предназначенные для хранения значительных объемов информации (ВЗУ) и для осуществления функций ввода-вывода информации (УВВ). Передача информации из ПУ в ядро ЭВМ называется операцией ввода, а из ядра в ПУ – операцией вывода. Связь устройств между собой в ЭВМ осуществляется с помощью сопряжения, которое называется интерфейсом. Он представляет собой совокупность линий и шин, сигналов, электронных схем и алгоритмов (протоколов), предназначенных для осуществления обмена между устройствами. Характеристики интерфейсов в значительной степени влияют на производительность и надежность ЭВМ. Проблемы построения систем ВВ: обеспечение возможности реализации ЭВМ с переменным составом оборудования; реализация параллельной работы П над программой и выполнение процедур ВВ; стандартизация операций ВВ; обеспечение автоматического распознавания и реакция ядра ЭВМ на ситуации в ПУ. Пути решения проблем: модульность; унифицированные форматы данных для обмена, унифицированные форматы сообщений о состоянии внешнего устройства; унифицированный интерфейс; унифицированные, не зависящие от типа ПУ, форматы и набор команд П для операций ВВ. Для обеспечения параллельной работы во времени ПУ с выполнением программы П, схемы управления ВВ отделяют от процессора и придают им автономность. Многие функции управления операциями ВВ не зависят от типа ПУ, являются общими. Другие, напротив – являются специфическими для данного типа устройств. В соответствии с этим выполнение общих функций возлагает на общие для групп периферийного оборудования унифицированные устройства (контроллеры и П каналов ВВ). А специфические функции на специализированные для данного типа ПУ, электронные блоки управления (адаптеры). 27. Структура систем ввода­вывода В зависимости от типа ЭВМ, её назначения, принципы построения и структуры систем ВВ отличаются. Определяющими факторами являются разнообразие и число ПУ в составе ЭВМ, а также интенсивность обмена данными. Основные принципы построения структур систем вода – вывода: 1. ЭВМ с общим интерфейсом (рис. 1); 2. ЭВМ со множеством интерфейсов и каналами ВВ. Рис. 1 Эта структура состоит из общей шины, к которым подсоединены все устройства, в своей совокупности образующие ЭВМ. 28. Понятие интерфейса. Каналы ввода­вывода Особенности систем ВВ с общим интерфейсом: 1. в каждый момент времени обмен осуществляется только между одной парой модулей (один из них П); 2. ряд ПУ подсоединяются к ОШ с помощью блоков управления ПУ (УПУ), которые осуществляет согласование форматов данных ПУ с форматом принятым для передачи по ОШ. Формат соответствует машинному слову П и ли ширине выборки ОП. Шириной выборки можно назвать максимальный размер машинного слова, который можно извлечь. Этот способ обмена мало подходит для ПУ с поблочной передачей данных. Для этого необходимы контроллеры ПДП. Структура систем ВВ с общей шиной имеет место в малых и микро ЭВМ, где ширина выборки 1-2 байта. При общем интерфейсе аппаратура управления ВВ рассредоточена по отдельным устройствам, и объем её зависит от числа ПУ. Достоинство: простота и гибкость при построении различных конфигураций. Недостаток: малая производительность и риск поломки ОШ, а, следовательно, и всей ЭВМ. Структура систем ВВ с П ВВ (каналами ВВ). Система на основе управления программно-управляемых П (каналов ВВ), наличие которых дает возможность освободить П от управления операциями ВВ. В ЭВМ с КВВ отсутствует однородность в структуре потоков и форматах обмена данными, что требует наличия нескольких специализированных интерфейсов. В соответствии с этим выделяют следующие типы - интерфейсы: 1. ОП; 2. процессор – консоль; 3. ВВ; 4. малые. Все они характерны для ЭВМ с общим интерфейсом. Наиболее быстродействующим являются интерфейсы ОП и процессор – консоль. Информация здесь передается словами или словами двоичной длины (4-8 байт) в ОП, а через интерфейс ВВ побайтно или словами. Основные параметры интерфейса: 1. пропускная способность – количество информации, передаваемой по каналу в единицу времени; 2. максимальная частота передачи информационных сигналов; 3. максимально допустимое расстояние между соединяемыми устройствами; 4. динамические параметры (время передачи отдельного слова или блока данных); 5. общее число линий в интерфейсе; 6. информационная ширина интерфейса. Функции КВВ. При выборе функций возлагаемых на КВВ исходят из условия обеспечения реализации параллельной во времени работы П над программой с выполнением ПУ операций ВВ. для этого необходимо освободить процессор от операций управления обмена между ПУ и ОП, возложив это на каналы, управляемые канальными программами. При этом П должен лишь инициировать операции и указывать адрес начала программы канала для задаваемой операции ВВ. задание размера массива данных и области памяти, участвующих в обмене; формирование адресов последовательных ячеек ОП; подсчет числа единиц данных прошедших через канал; определение момента завершения передачи массива данных. При этом канал должен осуществлять буферизацию и преобразование форматов передаваемых данных для согласования работы ОП и ПУ. Дополнительные функции КВВ: организация цепочки данных. Возможны случаи, когда массив информации, предназначенный для передачи, не располагается в ОП последовательно, а состоит из нескольких подмассивов, которые расположены в произвольных участках. Для исключения включения в программу П, для каждого подмассива – отдельные команы ВВ, канал должен допускать задание в канальной программе цепочки данных для передачи составного массива; организация пропуска информации. Возможность задания в канальной программе пропуска информации в цепочке данных и реализации его без привлечения П; организация цепочки операции. При обмене информацией между ОП и ПУ может оказаться, что должна выполняться определенная последовательность операций ВВ. При этом целесообразнее, чтобы при подобных последовательностях для каждой операции не требовалось участие П. Для этого КВВ должен обеспечивать задание цепочек операций в канальной программе; блокировка контроля неправильной работы считываемого массива. При нарушении соответствия длины массива, считываемого или записываемого в результате операций ВВ, длине физической записи возникает сигнал прерывания; формирование запросов прерывания от ВВ. канал должен извещать П об окончании каждой операции ВВ, а также об обнаружении ошибок. Должна также иметься возможность задания в программе канала прерывания на любом этапе операции ВВ, т.е. все выполненные операции ВВ, предшествующие в канальной программе этому запросу; управляющая информация для операций ВВ. Управление ВВ с КВВ строится иерархически (1 уровень – П, 2 уровень – КВВ, 3 уровень - ПУ). В управление ВВ используются коды состояния канала (слово состояние канала) и коды состояний ПУ (байт состояния). Программа канала представляет собой некоторую последовательность управляющих слов канала, обеспечивающие выполнение определенной операции ВВ. Канальные программы хранятся в ОП. Основные типы и структура КВВ. В зависимости от соотношения быстродействия ОП и ПУ в каналах ВВ реализуются 2 режима работы: 1. монопольный (после становления связи между каналом и ПУ, ПУ занимает этот канал на все время, пока полностью не завершится инициируемая П канальная программа работы с данным ПУ); 2. разделенный во времени (несколько ПУ разделяют во времени КВВ, при этом каждый из параллельно работающих с данным каналом ПУ связывается с КВВ на короткое время, только после того, как ПУ подготовлено к приему/выдаче очередной порции информации; промежуток времени, в течение которого происходит передача, называется сеансом связи). В зависимости от реализуемого режима работы различают мультиплексный канал и селекторный. Мультиплексный канал одновременно обслуживает несколько параллельно работающих ПУ, организуя попеременные сеансы связи, для обмена небольшими порциями информации. Он предназначен для работы со сравнительно медленными устройствами, способными ожидать обслуживания без потери информации. Структурная схема мультиплексного канала. АС МПК делят на: 1. средства для обслуживания отдельных ПУ; 2. оборудование, являющееся общим для всех устройств. Число подканалов определяет максимальное число одновременно работающих с данным каналом ПУ. Физически подканал реализуется в виде участка памяти, в котором хранятся параметры операций ВВ. В качестве памяти используются специальная память, встроенная в МПК, либо участок ОП ЭВМ. Основные сокращения: Аисп – исполнительный адрес команды; Ак – адресный код; АКК – адаптер канал – канал 29. Вычислительные системы. Вычислительная система (ВС) - это взаимосвязанная совокупность аппаратных средств вычислительной техники и программного обеспечения, предназначенная для обработки информации. Иногда под ВС понимают совокупность технических средств ЭВМ, в которую входит не менее двух процессоров, связанных общностью управления и использования общесистемных ресурсов (память, периферийные устройства, программное обеспечение и т.п.). Вычислительная система (ВС) - совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенная для сбора, хранения, обработки и распределения информации. Создание ВС преследует следующие основные цели: · повышение производительности системы за счет ускорения процессов обработки данных; · повышение надежности и достоверности вычислений; · предоставление пользователям дополнительных сервисных услуг и т.д. отличительной особенностью ВС по отношению к классическим ЭВМ является наличие в ней нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработку. Параллелизм выполнения операций существенно повышает быстродействие системы; он может также значительно повысить и надежность (при отказе одного компонента системы его функции может взять на себя другой), и достоверность функционирования системы, если операции будут дублироваться, а результаты их выполнения сравниваться. Параллелизм в вычислениях в значительной степени усложняет управление вычислительным процессом, использование технических и программных ресурсов. Эти функции выполняет операционная система ВС. Несмотря на то, что классическим является многомашинный вариант ВС, в ВС может быть только один компьютер, но агрегированный с многофункциональным периферийным оборудованием (стоимость периферийного оборудования часто во много раз превосходит стоимость центральных устройств компьютера). В компьютере может быть как несколько процессоров (тогда имеет место также классический многопроцессорный вариант ВС), так и один процессор (если не брать в расчет специализированные процессоры, входящие в состав периферийных устройств). В многомашинной вычислительной системе несколько процессоров, входящих в вычислительную систему, не имеет общей оперативной памяти, а имеют каждый свою (локальную). Каждый компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру, и такая система применяется достаточно широко. Однако эффект от применения такой вычислительной системы может быть получен только при решении задач, имеющих очень специальную структуру: она должна разбиваться на столько слабо связанных подзадач, сколько компьютеров в системе. 30. Вычислительные сети Вычислительная сеть - это совокупность компьютеров, соединенных между собой с помощью каналов связи в единую систему и использующих общие ресурсы. В зависимости от средств связи и по территориальному признаку компьютерные сети делятся на: - локальные - региональные - глобальные. По способу доступа к информации сети бывают: - открытые (общедоступные) - закрытые (корпоративные). Вычислительная сеть - ВС [network] – это совокупность ЭВМ, объединённых средствами передачи данных. Средства передачи данных в ВС в общем случае состоят из следующих элементов: связных ЭВМ, каналов связи (спутниковых, телефонных, волоконно-оптических и др.), коммутирующей аппаратуры и др. В зависимости от удалённости ЭВМ, входящих в ВС, сети условно разделяют на локальные и глобальные. Локальная сеть - ЛВС [local area network - LAN] – это группа связанных друг с другом ЭВМ, расположенных в ограниченной территории, например, в здании. Расстояния между ЭВМ в локальной сети может достигать нескольких километров. Локальные сети развёртываются обычно в рамках некоторой организации, поэтому их называют также корпоративными сетями. Если сеть выходит за пределы здания, то такая ВС называется глобальной [wide area network -WAN]. Глобальная сеть может включать в себя другие глобальные сети, локальные сети и отдельные ЭВМ. Глобальные сети практически имеют те же возможности, что и локальные. Но они расширяют область их действия. Польза от применения глобальных сетей ограничена в первую очередь скоростью работы: глобальные сети работают с меньшей скоростью, чем локальные. Сети предназначены для выполнения многих задач, в том числе: организация совместного использования файлов для повышения целостности информации; организация совместного использования периферийных устройств, например, принтеров, для уменьшения общих расходов на оборудование офиса; обеспечения централизованного хранения данных для облегчения их защиты и архивирования. Глобальные сети придают всему этому большие масштабы и добавляют такую удобную вещь, как электронная почта. Архитектура локальной сети Для характеристики архитектура сети используют понятия логической и физической топологии. Физическая топология [physical topology] – это физическая структура сети, способ физического соединения всех аппаратных компонентов сети. Существует несколько видов физической топологии. Наиболее простой является физическая шинная топология [bus topology], в которой кабель идёт от ЭВМ к ЭВМ, связывая их в цепочку. Различают толстые и тонкие сети. Толстая сеть [thicknet] использует толстый коаксиальный кабель в качестве магистрали, от которого отходят более тонкие кабели. В тонкой сети [thinnet] используется более тонкий и гибкий кабель, к которому напрямую подключены рабочий станции. Сети, построенные по шинной топологии, более дёшевы. Однако если узлы сети расположены по всему зданию, то гораздо более удобным оказывается использование звездообразной топологии. При физической звездообразной топологии [star topology] каждый сервер и рабочая станция подключаются к специальному устройству – центральному концентратору [hub], который осуществляет соединение пары узлов сети – коммутацию.