Вопросы по «ЭВМ и вычислительные системы» (стр. 1 )

Вопросы по «ЭВМ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ»

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.

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.

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.

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.