Билеты (маленький шрифт). Понятие эвм и ее основных характеристик структура, архитектура

• Название: Понятие эвм и ее основных характеристик структура, архитектура
• Дата: 27.12.2021
• Размер: 434.18 Kb.
• Имя файла: Билеты (маленький шрифт).docx
• Тип: Документы; #319756
• страница: 1 из 6

1. 
   Понятие ЭВМ и ее основных характеристик: структура, архитектура.
   

Электронная вычислительная машина — это комплекс технических и программных средств, предназначенный для автоматизации подготовки и решения задач пользователей. Под пользователем понимают человека, в интересах которого проводится обработка данных на ЭВМ. В качестве пользователя могут выступать заказчики вычислительных работ, программисты, операторы.

Требования пользователей к выполнению вычислительных работ удовлетворяются специальным подбором и настройкой технических и программных средств. Обычно эти средства взаимосвязаны и объединяются в одну структуру.

Структура — совокупность элементов и их связей.

Различают структуры технических, программных и аппаратно-программных средств. Выбирая ЭВМ для решения своих задач, пользователь интересуется функциональными возможностями технических и программных модулей

При этом пользователь интересуется не конкретной технической и программной реализацией отдельных модулей, а общими вопросами организации вычислений. Последнее включается в понятие архитектуры ЭВМ, содержание которого достаточно обширно.

Архитектура ЭВМ — это многоуровневая иерархия аппаратно-программных средств, из которых строится ЭВМ. Каждый из уровней допускает многовариантное построение и применение.

2. 
   Понятие ЭВМ и ее основных характеристик: быстродействие, производительность, надежность, точность, достоверность.
   

Быстродействие характеризуется числом определенного типа команд, выполняемых ЭВМ за одну секунду.

Производительность — это объем работ (например, число стандартных программ), выполняемый ЭВМ в единицу времени.

Надежность — это способность ЭВМ при определенных условиях выполнять требуемые функции в течение заданного времени

Надежность увеличивается при переходе на новую элементную базу – сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) — резко сокращает число используемых интегральных схем, а значит, и число их соединений друг с другом.

На надежность влияет компоновка компьютера и обеспечение требуемых режимов работы (охлаждение, защита от пыли).

Точность — возможность различать почти равные значения. Точность получения результатов обработки в основном определяется разрядностью ЭВМ, которая в зависимости от класса ЭВМ может составлять 32, 64 и 128 двоичных разрядов.

Достоверность — свойство информации быть правильно воспринятой. Достоверность характеризуется вероятностью получения безошибочных результатов.

3. 
   Классификация средств ЭВТ.
   

Традиционно ЭВТ подразделяют на аналоговую и цифровую.

В аналоговых вычислительных машинах (АВМ) обрабатываемая информация представляется соответствующими значениями аналоговых величин: тока, напряжения, угла поворота какого-то механизма и т.п. Эти машины обеспечивают быстродействие, используются в основном в проектных и научно-исследовательских учреждениях в составе различных стендов по отработке сложных образцов техники (о назначение специализированные вычислительные машины).

Под словом ЭВМ обычно понимают цифровые вычислительные машины, в которых информация кодируется двоичными кодами чисел.

Существуют три сферы д-ти человека, которые требуют использования различных типов ЭВМ.

Первое направление является традиционным — применение ЭВМ для автоматизации вычислений, т.е. для решения задач: проектирования новых образцов техники; моделирования сложных процессов; атомной и космической техники (отличие: наличие хорошей мат основы).

Вторая сфера применения ЭВМ связана с использованием их в системах управления (60 годы). Машины все больше стали использоваться для новых видов обработки: текстов, графики, звука и др. Для выполнения этих работ в настоящее время применяются в основном ПЭВМ.

Третье направление связано с применением ЭВМ для решения задач искусственного интеллекта. Задачи искусственного интеллекта предполагают получение не точного результата, а чаще всего осредненного в статистическом, вероятностном смысле (задачи робототехники, доказательства теорем, машинного перевода текстов с одного языка на другой, планирования с учетом неполной информации).

4. 
   Классификация средств вычислительной техники по быстродействию, по месту и роли в сети.
   

Классификация средств вычислительной техники по быстродействию

1. суперЭВМ для решения крупномасштабных вычислительных задач, для обслуживания крупнейших информационных банков данных;

2. большие ЭВМ для комплектования ведомственных, территориальных и региональных вычислительных центров;

3. средние ЭВМ широкого назначения для управления сложными технологическими про-изводственными процессами (также в качестве сетевых серверов);

4. персональные и профессиональные ЭВМ, позволяющие удовлетворять индивидуальные потребности пользователей (АРМ);

5. встраиваемые микропроцессоры (контроллеры), осуществляющие автоматизацию управления отдельными устройствами и механизмами.

Мощные машины и вычислительные системы предназначаются для обслуживания крупных сетевых банков данных и банков знаний( суперЭВМ)

Кластерные структуры представляют собой многомашинные распределенные вычислительные системы, объединяющие несколько серверов(гибкое управление ресурсами, обеспечение надежности, производительности и.т.).

Серверы — это выч. машины и системы, управляющие определенным видом ресурсов сети. Различают файл-серверы, серверы приложений, почтовые, коммуникационные, Web-серверы.

Термин «рабочая станция» отражает факт наличия в сетях абонентских пунктов, ориентированных на работу профессиональных пользователей с сетевыми ресурсами.

Сетевые компьютеры представляют собой упрощенные персональные компьютеры, вплоть до карманных ПК. Их основным назначением является обеспечение доступа к сетевым инф. ресурсам. Вычислительные возможности у них достаточно низкие.

5. 
   Общие принципы построения современных ЭВМ
   

Принципом построения ЭВМ является программное управление, т.е. представление алгоритма решения любой задачи в виде программы вычислений.

Алгоритм — это конечный набор предписаний, определяющий решение задачи посредством конечного количества операций.

Программа для ЭВМ — это упорядоченная последовательность команд, подлежащая обработке. Принцип программного управления может быть осуществлен различными способами. Все вычисления, предписанные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности управляющих слов — команд.

Каждая команда содержит указания на конкретную выполняемую операцию, местонахождение (адреса) операндов и ряд служебных признаков.

Операнды— переменные, значения которых участвуют в операциях преобразования данных.

Список (массив) всех переменных (входных данных, промежуточных значений и результатов вычислений) является неотъемлемым элементом любой программы.

Для доступа к программам, командам и операндам используются их адреса. В качестве адресов выступают номера ячеек памяти ЭВМ, предназначенных для хранения объектов.

Информация кодируется двоичными цифрами «0» и «1».

Каждый тип информации имеет свои форматы — структурные единицы информации, закодированные двоичными цифрами «0» и «1». Обычно все форматы данных, используемые в ЭВМ, кратны байту.

Последовательность битов в формате, имеющая определенный смысл, представлена полем. Например, в каждой команде программы различают поле кода операций, поле адресов операндов. Применительно к числовой информации выделяют знаковые разряды, значащие разряды чисел, старшие и младшие разряды.

Последовательность, состоящая из определенного, принятого для данной ЭВМ числа байтов, называется словом.

Схема ЭВМ, отвечающая программному принципу управления, логично вытекает из последовательного характера преобразований, выполняемых человеком по некоторому алгоритму (программе).

6. 
   Принципы построения ЭВМ третьего поколения.
   

Современные ЭВМ имеют достаточно развитые системы машинных операций. Любая операция в ЭВМ выполняется по определенной микропрограмме, реализуемой в схемах АЛУ соответствующей последовательностью сигналов управления (микрокоманд).

Микрокоманда — это простейшее преобразование данных типа алгебраического сложения, сдвига, перезаписи информации и т.п.

Уже в первых ЭВМ для увеличения их производительности широко применялось совмещение операций.

При этом последовательные фазы выполнения отдельных команд программы (формирование адресов операндов, выборка операндов, выполнение операции отсылка результата) выполнялись отдельными функциональными блоками. В своей работе они образовывали своеобразный конвейер, а их параллельная работа позволяла обрабатывать различные фазы целого блока команд.

Этот принцип получил дальнейшее развитие в ЭВМ следующих поколений.

Центральное УУ обслуживало не только вычислительные операции, но и операции ввода-вывода, пересылок данных между ЗУ и др. Все это позволяло степени упростить аппаратуру ЭВМ, но значительно сдерживало рост их производительности.

В ЭВМ третьего поколения произошло усложнение структуры за счет разделения процессов ввода-вывода информации и процесса ее обработки. Сильно связанные устройства АЛУ и УУ получили название процессор.

7. 
   Принципы построения персональных ЭВМ.
   

В настоящее время персональным ЭВМ (ПЭВМ) отводится решающая роль при переходе общества к информатизации. Развитие ПЭВМ определяется прежде всего экономическими факторами, так как стоимость единицы вычислительной мощности в них обходится значительно дешевле. Основная цель использования ПЭВМ—формализация профессиональных знаний. Здесь в первую очередь автоматизируется рутинная часть работ специалистов, которая занимает более 75% их рабочего времени.

Причинами стремительного роста индустрии персональных ЭВМ следует считать:

1. 
   высокую эффективность применения по сравнению с другими классами ЭВМ при малой стоимости;
   
2. 
   возможность индивидуального взаимодействия с ПК без каких-либо посредников и ограничений;
   
3. 
   большие возможности по обработке информации;
   
4. 
   высокую надежность и простоту в эксплуатации;
   
5. 
   возможность расширения и адаптации к особенностям применения;
   
6. 
   наличие программного обеспечения, охватывающего практически все сферы человеческой деятельности, а также мощных систем для разработки нового программного обеспечения;
   
7. 
   простоту использования, основанную на «дружественном» взаимодействии с ПК, с помощью пакетов прикладных программ.
   

Эффективная работа на ПЭВМ предполагает своевременное обеспечение ее необходимой входной информацией и распространение полученных результатов обработки. Поэтому все ПЭВМ имеют возможность сопряжения через сетевые адаптеры и модемы с каналами связи. Подключение ПЭВМ к выч. сетям в еще большей степени усиливает эффективность их применения.

8. 
   Способы формирования структуры ПЭВМ. Функции программного обеспечения.
   

Децентрализация построения и управления вызвала к жизни такие элементы, которые являются общим стандартом структур современных ЭВМ:

1. 
   модульность построения;
   
2. 
   иерархия управления;
   
3. 
   магистральность.
   

Модульность построения предполагает выделение в структуре ЭВМ достаточно автономных, функционально конструктивно законченных устройств (процессор, модуль памяти, накопитель на жестком или гибком магнитном диске).

Модульная конструкция ЭВМ делает ее открытой системой, способной к адаптации и совершенствованию. К ЭВМ можно подключать доп. устройства, улучшая ее технические и экономические показатели.

В современных ЭВМ принцип децентрализации и параллельной работы распространен как на периферийные устройства, так и на сами ЭВМ (процессоры). Появились вычислительные системы (ВС), содержащие несколько вычислителей (ЭВМ или процессоры), работающие согласованно и параллельно.

Внутри самой ЭВМ произошло еще более резкое разделение функций между средствами обработки. Появились отдельные специализированные процессоры, например сопроцессоры, выполняющие обработку чисел с плавающей точкой, матричные процессоры и др.

Децентрализация управления предполагает иерархическую организацию структуры ЭВМ. Устройство управления главного, или центрального, процессора определяет лишь последовательность работ подчиненных модулей и их инициализацию, после чего они продолжают работу по собственным программам управления. Результаты выполнения требуемых операций представляются ими «вверх по иерархии».

Иерархический принцип построения и управленияхарактерен не только для структуры ЭВМ в целом, но и для отдельных ее подсистем.

Магистральность заключается в том, что подчиненные модули (контроллеры, адаптеры, КВВ) могут в свою очередь использовать специальные шины:

• 
  системная шина — для взаимодействия основных устройств;
  
• 
  локальная шина — для ускорения обмена видеоданными;
  
• 
  периферийная шина — для подключения «медленных» периферийных устройств.
  

9. 
   Логические основы построения вычислительной машины.(+37 вопрос)
   

В вычислительных машинах коды нуля и единицы представляются электрическими сигналами, имеющими два различных состояния:

• 
  импульс или его отсутствие;
  
• 
  высокий или низкий потенциал;
  
• 
  высокий потенциал или его отсутствие.
  

Наиболее распространенными способами физического представления информации являются импульсный и потенциальный.

При импульсном способе отображения код единицы идентифицируется наличием электрического импульса, код нуля — отсутствием его (впрочем, может быть и наоборот). Импульс характеризуется амплитудой и длительностью, причем длительность должна быть меньше временного такта машины.

При потенциальном способе отображения код единицы — это высокий уровень напряжения, а код нуля — отсутствие сигнала или низкий его уровень. Уровень напряжения не меняется в течение всего такта работы машины. Форма и амплитуда сигнала при этом во внимание не принимаются, а фиксируется лишь сам факт наличия или отсутствия сигнала. Для анализа и синтеза схем в компьютере широко используется математический аппарат алгебры логики, оперирующий с двумя понятиями: истина и ложь.

10. 
    Классификация элементов и Узлов ЭВМ.
    

В структуре ЭВМ выделяют следующие структурные единицы: устройства, узлы, блоки и элементы.

Нижний уровень обработки реализуют элементы. Каждый элемент предназначается для обработки единичных электрических сигналов, соответствующих битам информации.

Узлы обеспечивают одновременную обработку группы сигналов инф. слов.

Блоки реализуют некоторую последовательность в обработке информационных слов — функционально обособленную часть машинных операций (блок выборки команд, блок записи-чтения и др.).

Устройства нужны для выполнения отдельных машинных операций и их последовательностей.

Все современные вычислительные машины строятся на комплексах (системах) интегральных микросхем (ИС). Электронная микросхема называется интегральной, если ее компоненты и соединения между ними выполнены в едином технологическом цикле.

Элементы ЭВМ можно классифицировать по различным признакам. Наиболее часто такими признаками являются: тип сигналов, назначение элементов, технология их изготовления и т.д.

Независимо от вида сигналов различают последовательный и параллельный коды передачи и представления информации в ЭВМ.

Простейшие логические элементы преобразуют входные сигналы в соответствии с элементарными логическими функциями. В свою очередь, полученные сигналы могут формировать следующий уровень сигналов и т. д. Сложные преобразования в соответствии с требуемыми логическими зависимостями могут приводить к построению многоуровневых схем. Каждая такая схема представляет собой композицию простейших логических схем.

Запоминающим элементом называется элемент, который способен принимать и хранить код двоичной цифры (единицы или нуля).. Элементы памяти могут запоминать и сохранять исходные значения некоторых величин, промежуточные значения обработки и окончательные результаты вычислений.

11. 
    Комбинационные схемы. Шифраторы.
    

Комбинационные схемы (КС) — это схемы, у которых выходные сигналы Y= (у₁, у₂,.... yj) в любой момент дискретного времени однозначно определяются совокупностью входных сигналов X=(x₁ х₂,..., х_п), поступающих в тот же момент времени . Реализуемый в КС способ обработки информации называется комбинационным потому, что результат обработки зависит только от комбинации входных сигналов и формируется сразу же при поступлении входных сигналов. Поэтому одним из достоинств комбинационных схем является их высокое быстродействие.

Логические функции и соответствующие им комбинационные схемы подразделяют на регулярные и нерегулярные структуры.

Регулярные структуры предполагают построение схемы таким образом, что каждый из ее выходов строится по аналогии с предыдущими. В нерегулярных структурах такая аналогия отсутствует.
Шифратор (ШР) решает задачу, обратную схемам ДШ, т. е. по номеру входного сигнала формирует однозначную комбинацию выходных сигналов.

\

Таблица истинности шифратора


Логические зависимости шифратора:

Y2=x1vx3vx5vx7,

Y1=x2vx3vx6vx7,

Y0=x4vx5vx6vx7.

12. 
    Комбинационные схемы. Дешифратор.
    

Дешифраторы (ДШ) — это комбинационные схемы с п входами и т = 2ⁿ выходами. Единичный сигнал, формирующийся на одном из т выходов, однозначно соответствует комбинации входных сигналов. Например, разработка структуры ДШ для n=3, позволяет получить таблицу истинности (табл. 3.1) и логические зависимости.

Таблица истинности дешифратора



Логические зависимости дешифратора:

13. 
    Комбинационные схемы. Компаратор.
    

Схемы сравнения, или компаратор, обычно строятся как поразрядные. Они широко используются и автономно, и в составе более сложных схем, например при построении сумматоров.

Таблица истинности (табл. 3.3) отражает логику работы I-го разряда схемы сравнения при сравнении двух векторов — А и В.

На рис. 3.4 показана структурная схема компаратора.

Таблица 3.3 Таблица истинности компаратора



Логическая зависимость компаратора:

14. 
    Схемы с памятью.
    

Более сложным преобразователем информации являются схемы с памятью. Наличие памяти в схеме позволяет запоминать промежуточные состояния обработки и учитывать их значения в дальнейших преобразованиях. Выходные сигналы Y=(yi,y₂,...,y_m) в схемах данного типа формируются не только по совокупности входных сигналов X = (x_l,x₂,...,x_n), но и по совокупности состояний схем памяти Q = (q_},q₂,...,qk)- ^ПР^{И этом} различают текущий дискретный момент времени tи последующий (t+1) момент времени (рис, 3.8).



Рис. 3.8. Обобщенная структура схемы с памятью

Передача значения Qмежду моментами времени tи (t+1) осуществляется обычно с применением двухступенчатой памяти и синхронизирующих импульсов (СИ).

В качестве простейшего запоминающего элемента в современных дрМ используют триггеры. В связи с успехами микроэлектроники в _схемах основных устройств ЭВМ (процессоров и оперативной памя-_ти) перестали применяться в качестве запоминающихся элементов _схемы, использующие остаточную намагниченность — ферритовые _сердечники.

15. 
    Проблемы развития элементной базы.
    

Одним из главных факторов достижения высокого быстродействия, а значит, и высокой производительности ЭВМ является построение их на новейшей элементной базе.

Смена поколений ЭВМ в значительной степени связана с переходами на новые поколения элементной базы, знаменующие достижения новых частотных диапазонов работы схем в рамках доступных технологий.

Все современные ЭВМ строятся на микропроцессорных наборах, основу которых составляют большие (БИС) и сверхбольшие интегральные схемы (СБИС).

Технологический принцип разработки и производства интегральных схем действует уже более четверти века.

Он заключается в послойном изготовлении частей электронных схем по циклу «программа — рисунок — схема».

По программам на напыленный фоторезисторный слой наносится рисунок будущего слоя микросхемы. Затем рисунок протравливается, фиксируется, закрепляется и изолируется от новых слоев. На основе этого создается пространственная твердотельная структура.

Степень микро-миниатюризации, размер кристалла ИС, производительность и стоимость технологии напрямую определяются типом литографии. До настоящего времени доминирующей оставалась оптическая литография, т.е. послойные рисунки на фоторезисторе микросхем наносились световым лучом. В настоящее время ведущие компании, производящие микросхемы, реализуют кристаллы с размерами примерно 400—600 мм²

Минимальный топологический размер (толщина линий) при этом составляет 0,25—0,135 мкм. Для сравнения можно привести такой пример. Толщина человеческого волоса составляет примерно 100 мкм. Значит, при таком разрешении на толщине 100 мкм требуется вычерчивать более двухсот линий.

Дальнейшие успехи микроэлектроники связываются с электронной (лазерной), ионной и рентгеновской литографией. Это позволяет выйти на размеры 0,13; 0,10 и даже 0,08 мкм. Вместо ранее используемых алюминиевых проводников в микросхемах повсеместно начинают применять медные соединения, что позволяет повысить частоту работы.

Такие высокие технологии порождают целый ряд проблем. Микроскопическая толщина линий, сравнимая с диаметром молекул, требует высокой чистоты используемых и напыляемых материалов, применения вакуумных установок и снижения рабочих температур.

Новые заводы по производству микросхем представляют собой уникальное оборудование, размещаемое в «чистых помещениях класса 1», микросхемы в которых транспортируются от оборудования к оборудованию в замкнутых сверхчистых мини-атмосферах класса 1000. Мини-атмосфера создается, например, сверхчистым азотом или другим инертным газом при высоком давлении.

Уменьшение линейных размеров микросхем и повышение уровня интеграции заставляют проектировщиков искать средства борьбы с потребляемой Wnи рассеиваемой Wpмощностью.

При сокращении линейных размеров микросхем в 2 раза, их объемы изменяются в 8 раз. Пропорционально этим цифрам должны меняться и значения Wnи Wp, в противном случае схемы будут перегреваться и выходить из строя.

Напряжение питания современных микросхем составляет 3 — 2V. Появились схемы с напряжением питания, близким к 1V, что выходит за рамки принятых стандартов. Дальнейшее понижение напряжения нежелательно, так как всегда в электронных схемах должно быть обеспечено необходимое соотношение «сигнал-шум», гарантирующее устойчивую работу ЭВМ.

Протекание тока по микроскопическим проводникам сопряжено с выделением большого количества тепла. Поэтому, создавая сверхбольшие интегральные схемы, проектировщики вынуждены снижать тактовую частоту работы микросхем.

Таким образом, переход к конструированию ЭВМ на СБИС и ультра СБИС должен сопровождаться снижением тактовой частоты работы схемы. Дальнейший прогресс в повышении производительности может быть обеспечен либо за счет архитектурных решений, либо за счет новых принципов построения и работы микросхем.

Так как микросхемы СБИС не могут работать с высокой тактовой частотой, то в ЭВМ будущих поколений их целесообразно комплексировать в системы. При этом несколько СБИС должны работать параллельно, а слияние работ в системе должно обеспечивать сверхскоростные ИС (ССИС), которые не могут иметь высокую степень интеграции.

Внедрение новых технологий производства микропроцессоров испытывает и экономические проблемы. Например, строительство нового завода по производству микросхем с 0,13-микронной технологией обходится от 2 до 4 млрд долл. Это заставляет искать новые альтернативные пути построения будущих ЭВМ. Интенсивные поиски идут по многим направлениям. Наиболее перспективными из них следует считать:

• создание молекулярных и биокомпьютеров (нейрокомпьютеров);

• разработку квантовых компьютеров;

• разработку оптических компьютеров.

16. 
    Общие принципы функциональной и структурной организации ЭВМ.
    

Электронные вычислительные машины включают, кроме аппаратной части и программного обеспечения, большое количество функциональных средств.

К ним относятся коды, с помощью которых обрабатываемая информация представляется в цифровом виде:

1. арифметические коды — для выполнения арифметических преобразований числовой информации;

2. помехозащищенные коды, используемые для защиты информации от искажений;

3. коды формы, определяющие, как должна выглядеть обрабатываемая в ЭВМ информация при отображении;

4. цифровые коды аналоговых величин (звука, «живого видео»).
Принципы функционирования ЭВМ могут быть реализованы по-разному:

* аппаратными,

* программно-аппаратными

* программными средствами.

При аппаратной и программно-аппаратной реализации могут быть применены:

** регистры,

** дешифраторы,

** сумматоры;

** блоки жесткого аппаратного управления или микропрограммного с управлением подпрограммами (комплексами микроопераций);

** устройства или комплексы устройств, реализованные в виде автономных систем (программируемых или с жестким управлением).
При программной реализации могут быть применены различные виды программ. Будем считать, что способы реализации функций ЭВМ составляют структурную организацию ЭВМ. Тогда элементная база, функциональные узлы и устройства ЭВМ, программные модули различных видов являются структурными компонентами ЭВМ

17. 
    Организация функционирования ЭВМ с магистральной архитектурой.
    

ЭВМ представляет собой совокупность устройств, выполненных на больших интегральных схемах, каждая из которых имеет свое функциональное назначение. Комплект интегральных схем, из которых состоит ЭВМ, называется микропроцессорным комплектом. В состав микропроцессорных комплектов входят: системный таймер, микропроцессор (МП), сопроцессоры, контроллер прерываний, контроллер прямого доступа к памяти, контроллеры устройств ввода-вывода. Все устройства ЭВМ делятся на центральные и периферийные. Центральные устройства — полностью электронные, периферийные устройства могут быть либо электронными, либо электромеханическими с электронным управлением. В центральных устройствах основным узлом, связывающим микропроцессорный комплект в единое целое, является системная магистраль. Она состоит из трех узлов, называемых шинами: шина данных (ШД), шина адреса (ША), шина управления (ШУ). Логика работы системной магистрали, количество разрядов (линий) в шинах данных, адре-са и управления, порядок разрешения конфликтных ситуаций, возникающих при одновременном обращении различных устройств ЭВМ к системной магистрали, образуют интерфейс системной шины. В состав центральных устройств ЭВМ входят: центральный процессор, основная память и ряд дополнительных узлов, выполняющих служебные функции: контроллер прерываний, таймер и контроллер прямого доступа к памяти (ПДП). Периферийные устройства делятся на два вида: внешние ЗУ (НМД, НГМД, НМЛ) и устройства ввода-вывода (УВВ): клавиатура, дисплей, принтер, мышь, адаптер каналов связи (КС) и др. Управляющая работой ЭВМ программа перед началом выполнения загружается в основную память (ОП). Адрес первой выполняемой команды передается микропроцессору и запоминается в счетчике команд. Начало работы процессора заключается в том, что адрес из счетчика команд выставляется на шину адреса системной магистрали. Одновременно на шину управления выдается команда «Выборка из ОП», которая воспри-нимается основной памятью. Получив с шины управления системной магистрали команду, основная память считывает адрес с шины адреса, находит ячейку с этим номером и ее содержимое выставляет на шину дан-ных, а на шину управления выставляет сигнал о выполнении команды. Процессор, получив по шине управления сигнал об окончании работы ОП, вводит число с шины данных на внутреннюю магистраль МП и через нее пересылает введенную информацию в Регистр команд. В регистре команд полученная команда разделяется на кодовую и адресную части. Код команды поступает в блок управления для выработки сигналов, настраивающих МП на выполнение заданной операции и для определения адреса следующей команды (который сразу за-носится в счетчик команд). Адресная часть команды выставляется на шину адреса системной магистрали (СМ) и со-провождается сигналом «Выборка из ОП» на шине управления. Результат выполнения операции выставляется микропроцессором на шину данных, на ши-ну адреса выставляется адрес ОП, по которому этот результат необходимо записать, а на шину управления выставляется команда «Запись в ОП». Процессор, получив этот сигнал о выполнении операции, начинает выборку очередной команды: выставляет адрес из счетчика команд на шину адреса, формирует команду «Выборка из ОП» на шине управления и т.д. В каждом цикле, получив команду в регистр команд и выделив код операции, процессор определяет, к какому устройству она относится. Если команда должна выполняться процессором, организуется ее выполнение по описанному циклу. Если же команда предназначена для выполнения в другом устройстве ЭВМ, ЦП передает ее соответствующему устройству. Взаимодействие МП с внешними устройствами предусматривает выполнение логической последовательности действий, связанных с поиском устройства, определением его технического состояния, обменом командами и информацией. Эта логическая последовательность действий вместе с устройствами, реализующими ее, получила название интерфейс ввода-вывода. В IBM PC есть два стандартных интерфейса для связи ЦП с внешними устройствами: параллельный (типа Centronics) и последовательный (типа RS-232). Если при обращении ЦП к внешнему устройству продолжение выполнения основной программы центральным процессором возможно только после завершения операции ввода-вывода, то ЦП, запустив внешнее устройство, переходит в состояние ожидания. Такой режим работы получил название однопрограммного — в каждый момент времени все устройства находятся в состоянии ожидания, и только одно устройство выполняет основную (и единственную) программу. Для ликвидации таких простоев внешние устройства сделаны автономными: получив от ЦП необходимую информацию, они самостоятельно организуют свою работу по обмену данными. Такой режим работы ЭВМ называется многопрограммным.

18. 
    Организация работы ЭВМ при выполнении задания пользователя.
    

Организация процессов ввода, преобразования и отображения результатов относится к сфере системного программного обеспечения. Это сложные процессы, которые чаще всего делаются «прозрачными», т.е. незаметными для пользователя. Один из них — реализация задания пользователя: профессиональный пользователь (программист) пишет задание для ЭВМ в виде программы на алгоритмическом языке. Написанное задание (программа) представляет собой исходный модуль, сопровождаемый управляющими предложениями, указывающими операционной системе ЭВМ, на каком языке написана программа и что с ней надо делать. Исходный модуль перед исполнением должен быть переведен на внутренний язык машины. Эта операция выполняется специальной программой — транслятором.

Трансляторы выполняются в виде двух разновидностей: интерпретаторы и компиляторы.

Интерпретатор после перевода на язык машины каждого оператора алгоритмического языка немедленно исполняет полученную машинную программу.

Компилятор же сначала полностью переводит всю программу, представленную ему в виде исходного модуля (ИМ), на язык машины. Получаемая при этом машинная программа представляет собой объектный модуль (ОМ). Результат работы компилятора может быть записан в библиотеку объектных модулей (БОМ) или передан другим программам для дальнейшей обработки.

Недостающие программы должны быть взяты из библиотек компилятора (которые могут быть написаны в виде исходных либо в виде объектных модулей) и добавлены к основной про-грамме. Эту операцию выполняет редактор связей. В результате работы редактора связей образу-ется загрузочный модуль (ЗМ), который помещается в соответствующую библиотеку программ (БЗМ). В загрузочном модуле все ссылки разрешены, т.е. он содержит все необходимые стандарт-ные программы, но привязки к памяти у загрузочного модуля нет.

Привязка к памяти загрузочного модуля производится программой выборки, которая пере-носит загрузочный модуль из библиотеки загрузочных модулей (обычно хранящейся на магнит-ном носителе) в основную память, и инициирует его выполнение.

Если программа только отлаживается, то получение загрузочного модуля и обращение к программе выборки будут лишними операциями. В этом случае применяется загрузчик — программа, сочетающая в себе функции редактирования связей и загрузки полученной машинной программы в основную память для исполнения.

19. 
    Особенности управления основной памятью ЭВМ.
    

Алгоритмы распределения, использования, освобождения ресурсов и представления к ним доступа предназначены для наиболее эффективной организации работы всего комплекса устройств ЭВМ. Рассмотрим их на примере управления основной памятью. Для выполнения программы при ее загрузке в основную память ей выделяется часть машинных ресурсов — они необходимы для размещения команд, данных, управляющих таблиц и областей ввода-вывода, т.е. производится трансляция адресного пространства откомпилированной про-граммы в местоположение в реальной памяти.

Выделение ресурсов может быть осуществлено самим программистом (особенно, если он работает на языке, близким к машинному)» но может производиться и операционной системой.

Если выделение ресурсов производится перед выполнением программы, такой процесс называется статическим перемещением, в результате которого программа «привязывается» к определенному месту в памяти ЭВМ.

Если же ресурсы выделяются в процессе выполнения программы, это называется динами-ческим перемещением, и в этом случае программа не привязана к определенному месту в реальной памяти. Динамический режим можно реализовать только с помощью операционной системы.

При статическом перемещении могут встретиться два случая:

* Реальная память больше требуемого адресного пространства программы. В этом случае загрузка программы в реальную память производится, начиная с 0-го адреса (рис. 4.2). Загружаемая программа является абсолютной программой, так как ника-кого изменения адресов в адресном пространстве, подготовленном компилятором, при загрузке в основную память не происходит.

* Реальная память меньше требуемого адресного пространства программы (рис. 4.3). В этом случае программист (или операционная система) вынужден решать пробле-му, как организовать выполнение программы. Методов решения проблемы суще-ствует несколько: можно создать оверлейную структуру (т.е. разбить программу на части, вызываемые в ОП по мере необходимости), сделать модули программы реентерабельными (т.е. допускающими одновременную работу модуля по нескольким обращениям из разных частей программы или из различных программ).

При работе в мультипрограммном режиме может сложиться ситуация, когда между про-граммами образуются незанятые участки памяти. Общий объем незанятой памяти, составляющий 50 Кбайт, достаточен, чтобы загрузить программу, находящуюся в ожидании.

Но ее не удается загрузить, так как свободные участки памяти не являются смежными. Та-кое состояние называется фрагментацией реальной памяти. Оно характерно для систем со стати-ческим перемещением.

В системах с динамическим перемещением программ перемещающий загрузчик размещает программу в свободной части памяти и допускает использование ее несмежных участков.

20. 
    Виртуальная память.
    

Имея иерархическую структуру запоминающих устройств, на реальном объеме памяти, значительно меньшем максимального, можно имитировать работу с максимальной памятью.

В этом случае программист работает так, как будто ему предоставлена реальная память максимально допустимого для данной ЭВМ объема, хотя имеющаяся реальная память значительно меньше по объему. Такой режим работы называется режимом виртуальной памяти.

Теоретически доступная пользователю основная память, объем которой определяется толь-ко разрядностью адресной части команды и которая не существует в действительности, называет-ся виртуальной памятью.

Виртуальная память имеет сегментно-страничную или страничную организацию и реализо-вана в иерархической системе памяти ЭВМ.

Часть ее размещается в страничных блоках основной памяти (page fames), а часть — в ячейках внешней страничной памяти (slot).

Внешняя страничная память является частью внешней памяти.

Ячейка (слот) — это записываемая область во внешней страничной памяти Например, на жестком магнитном диске). Она того же размера, что и страница.

Все программные страницы физически располагаются в ячейках внешней страничной па-мяти.

Виртуальная же память существует только как продукт деятельности операционной систе-мы.

Загрузить программу в виртуальную память — значит переписать несколько программ-ных страниц из внешней страничной памяти в основную память. Если в процессе выполнения программы система обнаружит, что требуемой страницы нет в реальной памяти, она должна пере-слать копию этой страницы из внешней страничной памяти в реальную память. Этот механизм называется принудительным страничным обменом.

21. 
    Система прерываний ЭВМ.
    

Современная ЭВМ представляет собой комплекс автономных устройств, каждое из которых выполняет свои функции под управлением местного устройства управления независимо от других устройств машины. Устройство включается в работу центральным процессором (ЦП). Он передает устройству команду и все необходимые для ее исполнения параметры. После начала работы устройства центральный процессор отключается от него и переходит к обслуживанию других устройств или к выполнению других функций. Во время работы в ЦП поступает (и вырабатывается в нем самом) большое количество различных сигналов. Сигналы, которые выполняемая в ЦП программа способна воспринять, обработать и учесть, составляют поле зрения ЦП или. другими словами, входят в зону его внимания. Для того чтобы ЦП, выполняя свою работу, имел возможность реагировать на события, происходящие вне его зоны внимания, и наступления которых он «не ожидает», существует система прерываний ЭВМ. В зависимости от места нахождения источника прерываний они могут быть разделены на: внутренние (программные и аппаратные) и внешние прерывания (поступающие в ЭВМ от внешних источников, например от клавиатуры или модема). Принцип действия системы прерываний заключается в следующем: при выполнении программы после каждого рабочего такта микропроцессора изменяется содержимое регистров, счетчиков, состояние отдельных управляющих триггеров, т.е. изменяется состояние процессора. Информация о состоянии процессора лежит в основе многих процедур управления вычислительным процессом. Не вся информация одинаково актуальна, есть существенные элементы, без которых невозможно продолжение работы. Эта информация должна сохраняться при каждом «переключении внимания процессора». Совокупность значений наиболее существенных информационных элементов называется вектором состояния или словом состояний процессора. Вектор состояния в каждый момент времени должен содержать информацию, достаточную для продолжения выполнения программы или повторного пуска ее с точки, соответствующей моменту формирования данного вектора. При возникновении события, требующего немедленной реакции со стороны машины, ЦП прекращает обработку текущей программы и переходит к выполнению другой программы, специально предназначенной для данного события, по завершении которой возвращается к выполнению отложенной программы. Такой режим работы называется прерыванием. Каждое событие, требующее прерывания, сопровождается специальным сигналом, который называется запросом прерывания. Программа, затребованная запросом прерывания, называется обработчиком прерывания.

22. 
    Центральные устройства ЭВМ. Основная память.
    

Основная память
При рассмотрении структуры основной памяти можно говорить как о физической структуре, то есть об основных ее конструктивных компонентах, так и о логической структуре, то есть о ее различных областях, условно выделенных для организации более удобных режимов их использования и обслуживания. При матричной организации адрес ячейки, поступающий в регистр адреса Рег. адр., например, по 20-разрядным кодовым шинам адреса, делится на две 10-разрядные части, поступающие соответственно в Рег. адр. Xи Рег. адр. Y. Из этих регистров коды полу-адресов поступают в дешифраторы Дешифратор Xи Дешифратор Y, каждый из которых в соответствии с полученным адресом выбирает одну из 1024 шин. По выбранным шинам подаются сигналы записи/считывания в ячейку памяти, находящуюся на пересечении этих шин. Считываемая или записываемая информация поступает в регистр данных (Рег.-данных), непосредственно связанный с кодовыми шинами данных. Управляющие сигналы, определяющие, какую операцию следует выполнить, поступают по кодовым шинам инструкций. Куб памяти содержит набор запоминающих элементов — собственно ячеек памяти. '

Основная память (ОП) содержит оперативное (RAM — Random Access Memory) и постоянное (ROM — Read Only Memory) запоминающие устройства.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) предназначено для хранения информации (программ и данных), непосредственно участвующей в вычислительном процессе в текущий интервал времени. ОЗУ — энергозависимая память: при отключении напряжения питания информация, хранящаяся в ней, теряется. Основу ОЗУ составляют микросхемы динамической памяти DRAM. Это большие интегральные схемы, содержащие матрицы полупроводниковых запоминающих элементов - полупроводниковых конденсаторов, наличие заряда в конденсаторе обычно означает «1», отсутствие заряда «0». Конструктивно элементы от оперативной памяти выполняются в виде отдельных модулей памяти - небольших плат с напаянными на них одной или, чаще, несколькими микросхемами. Эти модули вставляются в разъемы - слоты на системной плате. На материнской плате может быть несколько групп разъемов (банков) для установки модулей памяти; в один банкможно ставить только блоки одинаковой емкости; блоки разной емкости можно устанавливать в разных банках. Модули памяти характеризуются конструктивом, емкостью, временем обращения и надежностью работы. Важным параметром модуля памяти является его надежность и устойчивость к возможным сбоям. Надежность работы современны модулей памяти весьма высокая — среднее время наработки на отказ составляет сотни тысяч часов, но тем не менее предпринимаются и дополнительные меры повышения надежности. Модули памяти бывают с контролем четности (parity) и без контроля четности (поп parity) хранимых бит данных. Контроль по четности позволяет лишь обнаружить ошибку и прервать исполнение выполняемой программы. Существуют и более дорогие модули памяти с автоматической коррекцией ошибок — ЕСС-память, использующие специальные корректирующие коды с исправлением ошибок.

23. 
    Центральные устройства ЭВМ. Динамическое ОЗУ.
    

DIP (Dual In line Package — корпус с двумя рядами выводов) — одиночная микросхема памяти, сейчас используется только в составе более укрупненных модулей.
DIP- корпус — это исторически самая древняя реализация DRAM. Обычно это маленький черный корпус из пластмассы, по обеим сторонам которого располагаются металлические контакты. Микросхемы (по-другому, чипы) динамического ОЗУ устанавливаются так называемыми банками. Каждый банк состоит из девяти отдельных одинаковых чипов. Из них восемь чипов предназначены для хранения информации, а девятый чип служит для проверки четности остальных восьми микросхем этого банка.