Компьютерное кодирование звука

Из курса физики известно, что звук - это колебание частиц воздуха, непрерывный сигнал с меняющейся амплитудой.      При кодировании звука этот сигнал надо представить в виде последовательности нулей и единиц. Как, например, это происходит в микрофоне? Через равные промежутки времени, очень часто (десятки тысяч раз в секунду) измеряется амплитуда колебаний. Каждое измерение производится с ограниченной точностью и записывается в двоичном виде. Частота, с которой записывается амплитуда, называется частотой дискретизации. Полученный ступенчатый сигнал сначала сглаживается посредством аналогового фильтра, а затем преобразуется в звук с помощью усилителя и динамика.

На качество воспроизведения закодированного звука в основном влияют два параметра: частота дискретизации - количество измерений амплитуды за секунду в герцах и глубина кодирования звука - размер в битах, отводимый под запись значения амплитуды. Например, при записи на компакт-диски (CD) используются 16-разрядные значения, а частота дискретизации равна 44032 Гц. Эти параметры обеспечивают превосходное качество звучания речи и музыки. Для стереозвука отдельно записывают данные для левого и для правого канала.      Если преобразовать звук в электрический сигнал (например, с помощью микрофона), мы увидим плавно изменяющееся с течением времени напряжение. Для компьютерной обработки такой аналоговый сигнал нужно каким-то образом преобразовать в последовательность двоичных чисел.       Поступим следующим образом. Будем измерять напряжение через равные промежутки времени и записывать полученные значения в память компьютера. Этот процесс называется дискретизацией (или оцифровкой), а устройство, выполняющее его - аналого-цифровым преобразователем (АЦП).

Для того чтобы воспроизвести закодированный таким образом звук, нужно выполнить обратное преобразование (для него служит цифро-аналоговый преобразователь - ЦАП), а затем сгладить получившийся ступенчатый сигнал.       Чем выше частота дискретизации (т. е. количество отсчетов за секунду) и чем больше разрядов отводится для каждого отсчета, тем точнее будет представлен звук. Но при этом увеличивается и размер звукового файла. Поэтому в зависимости от характера звука, требований, предъявляемых к его качеству и объему занимаемой памяти, выбирают некоторые компромиссные значения.       Описанный способ кодирования звуковой информации достаточно универсален, он позволяет представить любой звук и преобразовывать его самыми разными способами. Но бывают случаи, когда выгодней действовать по-иному.       Человек издавна использует довольно компактный способ представления музыки - нотную запись. В ней специальными символами указывается, какой высоты звук, на каком инструменте и как сыграть. Фактически, ее можно считать алгоритмом для музыканта, записанным на особом формальном языке. В 1983 г. ведущие производители компьютеров и музыкальных синтезаторов разработали стандарт, определивший такую систему кодов. Он получил название MIDI.       Конечно, такая система кодирования позволяет записать далеко не всякий звук, она годится только для инструментальной музыки. Но есть у нее и неоспоримые преимущества: чрезвычайно компактная запись, естественность для музыканта (практически любой MIDI-редактор позволяет работать с музыкой в виде обычных нот), легкость замены инструментов, изменения темпа и тональности мелодии.       Заметим, что существуют и другие, чисто компьютерные, форматы записи музыки. Среди них следует отметить формат MP3, позволяющий с очень большим качеством и степенью сжатия кодировать музыку. При этом вместо 18-20 музыкальных композиций на стандартный компакт-диск (CD-ROM) помещается около 200. Одна песня занимает примерно 3,5 Mb, что позволяет пользователям сети Интернет легко обмениваться музыкальными композициями.

Билет 8.

Многомашинные и многопроцессорные системы

В настоящее время тенденция в развитии микропроцессоров и систем, построенных на их основе, направлена на все большее повышение их производительности. Вычислительные возможности любой системы достигают своей наивысшей производительности благодаря двум факторам: использованию высокоскоростных элементов и параллельному выполнению большого числа операций.

Существует несколько вариантов классификации систем параллельной обработки данных. Самой ранней и наиболее известной является классификация архитектур вычислительных систем, предложенная в 1966 году М. Флинном. Классификация базируется на понятии потока, под которым понимается последовательность элементов, команд или данных, обрабатываемая процессором. На основе числа потоков команд и потоков данных выделяются четыре класса архитектур:

SISD, MISD, SIMD, MIMD.

SISD (sINgle INsTRuction sTReam / sINgle data sTReam) - одиночный поток команд и одиночный поток данных. К этому классу относятся прежде всего классические последовательные машины, или, иначе, машины фон-неймановского типа. В таких машинах есть только один поток команд, все команды обрабатываются последовательно друг за другом и каждая команда инициирует одну операцию с одним потоком данных. Не имеет значения тот факт, что для увеличения скорости обработки команд и скорости выполнения арифметических операций процессор может использовать конвейерную обработку. В таком понимании машины данного класса фактически не относятся к параллельным системам.

SIMD (sINgle INsTRuction sTReam / multIPle data sTReam) - одиночный поток команд и множественный поток данных. Применительно к одному микропроцессору этот подход реализован в MMX- и SSE- расширениях современных микропроцессоров. Микропроцессорные системы типа SIMD состоят из большого числа идентичных процессорных элементов, имеющих собственную память. Все процессорные элементы в такой машине выполняют одну и ту же программу. Это позволяет выполнять одну арифметическую операцию сразу над многими данными - элементамивектора. Очевидно, что такая система, составленная из большого числа процессоров, может обеспечить существенное повышение производительности только на тех задачах, при решении которых все процессоры могут делать одну и ту же работу.

MISD (multIPe INsTRuction sTReam / sINgle data sTReam) - множественный поток команд и одиночный поток данных. Определение подразумевает наличие в архитектуре многих процессоров, обрабатывающих один и тот же поток данных. Ряд исследователей к данному классу относят конвейерные машины.

MIMD (multIPe INsTRuction sTReam / multIPle data sTReam) - множественный поток команд и множественный поток данных. Базовой моделью вычислений в этом случае является совокупность независимых процессов, эпизодически обращающихся к разделяемым данным. В такой системе каждый процессорный элемент выполняет свою программу достаточно независимо от других процессорных элементов. Архитектура MIMD дает большую гибкость: при наличии адекватной поддержки со стороны аппаратных средств и программного обеспечения MIMD может работать как однопользовательская система, обеспечивая высокопроизводительную обработку данных для одной прикладной задачи, как многопрограммная машина, выполняющая множество задач параллельно, и как некоторая комбинация этих возможностей. К тому же архитектура MIMD может использовать все преимущества современной микропроцессорной технологии на основе строгого учета соотношения стоимость/производительность. В действительности практически все современные многопроцессорные системы строятся на тех же микропроцессорах, которые можно найти в персональных компьютерах, рабочих станциях и небольших однопроцессорных серверах.

Как и любая другая, приведенная выше классификация несовершенна: существуют машины, прямо в нее не попадающие, имеются также важные признаки, которые в этой классификации не учтены. Рассмотрим классификацию многопроцессорных и многомашинных систем на основе другого признака - степени разделения вычислительных ресурсов системы.

В этом случае выделяют следующие 4 класса систем:

системы с симметричной мультипроцессорной обработкой (symmeTRic multIProcessINg), или SMP-системы;

системы, построенные по технологии неоднородного доступа к памяти (non-un IForm memory access), или NUMA-системы;

кластеры;

системы вычислений с массовым параллелизмом (massively parallel processor), или MPP-системы.

Билет 6.

Общие принципы функциональной и структурной организации ЭВМ

Электронные вычислительные машины включают, кроме аппаратурной части и программного обеспечения (ПО), большое количество функциональных средств. К ним относятся коды, с помощью которых обрабатываемая информация представляется в цифровом виде: арифметические коды - для выполнения арифметических преобразований числовой информации; помехозащищенные коды, используемые для защиты информации от искажений; коды формы, определяющие, как должна выглядеть обрабатываемая в ЭВМ информация при отображении; цифровые коды аналоговых величин (звука, “живого видео”) и др. Кроме кодов на функционирование ЭВМ оказывают влияние алгоритмы их формирования и обработки, технология выполнения различных процедур (например, начальной загрузки операционной системы, принятой в системе технологии обработки заданий пользователей и др.); способы использования различных устройств и организация их работы (например, организация системы прерываний или организация прямого доступа к памяти), устранение негативных явлений (например, таких, как фрагментация памяти) и др. Будем считать, что коды, система команд, алгоритмы выполнения машинных операций, технология выполнения различных процедур и взаимодействия hard и soft, способы использования устройств при организации их совместной работы, составляющие идеологию функционирования ЭВМ, образуют функциональную организацию ЭВМ. Реализована идеология функционирования ЭВМ может быть по-разному: аппаратурными, программно-аппаратурными или программными средствами. При аппаратурной и программно-аппаратурной реализации могут быть применены регистры, дешифраторы, сумматоры; блоки жесткого аппаратурного управления или микропрограммного с управлением подпрограммами (комплексами микроопераций); устройства или комплексы устройств, реализованные в виде автономных систем (программируемых или с жестким управлением) и др. При программной реализации могут быть применены различные виды программ - обработчики прерываний, резидентные или загружаемые драйверы, соm-, ехе- или tsr - программы, bat- файлы и др. Будем считать, что способы реализации функций ЭВМ составляют структурную организацию ЭВМ. Тогда элементная база, функциональные узлы и устройства ЭВМ, программные модули различных видов (обработчики прерываний, драйверы, соm-, ехе-, tsr-программы, bat-файлы и др.) являются структурными компонентами ЭВМ. При серьезных конструктивных различиях ЭВМ могут быть совместимыми, т.е. приспособленными к работе с одними и теми же программами (программная совместимость) и получению одних и тех же результатов при обработке одной и той же, однотипно представленной информации (информационная совместимость). Если аппаратурная часть электронных вычислительных машин допускает их электрическое соединение для совместной работы и предусматривает обмен одинаковыми последовательностями сигналов, то имеет место и техническая совместимость ЭВМ. Совместимые ЭВМ должны иметь одинаковую функциональную организацию: информационные элементы (символы) должны одинаково представляться при вводе и выводе из ЭВМ, система команд должна обеспечивать в этих ЭВМ получение одинаковых результатов при одинаковых преобразованиях информации. Работой таких машин должны управлять одинаковые или функционально совместимые операционные системы (а для этого должны быть совместимы методы и алгоритмы планирования и управления работой аппаратурно-программного вычислительного комплекса). Аппаратурные средства должны иметь согласованные питающие напряжения, частотные параметры сигналов, а главное - состав, структуру и последовательность выработки управляющих сигналов. При неполной совместимости ЭВМ (при наличии различий в их функциональной организации) применяют эмуляторы, т.е. программные преобразователи функциональных элементов. Состав функциональных блоков и структурных средств неоднороден. Поэтому в большинстве случаев функциональная и структурная организация будут рассматриваться в тех разделах, которые посвящены соответствующим аппаратурной части (hardware) или программному обеспечению (Software). Создание вычислительных систем (ВС)—наиболее реальный путь разрешения противоречия между непрерывно растущими потребностями в быстродействующих и надежных средствах вычислений и пределом технических возможностей ЭВМ на данном этапе развития. Вычислительная система представляет собой сложный комплекс, состоящий из разнообразных технических средств соответствующего программного обеспечения. Как технические, так и программные средства имеют модульную структуру построения, позволяющую наращивать ее в зависимости от назначения и условий эксплуатации системы. Программная автоматизация управления вычислительным процессом осуществляется с помощью ОС. Первыми ВС были однопроцессорные мультипрограммные ЭВМ, высокая производительность которых была достигнута за счет распределения во времени основных устройств системы между программами. Дальнейшее повышение производительноти ЭВМ было достигнуто за счет мультиобработки программ (задач), т. е. за счет разбиения программ на отдельные блоки и параллельной обработки этих блоков на нескольких обрабатывающих устройствах, входящих в состав ВС. Мультиобработка позволяет не только повысть производительность, но и сократить время выполнения отдельных программ, которые могут разбиваться на части и распределяться между различными обрабатывающими устройствами. Первым типом ВС с мультиобработкой был многомашинный комплекс МК - многомашинная ВС. В состав МК объединялись различные ЭВМ с классической структурой, имеющие возможность обмениваться информацией. На рис. 10.1 представлена структура двухмашинной ВС. Каждая ЭВМ имеет ОП, ВЗУ, ПфУ, подключаемые к центральной части ЭВМ - процессору (ПР) с помощью каналов ввода-вывода (КВВ), и работает под управлением своей ОС. Обмен информацией между ЭВМ1 и ЭВМ2 осуществляется через системные средства обмена (ССО) в результате взаимодействия ОС машин между собой. Основной недостаток многомашинной ВС - недостаточно эффективно используется оборудование комплекса. Достаточно, в ВС в каждой ЭВМ выйти из строя по одному устройству (даже разных типов), как вся ВС становится неработоспособной. Следующим шагом в направлении дальнейшего увеличения производительности ВС явилось создание многопроцессорных ВС с мультиобработкой, в составе которых содержится два или несколько процессоров (ПР), работающих с единой ОП, общий набор каналов ввода- вывода (КВВ) и ВЗУ. Наличие единой ОС делает возможным автоматическое распределение ресурсов системы на различных этапах ее работы. В результате достигается высокая «живучесть» ВС, позволяющая в случае отказа отдельных. модулей перераспределить нагрузку между работоспособными, обеспечив тем самым выполнение наиболее важных для ВС функций. К недостаткам многопроцессорных ВС относят трудности, возникающие при реализации общего поля ОП, ВЗУ, а также при разработке специальной ОС. Дальнейшее развитие идей мультиобработки привело к созданию крупных многопроцессорных систем высокой производительности, получивших назначение высокопараллельных ВС. Такие ВС в зависимости от ее структуры могут одновременно обрабатывать множественный поток данных или команд. Под потоком команд понимается последовательность команд, выполняемых ВС, а потоком данных - последовательность данных, обрабатываемых под управлением потока команд.

Билет 11

Принцип построения телекоммуникационных вычислительных сетей

Телекоммуникации – дистанционная передача данных на базе компьютерных сетей и современных технических средств связи. На базе физической передающей среды строится коммуникационная сеть, которая обеспечивает передачу информации между абонентскими системами. Коммуникационная сеть (telecommunication network) – сеть, основной задачей которой является передача данных. Она является ядром информационной сети, обеспечивающим передачу и некоторые виды обработки данных. На базе одной телекоммуникационной сети можно создать несколько информационных сетей. Информационная сеть (information network) – сеть, предназначенная для обработки, хранения и передачи данных. Задачами коммуникационной сети являются передача сигнала и доставка адресатам блоков данных, которые при этом должны сохранять свою ценность, доставлять без ошибок и искажения информации. Важны также в сети операции по предотвращению больших очередей и переполнения буферов систем. Важной характеристикой каждой коммуникационной сети является используемое окно. Это средство передачи данных, передаваемых абонентскими системами. Сеть характеризуется важным параметром, называемым трафиком. Под ним понимается количественное измерение в нужных точках сети числа проходящих блоков данных и их длины, выражаемое в секунду либо в других единицах. Коммуникационные сети подразделяются на частные, государственные (общественные) и международные. Коммуникационные сети делятся на три класса: • сети с маршрутизацией данных; • сети с селекцией данных; • смешанные сети. Характеризуя возможности той или иной ТВС, следует оценивать ее аппаратное, информационное и программное обеспечение. Аппаратное обеспечение составляют ЭВМ различных типов, средства связи, оборудование абонентских систем, оборудование узлов связи, аппаратура связи и согласования работы сетей одного и того же уровня или различных уровней. Основные требования к ЭВМ сетей – это универсальность, то есть возможность выполнения практически неограниченного круга задач пользователей, и модульность, обеспечивающая возможность изменения конфигурации ЭВМ. Информационное обеспечение сети представляет собой единый информационный фонд, ориентированный на решаемые в сети задачи и содержащий массивы данных общего применения, доступные для всех, пользователей (абонентов) сети, и массивы индивидуально пользования, предназначенные для отдельных абонентов. В состав информационного обеспечения входят базы знаний, автоматизированные базы данных – локальные и распределенные, общего и индивидуального назначения. Программное обеспечение (ПО) телекоммуникационных вычислительных сетей отличается большим многообразием как по своему составу, так и по выполняемым функциям. Оно автоматизирует процессы программирования задач обработки информации, осуществляет планирование и организацию коллективного доступа к телекоммуникационным вычислительным и информационным ресурсам сети, динамическое распределение и перераспределение этих ресурсов с целью повышения оперативности и надежности удовлетворения запросов пользователей. Выделяются следующие группы ПО сетей: • общесетевое ПО, образуемое распределенной операционной системой (РОС) сети и программными средствами, входящими в состав КПТО – комплекта программ технического обслуживания сети (это контролирующие тест-программы для контроля работоспособности элементов и звеньев сети и ее телекоммуникационной сети (ТКС) и диагностические тест-программы для локализации неисправностей в сети); • специальное ПО, представленное прикладными программными средствами: функциональными и интегрированными пакетами прикладных программ и прикладными программами сети, библиотеками стандартных программ, а также прикладными программами, отражающими специфику предметной области пользователей при реализации своих задач; • базовое программное обеспечение ЭВМ абонентских систем, включающее операционные системы ЭВМ, системы автоматизации программирования, контролирующие и диагностические тест-программы. В основу классификации ТВС положены наиболее характерные функциональные, информационные и структурные признаки. По степени территориальной рассредоточенности элементов сети (абонентских систем, узлов связи) различают глобальные, региональные и локальные вычислительные сети. По способу управления ТВС делятся на сети с централизованным (в сети имеется один или несколько управляющих органов), децентрализованным (каждая АС имеет средства для управления сетью) и смешанным управлением. По организации передачи информации сети делятся на сети с селекцией информации и маршрутизацией информации, смешанные сети. По типу организации передачи данных сети с маршрутизацией информации делятся на сети с коммутацией цепей (каналов), коммутацией сообщений и коммутацией пакетов. По топологии, то есть конфигурации элементов в ТВС, сети делятся на два класса: широковещательные и последовательные. Широковещательная конфигурация (общая шина) и последовательная конфигурация (кольцо, звезда) характерны для ЛВС. Для глобальных и региональных сетей наиболее распространенной является произвольная (ячеистая) и иерархическая конфигурации