Вопросы по «эвм и вычислительные системы»




Скачать 476.35 Kb.
страница1/3
Дата02.08.2016
Размер476.35 Kb.
  1   2   3
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.


  1. 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:

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.




  1. 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.


  1. 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


  1. 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.




  1. 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.


  1. 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.




  1. 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.




  1. 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:

  • 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.



  1. 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.




  1. 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 запятой имеет форму: . 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: . 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: . 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.

  1   2   3


База данных защищена авторским правом ©uverenniy.ru 2016
обратиться к администрации

    Главная страница