Архитектурные принципы построения ЗВМ. Классификация ЭВМ, процессоров (стр. 4 )

ЦПУ формирует последовательность УС для СПВВ и размещает ее в ОП, адрес 1-го УС помещает в адресное слово, после этого ЦПУ выдает SIO в СПВВ, а СПВВ уже обращается по адресному слову (т. е. фиксированному адресу) и читает адрес УС, а потом и само 1-е УС и начинает работать.

ОП

адресное слово

29. Структура и работа сопроцессора ввода-вывода в мультиплексном режиме.

СПВВ работая в мультиплексном режиме может вести обмен практически со всеми ПУ. Инициатива начала обмена всегда принадлежит ПУ. Иногда предусматривается монопольный режим, работа в таком режиме походит на работу в селекторном режиме.

Подканал – средства канала, выделенные для обслуживания одного ПУ.

Структура:

СПВВ выполняет несколько программ (простых – либо ввод, либо вывод). Получается, что если ПУ1 производит ввод, то информация помещается в одну область ОП, а если ПУ1 производит вывод, то информация берется из другой области, соответственно и TA при этом будут разными.

На адресацию ПУ отводится 1 байт:

1 яч.		1. УС (RG УС)
		2. АУС (RG АУС)
		3. RG D
		4. №ПУ – адрес соответствующей ячейки
	└статическая память СПВВ

Когда идет обмен, ПУ выставляет запрос на сеанс связи и это требование сопровождает своим №, СПВВ использует этот № в качестве адреса памяти, хранящей всю управляющую информацию. № ПУ сравнивается с хранящимся, и, если они совпадают, то выполняется обмен. После этого всю информация опять записывается во внутреннюю память СПВВ. Если совпадения не возникает, то это ошибка – сразу блокируется пересылка данных из СПВВ в ОП, и посылается запрос на прерывание, а несовпадение номеров фиксируется в RG состояния СПВВ.

30. Принципы организации контроля функционирования ЭВМ. Классификация методов контроля. Программный контроль.

В производимых ЭВМ преобразованиях информации очень важна их достоверность, для этого используются различные методы контроля функционирования ЭВМ. Если такие методы отсутствуют, то пользователь вынужден производить повторный расчет, занимая тем самым машинное время.

Наличие системного контроля должно закладываться на этапе проектирования ЭВМ. Системный контроль должен тесно взаимодействовать с системами диагностики.

Введение избыточности:

1)  временная – увеличение времени выполнения операций для контроля.

2)  пространственная – увеличение разрядности данных для контроля.

Аппаратный:

Наличие аппаратного контроля означает, что операционный контроль осуществляется непосредственно во время процесса выполнения операций. При введении аппаратного контроля вводится избыточность разрядов (пространственная).

Должен обеспечивать:

1)  контроль данных

2)  контроль команд – имеется дескриптор выполняемости, если он взведен – это команда, иначе – данные.

3)  контроль адресов – не выходит ли адрес за пределы сегмента (при сегментно-страничной организации)

Оперативный контроль – это контроль, который производится постоянно:

-  сквозной (контролируются все устройства)

-  локальный (контролируется конкретное устройство)

Встроенный контроль – контроль, при котором в систему встраиваются специальные датчики, которые контролируют электрические параметры. Чаще всего используются в источниках питания.

Тестовый – различного рода тестирование:

-  контролирующий – тестовые программы с заранее известным результатом

-  диагностирующий – тестовые программы, выявляющие место сбоя

Сбои могут быть вызваны помехами. Помехи бывают:

1)  локальные – в цепи прохождения сигнала. Например, несоответствие разъемов.

2)  внутри каких-либо подсистем. Например, внутри провода.

3)  внешние. Например, в сети.

Программно-логический контроль:

Контроль основан на формировании результата выполнения операции 2-мя различными независимыми путями и дальнейшем их сравнении. Необходимо выявлять как случайные ошибки, так и ошибки, вызванные отказами. В данном методе функции контроля выполняет пользователь.

Можно выделить следующие методы:

- метод программного счета. Одна и та же программа прокручивается несколько раз. В итоге получаем результат. Если все хорошо, то достаточно прогнать 2 раза. Плохо определяются ошибки, вызванные отказами.

- метод обратного счета. Сначала решается прямая задача, затем она же, но наоборот. Но возникает необходимость писать 2 программы, сравнивать результаты прямого и обратного счета с учетом погрешностей. Выгоден только при небольших размерах обратного алгоритма.

- решение задачи по двум алгоритмам: более и менее точному. Недостатки: необходимость написания двух программ; собственно, поиск второго, более простого, алгоритма.

- метод контрольных точек. В этом случае в программу вводится процедура для выполнения контроля. Этот метод реагирует не на случайные ошибки, а на отказ.

2-ой и 3-ий методы взаимодополняют друг друга.

31. Аппаратные методы контроля арифметических и логических операций.

Методы:

1)  Цифровой контроль по модулю (в основном применяется)

2)  Числовой контроль по модулю (почти не применяется)

1) В качестве контрольных разрядов берется остаток от деления суммы цифр исходного кода на выбранный модуль.

Частности: В качестве модуля берется 2 – если Σ цифр четная Þ 0, если Σ не четная Þ 1. Похоже на контроль по паритету. При отсутствии передачи – 0.

Методы:

1) 

Обращение кода – т. е. преобразование кода в прямой и наоборот.

2)  Сдвиг – надо подсчитывать четность количества сдвинутых 1 (поставить Т-тригер)

3)  Суммирование

S0, S1, …, Sn-1 ,где Si = ai Å bi Å ci (ci – входной перенос)

S0 Å S1 Å …Å Sn-1 = a0 Å a1 Å …Å an-1 Å b0 Å b1 Å …Å bn-1 Å c0 Å c1 Å …Å cn-1

2) В качестве контрольных разрядов берется остаток от деления самого числа на модуль.

Модуль берется 3 (2n – 1). Необходимо 2 контрольных разряда. Этот контроль выявляет одинарные и некоторые двойные ошибки.

Если А+В=С, то Кр. А+Кр. В=Кр. С (по модулю 3). Рассматривается в плане целых чисел.

А/В = С + ост.

1)  контроль умножения 2)  контроль деления 3)  контроль логич. опер.

\ | из-за этого не используется /

32. Интерфейсы ЭВМ и систем. Классификация, основные понятия.

Синхронные и асинхронные.

Внутренние и внешние.

Внешние интерфейсы.

Толковый словарь по вычислительным системам определя­ет понятие интерфейс (interface) как границу раздела двух систем, устройств или программ; элементы соединения и вспомогательные схемы управления, используемые для со­единения устройств.

По способу передачи информации интерфейсы подразделя­ются на параллельные и последовательные. В параллельном интерфейсе все биты передаваемого слова (обычно байта) выставляются и передаются по соответствующим параллель­но идущим проводам одновременно. В PC традиционно ис­пользуется параллельный интерфейс Centronics, реализуемый LPT-портами. В последовательном интерфейсе биты переда­ются друг за другом, обычно по одной линии. СОМ-порты PC обеспечивают последовательный интерфейс в соответ­ствии со стандартом RS-232C.

Различают три возможных режима обмена — дуплексный, полудуплексный и симплексный. Дуплексный режим позволяет по одному каналу связи одновременно пе­редавать информацию в обоих направлениях. Он может быть асимметричным, если пропускная способность в направле­ниях «туда» и «обратно» имеет существенно различающие­ся значения, или симметричным. Полудуплексный режим позволяет передавать информацию «туда» и «обратно» по­очередно, при этом интерфейс имеет средства переключения направления канала. Симплексный (односторонний) режим предусматривает только одно направление передачи инфор­мации (во встречном направлении передаются только вспо­могательные сигналы интерфейса).

Другим немаловажным параметром интерфейса является допустимое удаление соединяемых устройств. Оно ограничивается как частотными свойствами кабелей, так и помехозащищенностью интерфейсов.

Важным свойством интерфейса, на которое часто не обра­щают внимания, является гальваническая развязка (т. е. физический «разрыв» электрической линии, для передачи информации через подобные «разрывы» обычно используется оптопары).

Внутренние интерфейсы.

Внутренние интерфейсы, предназ­наченные для быстрой связи на короткие расстояния. Стан­дартизованные шины расширения ввода/вывода обеспечива­ют расширяемость PC, который никогда не замыкался на выполнении сугубо вычислительных задач. Эти шины пре­доставляют более широкие возможности для взаимодействия процессора с аппаратурой, не скованные жесткими ограни­чениями внешних интерфейсов. Шины расширения ввода/вывода реализуются в виде слотов на системной плате компьютера.

Краткий перечень современных внутренних интерфейсов: ISA-8 и ISA-16,

EISA, VLB, PCI, AGP, PC Card, он же PCMCIA,

За универсальность и производительность внутренних шин расширения приходится расплачиваться более замысловатой реализацией интерфейсных схем и сложностями при обес­печении совместимости с другим установленным в компью­тер оборудованием. Здесь ошибки могут приводить к поте­ре (хорошо, если временной) работоспособности компьютера.

При рассмотрении интерфейсов важным параметром явля­ется пропускная способность.

33. Принципы организации интерфейсов, структура связей, функциональная организация

Структуры шин и линий ин­терфейса. При проектиро­вании ЭВМ приходится решать задачу — орга­низацию передачи информации в группе взаимосвязанных уст­ройств. Характерным является случай централизованной связи, когда передача информации про­изводится только между уст­ройством У0 и одним из устройств У1...Уn Примером является передача информации между каналом и ПУ. При организации связи группы устройств возникает необходи­мость в адресации и идентификации устройств У1...Уn. Адресация в данном случае состоит в выборе центральным устройством У0 одно­го из устройств У1...Уn для связи. Идентификация состоит в опреде­лении центральным устройством, какое из устройств У1.... Уn запра­шивает связь. Адресация и идентификация устройства осуществляются путем передачи соответствующей информации по линиям интерфейса. Различные структуры линий и шин интерфейса можно клас­сифицировать следующим образом: индивидуальные, коллективные, комбинированные. Наиболее надежной является структура с индивидуальными ли­ниями и шинами, поскольку выход из строя одной группы линий и шин не влияет на работу других устройств. При использовании ин­дивидуальных линий и шин упрощаются адресация и идентификация, но увеличивается количество оборудования. Индивидуальные линии и шины используются в основном для связи вычислительной машины с устройствами технологической автоматики. Структура с коллективными шинами и линиями имеет меньшую надежность, но при необходимости организации связи с большим чис­лом устройств такое выполнение позволяет уменьшить объем обору­дования.

На рис. 11.14 представлена структура с индивидуальными линиями и шинами. Жирными линиями изображены шины, по которым пере­даются данные. Центральное устройство У0 с любым устройством У, связы­вается с помощью индивидуаль­ных линий Ai и шин Вi. Рис. 11.14. Структура с ин­дивидуальными линиями и шинами

Устройство У0 имеет переключатели S, для подключения шин В,. На рисунке переключатели изображены в виде электромеханических контактов, однако такие переключатели реализуются в виде элек­тронных устройств.

Для адресации Уi, устройство У0 должно включить соответствую­щий переключатель Si. Идентификация устройства Уi осуществляется следующим обра­зом: сначала Уi на линии Ai возбуждает сигнал требования на установ­ление связи, затем соответствующий узел Yo1 устройства Уo опреде­ляет, от какого устройства пришел сигнал требования. Как только устройство Уo будет готово к обмену информацией, замыкается пере­ключатель Si и начинается передача данных. На рис. 11.15 представлена структура с коллективными линиями и шинами. По коллективной шине В происходит обмен информацией между У0 и Уi, по коллективной линии А из Уi в Уo передается сигнал требования на установление связи. Кроме того, имеется коллективная линия D, которая выходит из Уo, последовательно проходит через устройства Уi и возвращается в устройство Уo. При адресации Уi устройство Уo устанавливает на шинах В код номера устройства Уi и посылает сигнал «выборки» по линии D. Если код номера на шинах В не совпадает с номером устройства Уi то переключатель Tj, остается в исходном состоянии и сигнал по линии D распространяется на сле­дующее устройство Уi+1. При совпадении кода с номером устройства переключатель Тj, замыкается, дальнейшее распространение сигнала по линии D прекращается, а выбранное устройство Уj соединяется с Уo путем замыкания переключателя Si. Если сигнал, посылаемый по линии D, возвращается в Уo, то это означает, что адресованное устрой­ство Уi не найдено (обычно это свидетельствует о неисправности в ра­боте интерфейса). К интерфейсам малых и микро-ЭВМ, в основном предназна­ченных для работы в системах реального времени, предъявляются по­вышенные требования в отношении простоты, гибкости и высокой динамичности. Для этих машин характерным архитектурным реше­нием является общий интерфейс «общая шина» (ОШ), при котором один и тот же набор линий обеспечивает связь между процессором, ос­новной памятью и периферийными устройствами.

Интерфейс «мультишина». В этом случае обмен данными осуществляется асинхронно по схе­ме «задатчик-исполнитель». Интерфейс «мультишина» приме­няется, например, в микро-ЭВМ СМ-1800, в устройствах и системах, в которых используются микропроцессоры К580. Интерфейс «мультишина», являясь модификацией интерфей­са «общая шина», по сравнению с последним обладает логическими возможностями.

34. Решающие усилители. Принципы построения, схемы цифро-аналоговых преобразователей код-напряжение.

Операционный усилитель - инвертирующий усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления и высоким входным сопротивлением.

Kȴ

У усилителя должно быть большое входное сопротивление (в идеале бесконечность). При больших R они сопоставимы с Rвх ОУ, что приводит к дополнительным погрешностям.

Интегратор можно использовать в качестве фильтра НЧ.

Как включать ОУ

Неприятная особенность - дрейф «0», который связан с температурным фактором.

ЦАП N®U

1. Взвешенные резистивные сетки или делители

2. Цепочечные (лестничные) делители.

1. Недостаток в том, что в схеме очень много номиналов резисторов.

2. Сетка R-2R

Для прямого включения необходим хороший источник (с малым внутренним сопротивлением)

Параметры цифро-аналоговых преобразователей.

h=(Umax-Umin)/(2n-1) - для двоичного кода.

Разрешающая способность преобразования - наименьшее значение ступени квантования, которое представляет наименьшее изменение выходной аналоговой величины.

У реальной характеристики ступень квантования в разных точках различная, поэтому используется среднее значение ступени квантования по всему множеству.

Точность ЦАП характеризуется рядом отклонений реальной характеристики от идеальной.

1. Нелинейность.

2. Дифференциальная нелинейность.

3. Монотонность.

4. Смещение начальной точки характеристики преобразования.

5. Смещение конечной точки характеристики преобразования от номинала.

Нелинейность измеряется в долях единицы младшего разряда.

dL=Dx/h*100%, dL=Dx/Xk

Dx - максимальное отклонение характеристики от заданной прямой.

Xk - значение в конечной точке характеристики преобразования.

- дифференциальная нелинейность.

h - действительное значение ступени квантования.

- среднее

Дифференциальная нелинейность в ЦАП указывается для худшего случая.

Монотонность - неизменность знака приращения выходной величины (знака производной) при последовательном изменении входного кода.

Крутизна (коэффициент) преобразования - это крутизна аппроксимирующей кривой.

Значение отклонения реальной величины от идеальной считается в конечной точке.

Причины смещения.

1. Дрейф «0».

2. Управляющие сигналы могут поступать в аналоговую цепь (зависит от конструкции)

При разводке цепей аналоговые проводники и земля должны быть соединены в одной точке.

Аналоговую землю разводят пауком, и в ряде случаев в этой точке соединяют с цифровой (исходя из минимальности помех).

Динамические параметры.

Время установления входного сигнала - это время между тем, как переключился вход, и временем, когда выходной сигнал будет отличаться от нужного не более чем на 0,5 EMP.

Время задержки - это время от 0,5 логического сигнала до 0,5 выходного. Другой вариант: tзад - от 0,1 Uвых до 0,9 Uвых.

Скорость нарастания выходного сигнала - отношение приращения выходной аналоговой величины ко времени, за которое это приращение произошло. Чаще всего измеряется при помощи значения tз.

Время переключения - от момента изменения кода до 0,9 Uвых.

35. Алгоритмы работы, схема аналого-цифровых преобразователей напряжение - >код.

АЦП U®N

1.   Преобразование напряжения входов может происходить:

·  с промежуточным преобразованием U®T®N

·  без промежуточного преобразования U®N

2.   Без обратной связи, с обратной связью.

Fкв>=2fв

Схема АЦП 1 1

Для повышения точности нужно использовать ОС.

АЦП 2 2. Схема медленная.

Схема АЦП последовательного счета.

Частота генератора на статическую погрешность не влияет. Динамическая погрешность - неоднородность времени срабатывания входа.

АЦП поразрядного преобразования (на основе алгоритма половинного деления)

В регистре сдвигается «1». Для работы требуется 4 такта. Повышается быстродействие схемы.

ß Схема прямого кодирования (непосредственного счета).

Такие компараторы формируют коды за 1 такт.

Число компараторов = 2n (для 4: 16)

36. Параметры аналого-цифровых преобразователей.

Статические параметры:

1. Количество разрядов.

2. Характеристики преобразования.

Напряжение межкодового перехода - такое входное напряжение, статистическая вероятность которого в заданное и предшествующее заданному значению кода равны.

Разность двух соседних значений НМП - шаг квантования характеристики преобразования АЦП.

Отличия реальной характеристики от идеальной:

1. Смещение «0»

2. Отклонение конечной точки характеристики преобразования.

3. Нелинейность (отклонение действительной от идеальной).

4. Дифференциальная нелинейность - отклонение действительного значения шагов квантования от их среднего значения.

5. Зона неопределенности НМП.

Динамические характеристики.

1. Время преобразования.

2. Частота преобразования.

3. Апертурное время.

4. Апертурная неопределённость (дрожь).

5. Монотонность характеристики преобразования при максимальной допустимой скорости изменения входного сигнала.

6. Отношение сигнал/шум.

1. Время от момента начала изменения входного сигнала до формирования кода на выходе.

2.

3. Это время, характеризующее неопределенность между значением кода и временем, к которому этот код относится.

4. Это случайное изменение апертурного времени в конкретной точке характеристики апертурного преобразования.

21. Организация, хранение, использование страничных таблиц. Стратегия замещения страниц.

Стратегии замещения страниц Когда происходит страничный сбой, основная задача состоит в определении той страницы, на место которой будет загружена требуемая виртуальная страница (замещение). При этом в многозадачной ОС замещение может быть ЛОКАЛЬНЫМ, то есть новая страница может быть загружена на место страницы той же самой задачи, и ГЛОБАЛЬНЫМ, когда страница может быть загружена на место страницы любой задачи. Кроме того, необходим некоторый критерий, по которому происходит определение замещаемой страницы: то есть замена должна быть произведена таким образом, чтобы снизить в будущем количество страничных сбоев. Это можно сделать на основе анализа предыдущих обращений программы к своим страницам. На практике используют два следующих критерия:

LRU - замещается страница, к которой дольше всего не было обращений, то есть наименее используемая в последнее время. Для этого в каждой странице необходимо фиксировать время обращения к ней; FIFO -  замещается страница, ранее всех загруженная в ОП (обычная "очередь"). Для этого необходимо фиксировать время загрузки страницы в ОП.

Виртуальная память.

Автоматическое и динамическое разделение ОП

ВП(ВАП) ФП(ФАП)

ЖД-жесткий диск

Размер ВП = суммарный объем всех запоминающих устройств.

Страничная организация (вся память делится на страницы)

D (данные)

В ОП хранится полная страничная таблица.

В MMU есть небольшая память (16 – 64 хранит дескрипторы), хранит дескрипторы активных страниц.

1 – ОП, 0 – ЖД

В MMU нет бита активности (т. к. страница уже загружена в ОП).

Память MMU – ассоциативная (адр. кэш)

TLB – (Translocation Look aside Buffer) буфер быстрого преобразования адреса. В TLB нет блоков (как в кэше) – одна строка – один дескриптор таблицы.

Динамическое размещение страниц:

1. Хранить размер, проверять выход за границы.

2. Удаление (запись новой – дефрагментация, сборка мусора…)

Страничное прерывание – внутренне, на уровне микрокоманды.

MMU должен быть сделан так, чтобы его можно было вкл/откл (на начальном этапе загрузки системный механизм ВП отключен) CR0-CR3

Замещение страниц

Для удаления страницы необходимо просто убрать дескриптор из TLB и изменить его (дескр.) с пометкой отсутствия в ОП.

Есть физически реализуемые и физически нереализуемые алгоритмы.

Физически нереализуемые – эталон. Требуют информации, которой достоверней нет.

Алгоритмы :

1.удаляется страница, отношение к которой самое позднее по сравнению с другими. Дает минимальное количество замещений.

2.удаляется страница, вероятность обращения к которой не больше, чем ко всем остальным. Дает минимизацию среднего количества замещений.

Виды:

1.удаляется случайно выбранная страница

2.удаляется страница, которая наиболее долго размещалась в памяти

3.FIFO

4.LIFO

5.алгоритм карабкающихся страниц:

страница помещается в стек;

если к дескриптору страницы произошло обращение, то

Вариант 1- дескриптор помещается вверх:

TLB

Вариант 2- дескриптор помещается на ступеньку вверх

TLB

Реализация сложна так как TLB необходимо реализовать в форме стека с произвольным доступом.

22. Странично-сегментная организация памяти. Формирование физических адресов. Особенности сегментно-страничной организация памяти в МП фирмы Intel или AMD.

Сегментно-страничная организация – физ. память делится на сегменты, которые делятся на страницы.

Особенности:

1)  пользователь (программист?) должен знать сегментацию адресного пространства

2)  размер сегмента переменный, страницы – постоянный (длина сегмента задаётся в страницах)

3)  страничное преобразование отключается, сегментное нет

Адрес:

Сегмент кода CS – участвует в поиске регистров.

После формирования адреса проверяется, не выходит ли адрес за пределы сегмента.

Сегмент кода загружает только те страницы, которые надо.

У AMD и Intel две страницы PTE по 1024 байта.

0

8, 7 – биты изменения

4 – бит запрещения кэширования страницы

2 – U/S – пользователь/SV

1 – чтение/запись

2, 1 – защита на уровне страницы

37. Принципы хранения и размещения информации на магнитных дисках.

Магнитные диски используются как запоминающие устройства, позволяющие хранить информацию долговременно, при отключенном питании. Для работы с Магнитными Дисками используется устройство, называемое накопителем на магнитных дисках (НМД). Обычно НМД состоит из следующих частей: - контроллер дисковода, - собственно дисковод, - интерфейсные кабели, - магнитный диск. Контроллер дисковода управляет обменом информацией между CPU и ОЗУ, с одной стороны, и НМД - с другой. Контроллер дисковода вставляется в один из свободных разъемов системной платы IBM PC (MotherBoard). Дисковод содержит головки чтения/записи, механический привод перемещения головок и электронную схему для управления движением головок и чтением/записью данных. Магнитный диск представляет собой основу с магнитным покрытием, которая вращается внутри дисковода вокруг оси. Магнитное покрытие используется в качестве запоминающего устройства.
Магнитные Диски : жесткие (Винчестер) и гибкие (Флоппи).