Опишите классическую структуру ЭВМ и укажите свойства каждого блока.

Что такое ЭВМ? Классы ЭВМ.

Вычислительная машина – это система, выполняющая заданную, четко определенную последовательность операций в соответствии с выбранным алгоритмом обработки информации. ЭВМ – как и всякая другая машина обеспечивает преобразование сырья, поступающего на вход машины в конечный продукт. Для ЭВМ в качестве сырья выступает информация, а на выходе – результаты обработки. Термин «вычислительная» означает, что обработка информации осуществляется путем выполнения вычислений. И термин «электронная» означает, что машина построена на основе электронной элементной базы.

Классы ЭВМ.

Информация – сведения о тех или иных явлениях природы, событиях общественной жизни, процессах в технических устройствах и т.д.Информация, записанная на носителях, называется сообщением. Сообщения могут быть непрерывными (аналоговыми) или дискретными (цифровыми). Аналоговое сообщение представляется некоторой физической величиной, обычно электрическим током, изменения которого во времени отражает протекание рассматриваемого процесса. Физическая величина, передающая непрерывное сообщение, может в определенный интервал принимать любые значения и изменяться в произвольный момент времени, то есть имеет бесконечное множество состояний. Дискретное сообщение характеризуется конечным набором состояний. Каждое из этих состояний можно представить в виде конечной последовательности символов или букв, принадлежащих конечному множеству, называемому алфавитом. Такая операция называется кодированием, а последовательность символов – кодом.

Гибридные системы – ВМ комбинированного действия, работающие и в цифровой, и в аналоговой форме.

Принцип действия ЭВМ.

АЛУ производит арифметические и логические преобразования над поступающими в него машинными словами, то есть с кодами, представляют собой числа и другую информацию.

Память хранит информацию, передаваемую из других устройств в том числе поступающую извне через УВ и выдает во все другие устройства информацию, необходимую для протекания вычислительного процесса.

Управляющее устройство – устройство, автоматически без участия человека управляющее вычислительным процессом, посылая всем другим устройствам сигналы, предписывающие те или иные действия, в частности заставляет ОП отправлять необходимые данные, включать АЛУ на выполнение операции, перемещать полученные результаты в необходимую ячейку ОП.

Пульт ручного управления позволяет оператору вмешиваться в процесс решения задачи, то есть давать директивы устройству управления.

УВ позволяет ввести программу решения задачи и исходные данные в ЭВМ и поместить их в ОП. В зависимости от типа устройства ввода исходные данные для решения задачи вводятся непосредственно с клавиатуры, либо должны быть предварительно помещены на какой-либо носитель информации.

УВыв служат для вывода из ЭВМ результатов обработки исходной информации, которая выводится на экран, а такие в виде чертежей и рисунков с помощью принтеров и плоттеров.

Архитектура ПО ЭВМ

Организация процессоров.

Процессор – устройство, непосредственно осуществляющее процесс обработки цифровой информации. В самом простом случае процессор состоит из 3 блоков.

РОН – регистр общего назначения, T1, T2 – триггеры, БФУС – блок фромирования управляющих сигналов

Операционный блок предназначен для выполнения логических и арифметических операций. АЛУ выполняет простейшие арифметические и поразрядные логические операции. Операции по обработке данных, для которых отсутствуют аппаратные средства, выполняются программно с помощью процедур. В процессоре есть своя вн.память, называемая РОН. Они являются сверхоперативной памятью и явл-тся самой быстрой памятью внутри компа. Обычно выделяют главный регистр, называемый аккумулятором или регистром результатов.

Регистр сдвиговвыполняет сдвиг содержимого любого регистра и запись его в это же регистр.

Регистр флаговпредназначен для хранения признаков операции в АЛУ.

Триггеры – операции над словами с повышенной разрядностью реализуются программно последовательной обработкой отд.частей многоразрядных слов. Для этого предусмотрены Т1 и Т2.

Блок управления координирует работу всех блоков микропроцессора. Выполняет след.действия: считывает и запоминает текущую команду, формирует адрес следующей команды, реализует выполнение по тактам алгоритмов поступившей команды, управляет обменом информацией с внешними устройствами по системной шине.

Блок формирования управляющих сигналов. Управляющие сигналы с выхода БФУС поступают на вход других микропроцессоров, настраивая их на выполнение определенных микроопераций

Интерфейсный блокпредназначен для организации процессов взаимодействия процессора с ОЗУ и устройствами ввода/вывода, расположенными на системной шине, а также для обмена данными между внутренними устройствами микропроцессора. Основные функции: формирует сигналы на СШ, синхронизирует процессы внутри процессрпа и на СШ, реализует стандартный для СШ протокол обмена.

Системы команд.

Системы команд являются одной из важнейших архитектурных характеристик, определяет совокупность операций, реализуемых процессором. В понятие система команд входят форматы команд и обрабатываемых данных, список команд и их функциональное назначение, способы адресации к данным. процессоры с RISC-архитектурой – процессоры с сокращенным набором команд и процессоры с CISC-архитектурой – процессоры со сложным набором команд.

10 наиболее часто используемых команд.
1) загрузка (22%), 2) условные переходы (20%), 3) сравнение (16%), 4) запись данных (12%), 5) сложение (8%), 6) логическое И (6%), 7) вычитание (5%), 8) пересылка регистр в регистр (4%),

9) вызов подпрограмм (1%), 10) возврат в подпрограммы (1%).

CISC и RISC-процессоры характеризуются различными показателями производительности. Оба типа обеспечивают достижение максимальных показателей, используя свою систему команд. Для повышения производительности необходимо уменьшить либо число команд в программе (CISC) либо среднее время выполнения (RISC).

CISC характеризуется следующим набором свойств: нефиксированное значение длины команды; арифметические действия выполняются одной инструкцией; небольшое число регистров.

Примерное количество команд – 100-200.

RISC характеризуется следующим набором свойств: архитектура позволяет удешевить процессор, поднять тактовую частоту и распараллелить исполнение команд; одинаковая длина команд облегчает их выборку из памяти, чтение идет за один такт; сокращенный набор действий над операндами, размещенными в памяти, используются простые способы адресации, что обеспечить доступ к памяти. Используется большое число РОНов, что уменьшает число обращений к памяти; все вычислительные операции выполняются над данными, находящимися в регистрах; относительно простые схемы управления, отсутствие микропрограмм внутри процессора.

Типичными представителями CISC является процессор на основе Х86 до Pentium 4. Однако процессоры, начиная с 486, являются CISC с ядром RISC.

Расширения стандартного набора команд.

Для организации групповой обработки данных в процессорах используется SIMD-расширения инструкций. Под этим расширением понимается программно-аппаратное решение, представляющее собой совокупность дополнительных регистров и наборов инструкций процессора, предназначенных для групповой обработки данных. Для использования этих расширений необходимо наличие соответствующего компилятора.

Технология MMX – предназначена для поддержки приложений, ориентированных на обработку больших массивов данных целого типа, над которыми выполняются одинаковые операции (для обработки мультимедиа, потоков сетевых данных). Система команд ММХ содержит 57 инструкций и 4 новых типа данных и 8 ММХ-регистров по 64 бита каждый. Позволяет обрабатывать данные по 1, 2, 4 и 8 пакета.

SSE, SSE-2, SSE-3 – обновление технологии ММХ, оперирующие данными вещественного типа для геометрических расчетов в трехмерных приложениях. Инструкции содержат 70 новых команд (144 – для SSE-2). SSE-3 признано облегчить оптимизацию программ под SSE и SSE-2.

3DNow – аналогично предыдущим, предназначена для ускорения обработки мультимедиа и трехмерной графики. Представляет собой набор из 21 инструкции, используется в AMD.

Архитектура процессоров.

Процессорное ядро – конкретное воплощение микроархитектуры, являющееся стандартом для целой серии процессоров. В микроархитектуру входят длина конвейера, разновидности КЭШа и другие общие принципы.

Ядро – это воплощение микроархитектуры в кристалле, обладающее набором характеристик.

Ревизия – модификация ядра, крайне незначительно отличающаяся от предыдущей.

Частота работы ядра – как правило, каждое конкретное ядро может исполнять различное количество команд за один такт. Частота определяет количество тактов. В рамках одного и того же ядра увеличение частоты не всегда пропорционально увеличению производительности. Разные виды частот процессора делают процессоры, которые потом тестируют на частоту, то есть не существует процессора с точным, определенным значением показателя частоты.

12.Принципы взаимодействия процессора и ОП.

Контроллер памяти.

Команды и данные в процессор попадают из ОП. В современных компьютерах процессор как устройство к памяти обращаться не может. Он имеет в своем составе специализированное устройство, называемое контроллер памяти. Контроллер памяти является мостом между ОП и использующими её устройствами. Раньше контроллер памяти входил в состав chipset North Bridge. От его быстродействия во многом зависела скорость обмена данных между процессором и ОП. Процессор с помощью процессорной шины подсоединяется к контроллеру памяти. Также по процессорной шине идет обмен с видеокартой, жестким диском и другими устройствами. У классических процессоров шина одна. В современных процессорах (например, AMD) существует несколько процессорных шин. Некоторые из них работают со всеми устройствами, кроме памяти, а для памяти существует отдельная шина. В данном случае контроллер памяти встроен непосредственно в процессор. Плюсы: сокращение пути между процессором и ОП, но увеличение нагрузки на процессор при обмене с жестким диском или видеокартой с ОП.

Характеристики ОП:

Разрядность шины памяти. Вся память имеет 64-разрядную шину, то есть за один такт по шине передается 8 байт. Для шин памяти DDR. Некоторые контроллеры оснащены несколькими контроллерами, передача по которым идет независимо друг от друга. В стандартном процессоре контроллер двуканальный, в продвинутом – трехканальный.

Скорость чтения/записи. Теоретически ограничивается пропускной способностью самой памяти. 8 байт * 2 канала * 2 DDR * 200 МГц = 6,4 Гб.

Латентность. Характеристика, влияющая на фактическую скорость работы процессора с ОП. Латентность – это время, которое требуется для того, чтобы начать считывать информацию с определенного адреса. Чем больше объем памяти, тем больше её латентность.

Организация стековых ЗУ.

Стек используется при построении систем прерываний ЭВМ, а также при обработке данных типа вектор или массив. Стековые ЗУ обеспечивают запись по алгоритму LIFO. При обращении доступна только одна ячейка – вершина стека.

Реализация стековых ЗУ на основе магазинных.

Магазинные используют сдвиговые регистры в ограниченном количестве. При записи информации в стек все регистры сдвигаются. Недостатки – переполнение стека, сложность аппаратной реализации данных регистров. Обычно используется другая схема.

Схема с подвижным указателем стека.

По операции записи происходит запись данных в определенную ячейку, и указатель сдвигается на разрядность данной ячейки. При чтении наоборот. Такая схема реализуется на основе реверсивного счетчика, сама запоминающая часть находится в адресном пространстве ОП.

Проблемы передачи данных.

1.Главное отличие сетевых линий от внутренних состоит в их большей протяженности, линии связи проходят вне экранируемого корпуса по пространствам, подверженных электромагнитным помехам, все это приводит к искажениям прямоугольных импульсов. Для решения этой проблемы в выч. сетях применяют различные типы кодирования. Основные типы кодирования: потенциальное (смена напряжения), импульсное (если 1, то проходит импульс), модуляционное (частота синусоиды у единицы больше, чем у нуля). Потенциальное кодирование применяется на каналах высокого качества, модуляция на основе синусоидального сигнала предпочтительнее, когда канал вносит сильные искажения в передаваемый сигнал.

2.На способ передачи влияет количество проводов. Основная причина – чем больше линий связи, тем лучше. Для сокращения стоимости линий связи стремятся сократить количество проводов. Из–за этого используют не параллельную, а последовательную передачу данных. Самый простой способ передачи – передача по двум проводам, побитовая.

3.Проблема взаимной синхронизации передатчика одного компьютера с приемником другого. Способы синхронизации: выделение ещё одной линии связи, синхронизирующие коды. При организации сети внутри компьютера проблема решается за счет синхронизации от общего тактового генератора. Проблема синхронизации компьютеров решается разными способами: обмен синхроимпульсами по отдельной линии, периодическая синхронизация заранее обусловленными кодами.

Классификация ВСТ

По степени территориального рассредоточения: глобальные; региональные; локальные.

По функциональному назначению: информационные; вычислительные; инф.-вычислительные.

По способу организации хранения информации: с централизованным БД; с локальным БД; с распределённым БД.

По методу передачи данных: с коммутатором сообщений; с коммутатором пакетов сообщений; со смешанным коммутатором; с коммутатором каналов.

По топологии сети:

Область применения ЭВМ

Что такое ЭВМ? Классы ЭВМ.

Вычислительная машина – это система, выполняющая заданную, четко определенную последовательность операций в соответствии с выбранным алгоритмом обработки информации. ЭВМ – как и всякая другая машина обеспечивает преобразование сырья, поступающего на вход машины в конечный продукт. Для ЭВМ в качестве сырья выступает информация, а на выходе – результаты обработки. Термин «вычислительная» означает, что обработка информации осуществляется путем выполнения вычислений. И термин «электронная» означает, что машина построена на основе электронной элементной базы.

Классы ЭВМ.

Информация – сведения о тех или иных явлениях природы, событиях общественной жизни, процессах в технических устройствах и т.д.Информация, записанная на носителях, называется сообщением. Сообщения могут быть непрерывными (аналоговыми) или дискретными (цифровыми). Аналоговое сообщение представляется некоторой физической величиной, обычно электрическим током, изменения которого во времени отражает протекание рассматриваемого процесса. Физическая величина, передающая непрерывное сообщение, может в определенный интервал принимать любые значения и изменяться в произвольный момент времени, то есть имеет бесконечное множество состояний. Дискретное сообщение характеризуется конечным набором состояний. Каждое из этих состояний можно представить в виде конечной последовательности символов или букв, принадлежащих конечному множеству, называемому алфавитом. Такая операция называется кодированием, а последовательность символов – кодом.

Гибридные системы – ВМ комбинированного действия, работающие и в цифровой, и в аналоговой форме.

Принцип действия ЭВМ.

АЛУ производит арифметические и логические преобразования над поступающими в него машинными словами, то есть с кодами, представляют собой числа и другую информацию.

Память хранит информацию, передаваемую из других устройств в том числе поступающую извне через УВ и выдает во все другие устройства информацию, необходимую для протекания вычислительного процесса.

Управляющее устройство – устройство, автоматически без участия человека управляющее вычислительным процессом, посылая всем другим устройствам сигналы, предписывающие те или иные действия, в частности заставляет ОП отправлять необходимые данные, включать АЛУ на выполнение операции, перемещать полученные результаты в необходимую ячейку ОП.

Пульт ручного управления позволяет оператору вмешиваться в процесс решения задачи, то есть давать директивы устройству управления.

УВ позволяет ввести программу решения задачи и исходные данные в ЭВМ и поместить их в ОП. В зависимости от типа устройства ввода исходные данные для решения задачи вводятся непосредственно с клавиатуры, либо должны быть предварительно помещены на какой-либо носитель информации.

УВыв служат для вывода из ЭВМ результатов обработки исходной информации, которая выводится на экран, а такие в виде чертежей и рисунков с помощью принтеров и плоттеров.

Опишите классическую структуру ЭВМ и укажите свойства каждого блока.

ОС – центральная и важнейшая часть ПО ЭВМ, предназначенная для эффективного управления вычислительным процессом, планирующая работу и распределение ресурсов ЭВМ, автоматических процессов подготовки программ и организации их выполнения при различных режимах работы машины, а также облегчения общения оператора с машиной. ОС состоит из управляющих и обрабатывающих программ. Управляющая программа осуществляет управление работой устройств ЭВМ, то есть координирует работу устройств в процессе ввода, подготовку и выполнение других программ. Обрабатывающие программы осуществляют работу по подготовке новых программ на ЭВМ и исходных данных для

них, например, сборка отдельно транслируемых модулей в одной или нескольких исполнительных программ, работа с библиотеками программ, перезапись массивов информации и т.п. ОС в большинстве случаев является универсальной и не учитывает особенности конкретных аппаратных средств. Для адаптации универсальной ОС к конкретным аппаратным средствам используют BIOS.

Проблемно-ориентированный язык – это язык строго ориентированный на какую-либо проблему.

Процедурно-ориентированный язык – это язык, ориентированный на выполнение общих процедур переработки данных.

Макроязык. В первом приближении его можно определить как язык процедур, написанных на языке ассемблера, то есть где вместо целого комплекса команд используется только имя этого комплекса.

Ассемблер – запись программы ведется с использованием символичных адресов, то есть вместо численных значений адреса используются имена, за исключением первого оператора, который должен быть жестко привязан к физическому адресу.

Машинный язык – самый нижний уровень языка, команды записываются в виде двоичных кодов, адреса ячеек памяти абсолютны, поэтому программирование наиболее трудоемко.

Язык ОС – язык, на котором оператор может задавать директивы ОС и вмешиваться в ход вычислительного процесса.

Пакет программ технического обслуживания предназначен для уменьшения трудоемкости эксплуатации ЭВМ. Эти программы позволяют провести тестирование работоспособности ЭВМ и её отдельных устройств, а также определение места неисправностей.

ППП (пакеты прикладных программ) представляют собой комплексы программ для решения определенных, достаточно широких классов задач, а также для расширения функций ОС.

Архитектура ПО ЭВМ