Экзаменационные вопросы по курсу Архитектура эвм и систем
Понятие архитектуры ЭВМ. Принципы фон Неймана.
Гарвардская архитектура ЭВМ и архитектура фон Неймана.
Основные характеристики ЭВМ. Классификация ЭВМ.
Физические основы ЭВМ: понятие транзистора, электронные логические вентили.
Схемная реализация элементарных логических операций - инвертор.
Схемная реализация элементарных логических операций - элемент ИЛИ-НЕ.
Триггеры: понятие, способы реализации.
Функциональная структура компьютера и основные концепции функционирования ЭВМ.
Процессор: определение, классификация.
Функциональная и структурная организация процессора intel 8086.
Концепция функционирования процессора, процесс выполнения команд.
Организация тракта данных внутри процессора с одной шиной.
Организация пересылки данных между регистрами в процессоре.
Организация процесса выборки слова из памяти процессором и записи в память.
Память ЭВМ: иерархия памяти, классификация типов памяти.
Память ЭВМ: операции доступа к памяти.
Архитектура Intel IA-32.
Система команд микропроцессора на примере Intel IA-32.
Режимы адресации памяти в архитектуре Intel IA-32.
Организация ветвлений и циклов на языке ассемблера Intel IA-32.
Организация памяти ЭВМ, кэширование.
Кэширование. Прямое и ассоциативное отображение.
Кэширование. Множественно-ассоциативное отображение.
Кэширование. Алгоритмы замещения.
Организация памяти ЭВМ, виртуальная память.
Виртуальная память, преобразование адресов.
Прерывания. Источники прерываний, средства управления прерываниями.
Прерывания. Векторы прерываний, приоритеты прерываний, маскирование прерываний.
Прямой доступ к памяти.
Суперскалярная обработка команд.
Сегментация памяти для семейства процессоров IA-32. Реальный и защищенный режим.
Конвейерная обработка команд.
Основы мультитредовой архитектуры.
Способы оценки производительности процессоров.
Большие компьютерные системы: параллельная обработка.
Большие компьютерные системы: архитектура многопроцессорных систем.
Ответы:
1.
Используя аналогию с градостроительством, естественно понимать под архитектурой ЭВМ ту совокупность их характеристик, которая необходима пользователю. Это, прежде всего, основные устройства и блоки ЭВМ, а также структура связей между ними. И действительно, если заглянуть, например, в "Толковый словарь по вычислительным системам", мы прочтем там, что термин "архитектура ЭВМ ... используется для описания принципа действия, конфигурации и взаимного соединения основных логических узлов ЭВМ (вследствие чего термин "архитектура" оказывается ближе к обыденному значению этого слова)."
Именно то общее, что есть в строении ЭВМ, и относят к понятию архитектуры.
Важно отметить, что целью такой общности в конечном счете служит вполне понятное стремление: все машины одного семейства независимо от их конкретного устройства и фирмы-производителя должны быть способны выполнять одну и ту же программу (на практике из-за постоянного роста вычислительной мощности техники чаще используется менее жесткий принцип совместимости снизу вверх: все программы данной модели выполнимы на более старших, но не обязательно наоборот.
Отсюда неизбежно следует вывод, что с точки зрения архитектуры важны не все сведения о построении ЭВМ, а только те, которые могут как-то использоваться при программировании и "пользовательской" работе с ЭВМ. Равно как максимально подробная архитектура города не нуждается в описании марок кирпичей, из которых построены дома, и растворов, которыми эти кирпичи скреплены, так и архитектура ЭВМ не содержит описания электронных схем, других деталей реализации, "невидимых"для пользователя (например, внутренний ускоритель доступа к памяти).
Ниже - основной перечень тех наиболее общих принципов построения ЭВМ, которые относятся к архитектуре:
структура памяти ЭВМ;
способы доступа к памяти и внешним устройствам;
возможность изменения конфигурации компьютера;
система команд;
форматы данных;
организация интерфейса.
Суммируя все вышеизложенное, получаем следующее определение архитектуры: архитектура - это наиболее общие принципы построения ЭВМ,реализующие программное управление работой и взаимодействием основных ее функциональных узлов.
1.1
Использование двоичной системы счисления в вычислительных машинах. Преимущество перед десятичной системой счисления заключается в том, что устройства можно делать достаточно простыми, арифметические и логические операции в двоичной системе счисления также выполняются достаточно просто.
Программное управление ЭВМ. Работа ЭВМ контролируется программой, состоящей из набора команд. Команды выполняются последовательно друг за другом. Созданием машины с хранимой в памяти программой было положено начало тому, что мы сегодня называем программированием.
Память компьютера используется не только для хранения данных, но и программ. При этом и команды программы и данные кодируются в двоичной системе счисления, т.е. их способ записи одинаков. Поэтому в определенных ситуациях над командами можно выполнять те же действия, что и над данными.
Ячейки памяти ЭВМ имеют адреса, которые последовательно пронумерованы. В любой момент можно обратиться к любой ячейке памяти по ее адресу. Этот принцип открыл возможность использовать переменные в программировании.
Возможность условного перехода в процессе выполнения программы. Не смотря на то, что команды выполняются последовательно, в программах можно реализовать возможность перехода к любому участку кода.
Самым главным следствием этих принципов можно назвать то, что теперь программа уже не была постоянной частью машины (как например, у калькулятора). Программу стало возможно легко изменить. А вот аппаратура, конечно же, остается неизменной, и очень простой.
2.
Гарвардская архитектура (реализована в 1944 г. в ЭВМ Гарвардского университета) соответствует структуре с разделенными устройствами памяти команд и данных и отдельными шинами команд и данных.
В первое послевоенное десятилетие в Гарвардском университете было создано несколько компьютеров семейства "Марк", в которых память программ была полностью отделена от памяти данных (программа считывалась с бумажной перфоленты). Такая концепция была более эффективной, чем фон-неймановская (принстонская) архитектура, поскольку код программы мог считываться из памяти программ одновременно с обменом между ЦПУ и памятью данных или с операциями ввода/вывода. Однако такие машины были намного сложнее и дороже в изготовлении. А с учетом уровня технического развития 40 - 50-х годов, высоких экономических затрат, они не получили широкого распространения. Однако с развитием больших интегральных схем и технологии гарвардская архитектура снова оказалась в центре внимания.
Фон Неймановская (принстонская) архитектура(предложена Джо фон Нейманом в 1945 г.) предполагает, что программа и данные находятся в общей памяти, доступ к которой производится по одной шине данных и команд. Основным достижением группы инженеров, работавших с Джоном фон Нейманом, было осознание того факта, что программа может храниться в памяти вместе с данными. Основным преимуществом такого подхода является его гибкость, так как для изменения программы достаточно просто загрузить новый код в соответствующую область памяти. По существу, фон-неймановская архитектура, показанная на рис., состоит из центрального процессора (ЦПУ), памяти и общей шины (магистрали), по которой в обоих направлениях пересылаются данные. ЦПУ также должен взаимодействовать и с окружающим миром. При этом данные к/от соответствующих интерфейсных портов передаются по одной общей шине данных.
Огромным преимуществом фон-неймановской архитектуры является ее простота, поэтому данная концепция легла в основу большинства компьютеров общего назначения. Однако использование общей шины означает, что в любой момент времени может выполняться только одна операция. Соответственно, пересылка данных между ЦПУ и памятью данных не может осуществляться одновременно с выборкой команды. Эта особенность называется фон-неймановским узким местом.
Различают два основных типа архитектуры МП – фон Неймановскую (принстонскую) и гарвардскую.
3.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 ComparativeMicroprocessor Performance). При его определении учитываются четыре главных аспекта производительности: работа с целыми числами, с плавающей запятой, графикой и видео. Данные имеют 16- и 32-разрядной 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 133-1000.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) 2382/14-78).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 (стандартISO - 2382/2-76).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 аппаратурно-программными 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.
3.1
ЭВМ любого типа можно оценить, классифицировать с помощью их технических характеристик. Основными характеристиками ЭВМ являются: операционные ресурсы, емкость памяти, быстродействие, надежность, стоимость. Операционные ресурсы ЭВМ характеризуют множества реализуемых в ней операций, формы представления данных, их форматы, а также используемые способы адресации данных в памяти. Чем шире операционные ресурсы, тем больше аппаратных затрат при построении ЭВМ. Емкость памяти ЭВМ определяет общее количество ячеек памяти для хранения информации. Основной единицей хранения является байт (8 двоичных разрядов -бит), каждый из которых имеет свой номер (адрес). Емкость памяти измеряется в байтах, килобайтах (Кб), мегабайтах (Мб). Быстродействие ЭВМ определяет число коротких операций типа сложения, выполняемых за 1 сек. Для более объективной оценки быстродействия ЭВМ при решении различных классов (научно-технических, экономических и т.п.) используютпроизводительность ЭВМ. Производительность оценивается статистически и определяет среднее число задач определенного класса, решаемых на конкретной ЭВМ за единицу времени (час, сутки). Надежность ЭВМ характеризует свойство ЭВМ выполнять свои функции в течение заданного времени без ошибок. В качестве показателя надежности обычно используется среднее время работы между двумя отказами в часах, которое определяется статистическим путем. Стоимость ЭВМ определяет суммарные затраты на приобретение аппаратных и программных средств ЭВМ, а также на их эксплуатацию за определенный период времени (обычно за год). Многообразие свойств и характеристик порождает и многообразие классификаций ЭВМ, отличающихся разными признаками. Часто в качестве основного признака используют размеры системы.
По этому признаку различают: сверхбольшие(суперЭВМ), большие, малые (мини-ЭВМ) микро- ЭВМ. Однако бурное развитие технологии и успехи в разработке программных средств ЭВМ приводят к сглаживанию различий между этими классами ЭВМ. Поэтому наиболее существенным признаком классификации ЭВМ является область их применения.
По этому признаку различают: ЭВМ общего назначения, проблемно-ориентированные ЭВМ специализированные ЭВМ.