Экзамен / Вопросы для зачета по Теоретическим основам oc / tooc-zachet / vopros 1-7

Архитектура персональных ЭВМ.Персональные компьютеры подразделяются на настольные, портативные и карманные. Все персональные компьютеры - это микро-ЭВМ, в которых имеется экран, процессор, клавиатура и долговременная память для хранения данных и программ.

Портативные компьютеры - это переносные компьютеры, имеющие форму портфеля или карманного устройства. Карманные компьютеры - это мобильные компьютеры, сопряженные с мобильными карманными телефонами.

Настольные ЭВМ – это персональные компьютеры, которые могут быть установлены на любом рабочем столе. Наибольшее распространение получили персональные компьютеры модели IBM PC.

В состав настольных ЭВМ входят дисплей, клавиатура и системный блок. В системном блоке находятся процессор, долговременная и оперативная память, в также устройства ввода-вывода информации на компакт-дисках.

Дисплей – это устройство отображения информации на электронном экране. Дисплеи в персональных компьютерах могут быть цветными и черно-белыми. Информация на дисплеях отображается как в телевизоре путем развертки.

В карманных компьютерах для указания объектов на экране дисплея используется “перо”, в портативных компьютерах - “панелька”, встроенная под клавиатуру, а для настольных компьютеров используются “мышки”, которые перемещаются по столу.

Клавиатура содержит клавиши латинского и русского алфавита. На клавиатуре имеются цифры и специальные знаки. Нажимая на клавиши, можно вводить числа, слова, фразы и команды управления ЭВМ.

Возможности ЭВМ зависят не только от их производительности, и от подключенных устройств ввода, вывода и накопления информации, а также от модели установленных пакетов программ и операционной системы.

Для долговременного хранения информации в ЭВМ используются магнитные диски – жесткие и гибкие. Информация на магнитных дисках хранится после ыключения ЭВМ до следующих сеансов работы.

Жесткие магнитные диски – это устройства для хранения файлов, программ и баз данных в ЭВМ. В современных ЭВМ жесткие диски используются для размещения и эксплуатации операционных систем и пакетов прикладных программ.

Объем памяти на жестких дисках в современных ЭВМ имеет диапазон от нескольких мегабайт до нескольких гигабайт. В компьютерах новых поколений объем памяти на жестких магнитных дисках будет составлять десятки и сотни гигабайт.

Гибкие диски – это сменные носители информации, на которых программы и данные можно хранить отдельно от ЭВМ. Гибкие диски используются для переноса программ и данных между компьютерами.

Объем памяти на гибких магнитных дисках обычно составляет от 360 Кбайт до 1,4 Мбайт. Для переноса, хранения и установки больших пакетов программ в современных персональных ЭВМ все чаще используются компакт-диски.

Компакт-диски - это оптические диски с голографической записью информации. Объем памяти на компакт-дисках составляет до 780 Мбайт, равной объему порядка 500 гибких дисков.

Для работы с Интернет в ЭВМ должен быть модем, подключаемый к телефонной сети или выделенному каналу связи. Встроенные модемы находятся внутри корпуса ЭВМ. Внешние модемы подключаются к ЭВМ в виде отдельного блока.

Классификация вычислительных системОдним из наиболее распространенных способов классификации ЭВМ является систематика Флинна (Flynn), в рамках которой основное внимание при анализе архитектуры вычислительных систем уделяется способам взаимодействия последовательностей (потоков) выполняемых команд и обрабатываемых данных. В результате такого подхода различают следующие основные типы систем:SISD (Single Instruction, Single Data) – системы, в которых существует одиночный поток команд и одиночный поток данных; к данному типу систем можно отнести обычные последовательные ЭВМ; SIMD (Single Instruction, Multiple Data) – системы c одиночным потоком команд и множественным потоком данных; подобный класс составляют многопроцессорные вычислительные системы, в которых в каждый момент времени может выполняться одна и та же команда для обработки нескольких информационных элементов; подобной архитектурой обладают, например, многопроцессорные системы с единым устройством управления; данный подход широко использовался в предшествующие годы (системы ILLIAC IV или CM-1 компании Thinking Machines), в последнее время его применение ограничено, в основном, созданием специализированных систем; MISD (Multiple Instruction, Single Data) – системы, в которых существует множественный поток команд и одиночный поток данных; относительно данного типа систем нет единого мнения – ряд специалистов говорят, что примеров конкретных ЭВМ, соответствующих данному типу вычислительных систем, не существует, и введение подобного класса предпринимается для полноты системы классификации; другие же относят к данному типу, например, систолические вычислительные системы (см. Kung (1982), Kumar et al. (1994)) или системы с конвейерной обработкой данных;

MIMD (Multiple Instruction, Multiple Data) – системы c множественным потоком команд и множественным потоком данных; к подобному классу систем относится большинство параллельных многопроцессорных вычислительных систем.

Фон-неймановская архитектура Большинство современных ВМ по своей структуре отвечают принципу программного управления. Типичная фон-неймановская ВМ содержит: память/ устройство управления/арифметико-логическое устройство/ устройство ввода/вывода.

В любой ВМ имеются средства для ввода программ и данных к ним. Информация поступает из подсоединенных к ЭВМ периферийных устройств (ПУ) ввода. Результаты вычислений выводятся на периферийные устройства вывода.Связь и взаимодействие ВМ и ПУ обеспечивают порты ввода и порты вывода. Порт – это аппаратура сопряжения периферийного устройства с ВМ и управления им. Совокупность портов ввода и вывода - называют устройством ввода/вывода (УВВ) или модулем ввода/вывода (МВВ). Введенная информация сначала запоминается в основной памяти, а затем переносится во вторичную память для длительного хранения. Чтобы программа могла выполняться, команды и данные должны располагаться в основной памяти (ОП). Память организована так: Каждое двоичное слово хранится в отдельной ячейке, которая идентифицируется адресом. Две соседние ячейки имеют следующие по порядку адреса. Доступ к любым ячейкам запоминающего устройства (ЗУ) основной памяти (ОП) может производиться в произвольной последовательности. Такой вид памяти известен как память с произвольным доступом. ОП современных ВМ в основном состоит из полупроводниковых оперативных запоминающих устройств (ОЗУ), которые обеспечивают считывание и запись информации. Для таких ЗУ характерна энергозависимость – при отключении электропитания хранимая информация теряется. Для энергонезависимости памяти в состав ОП включают постоянные запоминающие устройства (ПЗУ), также обеспечивающие произвольный доступ. Информация из ПЗУ может только считываться. Размер ячейки ОП обычно принимается равным 8 двоичным разрядам – байту. Для хранения больших чисел используются 2, 4 или 8 байтов, размещаемых в соседних ячейках с последующими адресами. Например, 32-разрядное число – 200, 201, 202 и 203 адреса. За адрес числа принимают адрес его младшего байта – метод «остроконечников» (адрес числа – 200); характерен для микропроцессоров фирмы Intel, мини-ЭВМ фирмы DEC. старшего байта – метод «тупоконечников»; характерен для микропроцессоров фирмы Motorola универсальных ЭВМ фирмы IBM. В принципе выбор адресации существенен лишь при пересылке данных между ВМ с различными формами адресации или при манипуляции с отдельными байтами числа. В большинстве ВМ предусмотрены специальные инструкции для перехода от одного способа к другому. Для долговременного хранения больших программ в ВМ обычно имеется дополнительная память, известная как вторичная. Она энергонезависима и чаще всего реализуется на базе магнитных дисков.

Информация хранится в виде специальных программно поддерживаемых объектов – файлов. Согласно стандарту ISO.Файл – это идентифицированная совокупность экземпляров полностью описанного в конкретной программе типа данных, находящихся вне программы во внешней памяти и доступных программе посредством специальных операций. АЛУ – обеспечивает арифметическую и логическую обработку двух переменных, в результате которых формируется выходная переменная. Функции АЛУ обычно сводятся к простым арифметическим и логическим операциям и операциям сдвига. Также формирует ряд признаков результата (флагов), характеризующих полученный результат и события, произошедшие в результате его получения (равенство нулю, знак, четность, переполнение

Архитектура вычислительных систем Большое разнообразие структур ВС затрудняет их изучение. Поэтому их классифицируют с учетом их обобщенных характеристик. С этой целью вводится понятие архитектура системы. Архитектура ВС - совокупность характеристик и параметров, определяющих функционально-логическую и структурную организацию системы. Понятие архитектуры охватывает общие принципы построения и функционирования, наиболее существенные для пользователей, которых больше интересуют возможности систем, а не детали их технического исполнения. Поскольку ВС появились как параллельные системы, то и рассмотрим классификацию архитектур под этой точкой зрения. Эта классификация архитектур была предложена Флинном (M. Flynn) в начале 60-х гг. В ее основу заложено два возможных вида параллелизма: независимость потоков заданий (команд), существующих в системе, и независимость (несвязанность) данных, обрабатываемых в каждом потоке. Классификация до настоящего времени еще не потеряла своего значения. Однако подчеркнем, что, как и любая классификация, она носит временный и условный характер. Своим долголетием она обязана тому, что оказалась справедливой для ВС, в которых ЭВМ и процессоры реализуют программные последовательные методы вычислений. С появлением систем, ориентированных на потоки данных и использующих ассоциативную обработку, классификация может быть некорректной. Согласно данной классификации существуют четыре основные архитектуры ВС: 1) одиночный поток команд - одиночный поток данных (ОКОД), в английской аббревиатуре Single Instruction Single Data (SISD), - одиночный поток инструкций - одиночный поток данных; 2) одиночный поток команд - множественный поток данных (ОКМД), или Single Instruction Multiple Data (SIMD), - одиночный поток инструкций -множественный поток данных; 3)множественный поток команд - одиночный поток данных (МКОД), или Multiple Instruction Single Data (MISD), - множественный поток инструкций - одиночный поток данных; 4)множественный поток команд - множественный поток данных (МКМД), или Multiple histruction Multiple Data (MIMD), - множественный поток инструкций - множественный поток данных.

Центральный процессор - это центральное устройство компьютера, которое выполняет операции по обработке данных и управляет периферийными устройствами компьютера. У компьютеров четвёртого поколения и старше функции центрального процессора выполняет микропроцессор на основе СБИС, содержащей несколько миллионов элементов, конструктивно созданный на полупроводниковом кристалле путём применения сложной микроэлектронной технологии. В состав центрального процессора входят: устройство управления (УУ); арифметико-логическое устройство (АЛУ); запоминающее устройство (ЗУ) на основе регистров процессорной памяти и кэш-памяти процессора;

генератор тактовой частоты (ГТЧ). Устройство управления организует процесс выполнения программ и координирует взаимодействие всех устройств ЭВМ во время её работы.

Стек (англ. stack — стопка) — структура данных с методом доступа к элементам LIFO (англ. Last In — First Out, «последним пришел — первым вышел»). Чаще всего принцип работы стека сравнивают со стопкой тарелок: чтобы взять вторую сверху, нужно взять верхнюю. Добавление элемента, называемое также проталкиванием (push), возможно только в вершину стека (добавленный элемент становится первым сверху), выталкивание (pop) — также только из вершины стека, при этом второй сверху элемент становится верхним. Стеки широко применяются в вычислительной технике — в частности, для отслеживания точек возврата из подпрограмм используется стек вызовов, который является неотъемлемой частью архитектуры большинства современных процессоров. Языки программирования высокого уровня также используют стек вызовов для передачи параметров при вызове процедур. Арифметические сопроцессоры, программируемые микрокалькуляторы и язык Forth используют стековую модель вычислений.

Размещение кода программы,ее данных и стека.

Операторы языка Assembler

Команды пересылки данных (mov, lea и т. д.)

Арифметичекие команды (add, sub, imul и т. д.)

Логические и побитовые операции (or, and, xor, shr и т. д.)

Команды управления ходом выполнения программы (jmp, loop, ret и т. д.)

Команды вызова прерываний (иногда относят к командам управления): int, into

Команды ввода/вывода в порты (in, out)

Для микроконтроллеров и микрокомпьютеров характерны также команды, выполняющие проверку и переход по условию, например:

cbne — перейти, если не равно

dbnz — декрементировать, и если результат ненулевой, то перейти

cfsneq — сравнить, и если не равно, пропустить следующую команду