Ответы на контрольные вопросы по курсу аэвм

1. Основные характеристики, области применения ЭВМ различных классов.

Первое направление является традиционным - применение ЭВМ для автоматизации вычислений. Научно-техническая революция во всех областях науки и техники постоянно выдвигает новые научные, инженерные, экономические задачи, которые требуют проведения крупномасштабных вычислений (задачи проектирования новых образцов техники, моделирования сложных процессов, атомная и космическая техника и др.). Отличительной особенностью этого направления является наличие хорошей математической основы, заложенной развитием математических наук и их приложений. Первые, а затем и последующие вычислительные машины классической структуры в первую очередь и создавались для автоматизации вычислений. Вторая сфера применения ЭВМ связана с использованием их в системах управления. Она родилась примерно в 60-е годы, когда ЭВМ стали интенсивно внедряться в контуры управления автоматических и автоматизированных систем. Математическая база этой новой сферы практически отсутствовала, в течение последующих 15-20 лет она была создана. Новое применение вычислительных машин потребовало видоизменения их структуры. ЭВМ, используемые в управлении, должны были не только обеспечивать вычисления, но и автоматизировать сбор данных и распределение результатов обработки. Сопряжение с каналами связи потребовало усложнения режимов работы ЭВМ, сделало их многопрограммными и многопользовательскими. Для исключения взаимных помех между программами пользователей в структуру машин были введены средства разграничения: блоки прерываний и приоритетов, блоки защиты и т.п. Для управления разнообразной периферией стали использоваться специальные процессоры ввода-вывода данных или каналы. Именно тогда и появился дисплей как средство оперативного человеко-машинного взаимодействия пользователя с ЭВМ. Новой сфере работ в наибольшей степени отвечали мини-ЭВМ. Именно они стали использоваться для управления отраслями, предприятиями, корпорациями. Машины нового типа удовлетворяли следующим требованиям:

• были более дешевыми по сравнению с большими ЭВМ, обеспечивающими централизованную обработку данных;

• были более надежными, особенно при работе в контуре управления;

• обладали большой гибкостью и адаптируемостью настройки на конкретные условия функционирования;

• имели архитектурную прозрачность, т.е. структура и функции ЭВМ были понятны пользователям.

Начало выпуска подобных ЭВМ связано с малыми управляющими машинами PDP фирмы DEC. Термин “мини-ЭВМ” появился в 1968 г. применительно к модели PDP-8. В настоящее время использование мини-ЭВМ сокращается. Исчезает и термин мини-ЭВМ. На смену им приходят ЭВМ других типов: серверы, обеспечивающие диспетчерские функции в сетях ЭВМ, средние ЭВМ или старшие модели персональных ЭВМ (ПЭВМ). Одновременно со структурными изменениями ЭВМ происходило и качественное изменение характера вычислений. Доля чисто математических расчетов постоянно сокращалась, и в настоящее время она составляет около 10% от всех вычислительных работ. Машины все больше стали использоваться для новых видов обработки: текстов, графики, звука и др. Третье направление связано с применением ЭВМ для решения задач искусственного интеллекта. Напомним, что задачи искусственного интеллекта предполагают получение не точного результата, а чаще всего осредненного в статистическом , вероятностном смысле. Примеров подобных задач много: задачи робототехники, доказательства теорем, машинного перевода текстов с одного языка на другой, планирования с учетом неполной информации, составления прогнозов, моделирования сложных процессов и явлений и т.д. Это направление все больше набирает силу. Во многих областях науки и техники создаются и совершенствуются базы данных и базы знаний, экспертные системы. Для технического обеспечения этого направления нужны качественно новые структуры ЭВМ с большим количеством вычислителей (ЭВМ или процессорных элементов), обеспечивающих параллелизм в вычислениях. По существу, ЭВМ уступают место сложнейшим вычислительным системам. Уже это небольшое перечисление областей применения ЭВМ показывает, что для решения различных задач нужна соответственно и различная вычислительная техника. Поэтому рынок компьютеров постоянно имеет широкую градацию классов и моделей ЭВМ. Фирмы-производители средств ВТ очень внимательно отслеживают состояние рынка ЭВМ. Они не просто констатируют отдельные факты и тенденции, а стремятся активно воздействовать на них и опережать потребности потребителей. Так, например, фирма IBM, выпускающая примерно 80% мирового машинного “парка”, в настоящее время выпускает в основном четыре класса компьютеров, перекрывая ими широкий класс задач пользователей.

• Большие ЭВМ (mainframe), которые представляют собой многопользовательские машины с центральной обработкой, с большими возможностями для работы с базами данных, с различными формами удаленного доступа. Казалось, что с появлением быстропрогрессирующих ПЭВМ большие ЭВМ обречены на вымирание. Однако они продолжают развиваться и выпуск их снова стал увеличиваться , хотя их доля в общем парке постоянно снижается. По оценкам IBМ, около половины всего объема данных в информационных системах мира должно храниться именно на больших машинах. Новое их поколение предназначено для использования в сетях в качестве крупных серверов. Начало этого направления было положено фирмой IBM еще в 60-е годы выпуском машин IBM/360, IBM/370. Эти машины получили широкое распространение в мире. Новая серия машин S/390 продолжает эту линию. Она насчитывает более двух десятков моделей: a) IBM S/390 Parallel Enterprise Server-Generation 3 (13 моделей) - призваны заменить большие ЭВМ ранних моделей. Они позволяют задавать переменную конфигурацию (число процессоров - 1-10, емкость оперативной памяти - 512-81292 Мбайта, число каналов - 3-256); б) IBM S/ 390 Multiprise 2000 (тоже 13 моделей) - ориентированы на использование на средних предприятиях (число процессоров 1-5).Развитие ЭВМ данного класса имеет большое значение для России. В 1970-1990 гг. основные усилия нашей страны в области вычислительной техники были сосредоточены на программе ЕС ЭВМ (Единой системы ЭВМ), заимствовавшей архитектуру IBM 360/370. Было выпущено несколько десятков тысяч ЭВМ этой системы. Более пяти тысяч ЭВМ серии ЕС еще продолжают работать в различных учреждениях и производствах. Большинство АСУ верхнего уровня государственного управления в РФ (в силовых структурах, банках, на транспорте, связи и т.д.) оснащено этими машинами. Накоплен громадный программно-информационный задел, который следует рассматривать как элемент национального достояния (по стоимости) и элемент национальной безопасности (по стратегической значимости). Поэтому принято решение на дальнейшее развитие этого направления. После подписания соглашения с фирмой IBM в марте 1993 г. Россия получила право производить 23 новейшие модели-аналоги ЭВМ IBM S/390 с производительностью от 1,5 до 167 млн. операций в секунду. По расходам на управление и эксплуатацию эти машины оказываются эффективнее других вычислительных средств.

• Машины RS/6000 - очень мощные по производительности и предназначенные для построения рабочих станций для работы с графикой, Unix-серверов, кластерных комплексов. Первоначально эти машины предполагалось применять для обеспечения научных исследований.

• Средние ЭВМ, предназначенные в первую очередь для работы в финансовых структурах (ЭВМ типа AS/400 (Advanced Portable Model 3) -“бизнес-компьютеры”, 64-разрядные). В этих машинах особое внимание уделяется сохранению и безопасности данных, программной совместимости и т.д. Они могут использоваться в качестве серверов в локальных сетях.

• Компьютеры на платформе микросхем фирмы Intel. IBM-совместимые компьютеры этого класса составляют примерно 50% рынка всей компьютерной техники. Более половины их поступает в сферу малого бизнеса. Несмотря на столь внушительный объем выпуска персональных компьютеров этой платформы, фирма ШМ проводит большие исследования и развитие собственной альтернативной платформы, получившей название Power PC. Это направление позволило бы значительно улучшить структуру аппаратурных средств ПК, а значит, и эффективность их применения. Однако новые модели этой платформы пока не выдерживают конкуренции с IBM PC. Немаловажным здесь является и неразвитость рынка программного обеспечения. Поэтому у массового пользователя это направление спроса не находит, и доля компьютеров с процессорами Power PC незначительна. Кроме перечисленных типов вычислительной техники, необходимо отметить класс вычислительных систем, получивший название “суперЭВМ”, С развитием науки и техники постоянно выдвигаются новые крупномасштабные задачи, требующие выполнения больших объемов вычислений. Особенно эффективно применение суперЭВМ при решении задач проектирования, в которых натурные эксперименты оказываются дорогостоящими, недоступными или практически неосуществимыми. В этом случае ЭВМ позволяет методами численного моделирования получить результаты вычислительных экспериментов, обеспечивая приемлемое время и точность решения, т.е. решающим условием необходимости разработки и применения подобных ЭВМ является экономический показатель “производительность/стоимость”. Например, при создании суперЭВМ GF-11 (Gigaflop-11) с быстродействием 11 млрд. операций в секунду предварительные расчеты, проведенные фирмой ЮМ, показали, что применение этой системы позволит решить целый комплекс новых задач. Одной из таких задач было уточнение массы протона на основе квантовой хромодинамики - доминирующей теории, пытающейся описать первичную структуру материи. При использовании новой ЭВМ должна была быть выполнена эта работа за 1,5 - 4 месяца с точностью 10%. Решение же этой задачи на существующей вычислительной технике требовало около 15 лет. Еще одним примером крупномасштабных задач следует считать задачу разработки новых схем СБИС для следующих поколений ЭВМ. СуперЭВМ позволяют по сравнению с другими типами машин точнее, быстрее и качественнее решать подобные задачи, обеспечивая необходимый приоритет в разработках перспективной вычислительной техники. Дальнейшее развитие суперЭВМ связывается с использованием направления массового параллелизма, при котором одновременно могут работать сотни и даже тысячи процессоров.

2. Арифметические и логические основы ЭВМ. Аксиомы и законы алгебры логики. Примеры преобразования в базисе.

Законы алгебры логики базируются на аксиомах и позволяют преобразовывать логические функции. Логические функции преобразуются с целью их упрощения, а это ведет к упрощению цифровой схемы.

АКСИОМЫ алгебры логики описывают действие логических функций "И" и "ИЛИ" и записываются следующими выражениями:

0 * 0 = 0 0 + 0 = 0

0 * 1 = 0 1 * 0 = 0

1 * 1 = 1 1 + 1 = 1

0 + 1 = 1 1 + 0 = 1

Всего имеется пять законов алгебры логики:

1. Закон одинарных элементов

1 * X = X 0 * X = 0

1 + X = 1 0 + X = X

Этот закон непосредственно следует из приведённых выше выражений аксиом алгебры логики.

Верхние два выражения могут быть полезны при построении коммутаторов, ведь подавая на один из входов элемента "2И” логический ноль или единицу можно либо пропускать сигнал на выход, либо формировать на выходе нулевой потенциал.

Второй вариант использования этих выражений заключается в возможности избирательного обнуления определённых разрядов многоразрядного числа. При поразрядном применении операции "И" можно либо оставлять прежнее значение разряда, либо обнулять его, подавая на соответствующие разряды единичный или нулевой потенциал. Например, требуется обнулить 6, 3 и 1 разряды. Тогда:

В приведённом примере отчётливо видно, что для обнуления необходимых разрядов в маске (нижнее число) на месте соответствующих разрядов записаны нули, в остальных разрядах записаны единицы. В исходном числе (верхнее число) на месте 6 и 1 разрядов находятся единицы. После выполнения операции "И" на этих местах появляются нули. На месте третьего разряда в исходном числе находится ноль. В результирующем числе на этом месте тоже присутствует ноль. Остальные разряды, как и требовалось по условию задачи, не изменены.

Точно так же можно записывать единицы в нужные нам разряды. В этом случае необходимо воспользоваться нижними двумя выражениями закона одинарных элементов. При поразрядном применении операции "ИЛИ” можно либо оставлять прежнее значение разряда, либо обнулять его, подавая на соответствующие разряды нулевой или единичный потенциал. Пусть требуется записать единицы в 7 и 6 биты числа. Тогда:

Здесь в маску (нижнее число) мы записали единицы в седьмой и шестой биты. Остальные биты содержат нули, и, следовательно, не могут изменить первоначальное состояние исходного числа, что мы и видим в результирующем числе под чертой. Первое и последнее выражения позволяют использовать логические элементы с большим количеством входов в качестве элементов с меньшим количеством входов. Для этого неиспользуемые входы в схеме "И” должны быть подключены к источнику питания, как это показано на рисунке 1:

Рисунок 1. Схема "2И-НЕ", реализованная на элементе "3И-НЕ".

а неиспользуемые входы в схеме "ИЛИ" должны быть подключены к общему проводу схемы, как это показано на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема "НЕ", реализованная на элементе "2И-НЕ".

2. Законы отрицания

a. Закон дополнительных элементов.

Выражения этого закона широко используется для минимизации логических схем. Если удаётся выделить из общего выражения логической функции такие подвыражения, то можно сократить необходимое количество входов элементов цифровой схемы, а иногда и вообще свести всё выражение к логической константе.

a. Двойное отрицание

b. Закон отрицательной логики

,

Закон отрицательной логики справедлив для любого числа переменных. Этот закон позволяет реализовывать логическую функцию "И" при помощи логических элементов "ИЛИ” и наоборот: реализовывать логическую функцию "ИЛИ” при помощи логических элементов "И”. Это особенно полезно в ТТЛ схемотехнике, так как там легко реализовать логические элементы "И”, но при этом достаточно сложно логические элементы "ИЛИ”. Благодаря закону отрицательной логики можно реализовывать элементы "ИЛИ” на логических элементах "И”. На рисунке 3 показана реализация логического элемента "2ИЛИ” на элементе "2И-НЕ” и двух инверторах.

Рисунок 3. Логический элемент "2ИЛИ”, реализованный на элементе "2И-НЕ” и двух инверторах.

То же самое можно сказать и о схеме монтажного "ИЛИ”. В случае необходимости его можно превратить в монтажное "И”, применив инверторы на входе и выходе этой схемы.

3. Комбинационные законы.

Комбинационные законы алгебры логики во многом соответствуют комбинационным законам обычной алгебры, но есть и отличия.

a. закон тавтологии (многократное повторение)

X+X+X+X=X, X*X*X*X=X

Этот закон позволяет использовать логические элементы с большим количеством входов в качестве элементов с меньшим количеством входов. Например, можно реализовать двухвходовую схему 2И на элементе 3И, как это показано на рисунке 4:

Рисунок 4. Схема "2И-НЕ”, реализованная на элементе "3И-НЕ”.

или использовать схему 2И-НЕ в качестве обычного инвертора, как это показано на рисунке 5:

Рисунок 5. Схема "НЕ”, реализованная на элементе "2И-НЕ”.

Однако следует предупредить, что объединение нескольких входов увеличивает входные токи логического элемента и его ёмкость, что увеличивает ток потребления предыдущих элементов и отрицательно сказывается на быстродействии цифровой схемы в целом.

Для уменьшения числа входов в логическом элементе лучше воспользоваться законом одинарных элементов, как это было показано выше.

a. закон переместительности

A+B+C+D=A+C+B+D

b. закон сочетательности

A+B+C+D=A+(B+C)+D=A+B+(C+D)

c. закон распределительности

X₁(X₂+X₃)= X₁X₂ + X₁X₃

X₁+X₂X₃=(X₁+X₂)(X₁+X₃)=/докажем это путём раскрытия скобок/= X₁X₁+ X₁X₃+ X₁X₂+ X₂X₃= X₁(1+X₃+X₂)+ X₂X₃= X₁+X₂X₃

4. Правило поглощения (одна переменная поглощает другие)

X₁+X₁X₂ X₃ =X₁(1+X₂ X₃)=X₁

5. Правило склеивания (выполняется только по одной переменной)

Также как в обычной математике в алгебре логики имеется старшинство операций. При этом первым выполняется:

Действие в скобках:

• Операция с одним операндом (одноместная операция) – НЕ

• Конъюнкция - И

• Дизъюнкция - ИЛИ

• Сумма по модулю два.

Операции одного ранга выполняются слева направо в порядке написания логического выражения. Алгебра логики линейна и для неё справедлив принцип суперпозиции.

3. Организация прерываний в ЭВМ.

Во время выполнения программы внутри ЭВМ и во внешней среде могут возникать события, требующие немедленной реакции на них со стороны машины. Реакция состоит в том, что машина прерывает обработку текущей программы и переходит к выполнению некоторой другой программы, специально предназначенной для данного события. По завершении этой программы ЭВМ возвращается к выполнению прерванной программы. Такой процесс называется прерыванием.

Прерывание – реакция на входной сигнал запроса прерывания или команду прерывания. Прерывание работы МП по запросу внешних устройств устраняет необходимость выполнения МП неэффективных операций по проверке готовности внешних устройств к обмену данными и снижает затраты времени на ожидание готовности периферийного устройства к обмену. Прерывания необходимы при обмене данными с большим числом асинхронно работающих внешних устройств. Каждое событие, требующее прерывания, сопровождается сигналом, оповещающим об этом событии ЭВМ, который называется запросом прерывания. Программу, затребованную запросом прерывания, называют прерывающей программой, а программу, выполнявшуюся до появления запроса, - прерываемой программой. Система прерываний позволяет значительно эффективнее использовать процессор при наличии нескольких протекающих параллельно во времени процессов. Для эффективной реализации системы прерываний ЭВМ снабжается соответствующими аппаратными и программными средствами, совокупность которых называется контроллером прерываний.

Порядок обработки прерывания. Основными функциями системы прерываний являются:

• запоминание состояния прерываемой программы;

• осуществление перехода к прерывающей программе;

• восстановление состояния прерванной программы;

• возврат к прерванной программе.

При наличии нескольких источников запросов прерываний должен быть установлен определенный порядок в обслуживании поступающих запросов, т.е. должны быть установлены приоритетные соотношения между запросами. Приоритетные соотношения определяют, какой из нескольких поступивших запросов подлежит обработке в первую очередь, и устанавливают, имеет или не имеет право данный запрос прерывать ту или иную программу.

Прерывающая программа, как правило, состоит из трех частей:

1. Подготовительной, обеспечивающей сохранение состояния прерванной программы.

2. Основной, выполняющей затребованную запросом работу.

3. Завершающей, обеспечивающей продолжение работы прерванной программы.

Приоритетное обслуживание запросов прерывания Вектором прерывания называют вектор начального состояния прерывающей программы. Вектор прерывания содержит всю необходимую информацию для перехода к прерывающей программе, в том числе ее начальный адрес. Каждому уровню прерывания, а в микроЭВМ - каждому запросу, соответствует свой вектор прерывания. Векторы прерывания обычно находятся в специально выделенных фиксированных ячейках памяти. Процедура организации перехода к прерывающей программе выделяет из всех выставленных запросов тот, который имеет наибольший приоритет, выполняет передачу текущего состояния прерываемой программы из регистров процессора в стек, загружает в регистры процессора вектор прерывания и передает управление прерывающей программе. В простейшем случае вектор прерывания состоит лишь из начального адреса прерывающей программы. Различают абсолютный и относительный приоритеты. Запрос, имеющий абсолютный приоритет, прерывает выполняемую программу и инициирует выполнение соответствующей прерывающей программы. Запрос с относительным приоритетом является первым кандидатом на обслуживание после завершения выполнения текущей программы. Если наиболее приоритетный из выставленных запросов прерывания не превосходит по уровню приоритета выполняемую процессором программу, то запрос прерывания игнорируется или его обслуживание откладывается до завершения выполнения текущей программы. Простейший способ установления приоритетных соотношений между запросами состоит в том, что приоритет определяется порядком присоединения линий сигналов запросов к входам системы прерывания. При появлении нескольких запросов прерывания первым воспринимается запрос, поступивший на вход с меньшим номером. В этом случае приоритет является жестко фиксированным.

4. Архитектура программируемого контроллера прерываний

Контроллер прерываний (англ. Programmable Interrupt Controller, PIC) — микросхема или встроенный блок процессора, отвечающий за возможность последовательной обработки запросов на прерывание от разных устройств.

PIC

Как правило представляет собой электронное устройство, иногда выполненное как часть самого процессора или же сложных микросхем его обрамления, входы которого присоединены электрически к соответствующим выходам различных устройств. Номер входа контроллера прерываний обозначается «IRQ». Следует отличать этот номер от приоритета прерывания, а также от номера входа в таблицу векторов прерываний (INT). Так, например, в IBM PC в реальном режиме работы (в этом режиме работает MS-DOS) процессора прерывание от стандартной клавиатуры использует IRQ 1 и INT 9.

В первоначальной платформе IBM PC используется очень простая схема прерываний. Контроллер прерываний представляет из себя простой счётчик, который либо последовательно перебирает сигналы разных устройств, либо сбрасывается на начало при нахождении нового прерывания. В первом случае устройства имеют равный приоритет, во втором устройства с меньшим (или большим при обратном счёте) порядковым номером обладают большим приоритетом.

APIC

В процессоре Pentium был добавлен расширенный контроллер прерываний (APIC, Advanced PIC). Он состоит из модуля, встроенного в сам процессор (в случае многоядерной системы — в каждое ядро), называемого локальный контроллер прерываний (англ. local APIC), и центрального модуля, выполненного в одном экземпляре даже на многоядерном оборудовании, обычно как часть микросхем обрамления процессора (англ. IO APIC).

Проводники IRQ от устройств подсоединены к IO APIC. Для общения local APIС и IO APIC, а также local APIC различных ядер друг с другом, используется передняя (frontside) шина многопроцессорной системы, также используемая для соединения процессоров и контроллера памяти. Варианты использования передней шины для общения APIC между собой — отдельные проводники, или же специальные типы транзакций — менялись от поколения к поколению процессоров Pentium и Core.

APIC использовался в многоядерных/многопроцессорных системах, начиная с Intel Pentium (ядро P54). Начиная с этого процессора, каждый следующий снабжался интегрированным Local APIC-ом.

Преимущества расширенного контроллера прерываний:

• возможность реализации межпроцессорных прерываний — сигналов от одного процессора другому

• поддержка до 256 входов IRQ, в отличие от 16 на классической IBM PC

• крайне быстрый доступ к регистрам текущего приоритета прерывания и подтверждения прерывания. Контроллер прерываний, совместимый с IBM PC, исполнялся как устройство шины ISA с очень медленным доступам к его регистрам (порт 0x20).

APIC поддерживался в ОС Windows, начиная с Windows NT 4.0.

В настоящий момент наблюдается тенденция к отказу от IO APIC, как и проводников IRQ, и переходу на Message Signaled Interrupts.

5. Компоненты компьютерных систем. Архитектура сумматора, арифметическо-логического устройства (АЛУ), шифратора, дешифратора, мультиплексора.

Компьютерная система включает в себя как аппаратные и информации, хранящейся на оборудовании. Информация, хранящаяся на компьютере аппаратных часто называют программным обеспечением.

Аппаратных компонентов компьютерной системы являются электронные и механические части.

Программных компонентов компьютерной системы данных и компьютерных программ.

Основные аппаратные компоненты вычислительной системы являются:

• Процессор

• Основная память

• Вторичная память

• Устройства ввода

• Выходные устройства

Для типичных настольных компьютеров, процессор, оперативную память, вторичная память, блок питания, а также поддержка аппаратного размещены в металлическом корпусе.Многие компоненты подключаются к основной плате компьютера, называется материнской платы. Блок питания обеспечивает питание для большинства компонентов. Различные устройства ввода (например, клавиатура) и вывода (например, монитор) крепятся через разъемы на задней части корпуса.

Сумматор — устройство, преобразующее информационные сигналы (аналоговые или цифровые) в сигнал, эквивалентный сумме этих сигналов.

Классификация сумматоров