Вопросы по «ЭВМ и вычислительные системы» (стр. 2 )

Аппаратные средства любой алгоритмически универсальной ЭВМ можно условно разделить на 3 части:

1.Процессор 2.Память 3.Периферийные устройства

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.

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.

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.

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.

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:

по способу осуществления операции: последовательные и сдвигающие; по типу базовых элементов: комбинационные и накапливающие.

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.

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.

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: