Ответы на вопросы к экзамену

по Организации ЭВМ и систем (зимняя сессия)

1. Аналого-цифровые преобразователи. Классификация, характеристики.

[АЦП - устройство, преобразующее аналоговый сигнал в цифровую последовательность для последующей обработки встроенным микрокомпьютером камеры. Основной характеристикой АЦП является его разрядность - количество дискретных уровней сигнала, кодируемых АЦП.

П риведена структура АЦП последовательного действия, реализованного на базе ЦАП.

Перед началом преобразования счётчик устанавливается в исходное нулевое состояние посредством подачи импульса на вход установки «0». Для выполнения преобразования аналогового сигнала на входе разрешения преобразования логической схемы И устанавливается единичный сигнал. Импульсы с выхода генератора тактовых импульсов (ГТИ) через схему совпадения И поступают на счётный вход счётчика. На выходе счётчика последовательно увеличивается цифровой код, который с помощью ЦАП преобразуется в напряжение Uцап, воздействующее на нижний вход аналогового компаратора напряжений (А.К.). На верхний вход компаратора подаётся преобразуемое входное напряжение Uвх. Пока равномерно увеличивающееся напряжение Uцап меньше Uвх на выходекомпаратора действует высокий уровень напряжения Uкомп, соответствующий значению логической «1». Как только Uцап достигнет значения Uвх (Uцап ≥Uвх), напряжение на выходе компаратора становится низким, соответствующим значению логического «0». Это приводит к запрету прохождения счётных импульсов от ГТИ к счётчику через схему совпадения и, следовательно, к прекращению счёта. Отрицательный фронт напряжения на выходе компаратора используется как сигнал завершения процесса преобразования. После этого двоичный код числа X, соответствующий преобразуемому напряжению Uвх считывается с выхода счётчика.

Классификация АЦП:

1. АЦП последовательного приближения, заключается в возможности организации синхронной и циклической работы, производства уменьшения числа разрядов и вывода данных в последовательном коде.

2. АЦП считывания, выполняет функцию параллельного преобразования входного напряжения в один из видов цифрового кода: двоичного (прямого или обратного) и с дополнением до двух (прямого или обратного).

3. Интегрирующие АЦП, предназначены для применения в измерительной аппаратуре различного назначения.

Основными характеристиками АЦП являются: разрешающая способность, точность и быстродействие. Разрешающая способность определяется разрядностью и максимальным диапазоном входного аналогового напряжения, точность – абсолютной погрешностью полной шкалы, нелинейностью и дифференциальной нелинейностью. Быстродействие АЦП характеризуется временем преобразования tпрб т.е. интервалом времени от момента заданного изменения сигнала на входе до появления на выходе, устанавливающегося кода.

По структуре построения АЦП делятся на два типа: с применением ЦАП и без них. В настоящее время в интегральном исполнении реализованы АЦП развёртывающего типа. Развёртывающие АЦП переводят аналоговый сигнал в цифровой последовательный, начиная с младшего значащего разряда до цифрового кода на выходе, соответствующего уровню входного аналогового напряжения АЦП. К этому типу можно отнести АЦП последовательного приближения со счётчиком.]

При построении АСОИУ очень часто возникает необходимость преобразования информации из аналоговой формы представления в дискретную и обратно.

n – Количество двоичных разрядов в цифровом коде

q – Шаг квантования или разрешающая способность

∆t – Шаг квантования по времени

Характеристики АЦП:

1. Разрешающая способность

2. Быстродействие – определяется временем преобразования - t пр.

t пр. – Время преобразования, от начала измерения аналоговой величины до получения цифрового кода.

∆x – Изменение аналоговой величины за время измерения.

∆x ≤ q/2

Ч астота преобразования:

3. Точность преобразования

∆ σ ≤ q/2

Ux max – Максимальное значение измеряемой величины

σ п.ш. – Погрешность полной шкалы

Характеристика реального преобразования нелинейна.

Обобщенная схема АСОИУ реального объекта

АЦП – аналого-цифровой преобразователь

Д – датчик

ЦАП – цифроаналогововый преобразователь

ИМ – исполнительные механизмы

Классификация АЦП

1. По виду аналоговой величины (физической природе):

• преобразование напряжения в код (ПНК) или преобразование кода в напряжение (ПКН)

• преобразование перемещения в двоичный код

• преобразование угла поворота вала в код

• преобразование частоты в код

• и т.п.

2. По методу измерения различают:

• АЦП последовательного счета

• АЦП поразрядного кодирования

• АЦП считывания

2. Устройство обработки МП 80486. Конвейерный режим выполнения команд. Очередь команд.

Это первые 32-х разрядные МП. Они имеют практически одинаковую структуру, но i486 выполнен на СБИС большей степени интеграции и имеет большую производительность.

Основные характеристики:

1. 32-разрядная шина адреса и данных

2. Тактовая частота 386- 12-40 МНz; 486- 25-120 MHz

3. Введена виртуальная память с сегментной и страничной организацией

4. Введен конвейерный режим обработки команд

5. Введена кэш-память (только в 486)

6. Сохранилась совместимость с программным обеспечением для более ранних моделей МП (580, 1810, 80286).

Структурная схема МП 486

Как и в МП 1810, в структуре выделены две части: устройство обработки (УО) и устройство связи с каналом (УСК).

В целях повышения производительности МП может выполнять обработку текущей команды, а также выбирать новые блоки команд и данных одновременно.

Умн. / Дел. – специальные логические схемы реализуют функции умножения и деления.

Конвейерное выполнение команд – за счет введения дополнительных аппаратных средств. Идея построения конвейера команд состоит в том, что в процессе выполнения каждой команды выделяются некоторые единые (общие) процедуры, для выполнения которых, создаются специальные аппаратные средства в таком количестве, чтобы обеспечить одновременное выполнение 5-6 команд. Допустим, что процесс выполнения одной команды состоит из следующих равных по времени этапов - Т_эт

Э1	К1	К2	К3	К4	К5	К6
Э2		К1	К2	К3	К4	К5
Э3			К1	К2	К3	К4
Э4				К1	К2	К3
Э5					К1	К2
Э6						К1

Э1 – ДС КОП,

Э2 – вычисление FA операнда

Э3 – выборка операнда

Э4 – выполнение арифметических операций

Э5-вычисление FA результата

Э6-запись результата в ОЗУ

В таблице схематично представлен процесс конвейерного выполнения команд (К1-К5) с этапами (Э1-Э6).

Одна команда выполняется за Т_эт х 6= 6 Т_эт

Обычный способ – 6 Т_эт х 5 = 30 Т_эт

Конвейерный способ: Т_{вып кол} = 10 Т_э .

Как следует из этого примера, суммарное время выполнения 5 команд сокращается в 3 раза.

Имеется очередь команд – регистр сдвига, в котором в то время, когда устройство обработки выполняет вычисления, устройство связи с каналом выбирает очередной блок команд из программы.

Основные функции устройства связи с каналом

1. Обслуживание очереди команд.

2. Вычисление физических адресов данных и команд при сегментной организации и страничной организации памяти.

3. Организация связи между внутренними и внешними магистралями (шинами).

4. Управление кэш-памятью.

АЛУ – комбинационная по магистральной структуре – РОН

АЛУ: +, - лог опер., сдвиги

Умножение\деление – аппаратным средствами реализовано ускоренные алгоритмы умножения и деления

Блок управления – построен по жесткой структуре

Конвейер команд – ускорение выполнения команд

Идея построения состояла в том, что в процедуре выполнения всех каждой команды выделяются некоторый стандартные этапы:

1. выборка команды из ОЗУ

2. дешифрация команды

3. выборка ОП1 (операнда)

4. выборка ОП2

5. выполнение команды

6. занесение результата в ОЗУ.

В УУ аппаратным способом реализовано несколько блоков, выполняющих одинаковые команды.

Выборка из команд производится не по отдельности, а по блокам из ОЗУ

Э1	К1	К2к	К3	К4	К5
Э2		К1	К2	К3	К4	К5
Э3			К1	К2	К3	К4
Э4				К1	К2	К3
Э5					К1	К2

Твыпол_ком=5*Тэ

Твып_ком_5=25

Твып_ком_конв_5=9

2. ПНК по методу поразрядного кодирования. Основные характеристики. Структура и принцип действия.

ПНК по методу поразрядного кодирования (взвешивания)

О тличается тем, что для измерения используется n-малое эталонов.

Процесс измерения аналогичен процессу взвешивания на весах, но гирь больше.

1 шаг измерения U_ПКН1 = Э₁

ЕСЛИ Ux > U_ПКН1 ‘ТО’ U_ПКН2 = Э₁ + Э₂; Q₁:=1

ЕСЛИ Ux < U_ПКН1 ‘ТО’ U_ПКН2 = Э₂; Q₁:=0

2 шаг измерения

ЕСЛИ Ux > U_ПКН2 ‘ТО’ U_ПКН3 = U_ПКН2 + Э₃; Q₂:=1

ЕСЛИ Ux < U_ПКН2 ‘ТО’ U_ПКН3 = U_ПКН2 – Э₂ + Э₃; Q₂:=0

У прощенная функциональная схема

I такт Ux > U_ПКН1 = Э1

Uy = 0 Q1 = 1

II такт Ux > U_ПКН2 = Э1 + Э2

Ux > U_ПКН2

Uy = 1 Q2 = 0

III такт U_ПКН3 = Э1 – Э2 + Э3

Быстродействие

τ = τ_сдв.

t_пр. = τ_сдв. x n

2. МП 80486. Устройство связи с каналом. Виртуальная память, сегментная и страничная организация.

Под виртуальной памятью понимается такая автоматическая организация внутренней и внешней памяти, при которой пользователь может считать, что в его распоряжении имеется внутренняя память размером (объемом), который равен объему внешней памяти.

Виртуальная память имеет 2 организации:

• сегментную

• страничную.

При сегментной организации памяти в ней могут быть выделены области памяти произвольного размера, в которых размещаются программы и данные необходимые для выполнения конкретной задачи. В команде при этом указывается сегментный регистр и смещение, т.е. коды, позволяющие вычислить физический адрес данных. Отличается простотой и удобством для пользователя. Однако требует серьезных аппаратурных затрат.

Сегментная организация виртуальной памяти

Все данные в памяти формируются в страницы по 1024 ячейки. Обмен данными между внутренней и внешней памятью происходит только страницами. Страницы объединяются в таблицы и каталоги, которые соответственно содержат начальные адреса страниц. Преимущества страничной организации состоят в более простой аппаратной реализации. Недостатком является то, что данные не всегда кратны 1024.

Виртуальная память - такая организация оперативной и внешней памяти, при которой пользователь считает, что в его распоряжении находится только оперативная память, равная объемом внешней памяти.

Две структуры организации виртуальной памяти.

1. сегментная оперативная память разделяется на сегменты произвольного размера, в соответствие с тем, что требуется в задаче. Имеются системные сегменты, в которые помещаются начальные адреса сегментов различного, в которые помещаются различные адреса сегментов. Команде задается номер сегментного регистра и смещения.

Недостаток состоит в том, что слишком сложное аппаратное совмещение. Т.к. различные размеры сегментов.

2. страничная отличается тем, что оперативная память делится на стандартные страницы. Каждая стандартная страница = 2¹⁰ ячеек памяти = 1024, обмен данные между памятью внешней и внутренней осуществляется только страницами преимуществом является, что для подсчёта одной страницы нужен счетчик 10 разрядов.

Для того, чтобы обеспечить пампять для какой-нибудь задачи, то для этого нужно обеспечить нецелое число страниц. Могут оставаться в страницах не занятые ячейки.

Более сложная процедура вычисления физического адреса данных.

Структура вычисления физического адреса при страничной организации виртуальной памяти.

Можно организовать до 4х разных процессов.

РГ[1:4]

Плюсы: Простота аппаратного обеспечения (однообразность элементов)

2. ПНК по методу считывания.

Метод отличается тем, что для сравнения с измеряемой величиной используется (2ⁿ – 1) эталонов. Измеряемая аналоговая величина одновременно сравнивается со всеми эталонами и за один такт сравнения сразу получается двоичный код измеряемой величины.

t_пр. = τ – время одного измерения.

Достоинство:

• метод наиболее быстродейственный

Недостаток:

• сложен по количеству оборудования

Используется для небольшого количества разрядов (от 3 до 6).

Упрощенная функциональная схема 3-х разрядного ПКН

Таблица истинности шифратора

	7	6	…	2	1	Q3	Q2	Q1
0 ≤ Ux ≤ 1/8	0	0		0	0	0	0	0
1/8 ≤ Ux ≤ 2/8	0	0		0	1	0	0	1
2/8 ≤ Ux ≤ 3/8	0	0		1	1	0	1	0
7/8 ≤ Ux ≤ Uмакс	1	1		1	1	1	1	1

2. Структурная схема МП КМ1810. Особенности, основные характеристики. Устройство обработки данных.

Относится к моделям, выпущенным в СССР. Является аналогом Intel 8086. Аппаратно и программно совместим с МП КР580.

В комплект входят:

КМ1810ВМ86 – процессор,

КМ1810ВМ84 – генератор синхроимпульсов,

КМ1810ВТ88 – системный контроллер,

КМ1810ВН59 – контроллер прерываний,

КМ1810ВБ89 – арбитр системных шин.