extracted_text:
1.
2.
3.
тема 1 вопрос 15
алгоритмы получения прямого обратного и дополнительного кода числа. примеры.
1.2.1. Алгоритм получения дополнительного кода
Для получения дополнительного kразрядного кода отрицательного числа необходимо следующее:
Модуль числа представить прямым кодом в k двоичных разрядах.
Значения всех бит инвертировать (все нули заменяются на единицы, а единицы на
нули), таким образом получается kразрядный обратный код исходного числа.
К полученному обратному коду, трактуемому как kразрядное неотрицательное
двоичное число, прибавить единицу.
Заметим, что получение дополнительного кода одного и того же отрицательного числа для типов
разной разрядности на основе ранее полученного дополнительного кода сводится к удалению или
добавлению левых дополнительных разрядов, заполненных единицами.
При представлении отрицательного числа m дополнительным кодом в самом левом (знаковом) бите
записывается знак отрицательного числа (единица), а в остальных разрядах записывается число 2k1  |
m|. Если это число рассматривать как положительное, то максимальное по модулю отрицательное
число, которое можно представить в k разрядах, равно 2k1.
Описанный выше алгоритм получения дополнительного кода для отрицательного числа знаковую
единицу в левом разряде образует автоматически при |m| ≤ 2k1. Если же 2k1 < |m| < 2k, то попытка
реализации данного алгоритма приведет к тому, что в левом разряде будет находиться цифра 0. Это
соответствует компьютерному представлению положительных чисел, что неверно. Именно поэтому в
определении дополнительного кода на значение наложено ограничение.
Для полноты рассмотрения получим дополнительно 8разрядный код для чисел 128 (минимальное
представимое число), 127 (число, обратное максимально представимому) и 0.
Число
Прямой код модуля
Обратный код
Дополнительный код
0
127
128
10 000 000 01 111 111 00 000 000
01 111 111 10 000 000 11 111 111
10 000 000 10 000 001 00 000 000
Отметим, что для числа 128 прямой код совпадает с дополнительным, а дополнительный код числа
0 совпадает с обычным нулем. Однако при преобразовании обратного кода для числа 0 в его
дополнительный код правила обычной двоичной арифметики оказываются нарушенными, а именно:
1111 11112 +1 = 1 0000 00002 = 2k
Но, поскольку описанные действия производятся в k двоичных разрядах, левая единица результата
оказывается лишней и игнорируется.
Отметим еще раз, что в kразрядной целочисленной компьютерной арифметике 2k = 0.
Прямой, обратный и дополнительный коды
Главная > Представление данных и архитектура ЭВМ > Прямой, обратный и дополнительный коды
Очень часто в вычислениях должны использоваться не только положительные, но и отрицательные
числа.
Число со знаком в вычислительной технике представляется путем представления старшего разряда
числа в качестве знакового. Принято считать, что 0 в знаковом разряде означает знак «плюс» для
данного числа, а 1 – знак «минус».
Выполнение арифметических операций над числами с разными знаками представляется для аппаратной части довольно сложной процедурой. В этом случае нужно определить большее по
модулю число, произвести вычитание и присвоить разности знак большего по модулю числа.
Применение дополнительного кода позволяет выполнить операцию алгебраического суммирования и
вычитания на обычном сумматоре. При этом не требуется определения модуля и знака числа.
Прямой код представляет собой одинаковое представление значимой части числа для
положительных и отрицательных чисел и отличается только знаковым битом. В прямом коде число 0
имеет два представления «+0» и «–0».
Обратный код для положительных чисел имеет тот же вид, что и прямой код, а для отрицательных
чисел образуется из прямого кода положительного числа путем инвертирования всех значащих
разрядов прямого кода. В обратном коде число 0 также имеет два представления «+0» и «–0».
Дополнительный код для положительных чисел имеет тот же вид, что и прямой код, а для
отрицательных чисел образуется путем прибавления 1 к обратному коду. Добавление 1 к обратному
коду числа 0 дает единое представление числа 0 в дополнительном коде. Однако это приводит к
асимметрии диапазонов представления чисел относительно нуля. Так, в восьмиразрядном
представлении диапазон изменения чисел с учетом знака.
Таблица прямого, обратного и дополнительного кода 4битных чисел.
128 <= x <= 127.
Число Прямой код Обратный код Дополнительный код
8
7
6
5
4
3
2
1

1111
1110
1101
1100
1011
1010
1001

1000
1001
1010
1011
1100
1101
1110
00
10000000
11110000
1
2
3
4
5
6
7
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
1000
1001
1010
1011
1100
1101
1110
1111
0000
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
Сложение и вычитание чисел со знаком в дополнительном коде
Если оба числа имеют n–разрядное представление, то алгебраическая сумма будет получена по
правилам двоичного сложения (включая знаковый разряд), если отбросить возможный перенос из
старшего разряда. Если числа принадлежат диапазону представимых данных и имеют разные знаки, то сумма всегда будет лежать в этом диапазоне. Переполнение может иметь место, если оба cлагаемых
имеют одинаковые знаки.
Пример 1: 6 – 4 = ?
6 – положительное число с кодом 0110
–4 – отрицательное число с дополнительным кодом 1100
(перенос игнорируется): 6 – 4 = 2.
Пример 2: –5 + 2 = ?
2 – положительное число с кодом 0010
–5 – отрицательное число с дополнительным кодом 1011
Число с кодом 1101 является отрицательным, модуль этого числа имеет код 00112 =
310.
Как получить дополнительный код?
Давайте посмотрим, как получается дополнительный код для двоичной системы счисления.
Вначале зададимся разрядностью регистра, в котором будет храниться наше число. Пусть,
для примера, мы будем работать с 8ми разрядными числами. Возьмем, опять же для
примера, число двенадцать и запишем его в двоичной системе счисления: 1100. Теперь
впишем его в 8ми разрядный регистр, где старшие, незадействованные в числе, разряды
имеют нулевое значение (нумерация разрядов начинается с нуля).
Разр. 7 6 5 4 3 2 1 0
12  0 0 0 0 1 1 0 0
Такая запись соответствует 8ми разрядному прямому коду числа двенадцать. А теперь
проинвертируем все разряды регистра, т.е. заменим 0 на 1 и 1 на 0. и получим обратный
код.
Разр.7 6 5 4 3 2 1 0
12обр 1 1 1 1 0 0 1 1
Прибавив к числу в обратном коде единицу, получаем искомый дополнительный код.
(красным цветом показаны переносы в соответствующий разряд)
Разр.c 7 6 5 4 3 2 1 0
1 1
12обр 1 1 1 1 0 0 1 1
+
1
12доп 1 1 1 1 0 1 0 0
Попробуем выполнить операцию вычитания нашего числа (двенадцать) из двадцати девяти
с помощью сложения. Для этого впишем двоичное представление числа двадцать девять в 8ми разрядный регистр и прибавим к нему дополнительный код, полученный ранее из
числа двенадцать. Возникающий при этом перенос из самого старшего разряда игнорируем.
Разр.c 7 6 5 4 3 2 1 0
1 1 1 1 1 1
29 0 0 0 1 1 1 0 1
12доп 1 1 1 1 0 1 0 0
17 0 0 0 1 0 0 0 1
Мы видим, что результирующая сумма есть двоичное число семнадцать и это
действительно соответствует разности чисел двадцать девять и двенадцать.
Прямой код
Нумерация двоичных чисел в прямом представлении
При записи числа в прямом коде (англ. signandmagnitude method) старший разряд
является знаковым разрядом. Если его значение равно нулю, то число положительное, если
единице — отрицательное. В остальных разрядах (которые называются цифровыми)
записывается двоичное представление модуля числа. Например, число
типе данных, использующем прямой код, будет выглядеть так:
Таким способом в
битовом типе данных можно представить диапазон чисел
в восьмибитном
.
.
Достоинства метода:

получить прямой код числа достаточно просто.
Недостатки:


выполнение арифметических операций с отрицательными числами требует
усложнения архитектуры центрального процессора (например, для вычитания
невозможно использовать сумматор, необходима отдельная схема для этого);
существуют два нуля
, изза чего усложняется арифметическое сравнение.
и
Изза этого прямой код используется очень редко.
рямой код числа это представление беззнакового двоичного числа. Если речь идет
о машинной арифметике, то как правило на представление числа отводится определенное
ограниченное число разрядов. Диапазон чисел, который можно представить числом
разрядов n равен
Обратный код числа, или дополнение до единицы (one’s complement) это
инвертирование прямого кода (поэтому его еще называют инверсный код). То есть все
нули заменяются на единицы, а единицы на нули.

file_name: тема 1 вопрос 15.docx

intro:
Для получения дополнительного k-разрядного кода отрицательного числа необходимо следующее:
1.	Модуль числа представить прямым кодом в k двоичных разрядах.
2.	Значения всех бит инвертировать (все нули заменяются на единицы, а единицы на нули), таким образом получается k-разрядный обратный код исходного числа.
3.	К полученному обратному коду, трактуемому как k-разрядное неотрицательное двоичное число, прибавить единицу.
Заметим, что получение дополнительного кода одного и того же отрицательного числа для типов разной разрядности на основе ранее полученного дополнительного кода сводится к удалению или добавлению левых дополнительных разрядов, заполненных единицами.

title: Лекция "алгоритмы получения прямого обратного и дополнительного кода числа. примеры."


extracted_text:
тема 1 вопрос 16
машинное представление вещественных чисел. нормализованная форма,
экспоненциальная нормализованная форма числа. примеры
1.5. Машинное представление вещественных чисел. Мантисса и порядок.
В памяти компьютера вещественные числа представлены в форме с плавающей точкой, в
двоичной системе счисления. Десятичное число D  в этой форме записи имеет вид D=+
m*10n, где m и n – соответственно мантисса числа и его порядок.
В ЭВМ используют нормализованное представление числа в форме с плавающей точкой.
Мантисса в нормализованном представлении должна удовлетворять условию: 0.1p≤m<1p
Иначе говоря, мантисса меньше 1 и первая значащая цифра  не 0.
Например, число 357.5 можно записать в виде:3575*101 , 0.3575*103. Последняя запись
– нормализованная форма числа с плавающей точкой. Обычная же запись числа в виде
357.5 называется формой записи с фиксированной точкой. Такое представление чисел в
компьютерах используется только на этапах их ввода или вывода, в то время как хранение
и обработка вещественных чисел осуществляется именно в форме с плавающей точкой.
1.6. Машинная точность
Конечное количество разрядов мантиссы приводит к тому, что при вычислениях с
помощью компьютера неизбежны погрешности округления. Так, например, если при 6
десятичных разрядах к числу 0.214724 прибавить число, меньшее по модулю половины
последнего разряда (т.е. меньшее по модулю 0.0000005), в результате получится то же
самое число 0.214724. Величина ошибки округления определяется количеством разрядов
мантиссы. При округлении по дополнению (которое, как правило, и реализуется в
компьютерах) максимальная относительная погрешность округления равна Emax и
называется машинной точностью.
1.7. Верные цифры.
Пусть  а  точное значение, a*  приближенное значение некоторой величины. Абсолютной
погрешностью приближенного значения  называется величина
Значащими цифрами числа a* называют все цифры в его записи, начиная с первой
ненулевой слева.
Значащую цифру числа a* называют верной, если абсолютная погрешность числа не
превосходит единицы разряда, соответствующего этой цифре.
Представление вещественных чисел
В большинстве современных компьютеров аппаратно реализована вещественная
арифметика, соответствующая стандарту IEEE. В соответствии со стандартом существует
2 основных представления вещественного числа  —  с одинарной (float) и двойной (double)
точностью. Во всех представлениях один бит используется как знаковый. Есть еще одно
представление вещественных чисел  —  10байтовое, используемое при вычислениях для
хранения промежуточных результатов и называемое представлением с расширенной
точностью.
   тип     длина     мантисса   показатель
   float   4 байта   23 бита     8 битов
   double  8 байтов  52 бита    11 битов
Машинное представление вещественного числа с плавающей точкой имеет следующий
вид: +/ M * 2E, где M  —  вещественная мантисса, E  —  целочисленный показатель.
Мантисса представлена в виде последовательности разрядов двоичной дроби: M = M0 + M1/2 + M2/4 + ... + Mn/2n
Для представления всех вещественных чисел кроме нуля используется нормализованная
форма, когда нулевой разряд мантиссы M0 равен 1. При таком представлении нулевой
разряд опускается и хранятся только разряды M1 ... Mn. Таким образом, мантисса M
удовлетворяет неравенству 1 <= M < 2.
Машинное представление вещественных чисел содержит конечное число элементов.
Только некоторые вещественные числа могут быть точно представлены описанным выше
способом. Такие вещественные числа называются точно представимыми или просто
представимыми в используемой машинной арифметике. Даже простые на вид рациональные
числа такие как 0.1 оказываются непредставимыми. Непредставимое число заменяется
ближайшим представимым числом.
Простые примеры
Непредставимые в машинной арифметике числа оказываются заданными приближенно и
точность приближения зависит от того, какая используется арифметика  —  одинарной или
двойной точности. Кроме этого следует помнить, что все промежуточные вычисления
происходят в арифметике расширенной точности. Поэтому в следующем примере
  float x4 = 0.1;
  double x8 = 0.1;
не стоит надеяться, что x4 == 0.1 или x8 == 0.1. Дело в том, что при сравнении
используется 10байтовое представление для константы 0.1, не совпадающее с 8байтовым
в случае переменной x8 и 4байтовым для x4. Ясно, что по аналогичной причине не будет
выполнено равенство x4 == x8.
Последовательные операции с непредставимыми числами могут приводить к накоплению
погрешности. Например, если просуммировать 1000 4байтовых представлений (float)
числа 0.1, то мы получим результат, отличающийся на 0.000953674 от точного. Это  —
вполне заметная погрешность.
Просуммируем вещественные числа вида 1.0/j при j = 1...1000 в разном порядке  —  по
возрастанию и по убыванию. При использовании вещественной арифметики однократной
точности (float) полученные результаты будут отличаться на 6.67572e006.
Кодирование вещественных чисел. Нормализованное представление числа
В компьютерной технике вещественными называются числа, имеющие дробную часть.
Дробные числа могут содержать большой набор цифр. Например: 0.0000345 или 10900000
(т.е очень большие или очень маленькие числа). Для удобства вещественные числа
приводят к виду так называемого нормализованного представления числа. Заключается
такое представление в том, что число записывается в виде произведения на основание
системы счисления, возведенное в ту или иную степень. Например, предыдущие два числа в
нормализованном виде будут выглядеть так: 0.345 * 104 и 0.109 * 108. Здесь числа 0.345 и
0.109 – мантиссы вещественных чисел, 10 – основание системы счисления, а 4 и 8 –
порядки. При этом запятая (точка), разделяющая дробную и целую части ставится перед
первой значащей цифрой (отличной от 0).
Нормализованная форма числа является наиболее удобной для представления дробных
чисел в компьютере. Понятно, что нормализированное представление используется не только для десятичной
системы счисления. Вот примеры нормализованных записей дробных чисел в двоичной
системе счисления:
101.11 = 0.10111 * 211
0.001 = 0.1 * 210
Здесь степени 11 и 10 – это двоичная форма десятичных чисел 3 и 2.
Нормализованная форма представления числа – это одна из форм множества вариантов
экспоненциальной формы записи числа.
Пусть слово состоит из 2 байт, два слова – это 4 байта или 32 бита.
Нормализированное число одинарной точности, представленное в формате с плавающей
точкой, записывается в память следующим образом: знак числа – в бите 15 первого слова (0
– для положительных и 1 – для отрицательных чисел); порядок размещается в битах 714
первого слова, а мантисса занимает остальные 23 бита в двух словах (с 0 по 6 бит первого
слова и все биты второго слова). Нормализированное число двойной точности записывается
в четыре слова памяти и отличается от представления чисел с одинарной точностью только
тем, что продолжение мантиссы размещается в следующих за первым словом трех
последовательных словах памяти, а всего под мантиссу в этом случае отводится 55 бит.
Порядок числа, представленного в формате с плавающей точкой, изменяется в диапазоне
от 128 до +127 и запоминается увеличенным на 128. Такой способ представления порядка
называется смещенным.
Следует иметь в виду, что, хотя для мантиссы отведено 23 разряда для чисел одинарной
точности и 55 разрядов – для чисел двойной точности, в операциях участвует 24 и 56
разрядов соответственно, т.к. старший разряд мантиссы нормализированного числа не
хранится, т.е. имеет место так называемый скрытый разряд. Однако при аппаратном
выполнении операций этот разряд автоматически восстанавливается и учитывается.
Порядок числа также учитывает скрытый старший разряд мантиссы.
Нормализованная мантисса в двоичной системе счисления всегда представляется
десятичным числом m, лежащим в диапазоне 0,5 <= m < 1.
Пример представления числа в формате с плавающей точкой:
0.110 = 0.000(1100)2 = 0.(1100)2*23
310 = (3 + gelleruri128)10 = 011111012.
Если мантисса представлена бесконечной периодической дробью, то последний
учитываемый разряд мантиссы округляется.
49.510 = 110001.1002 = 0.11000112*26
610 = (6 + 128)10 = 100001102.
При выполнении арифметических операций над числами, представленными в формате с
плавающей точкой, надо отдельно выполнять их для порядков и мантисс. При
алгебраическом сложении чисел надо сначала уравнять порядки слагаемых. При
умножении порядки надо складывать, а мантиссы — перемножать. При делении из порядка
делимого вычитают порядок делителя, а над мантиссами совершают обычную операцию
деления. После выполнения операций, если это необходимо, проводят нормализацию
результата, что влечет изменение порядков, т.к. каждый сдвиг на один разряд влево
соответствует уменьшению порядка на единицу, а сдвиг вправо увеличению на единицу.
Введение термина «плавающая точка» как раз и объясняется тем, что двоичный порядок,
определяющий фактическое положение точки в изображении числа, корректируется после
выполнения каждой арифметической операции, т.е. точка в изображении числа «плавает»
(изменяется ее положение) по мере изменения данной величины. А в изображении чисел,
представленных в формате с фиксированной точкой, она жестко зафиксирована в
определенном месте.
Арифметические операции с числами, представленными в формате с плавающей точкой,
намного сложнее таких же операций для чисел, представленных в формате с
фиксированной точкой. Но зато плавающая точка позволяет производить операции масштабирования автоматически в самой машине и избавляет от накопления абсолютной
погрешности при вычислениях (хотя не избавляет от накопления относительной
погрешности).
Для представления вещественных чисел в современных компьютерах принят способ
представления с плавающей запятой. Этот способ представления опирается на
нормализованную (экспоненциальную) запись действительных чисел.
Как и для целых чисел, при представлении действительных чисел в компьютере чаще всего
используется двоичная система, следовательно, предварительно десятичное число должно
быть переведено двоичную систему.
Нормализованная записьотличного от нуля действительного числа  это запись вида
где q  целое число (положительное, отрицательное или ноль), а m  правильная
.
Pичная дробь, у которой первая цифра после запятой не равна нулю, то есть
При этом m называется мантиссой числа, q  порядком числа.

Примеры:
3,1415926 = 0, 31415926 * 101;
1000=0,1 * 104;
0,123456789 = 0,123456789 * 100;
0,00001078 = 0,1078 * 84; (порядок записан в 10й системе)
1000,00012 = 0, 100000012 * 24.

Так как число ноль не может быть записано в нормализованной форме в том виде, в каком
он был определен, то считаем, что нормализованная запись нуля в 10й системе будет
такой: 0 = 0,0 * 100.
Нормализованная экспоненциальная запись числа  это запись вида
целое число (положительное, отрицательное или ноль), а m  Pичная дробь, у которой
целая часть состоит из одной цифры. При этом (mцелая часть) называется мантиссой
числа, q  порядком числа.
где q
Нормализованная запись отличного от нуля действительного числа  это запись вида a=
m*Pq, где q  целое число (положительное, отрицательное или ноль), а m  правильная P
ичная дробь, у которой первая цифра после запятой не равна нулю, то есть
этом m называется мантиссой числа, q  порядком числа.
Примеры:
. При
1. 3,1415926 = 0, 31415926 * 101;
2. 1000=0,1 * 104;
3. 0,123456789 = 0,123456789 * 100;
4. 0,00001078 = 0,1078 * 84; (порядок записан в 10й системе)
5. 1000,00012 = 0, 100000012 * 24.
Так как число ноль не может быть записано в нормализованной форме в том виде, в каком
она была определена, то считаем, что нормализованная запись нуля в 10й системе будет
такой:
0 = 0,0 * 100.
Нормализованная экспоненциальная запись числа  это запись вида a=  m*Pq, где q
целое число (положительное, отрицательное или ноль), а m  Pичная дробь, у которой
целая часть состоит из одной цифры. При этом (mцелая часть) называется мантиссой
числа, q  порядком числа.

file_name: тема 1 вопрос 16.docx

intro:
В памяти компьютера вещественные числа представлены в форме с плавающей точкой, в двоичной системе счисления. Десятичное число D  в этой форме записи имеет вид D=+- m*10n, где m и n – соответственно мантисса числа и его порядок.
В ЭВМ используют нормализованное представление числа в форме с плавающей точкой. Мантисса в нормализованном представлении должна удовлетворять условию: 0.1p≤m<1p
Иначе говоря, мантисса меньше 1 и первая значащая цифра - не 0.

информатика

group: Дисциплины

title: Лекция "машинное представление вещественных чисел. "


extracted_text:
тема 1 вопрос 17
Основные характеристики ЭВМ
1 Основные понятия.
Электронная вычислительная машина  комплекс технических и программных средств,
предназначенный для автоматизации подготовки и решения задач пользователпрограммные
средства ЭВТ взаимосвязаны и объединяются в одну структуру.ей. Технические и
Структура  это совокупность элементов и их связей. Различают структуры технических,
программных и аппаратурнопрограммных средств.
Архитектура ЭВМ  это многоуровневая иерархия аппаратурнопрограммных средств, из
которых   строится   ЭВМ.   Каждый   из   уровней   допускает   многовариантное   построение   и
применение.   Конкретная   реализация   уровней   определяет   особенности   структурного
построения ЭВМ.
Детализацией   архитектурного   и   структурного   построения   ЭВМ   занимаются   различные
категории специалистов вычислительной техники. Инженеры  схемотехники проектируют
отдельные технические устройства и разрабатывают методы их сопряжения друг с другом.
Системные   программисты   создают   программы   управления   техническими   средствами,
информационного   взаимодействия   между   уровнями,   организации   вычислительного
процесса.   Программистыприкладники   разрабатывают   пакеты   программ   более   высокого
уровня,   которые   обеспечивают   взаимодействие   пользователей   с   ЭВМ   и   необходимый
сервис при решении ими своих задач.
2 Основные характеристики ЭВМ
Структуру ЭВМ определяет следующая группа характеристик:
∙          технические   и   эксплуатационные   характеристики   ЭВМ   (быстродействие   и
производительность,   показатели   надежности,
  емкость
оперативной   и   внешней   памяти,   габаритные   размеры,   стоимость   технических   и
программных средств, особенности эксплуатации т.д.);
  достоверности,
  точности,
∙          характеристики   и   состав   функциональных   модулей   базовой   конфигурации   ЭВМ;
возможность   расширения   состава   технических   и   программных   средств;   возможность
изменения структуры;
∙         состав программного обеспечения ЭВМ и сервисных услуг (операционная система или
среда, пакеты прикладных программ, средства автоматизации программирования).
К основным характеристикам ЭВМ относятся:
Быстродействие это число команд, выполняемых ЭВМ за одну секунду.
Сравнение   по   быстродействию   различных   типов   ЭВМ,   не   обеспечивает   достоверных
оценок. Очень часто вместо характеристики быстродействия используют связанную с ней
характеристику производительность.
Производительность это объем работ, осуществляемых ЭВМ в единицу времени.
Применяются также относительные характеристики производительности. Фирма Intel для
оценки   процессоров   предложила   тест,   получивший   название   индекс  iCOMP  (Intel
Comparative  Microprocessor  Performance).   При   его   определении   учитываются   четыре
главных   аспекта   производительности:   работа   с   целыми   числами,   с   плавающей   запятой,
графикой и видео. Данные имеют 16 и 32разрядной представление. Каждый из восьми
параметров при вычислении участвует со своим весовым коэффициентом, определяемым
по усредненному соотношению между этими операциями в реальных задачах. По индексу
iCOMP ПМ Pentium 100 имеет значение 810, а Pentium 1331000.
Емкость запоминающих устройств. Емкость памяти измеряется количеством структурных
единиц информации, которое может одновременно находится в памяти. Этот показатель
позволяет   определить,   какой   набор   программ   и   данных   может   быть   одновременно
размещен в памяти. Наименьшей структурной единицей информации является бит одна двоичная цифра. Как
правило, емкость памяти оценивается в более крупных единицах измерения  байтах (байт
равен восьми битам). Следующими единицами измерения служат 1 Кбайт = 210 = 1024
байта, 1 Мбайт = 210 Кбайта = 220 байта, 1 Гбайт =210 Мбайта = 220 Кбайта = 230 байта.
Емкость оперативной памяти (ОЗУ) и емкость внешней памяти (ВЗУ) характеризуются
отдельно. Этот показатель очень важен для определения, какие программные пакеты и их
приложения могут одновременно обрабатываться в машине.
Надежность  это  способность ЭВМ  при  определенных  условиях  выполнять  требуемые
функции в течение заданного периода времени (стандарт ISO (Международная организация
стандартов) 2382/1478).
Высокая   надежность   ЭВМ   закладывается   в   процессе   ее   производства.   Применеие
сверхбольшие   интегральные   схемы   (СБИС)   резко   сокращают   число   используемых
интегральных схем, а значит, и число их соединений друг с другом. Модульный принцип
построения позволяет легко проверять и контролировать работу всех устройств, проводить
диагностику и устранение неисправностей.
Точность это возможность различать почти равные значения (стандарт ISO  2382/276).
Точность получения результатов обработки в основном определяется разрядностью ЭВМ, а
также   используемыми   структурными   единицами   представления   информации   (байтом,
словом, двойным словом).
Достоверность это свойство информации быть правильно воспринятой.
Достоверность   характеризуется   вероятностью   получения   безошибочных   результатов.
Заданный уровень достоверности обеспечивается аппаратурнопрограммными средствами
контроля   самой   ЭВМ.   Возможны   методы   контроля   достоверности   путем   решения
эталонных   задач   и   повторных   расчетов.   В   особо   ответственных   случаях   проводятся
контрольные решения на других ЭВМ и сравнение результатов.
Каждая ЭВМ имеет свои технические и эксплуатационные характеристики:
быстродействие, производительность, показатели надежности, достоверности, точности,
емкость оперативной и внешней памяти, габаритные размеры, стоимость технических и
программных средств, особенности эксплуатации и др.
Быстродействие  одна из важнейших характеристик ЭВМ, которая характеризуется
числом команд, выполняемых ЭВМ за одну секунду. Поскольку в состав команд ЭВМ
включаются операции, различные по длительности выполнения и по вероятности их
использования, то имеет смысл характеризовать его или средним быстродействием ЭВМ,
или предельным (для самых “коротких” операций типа “регистррегистр”). Современные
вычислительные машины имеют очень высокие характеристики по быстродействию,
измеряемые миллиардами операций в секунду.
Производительность  объем работ, осуществляемых ЭВМ в единицу времени. Реальное
или эффективное быстродействие, обеспечиваемое ЭВМ, значительно ниже, и оно может
сильно отличаться в зависимости от класса решаемых задач. Сравнение по быстродействию
различных типов ЭВМ, резко отличающихся друг от друга своими характеристиками, не
обеспечивает достоверных оценок. Поэтому очень часто вместо характеристики
быстродействия используют связанную с ней характеристику производительности.
Например, можно определять этот параметр числом задач, выполняемых за определенное
время. Однако сравнение по данной характеристике ЭВМ различных типов может вызвать
затруднения. Поскольку оценка производительности различных ЭВМ является важной
практической задачей, были предложены к использованию относительные характеристики
производительности, рассчитываемые на основе тестов: наборов типовых задач по работе с
целыми числами, с плавающей точкой, графикой, видео. Результаты одного из таких тестов
приведены на рис. 1. Рис. 1. Сравнение процессоров на основе теста SiSoft Sandra
Емкость запоминающих устройств  измеряется количеством структурных единиц
информации, которое может одновременно находиться в памяти. Этот показатель
позволяет определить, какой набор программ и данных может быть одновременно
размещен в памяти. Наименьшей структурной единицей информации является бит  одна
двоичная цифра. Как правило, емкость памяти оценивается в более крупных единицах
измерения  байтах (восемь бит). Следующими единицами измерения служат 1 Кбайт =
1024 байта, 1 Мбайт = 1024 Кбaйтa, и т.д. 1 Мбайт, 1 Гбайт. При этом отдельно
характеризуют емкость собственной памяти процессора (кэшпамять), оперативной памяти
и емкость внешней памяти.
Надежность  это способность ЭВМ при определенных условиях выполнять требуемые
функции в течение заданного периода времени. Высокая надежность ЭВМ закладывается в
процессе ее производства. Переход на новую элементную базу  сверхбольшие
интегральные схемы (СБИС) резко сокращает число используемых интегральных схем, а
значит, и число их соединений друг с другом. В современных ЭВМ хорошо продуманы
компоновка компьютера и обеспечение требуемых режимов работы (охлаждение, защита от
пыли), модульный принцип построения позволяет легко проверять и контролировать
работу всех устройств, проводить диагностику и устранение неисправностей.
Точность  возможность различать почти равные значения. Точность получения
результатов обработки в основном определяется разрядностью ЭВМ, а также
используемыми структурными единицами представления информации (байтом, словом (2
байта), двойным словом и т.п.). Во многих применениях ЭВМ не требуется большой
точности, например, при обрабатывании текстов и документов, при управлении
технологическими процессами. В этом случае достаточно использовать 8и, 16 разрядные
двоичные коды. При выполнении сложных расчетов требуется использовать более высокую
разрядность (32, 64 и даже более). Поэтому все современные ЭВМ имеют возможность
работы с 16 и 32 разрядными машинными словами. С помощью средств
программирования языков высокого уровня этот диапазон может быть увеличен в
несколько раз, что позволяет достигать еще большей точности.

file_name: тема 1 вопрос 17.docx

intro:
Электронная вычислительная машина - комплекс технических и программных средств, предназначенный для автоматизации подготовки и решения задач пользователпрограммные средства ЭВТ взаимосвязаны и объединяются в одну структуру.ей. Технические и
Структура - это совокупность элементов и их связей. Различают структуры технических, программных и аппаратурно-программных средств.
Архитектура ЭВМ - это многоуровневая иерархия аппаратурно-программных средств, из которых строится ЭВМ. Каждый из уровней допускает многовариантное построение и применение. Конкретная реализация уровней определяет особенности структурного построения ЭВМ.

title: Лекция "Основные характеристики ЭВМ"


extracted_text:
тема 1 вопрос 18
Организация параллелизма вычислений в современных процессорах
В процессорах пятого и шестого поколений —
Pentium, Pentium Pro, Pentium MMX, Pentium II – реализованы различные способы
конвейеризации и распараллеливания вычислительных процессов.
Конвейерная обработка – раздельное выполнение некоторой операции в несколько этапов
(за несколько ступеней) с передачей данных одного этапа следующему.
Суперскалярным называется процессор, который имеет конвейеры (более одного),
способные обрабатывать инструкции параллельно. Pentium является двухпотоковым
процессором (имеет два конвейера), Pentium Pro – трехпотоковым.
Микроархитектура этого процессора базируется на идее суперскалярной обработки.
Основные команды распределяются по двум независимым исполнительным устройствам
(конвейерам U и V). Конвейер U может выполнять любые команды семейства x86, включая
целочисленные команды и команды с плавающей точкой. Конвейер V предназначен для
выполнения простых целочисленных команд и некоторых команд с плавающей точкой.
Команды могут направляться в каждое из этих устройств одновременно, причем при
выдаче устройством управления в одном такте пары команд более сложная команда
поступает в конвейер U, а менее сложная  в конвейер V. Такая попарная выдача команд
возможна, правда, только для ограниченного подмножества целочисленных команд.
Команды арифметики с плавающей точкой не могут запускаться в паре с целочисленными
командами. Одновременная выдача двух команд возможна только при отсутствии
зависимостей по регистрам. При остановке команды по любой причине в одном конвейере,
как правило, останавливается и второй конвейер.
Остальные устройства процессора предназначены для снабжения конвейеров
необходимыми командами и данными. В процессоре Pentium используется раздельная кэш
память команд и данных емкостью по 8 Кбайт, что обеспечивает независимость обращений.
За один такт из каждой кэшпамяти могут считываться два слова. При этом кэшпамять
данных построена на принципах двухкратного расслоения, что обеспечивает
одновременное считывание двух слов, принадлежащих одной строке кэшпамяти. Кэш
память команд позволяет в одном такте считывать два командных слова, принадлежащих
либо одной строке, либо смежным строкам для обеспечения попарной выдачи команд.
В современных процессорах используются различные способы увеличения степени
параллелизма вычислений. Рассмотрим основные из них.
Простейшей схемой динамического прогнозирования направления условных переходов
является буфер прогнозирования условных переходов (branchprediction buffer) или
таблица “истории” условных переходов (branch history table). Буфер прогнозирования
условных переходов представляет собой небольшую память, адресуемую с помощью
младших разрядов адреса команды перехода. Каждая ячейка этой памяти содержит один
бит, который говорит о том, был ли предыдущий переход выполняемым или нет. Это
простейший вид такого рода буфера. В нем отсутствуют теги, и он оказывается полезным
только для сокращения задержки перехода в случае, если эта задержка больше, чем время,
необходимое для вычисления значения целевого адреса перехода. В действительности мы
не знаем, является ли прогноз корректным (этот бит в соответствующую ячейку буфера
могла установить совсем другая команда перехода, которая имела то же самое значение
младших разрядов адреса). Но это не имеет значения. Прогноз – это только
предположение, которое рассматривается как корректное, и выборка команд начинается
по прогнозируемому направлению. Если же предположение окажется неверным, бит
прогноза инвертируется. Конечно, такой буфер можно рассматривать как кэшпамять,
каждое обращение к которой является попаданием, и производительность буфера зависит
от того, насколько часто прогноз применялся и насколько он оказался точным. Однако простая однобитовая схема прогноза имеет недостаточную производительность.
Рассмотрим, например, команду условного перехода в цикле, которая являлась
выполняемым переходом последовательно девять раз подряд, а затем однажды
невыполняемым. Направление перехода будет неправильно предсказываться при первой и
при последней итерации цикла. Неправильный прогноз последней итерации цикла
неизбежен, поскольку бит прогноза будет говорить, что переход “выполняемый” (переход
был девять раз подряд выполняемым). Неправильный прогноз на первой итерации
происходит изза того, что бит прогноза инвертируется при предыдущем выполнении
последней итерации цикла, поскольку в этой итерации переход был невыполняемым. Таким
образом, точность прогноза для перехода, который выполнялся в 90% случаев, составила
только 80% (2 некорректных прогноза и 8 корректных). В общем случае, для команд
условного перехода, используемых для организации циклов, переход является
выполняемым много раз подряд, а затем один раз оказывается невыполняемым. Поэтому
однобитовая схема прогнозирования будет неправильно предсказывать направление
перехода дважды (при первой и при последней итерации).
Разворачивание цикловпредставляет собой простой, но полезный метод увеличения
размера линейного кодового фрагмента, который может эффективно оптимизироваться.
Такое разворачивание выполняется путем многократной репликации (повторения) тела
цикла и коррекции соответствующего кода конца цикла.
Базовое планирование конвейера Для поддержания максимальной загрузки конвейера
должен использоваться параллелизм уровня команд, основанный на выявлении
последовательностей несвязанных команд, которые могут выполняться в конвейере с
совмещением. Чтобы избежать приостановки конвейера, зависимая команда должна быть
отделена от исходной команды на расстояние в тактах, равное задержке конвейера для
этой исходной команды. Способность компилятора выполнять подобное планирование
зависит как от степени параллелизма уровня команд, доступного в программе, так и от
задержки функциональных устройств в конвейере.
Динамическое планирование с централизованной схемой управления
В конвейере с динамическим планированием выполнения команд все команды проходят
через ступень выдачи строго в порядке, предписанном программой (упорядоченная
выдача). Однако они могут приостанавливаться и обходить друг друга на второй ступени
(ступени чтения операндов) и тем самым поступать на ступени выполнения
неупорядоченно. Централизованная схема обнаружения конфликтов представляет собой
метод, допускающий неупорядоченное выполнение команд при наличии достаточных
ресурсов и отсутствии зависимостей по данным. Микроархитектура этого процессора базируется на идее суперскалярной обработки. Основные
команды распределяются по двум независимым исполнительным устройствам (конвейерам U и V).
Конвейер U может выполнять любые команды семейства x86, включая целочисленные команды и
команды с плавающей точкой. Конвейер V предназначен для выполнения простых целочисленных
команд и некоторых команд с плавающей точкой. Команды могут направляться в каждое из этих
устройств одновременно, причем при выдаче устройством управления в одном такте пары команд
более сложная команда поступает в конвейер U, а менее сложная  в конвейер V. Такая попарная
выдача команд возможна, правда, только для ограниченного подмножества целочисленных команд.
Команды арифметики с плавающей точкой не могут запускаться в паре с целочисленными командами.
Одновременная выдача двух команд возможна только при отсутствии зависимостей по регистрам. При
остановке команды по любой причине в одном конвейере, как правило, останавливается и второй
конвейер.
        Остальные   устройства   процессора   предназначены   для   снабжения   конвейеров   необходимыми
командами и данными. В процессоре Pentium используется раздельная кэшпамять команд и данных
емкостью по 8 Кбайт, что обеспечивает независимость обращений. За один такт из каждой кэшпамяти
могут считываться два слова. При этом кэшпамять данных построена на принципах двухкратного
расслоения, что обеспечивает одновременное считывание двух слов, принадлежащих одной строке
кэшпамяти.   Кэшпамять   команд   позволяет   в   одном   такте   считывать   два   командных   слова,
принадлежащих   либо   одной   строке,   либо   смежным   строкам   для   обеспечения   попарной   выдачи
команд.
       В современных процессорах используются различные способы увеличения степени параллелизма
вычислений. Рассмотрим основные из них.
Динамическое прогнозирование переходов
       Простейшей схемой динамического прогнозирования направления условных переходов является
буфер   прогнозирования   условных   переходов   (branchprediction   buffer)   или   таблица   "истории"
условных переходов (branch history table). Буфер прогнозирования условных переходов представляет
собой   небольшую   память,   адресуемую   с   помощью   младших   разрядов   адреса   команды   перехода.
Каждая ячейка этой памяти содержит один бит, который говорит о том, был ли предыдущий переход
выполняемым   или   нет.   Это   простейший   вид   такого   рода   буфера.   В   нем   отсутствуют   теги,   и   он
оказывается полезным только для сокращения задержки перехода в случае, если эта задержка больше,
чем время, необходимое для вычисления значения целевого адреса перехода. В действительности мы
не   знаем,   является   ли   прогноз   корректным   (этот   бит   в   соответствующую   ячейку   буфера   могла
установить совсем другая команда перехода, которая имела то же самое значение младших разрядов
адреса). Но это не имеет значения. Прогноз  это только предположение, которое рассматривается как
корректное, и выборка команд начинается по прогнозируемому направлению. Если же предположение
окажется неверным, бит прогноза инвертируется. Конечно, такой буфер можно рассматривать как
кэшпамять, каждое обращение к которой является попаданием, и производительность буфера зависит
от того, насколько часто прогноз применялся и насколько он оказался точным.

      Однако   простая   однобитовая   схема   прогноза   имеет   недостаточную   производительность.
Рассмотрим,   например,   команду   условного   перехода   в   цикле,   которая   являлась   выполняемым
переходом   последовательно   девять   раз   подряд,   а   затем   однажды   невыполняемым.   Направление
перехода   будет   неправильно   предсказываться   при   первой   и   при   последней   итерации   цикла.
Неправильный прогноз последней итерации цикла неизбежен, поскольку бит прогноза будет говорить,
что переход "выполняемый" (переход был девять раз подряд выполняемым). Неправильный прогноз на
первой итерации происходит изза того, что бит прогноза инвертируется при предыдущем выполнении
последней итерации цикла, поскольку в этой итерации переход был невыполняемым. Таким образом,
точность   прогноза   для   перехода,   который   выполнялся   в   90%   случаев,   составила   только   80%   (2
некорректных   прогноза   и   8   корректных).   В   общем   случае,   для   команд   условного   перехода,
используемых для организации циклов, переход является выполняемым много раз подряд, а затем один   раз   оказывается   невыполняемым.   Поэтому   однобитовая   схема   прогнозирования   будет
неправильно предсказывать направление перехода дважды (при первой и при последней итерации).
    Для исправления этого положения часто используется схема двухбитового прогноза. В двухбитовой
схеме прогноз должен быть сделан неверно дважды, прежде чем он изменится на противоположное
значение.   На   рис.   11   представлена   диаграмма   состояний   двухбитовой   схемы   прогнозирования
направления перехода.
     Двухбитовая схема прогнозирования в действительности является частным случаем более общей
схемы, которая в каждой строке буфера прогнозирования имеет nбитовый счетчик. Этот счетчик
может принимать значения от 0 до 2n1. Тогда схема прогноза будет следующей:
        •  Если  значение  счетчика  больше  или  равно 2n1  (точка  на середине  интервала),  то  переход
прогнозируется как выполняемый. Если направление перехода предсказано правильно, к значению
счетчика добавляется единица (если только оно не достигло максимальной величины); если прогноз
был неверным, из значения счетчика вычитается единица.
    • Если значение счетчика меньше, чем 2n1, то переход прогнозируется как невыполняемый. Если
направление перехода предсказано правильно, из значения счетчика вычитается единица (если только
не достигнуто значение 0); если прогноз был неверным, к значению счетчика добавляется единица.
     Исследования nбитовых схем прогнозирования показали, что двухбитовая схема работает почти
так же хорошо, и поэтому в большинстве систем применяются двухбитовые схемы прогноза, а не n
битовые.
       Буфер прогнозирования переходов может быть реализован в виде небольшой специальной кэш
памяти, доступ к которой  осуществляется  с  помощью адреса команды  во время  стадии  выборки
команды,   или   как   пара   битов,   связанных   с   каждым   блоком   кэшпамяти   команд   и   выбираемых   с
каждой командой. Если команда декодируется как команда перехода, и если переход спрогнозирован
как выполняемый, выборка команд начинается с целевого адреса, как только станет известным новое
значение   счетчика   команд.   В   противном   случае   продолжается   последовательная   выборка   и
выполнение   команд.   Если   прогноз   оказался   неверным,   значение   битов   прогноза   меняется   в
соответствии с рис. 11.
Разворачивание циклов
        Разворачивание   циклов   представляет   собой   простой,   но   полезный   метод   увеличения   размера
линейного кодового фрагмента, который может эффективно оптимизироваться. Такое разворачивание
выполняется   путем   многократной   репликации   (повторения)   тела   цикла   и   коррекции
соответствующего кода конца цикла.
Базовое планирование конвейера
       Для поддержания максимальной загрузки конвейера должен использоваться параллелизм уровня
команд,   основанный   на   выявлении   последовательностей   несвязанных   команд,   которые   могут
выполняться   в   конвейере   с   совмещением.   Чтобы   избежать   приостановки   конвейера,   зависимая
команда   должна   быть   отделена   от   исходной   команды   на   расстояние   в   тактах,   равное   задержке
конвейера для этой исходной команды. Способность компилятора выполнять подобное планирование
зависит как от степени параллелизма уровня команд, доступного в программе, так и от задержки
функциональных устройств в конвейере.
Динамическое планирование с централизованной схемой управления
       В конвейере с динамическим планированием выполнения команд все команды проходят через
ступень выдачи строго в порядке, предписанном программой (упорядоченная выдача). Однако они
могут приостанавливаться и обходить друг друга на второй ступени (ступени чтения операндов) и тем самым   поступать   на   ступени   выполнения   неупорядоченно.   Централизованная   схема   обнаружения
конфликтов   представляет   собой   метод,   допускающий   неупорядоченное   выполнение   команд   при
наличии достаточных ресурсов и отсутствии зависимостей по данным.
Выдача нескольких команд в одном такте
       Суперскалярные машины используют параллелизм на уровне команд путем посылки нескольких
команд   из   обычного   потока   команд   в   несколько   функциональных   устройств.   В   типичной
суперскалярной машине аппаратура может осуществлять выдачу от одной до восьми команд в одном
такте. Обычно эти команды должны быть независимыми и удовлетворять некоторым ограничениям,
например, таким, что в каждом такте не может выдаваться более одной команды обращения к памяти.
Если   какаялибо   команда   в   потоке   команд   является   логически   зависимой   или   не   удовлетворяет
критериям   выдачи,   на   выполнение   будут   выданы   только   команды,   предшествующие   данной.
Предположим, что машина может выдавать на выполнение две команды в одном такте. Одной из таких
команд   может   быть   команда   загрузки   регистров   из   памяти,   записи   регистров   в   память,   команда
переходов, операции целочисленного АЛУ, а другой может быть любая операция плавающей точки.
Анализ зависимостей компилятором
    Когда направление переходов может прогнозироваться во время компиляции, и компилятор может
найти команды, которые он может безопасно перенести на место перед точкой перехода, решение,
базирующееся   на   технологии   компилятора,   идеально.   Эти   два   условия   являются   ключевыми
ограничениями для выявления параллелизма уровня команд статически с помощью компилятора.
Выполнение по предположению
    Машина может иметь в своем составе специальные аппаратные средства поддержки выполнения по
предположению. Эта методика позволяет машине выполнять команду, которая может быть зависимой
по   управлению,   и   избежать   любых   последствий   выполнения   этой   команды,   если   окажется,   что   в
действительности   команда   не   должна   выполняться.   Механизмы   выполнения   по   предположению
позволяют выполнять команду даже до момента оценки условия командой условного перехода, что
невозможно   при   условных   командах.   Аппаратная   поддержка   выполнения   по   предположению
достаточно сложна и требует значительных аппаратных ресурсов.
Программная конвейеризация и планирование трасс
    Компилятор может реорганизовать последовательность команд так, чтобы избежать приостановок
конвейера.   Техника,   называемая   планированием   трасс,   стала   особой   областью   интереса   в   1980х
годах,   когда   конвейерные   машины   стали   более   распространенными.   Многие   современные
компиляторы   используют   технику   планирования   команд   для   улучшения   производительности
конвейера. В простейшем алгоритме компилятор просто планирует распределение команд в одном и
том   же   базовом   блоке.   Базовый   блок   представляет   собой   линейный   участок   последовательности
программного   кода,   в   котором   отсутствуют   команды   перехода,   за   исключением   начала   и   конца
участка.   Планирование   такой   последовательности   команд   осуществляется   достаточно   просто,
поскольку  компилятор  знает, что  каждая  команда  в  блоке  будет  выполняться,  если  выполняется
первая из них, и можно просто построить граф зависимостей этих команд и упорядочить их так, чтобы
минимизировать приостановки конвейера. Для простых конвейеров стратегия планирования на основе
базовых   блоков   вполне   удовлетворительна.   Однако   когда   конвейеризация   становится   более
интенсивной   и   действительные   задержки   конвейера   растут,   требуются   более   сложные   алгоритмы
планирования.
Динамическое планирование с переименованием регистров

      Еще   одним   аппаратным   методом   минимизации   конфликтов   по   данным   является   метод
переименования регистров (register renaming). При аппаратной реализации метода переименования регистров   выделяются   логические   регистры,   обращение   к   которым   выполняется   с   помощью
соответствующих   полей   команды,   и   физические   регистры,   которые   размещаются   в   аппаратном
регистровом файле процессора. Номера логических регистров динамически отображаются на номера
физических регистров посредством таблиц отображения, которые обновляются после декодирования
каждой   команды.   Каждый   новый   результат   записывается   в   новый   физический   регистр.   Однако
предыдущее   значение   каждого   логического   регистра   сохраняется   и   может   быть   восстановлено   в
случае,   если   выполнение   команды   должно   быть   прервано   изза   неправильного   предсказания
направления условного перехода.
     В процессе выполнения программы генерируется множество временных регистровых результатов.
Эти   временные   значения   записываются   в   регистровые   файлы   вместе   с   постоянными   значениями.
Временное   значение   становится   новым   постоянным   значением,   когда   завершается   выполнение
команды (фиксируется ее результат). В свою очередь, завершение выполнения команды происходит,
когда все предыдущие команды успешно завершились в заданном программой порядке.

file_name: тема 1 вопрос 18.docx

intro:
Конвейерная обработка – раздельное выполнение некоторой операции в несколько этапов (за несколько ступеней) с передачей данных одного этапа следующему.
Суперскалярным называется процессор, который имеет конвейеры (более одного), способные обрабаты¬вать инструкции параллельно. Pentium является двухпотоковым процессором (имеет два конвейера), Pentium Pro – трехпотоковым.
Микроархитектура этого процессора базируется на идее суперскалярной обработки. Основные команды распределяются по двум независимым исполнительным устройствам (конвейерам U и V).

title: Лекция "Организация параллелизма вычислений в современных процессорах"


extracted_text:
тема 1 вопрос 19
архитектура эвм обобщенная структурная схема эвм. фон неймана
Архитектура фон Неймана
Архитектура фон Неймана ( архитектура фон НейманаЭкерта
Макли ), архитектура электронных вычислительных машин, основным отличием которой
от других подобных архитектур является совместное хранение данных и машинных
команд в ячейках одной и той же памяти, что делает невозможным их различение по
способу представления или кодирования. Названная так в честь известного математика и
теоретика вычислительной техники Джона фон Неймана (John von Neumann), и поныне
остается доминирующей схемой организации ЭВМ общего назначения.
Классическая структура машины фон Неймана
Машина фон Неймана, как и практически каждый современный ЭВМ общего назначения,
состоит из четырех основных компонентов:
1. Операционная устройство (ВУ) , который выполняет команды из определенного
набора, который называется системой (набором) команд , над порциями
информации, хранящейся отделенной от операционного устройства памяти (хотя
современные архитектуры имеют в составе операционного устройства
дополнительную память (обычно банк регистров ), в которой операнды хранятся
сравнительно короткое время непосредственно в процессе проведения вычислений.
2. Устройство управления (ПУ) , который организует последовательное выполнение
алгоритмов, расшифровка команд, поступающих из запоминающего устройства (см.
ниже), реагирует на аварийные ситуации и выполняет общие функции управления
всеми узлами вычислительной машины. Обычно ОП и ПУ объединяются в
структуру, называемуюцентральным процессором . Следует обратить внимание, что
требование именно последовательного, в порядке поступления из памяти (в порядке
изменения адресов в счетчике команд ) выполнения команд является
принципиальной. Архитектуры, которые не соблюдают такого принципа, вообще не
считаются фоннеймановской.
3. Запоминающее устройство (ЗУ)   массив ячеек
с уникальными идентификаторами (адресам), в которых хранятся команды и
данные.
4. Устройство вводавывода (ПВВ) , который обеспечивает связь ЭВМ с внешним
миром, устройств, передающих информацию на переработку в ЭВМ и принимают
результаты. УУ организует автоматическое выполнение программ и функционирование
вычислительной машины. Основная задача УУ  выработка управляющих сигналов и
распределение их по цепям управления.
АЛУ предназначено для выполнения арифметических и логических операций
над поступающими данными.
Память представляет собой массив запоминающих элементов,
организованных в виде запоминающих ячеек и способных хранить некоторую единицу
информации.
УВв преобразует входящую информацию в последовательность электрических
сигналов.
УВыв преобразует последовательность электрических сигналов в форму,
удобную для восприятия пользователем.
Вместе УУ и АЛУ образуют ЦП(центральный процессор).
Концепция Фон Неймановской архитектуры предусматривает единственность
АЛУ и одну основную память. Это обстоятельство существенно усложняет реализацию
параллельных алгоритмов.
Недостатки
Информация попадает в память через АЛУ без изменений, занимая аппаратные
ресурсы. Наличие в памяти 2х типов: данные и команды.
Достоинства
Данные поступают в память из одного источника. Тоже происходит и при
выводе

file_name: тема 1 вопрос 19.docx

intro: Архитектура фон Неймана ( архитектура фон Неймана-Экерта-Макли ), архитектура электронных вычислительных машин, основным отличием которой от других подобных архитектур является совместное хранение данных и машинных команд в ячейках одной и той же памяти, что делает невозможным их различение по способу представления или кодирования. Названная так в честь известного математика и теоретика вычислительной техники Джона фон Неймана (John von Neumann), и поныне остается доминирующей схемой организации ЭВМ общего назначения.

title: Лекция "архитектура эвм обобщенная структурная схема эвм. фон неймана"


extracted_text:
тема 1 вопрос 20
структурная схема пк. архитектурные особенности
1.2.4. Структурная схема и устройства ПК
Основным устройством ПК является материнская плата, которая определяет его конфигурацию. Все
устройства ПК подключаются к этой плате с помощью разъемов расположенных на этой плате.
Соединение всех устройств в единую систему обеспечивается с помощью системной магистрали (шины),
представляющей собой линии передачи данных, адресов и управления.
Ядро ПК образуют процессор (центральный микропроцессор) и основная память, состоящая из
оперативной памяти и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) или перепрограммируемого
постоянного запоминающего устройства ППЗУ. ПЗУ предназначается для записи и постоянного хранения
данных.
Подключение всех внешних устройств: клавиатуры, монитора, внешних ЗУ, мыши, принтера и т.д.
обеспечивается через контроллеры, адаптеры, карты.
Контроллеры, адаптеры или карты имеют свой процессор и свою память, т.е. представляют собой
специализированный процессор.
Микропроцессор
Центральный микропроцессор (небольшая микросхема, выполняющая все вычисления и обработку
информации) – это ядро ПК. В компьютерах типа IBM PC используются микропроцессоры фирмы Intel и
совместимые с ними микропроцессоры других фирм.
Компоненты микропроцессора:
•   АЛУ выполняет логические и арифметические операции
•   Устройство управления управляет всеми устройствами ПК
•   Регистры используются для хранения данных и адресов
•   Схема управления шиной и портами – осуществляет подготовку устройств к обмену данными между
микропроцессором и портом ввода – вывода, а также управляет шиной адреса и управления.
Основные характеристики процессора:
•   Разрядность – число двоичных разрядов, одновременно обрабатываемых при выполнении одной
команды. Большинство современных процессоров – это 32 – разрядные процессоры, но выпускаются и 64
разрядные процессоры.
•   Тактовая частота – количество циклов работы устройства за единицу времени. Чем выше тактовая
частота, тем выше производительность.
•   Наличие встроенного математического сопроцессора
•   Наличие и размер Кэш памяти.
Оперативная память Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ или RAM)  область памяти, предназначенная для хранения
информации в течение одного сеанса работы с компьютером. Конструктивно ОЗУ выполнено в виде
интегральных микросхем.
Из нее процессор считывает программы и исходные данные для обработки в свои регистры, в нее
записывает полученные результаты. Название “оперативная” эта память получила потому, что она
работает очень быстро, в результате процессору не приходится ждать при чтении или записи данных в
память.
Однако быстродействие ОЗУ ниже быстродействия регистров процессора, поэтому перед выполнением
команд процессор переписывает данные из ОЗУ в регистры. По принципу действия различают
динамическую память и статическую.
Ячейки динамической памяти представляют собой микроконденсаторы, которые накапливают заряд на
своих обкладках. Ячейки статической памяти представляют собой триггеры, которые могут находиться в
двух устойчивых состояниях.
Основные параметры, которые характеризуют ОЗУ – это емкость и время обращения к памяти. ОЗУ типа
DDR  SDRAM (синхронная память с двойной скорость передачи данных) считается наиболее
перспективной для ПК.
Кэшпамять
Компьютеру необходимо обеспечить быстрый доступ к оперативной памяти, иначе микропроцессор будет
простаивать, и быстродействие компьютера уменьшится. Поэтому современные компьютеры оснащаются
Кэшпамятью или сверхоперативной памятью.
При наличии Кэшпамяти данные из ОЗУ сначала переписываются  в нее, а затем в регистры процессора.
При повторном обращении к памяти сначала производится поиск нужных данных в Кэшпамяти и
необходимые данные из Кэшпамяти переносятся в регистры, поэтому повышается быстродействие.
Контроллеры
Только та информация, которая хранится в ОЗУ, доступна процессору для обработки. Поэтому
необходимо, чтобы в его оперативной памяти находились программа и данные.
В ПК информация с внешних устройств (клавиатуры, жесткого диска и т.д.) пересылается в ОЗУ, а
информация (результаты выполнения программ) с ОЗУ также выводится на внешние устройства (монитор,
жесткий диск, принтер и т.д.).
Таким образом, в компьютере должен осуществляться обмен информацией (вводвывод) между
оперативной памятью и внешними устройствами. Устройства, которые осуществляют обмен информацией
между оперативной памятью и внешними устройствами называются контроллерами или адаптерами,
иногда картами. Контроллеры, адаптеры или карты имеют свой процессор и свою память, т.е.
представляют собой специализированный процессор.
Контроллеры или адаптеры (схемы, управляющие внешними устройствами компьютера) находятся на
отдельных платах, которые вставляются в унифицированные разъемы (слоты) на материнской плате
Системная магистраль
Системная магистраль (шина)  это совокупность проводов и разъемов, обеспечивающих объединение
всех устройств ПК в единую систему и их взаимодействие.
Для подключения контроллеров или адаптеров современные ПК снабжены такими слотами как PCI.
Слоты PCI – E  Express для подключения новых устройств к более скоростной шине данных. Слоты AGP
предназначены для подключения видеоадаптера
Для подключения накопителей (жестких дисков и компактдисков) используются интерфейсы IDE и SCSI. Интерфейс – это совокупность средств соединения и связи устройств компьютера.
Подключение периферийных устройств (принтеры, мышь, сканеры и т.д.) осуществляется через
специальные интерфейсы, которые называются портами. Порты устанавливаются на задней стенке
системного блока.
Слоты (разъемы) расширения конфигурации ПК предназначены для подключения дополнительных
устройств к основной шине данных компьютера. К основным платам расширения, предназначенным для
подключения к шине дополнительных устройств, относятся:
•   Видеоадаптеры (видеокарты)
•   Звуковые платы
•   Внутренние модемы
•   Сетевые адаптеры (для подключения к локальной сети)
•   SCSI  адаптеры
Внешняя память. Классификация накопителей
Для хранения программ и данных в ПК используются накопители различных типов. Накопители  это
устройства для записи и считывания информации с различных носителей информации. Различают
накопители со сменным и встроенным носителем.
По типу носителя информации накопители разделяются на накопители на магнитных лентах и дисковые
накопители. К накопителям на магнитных лентах относятся стримеры и др. Более широкий класс
накопителей составляют дисковые накопители.
По способу записи и чтения информации на носитель дисковые накопители разделяются на магнитные,
оптические и магнитооптические.
К дисковым накопителям относятся:
накопители на флоппидисках;
накопители на несменных жестких дисках (винчестеры);
накопители на сменных жестких дисках;
накопители на магнитооптических дисках;
накопители на оптических дисках (CDR CDRW CDROM) с однократной записью и
накопители на оптических DVD – дисках (DVDR  DVDRW   DVDROM и др.)
Дополнительные устройства
Периферийные устройства  это устройства, которые подключаются к контроллерам ПК и расширяют его
функциональные возможности
По назначению дополнительные устройства разделяются на:
устройства ввода (трэкболлы, джойстики, световые перья, сканеры, цифровые камеры, диджитайзеры)
устройства вывода (плоттеры или графопостроители)
устройства хранения (стримеры, zip  накопители, магнитооптические накопители, накопители HiFD и др.)
устройства обмена (модемы)
1.3. Структурная схема персонального компьютера
В настоящее время основная работа по информационному обслуживанию управления ведется на
персональных ЭВМ, называемых также персональными компьютерами (ПК), программно и аппаратно
совместимыми с ПК фирмы “IBM”. Такие ПК обычно называют IBM PC совместимыми. При работе с
такими ПК используется английская терминология, поэтому представляется целесообразным дать ее
перевод на русский язык.
• IBM (International Business Machines Corporation) – международная корпорация машин для бизнеса;
• PC (Personel Computer) – персональный компьютер (ПК). Первые модели IBM PC появились в августе
1981 г. Сейчас эти ПК наиболее распространены во всем мире. В правоохранительных органах IBM PC
совместимыми компьютерами оснащаются все структуры: от центральных аппаратов до отделов на
местах. На их базе создаются автоматизированные рабочие места сотрудников. IBM PC, как и все ЭВМ, включает в себя два основных компонента: оборудование, или аппаратную часть,
называемую hardware, и программы, или программное обеспечение, называемое software; к последнему
относятся операционные системы, трансляторы с алгоритмических языков (BASIC, PASCAL, СИ и т.д.),
различные прикладные программные системы. Основной операционной системой, используемой в IBM PC
совместимых ПК, до середины 90х гг. являлась MS DOS (Microsoft Disk Operating System) – дисковая
операционная система фирмы “Майкрософт”.
В последнее время более широкое распространение на РСсовместимых компьютерах получили
операционные системы семейства Windows с графическим интерфейсом работы пользователя.
Операционная система обеспечивает решение двух главных задач:
• предоставление пользователям возможности общего управления компьютером;
• поддержка работы всех программ, обеспечение их взаимодействия с аппаратурой.
К hardware относятся следующие устройства:
• CPU (Central Proceccing Unit) – центральное процессорное устройство (ЦПУ), выполненное на основе
микропроцессора фирмы Intel Corporation, называемое также Central processor – Центральный процессор
(ЦП);
• ALU (Arithmetic Logical Unit) – арифметикологическое устройство (АЛУ);
• CU (Control Unit) – устройство управления (УУ);
• Controller – контроллер (УУ подсистемами ПК);
• ROM (Read Only Memory) – постоянное запоминающее устройство (ПЗУ);
• устройства вводавывода:
monitor – монитор (дисплей, экран);
printer – принтер (печатающее устройство);
keyboard – клавиатура.
• MSD (Mass Storage Device) – устройство массового хранения (память на накопителях, внешнее
запоминающее устройство);
• disk drive – дисковод (устройство для считывания и записи информации на магнитные диски);
• hard disk drive, Winchester disk – накопитель на жестком магнитном диске (НМД), винчестерский диск
(винчестер);
• floppy disk drive – накопитель на гибком магнитном диске (НГМД), на дискете, флоппидиске.
Большинство из перечисленных компонентов IBM PC объединены в системный блок (system unit).
Основным блоком IBM PC является центральное процессорное устройство (CPU), состоящее из
арифметикологического устройства (ALU) и устройства управления (CU):
• ALU осуществляет с данными операции сложения, вычитания, умножения, деления, сравнения и т.д.;
• CU устанавливает очередность выполнения операций, управляет потоками данных внутри и между
блоками IBM PC.
Память ПК состоит из ОЗУ (RAM) и ПЗУ (ROM), а также памяти на накопителях (MSD) (рис. 1.8): ? ROM реализован на микросхемах, информация с которых может только считываться, не изменяясь при
этом. ROM ПК содержит BIOS (basic input/output system) – базовую систему ввода/вывода, являющуюся
первым основным компонентом операционной системы MS DOS.
BIOS выполняет следующие функции:
• устанавливает, какие устройства подключены к ПК, т.е. выясняет конфигурацию системы;
• организует взаимосвязь между устройствами;
• определяет местоположение загрузочной части операционной системы и передает ей управление.
? RAM состоит из микросхем, которые временно хранят информацию. При отключении питания
компьютера информация из RAM пропадает.
В MS DOS RAM делится на категории:
• базовую память – объемом 640 Кбайт, доступную всем программам, работающим под управлением MS
DOS;
• наращенную память – за пределами 1 Мбайт, для использования которой нужны особые программные
средства в MS DOS или другие ОС (например, OS/2);
• расширенную память – выход в нее осуществляется из верхней области памяти (от 640 Кбайт до 1
Мбайт).
Сигналы и данные между блоками ПК объединяются в потоки и передаются по шинам. В IBM PC –
совместимых ПК имеются три стандартные шины:
• шина данных, по которой передаются собственно данные (“что передавать”);
• шина адреса, по которой передаются адреса данных (“куда и откуда передавать”);
• шина управления, по которой передаются команды управления данными (“как передавать”).

Таблица 1.1.
Логическая структура основной памяти

Основная память (Base Memory)
Расширенная память (ЕМА)
Стандартная память
Верхняя память (UMB)
Высокая память (НМА)
640 Кбайт
384 Кбайт
64 Кбайт
Всего памяти
1024 Кбайт

Большинство устройств вводавывода IBM PC содержат устройства сопряжения сигналов и данных между
блоками и собственные CU, называемые адаптерами и контроллерами, а также собственную память для
хранения данных при обмене (такую память имеют, например, монитор и принтер).
Дисководы НГМД считывают и записывают информацию на дискеты. До последнего времени
использовались дискеты двух типов: диаметрами 5,25 и 3,5 дюйма (1 дюйм = 2,54 см). На дискетах обычно
указывается следующая маркировка:
• DS,2S (Double Side) – двусторонние;
• DD,2D (Double Density) – двойной плотности;
• HD (High Density) – высокой плотности.
Перед записью информации на дискету она должна быть отформатирована. Максимальный объем
информации на дискетах двух указанных выше типов при различном форматировании приведен в табл. 1.2.

Возможность использования дисководов при работе с дискетами различных типов
Таблица 1.2.

5,25" DD
5,25" HD
3,5" DD
3,5" HD
5,25" DD
5,25" HD3,5" DD3,5" HD
1200
1440 ? Устройства памяти на дисковых накопителях – основные устройства ПК для долговременного
хранения больших объемов данных и программ. К ним относятся накопители на жестких магнитных
дисках (НЖМД), накопители на основе компактдисков (CDROM), накопители на магнитооптических
дисках (НМОД).
Основными параметрами устройств памяти на накопителях являются емкость и производительность.
Емкость определяется физическими принципами чтения/записи данных на носители и зависит от
технологии их изготовления. Производительность дисковых накопителей напрямую зависит от таких
параметров, как среднее время доступа к данным (определяется временем поиска сектора данных на
диске и скоростью вращения диска) и скорость передачи данных (определяется в первую очередь
характеристиками интерфейса контроллера накопителя).
Характеристики основных дисковых накопителей приведены в табл. 1.3.

Характеристики дисковых накопителей
Тип накопителяЕмкость, МбайтВремя доступа, мс
Скорость передачи*, Кбайт/с
Вид доступа**
Таблица 1.3.
CDROM
Бернулли
CDWORM
1,2; 1,44
2508000
2501500
1001300
20230
1201000
400016000
65100
820
15300
15150
20
15150
150
5005000
1501500
3002000
5002000
1501500
Ч/З
Ч/З
Ч
Ч/З
Ч/З
Ч/З***
Ч
* Средние скорости передачи в режимах “чтение/запись”.
** Ч – чтение; 3 – запись.
*** Запись однократная.

Важнейший принцип построения IBM PCсовместимых ПК – открытая архитектура – означает
модульный принцип построения и возможность замены блоков на новые по мере развития. В IBM PC
имеются специальные разъемы расширения для подключения дополнительных устройств, таких как
дополнительная память, сопроцессор, джойстик (координатная ручка), мышь (устройство ввода
координат), плоттер (графопостроитель), сканер (устройство ввода изображений), стример (запоминающее
устройство на магнитной ленте), модем (устройство для подключения к телефонной линии связи и обмена
информацией с другими компьютерами).
При разработке hardware и software для IBM PCсовместимых ПК соблюдается принцип
совместимости “сверхувниз”, т.е. улучшенные версии подсистем должны содержать все возможности
старых версий. Например, программы, разработанные на старых версиях IBM PC, должны работать на
новых моделях.
Принципы, заложенные в основу построения IBM PC, привели к созданию семейства IBMсовместимых
ПК, которое называется “клоном” IBM. Первая модель этого семейства появилась в 1982 г. и называлась
IBM PCjr. Родословное дерево PC представлено на рис. 1.9.

Микропроцессор (МП) конструктивно представляет собой кристалл кремния, в котором в результате
технологического процесса создана электронная схема. Количество электронных компонентов
(транзисторов) в этой схеме: от десятков тысяч до нескольких миллионов. Кристалл помещен в
пластиковый корпус, а выводы выходят наружу, как у типичной микросхемы широкого применения. Стоимость компьютера в значительной степени определяется стоимостью МП, однако себестоимость
производства одного экземпляра очень мала. Основная доля затрат приходится на разработку технологии
производства.
Основные характеристики микропроцессора:
• максимальная тактовая частота;
• разрядность;
• тип архитектуры.
? Тактовая частота. Вычислительный процесс представляет собой последовательность элементарных
действий, выполнение которых синхронизируется тактовым генератором. Превышение тактовой частоты
выше некоторого предела может привести к срыву вычислений или перегреву МП. Таким образом,
максимальная тактовая частота определяет быстродействие процессора (но она не равна быстродействию
МП и тем более быстродействию компьютера).
? Разрядность процессора. Этим термином обозначается максимальное количество разрядов двоичного
кода, которое может вырабатываться и передаваться одновременно.
Разрядность определяется тремя параметрами: m/n/k:
• т – разрядность внутренних регистров, т.е. количество разрядов, с помощью которых обмениваются
информацией внутренние устройства МП;
• n – разрядность шины данных, которая представляет собой часть системной шины, показывает
количество разрядов, через которые МП обменивается данными с различными устройствами;
• k – разрядность шины адреса, определяет объем доступной для МП части ОП.
Основные типы и характеристики микропроцессоров фирмы “Intel”, являющейся лидером по
производству микропроцессоров для IBM PCсовместимых ПК, приведены в табл. 1.4.

Таблица 1.4.
Тип МПМарка ПК Максимальная тактовая частота, МГц
Максимальный объем ОЗУ, МбайтГод создания
Типы и характеристики МП (Intel)
1
1
16
4000
4000
4000
4000
4000
4000
1976
1977
1982
1985
1989
1993
1998
2000
2001
4,77
10
1033
33
33100
66150
200400
5001000
1,52000
Pentium II
Pentium III
Pentium IV
Pentium III
Pentium IV

? Тип архитектуры МП. Микропроцессор представляет собой довольно сложное электронное
устройство, в котором отдельные части связаны информационными каналами. Часть этих каналов
фиксирована при создании МП, другая часть может изменяться при программировании – в целом это
образует архитектуру МП.
Более широкое представление об архитектуре МП – организация МП с точки зрения пользователя. Она
включает в себя пользовательские возможности программирования, а именно: состав регистров, систему
команд, способы адресации, организацию памяти, средства вводавывода и типы обрабатываемых данных.
К наиболее важным аспектам архитектуры относятся:
• система команд и способы адресации;
• возможность выполнения тех или иных команд во времени;
• наличие дополнительных узлов и устройств в составе МП (например, интегрированной кэшпамяти,
устройства для работы с числами с плавающей точкой – сопроцессора математики);
• режим работы.
Другие критерии классификации МП. ? По системе команд. CISC (complex information system command, сложная система команд), RISC
(reduced information system command, сокращенная система команд). При использовании первых число
встроенных в МП команд очень велико, например для 8086 и 8088 оно составляет 134, а для МП Pentium –
240. Число встроенных в CISC МП команд увеличивается за счет добавления команд обработки графики и
звука. Сложные команды выполняются за несколько тактов, вырабатываемых тактовым генератором, так
же как и набор простых команд. При использовании RISK МП количество встроенных команд невелико,
каждая команда выполняется за один или два такта. Сложные команды программируются на машинном
языке. В целом быстродействие МП, при прочих одинаковых характеристиках, увеличивается.
? По универсальности. Универсальные МП выполняют все действия, в то время как
специализированные предназначены для выполнения только определенного класса задач, при этом их
быстродействие намного превышает быстродействие универсальных МП. Очень часто используют
математические процессоры, которые могут дополнять соответствующие универсальные и поэтому
называются сопроцессорами:
• 80888087;
• 8028680287.
В МП фирмы “Intel”, начиная с 80486, математические сопроцессоры встраиваются в один блок с
центральным процессором.
Очень важную роль в составе ПК играет видеоподсистема, состоящая из монитора и видеокарты. В
настоящее время большинство функций построения изображения в ПК выполняет отдельный блок,
получивший название видеоадаптер. Аппаратно чаще всего он бывает выполнен в виде отдельной платы,
вставляемой в разъем расширения материнской платы.
Основными параметрами видеоподсистемы являются:
• разрешающая способность – количество точек на экране монитора;
• цветовое разрешение – количество цветов, которое может иметь отдельная точка;
• частота развертки – скорость обновления изображения экрана.
Графические адаптеры (видеоадаптеры), которые используются в ПК, бывают следующих типов:
• MDA – монохромный адаптер, работает в текстовом режиме, 25 строк по 80 символов в строке, с
разрешением 720 х 350 точек, с двумя градациями яркости (черный – белый);
• EGA (Enhanced Graphics Adapter) – улучшенный графический адаптер, работающий в режимах: 1)
текстовом (25 или 43 строки на экране по 80 символов в строке, 16 цветов), 2) графическом (640 точек
по горизонтали, 350 по вертикали, 16 цветов и 64 оттенка каждого цвета);
• VGA (Video Graphics Array) – видеографическая матрица, графический режим 640 х 480 точек, 16
цветов, 4096 оттенков или 320 х 200 точек, 256 цветов;
• SVGA (Super VGA) – до 1280 х 1024 точек при 16 Мбайт цветов и выше.

file_name: тема 1 вопрос 20.docx

title: Лекция "структурная схема пк. архитектурные особенности"


extracted_text:
тема 1 вопрос 21
основные функции микропроцессора. характеристики микропроцессора
МИКРОПРОЦЕССОРЫ. СТРУКТУРА МИКРОПРОЦЕССОРА И ЕГО ОСНОВНЫЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ
Микропроцессор — это центральный блок персонального компьютера, предназначенный
для управления работой всех остальных блоков и выполнения арифметических и
логических операций над информацией.
Микропроцессор выполняет следующие основные функции:
1. чтение и дешифрацию команд из основной памяти;
2. чтение данных из основной памяти и регистров адаптеров внешних устройств;
3. прием и обработку запросов и команд от адаптеров на обслуживание внешних
устройств;
4. обработку данных и их запись в основную память и регистры адаптеров внешних
устройств;
5. выработку управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков компьютера.
В состав микропроцессора входят следующие устройства.
1. Арифметикологическое устройство предназначено для выполнения всех
арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией.
2. Устройство управления координирует взаимодействие различных частей
компьютера. Выполняет следующие основные функции:
o формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени
определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные
спецификой выполнения различных операций;
o формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и
передает эти адреса в соответствующие блоки компьютера;
o получает от генератора тактовых импульсов обратную последовательность
импульсов.
3. Микропроцессорная память предназначена для кратковременного хранения,
записи и выдачи информации, используемой в вычислениях непосредственно в
ближайшие такты работы машины. Микропроцессорная память строится на
регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия компьютера,
так как основная память не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и
считывания информации, необходимую для эффективной работы
быстродействующего микропроцессора.
4. Интерфейсная система микропроцессора предназначена для связи с другими
устройствами компьютера. Включает в себя:
o внутренний интерфейс микропроцессора;
o буферные запоминающие регистры;
o схемы управления портами вводавывода и системной шиной. (Порт ввода
вывода — это аппаратура сопряжения, позволяющая подключить к
микропроцессору , другое устройство.)
К микропроцессору и системной шине наряду с типовыми внешними устройствами могут
быть подключены и дополнительные платы с интегральными микросхемами, расширяющие
и улучшающие функциональные возможности микропроцессора. К ним относятся
математический сопроцессор, контроллер прямого доступа к памяти, сопроцессор ввода
вывода, контроллер прерываний и др.
Математический сопроцессор используется для ускорения выполнения операций над
двоичными числами с плавающей запятой, над двоичнокодированными десятичными
числами, для вычисления тригонометрических функций. Математический сопроцессор
имеет свою систему команд и работает параллельно с основным микропроцессором, но под управлением последнего. В результате происходит ускорение выполнения операций в
десятки раз. Модели микропроцессора, начиная с МП 80486 DX, включают
математический сопроцессор в свою структуру.
Контроллер прямого доступа к памяти освобождает микропроцессор от прямого
управления накопителями на магнитных дисках, что существенно повышает эффективное
быстродействие компьютера.
Сопроцессор вводавывода за счет параллельной работы с микропроцессором значительно
ускоряет выполнение процедур вводавывода при обслуживании нескольких внешних
устройств, освобождает микропроцессор от обработки процедур вводавывода, в том числе
реализует режим прямого доступа к памяти.
Прерывание — это временный останов выполнения одной программы в целях оперативного
выполнения другой, в данный момент более важной. Контроллер прерываний обслуживает
процедуры прерывания, принимает запрос на прерывание от внешних устройств,
определяет уровень приоритета этого запроса и выдает сигнал прерывания в
микропроцессор.
Все микропроцессоры можно разделить на группы:
1. микропроцессоры типа CISC с полным набором системы команд;
2. микропроцессоры типа RISC с усеченным набором системы команд;
3. микропроцессоры типа VLIW со сверхбольшим командным словом;
4. микропроцессоры типа MISC с минимальным набором системы команд и
весьма высоким быстродействием и др.
Важнейшими характеристиками микропроцессора являются:
1. тактовая частота. Характеризует быстродействие компьютера. Режим работы
процессора задается микросхемой, называемой генератором тактовых импульсов.
На выполнение процессором каждой операции отводится определенное количество
тактов. Тактовая частота указывает, сколько элементарных операций выполняет
микропроцессор за одну секунду. Тактовая частота измеряется в МГц;
2. разрядность процессора — это максимальное количество разрядов двоичного числа,
над которым одновременно может выполняться машинная операция. Чем больше
разрядность процессора, тем больше информации он может обрабатывать в единицу
времени и тем больше, при прочих равных условиях, производительность
компьютера;
Общая структура МПС
Микропроцессор  центральная часть любой микропроцессорной системы (МПС)
включает в себя АЛУ и ЦУУ, реализующее командный цикл. МП может функционировать
только в составе МПС, включающей в себя, кроме МП, память, устройства ввода/вывода,
вспомогательные схемы (тактовый генератор, контроллеры прерываний и ПДП, шинные
формирователи, регистрызащелки и др.). В любой МПС можно выделить следующие
основные части (подсистемы) : • процессорный модуль; • память; • внешние устройства
(внешние ЗУ + устройства ввода/вывода); • подсистему прерываний; • подсистему прямого
доступа в память. Связь между процессором и другими устройствами МПС может
осуществляться по принципам радиальных связей, общей шины или комбинированным
способом. В однопроцессорных МПС, особенно 8 и 16разрядных, наибольшее
распространение получил принцип связи "Общая шина", при котором все устройства
подключаются к интерфейсу одинаковым образом (Рис.1.1). Вс
е сигналы интерфейса делятся на три основные группы  данных, адреса и управления.
Многочисленные разновидности интерфейсов "Общая шина" обеспечивают передачу по
раздельным или мультиплексированным линиям (шинам). Например, интерфейс Microbus, с
которым работают большинство 8разрядных МПС на базе i8080, передает адрес и данные
по раздельным шинам, но некоторые управляющие сигналы передаются по шине данных.
Интерфейс Qbus, используемый в микроЭВМ фирмы DEC (отечественный аналог
микропроцессоры серии К1801) имеет мультиплексированную шину адреса/данных, по
которой эта информация передается с разделением во времени. Естественно, что при
наличии мультиплексированной шины в состав линий управления необходимо включать
специальный сигнал, идентифицирующий тип информации на шине. Обмен информацией по
интерфейсу производится между двумя устройствами, одно из которых является
активным, а другое  пассивным. Активное устройство формирует адреса пассивных
устройств и управляющие сигналы. Активным устройством выступает, как правило,
процессор, а пассивным  всегда память и некоторые ВУ. Однако, иногда
быстродействующие ВУ могут выступать в качестве задатчика (активного устройства) на
интерфейсе, управляя обменом с памятью (т.н. режим прямого доступа в память  см.
раздел 8). Концепция "Общей шины" предполагает, что обращения ко всем устройствам
МПС производится в едином адресном пространстве, однако, в целях расширения числа
адресуемых объектов, в некоторых системах искусственно разделяют адресные
пространства памяти и ВУ, а иногда даже и памяти программ и памяти данных. Как
известно, процессор является основным вычислительным блоком компьютера, в
наибольшей степени определяющим его мощь. Процессор является устройством,
исполняющим программу  последовательность команд (инструкций), задуманную
программистом и оформленную в виде модуля программного кода. Чтобы понять, что
делает процессор, рассмотрим его в окружении системных компонентов IBM PC
совместимого компьютера. Этой компьютерной архитектурой, естественно, не
ограничивается сфера применения процессоров. Всем известный IBM PCсовместимый
компьютер представляет собой реализацию так называемой фоннеймановской
архитектуры вычислительных машин. Эта архитектура была представлена Джоном фон
Нейманом еще в 1945 году и имеет следующие основные признаки. Машина состоит из
блока управления, арифметикологического устройства (АЛУ), памяти и устройств
ввода/вывода. В ней реализуется концепция хранимой программы: программы и данные
хранятся в одной и той же памяти.
Рис. 1.1 Архитектура фонНеймана память программ и память данных мы получимЕсли разделить память на Гарвардскую
архитектуру.
Рис. 1.2 Гарвардская архитектура
Выполняемые действия определяются блоком управления и АЛУ, которые вместе
являются основой центрального процессора. Центральный процессор выбирает и исполняет
команды из памяти последовательно, адрес очередной команды задается "счетчиком
адреса" в блоке управления. Этот принцип исполнения называется последовательной
передачей управления. Данные, с которыми работает программа, могут включать
переменные  именованные области памяти, в которых сохраняются значения с целью
дальнейшего использования в программе. Фоннеймановская архитектура  не
единственный вариант построения ЭВМ, есть и другие, которые не соответствуют
указанным принципам (например, потоковые машины). Однако подавляющее большинство
современных компьютеров основано именно на этих принципах, включая и сложные
многопроцессорные комплексы, которые можно рассматривать как объединение фон
неймановских машин. Конечно же, за более чем полувековую историю ЭВМ классическая
архитектура прошла длинный путь развития. Прерывание – первое отличие современных
архитектур от машин фонНеймана.  что при поступлении сигналаРабота прерывания
заключается в том прерывания процессор обязан прекратить выполнение текущей
программы и немедленно начать обработку процедуры прерывания.
Рис. 1.3 Архитектура фонНеймана с прерыванием
ПДП (Прямой Доступ к Памяти) – второе отличие современных архитектур от машин фон
Неймана. ПДП позволяет сократить расходы на пересылку единицы информации.
Рис. 1.4 Архитектура фонНеймана с каналом ПДП 3.Характеристики микропроцессоров.
Кратко перечислим основные характеристики микропроцессоров: • разрядность; •
быстродействие (тактовая частота, время выполнения "короткой" команды; •
потребляемая мощность; • технология (уровень логических сигналов); • архитектурные
особенности: система операций, способы адресации, наличие и организация подсистем
прерываний и ПДП, объем и организация СОЗУ, конвейер операций, аппаратная поддержка
системы виртуальной памяти и т.п.; • структурные особенности: количество и назначение
шин (стандарт интерфейса), внутренняя структура; • число источников питания; • число
БИС в комплекте; и др.

file_name: тема 1 вопрос 21.docx

intro:
В состав микропроцессора входят следующие устройства.
1. Арифметико-логическое устройство предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией.
2. Устройство управления координирует взаимодействие различных частей компьютера. Выполняет следующие основные функции:
o	формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполнения различных операций;
o	формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки компьютера;
o	получает от генератора тактовых импульсов обратную последовательность импульсов.

title: Лекция "МИКРОПРОЦЕССОРЫ. "