Билет №3. Опишите классическую структуру эвм и укажите свойства каждого блока

Структура ЭВМ по Фон Нейману.

АЛУ - производит арифметические и логические преобразования над поступающими в него машинными словами, т.е. кодами определенной длины, представляющими собой числа или другой вид информации.

Память - хранит информацию, передаваемую из других устройств, в том числе поступающую извне через устройство ввода, и выдает во все другие устройства информацию, необходимую для протекания вычислительного процесса.

Устройство управления (УУ) - автоматически, без участия человека, управляет вычислительным процессом, посылая всем другим устройствам сигналы, предписывающие те или иные действия, в частности, заставляет ОП пересылать необходимые данные, включать АЛУ на выполнение необходимой операции, перемещает полученный результат в необходимую ячейку ОП.

Пульт управления - позволяет оператору вмешиваться в процесс решения задачи, т.е. давать директивы устройству управления.

Устройство ввода - позволяет ввести программу решения задачи и исходные данные в ЭВМ и поместить их в ОП. В зависимости от типа устройства ввода исходные данные для решения задачи вводятся непосредственно с клавиатуры (дисплей, пишущая машина), либо должны быть предварительно помещены на какой-либо носитель - перфокарты, перфоленты, магнитные карты, магнитные ленты, магнитные и оптические диски и т.д. В системах САПР осуществляется ввод графической информации.

Устройство вывода - служит для вывода из ЭВМ результатов обработки исходной информации. Чаще всего это символьная информация, которая выводится с помощью различного типа ПчУ или на экран дисплея. В ряде случаев это графическая информация в виде чертежей и рисунков, которые могут быть выведены с помощью графических дисплеев, графопостроителей, принтеров, плоттеров и т.д.

Билет №4. Архитектура программного обеспечения эвм

Часть свойств ЭВМ приобретает благодаря наличию в ней электрического и электромеханического оборудования, специально предназначенных для реализации этих свойств. Примером такого устройства является АЛУ. Ряд других свойств реализуется без специальных электронных блоков с помощью программных средств. При этом используются имеющиеся аппаратные средства ЭВМ, выполняющие действия, предписанные специальными программами. Следует иметь в виду, что с помощью аппаратных средств соответствующие функции ЭВМ выполняются значительно быстрее, чем программным путем, но при этом ЭВМ становится сложнее и дороже. Поэтому в малых ЭВМ с достаточно простым АЛУ стремятся как можно больше функций реализовать программным путем, а в больших ЭВМ для повышения быстродействия - по максимуму использовать аппаратные средства. Вообще же стараются как можно оптимальнее соотнести аппаратные и программные средства, чтобы при сравнительно небольших аппаратных затратах достигнуть высокой эффективности и быстродействия. Система программного (математического) обеспечения - это комплекс программных средств, в котором можно выделить операционную систему, комплект программ технического обслуживания и пакеты прикладных программ. На рис. 1.2 изображена упрощенная структура вычислительной системы как совокупности аппаратных и программных средств.

Операционная система (ОС) - это центральная и важнейшая часть программного обеспечения ЭВМ, предназначенная для эффективного управления вычислительным процессом, планирующая работу и распределение ресурсов ЭВМ, автоматизации процесса подготовки программ и организации их выполнения при различных режимах работы машины, облегчения общения оператора с машиной. ОС состоит из программ, относящихся к двум большим группам:

Управляющие программы - осуществляют управление работой устройств ЭВМ, т.е. координируют работу устройств в процессе ввода, подготовку и выполнение других программ.

Обрабатывающие программы - осуществляют работу по подготовке новых программ для ЭВМ и исходных данных для них, например, сборка отдельно транслируемых модулей в одну или несколько исполняемых программ, работы с библиотеками программ, перезаписи массивов информации между ВП и т.д. ОС в большинстве случаев являются универсальными и не учитывают особенности конкретных аппаратных средств. В современных ЭВМ для адаптации универсальной ОС к конкретным аппаратным средствам используют аппаратно-ориентированную часть операционной системы, которая в персональных компьютерах называется BIOS (Basic

Input / Output System – базовая система ввода/вывода). Следует иметь в виду, что оператор и пользователь не имеют прямого доступа к аппаратным средствам ЭВМ. Все связи осуществляются только через ОС, обеспечивающую определенный уровень общения человека и машины. А уровень общения определяется в первую очередь уровнем языка, на котором оно происходит. На схеме представлена приближенная иерархия таких языков.

Проблемно-ориентированный - это язык, строго ориентированный на какую-либо проблему (задачу моделирования сложной системы, задачу САПР и т.д.).

Процедурно-ориентированный - это язык, ориентированный на выполнение общих процедур переработки данных (Фортран, Паскаль, Бейсик и т.д.).

Машинный язык - это самый нижний уровень языка. Команды записываются в виде двоичных кодов. Адреса ячеек памяти - абсолютны. Программирование очень трудоемко.

Ассемблер- это язык более высокого уровня, использует мнемокоды (т.е. команды обозначаются буквенными сочетаниями). Запись программы ведется с использованием символических адресов, т.е. вместо численных значений адреса используются имена. За исключением первого оператора программы, который должен быть жестко привязан к физическому адресу. (Вообще более правильно говорить язык ассемблера, поскольку Ассемблер - это служебная программа, преобразующая символические имена команд и символические адреса в команды в машинном коде и числовые адреса).

Макроязык - в первом приближении его можно определить как язык процедур, написанных на языке ассемблера, т.е. когда вместо целого комплекса команд (которые часто встречаются) используется только имя (название) этого комплекса.

Язык ОС - это язык, на котором оператор может выдавать директивы ОС, вмешиваться в ход вычислительного процесса. Пакет программно-технического обслуживания предназначен для уменьшения трудоемкости эксплуатации ЭВМ. Эти программы позволяют провести тестирование работоспособности ЭВМ и ее отдельных устройств, определять места неисправностей.

Пакеты прикладных программ - представляют собой комплексы программ для решения определенных, достаточно широких классов задач (научно-технических, планово-экономических), а также для расширения функций ОС (управление базами данных, реализация режимов телеобработки данных, реального времени и др.).

Билет №5. Архитектурно – функциональные принципы построения ЭВМ.

Были разработаны и опубликованы в 1946 г. венгерским математиком и физиком Джоном фон Нейманом и его коллегами Г. Гольдстайном и А. Берксом в ставшем классическом отчете «Предварительное обсуждение логического конструирования электронного вычислительного устройства».

Основные принципы построения ЭВМ.

1.Программное управление работой ЭВМ. Программы состоят из отдельных шагов-команд; команда осуществляет единичный акт преобразования информации; последовательность команд, необходимая для реализации алгоритма, является программой; все разновидности команд, использующиеся в конкретной ЭВМ, в совокупности являются языком машины или системой команд машины.

2.Принцип условного перехода. Это возможность перехода в процессе вычислений на тот или иной участок программы в зависимости от промежуточных, полученных в ходе вычислений результатов; реализация этого принципа позволяет легко осуществлять в программе циклы с автоматическим выходом из них, итерационные процессы и т.п. Благодаря принципу условного перехода, число команд в программе получается значительно меньше, чем при использовании программы за счет многократного вхождения в работу участков программы.

3.Принцип хранимой программы. Заключается в том, что команды представляются в числовой форме и хранятся в том же ОЗУ, что и исходные данные. Команды для исполнения выбираются из ОЗУ в УУ, а числа – в АЛУ. Для ЭВМ и команда, и число являются машинным словом, и если команду направить в АЛУ в качестве операнда, то над ним можно произвести арифметические операции, изменив ее. Это открывает возможность преобразования программ в ходе их выполнения; кроме того это обеспечивает одинаковое время выборки команд и операндов из ОЗУ для выполнения, позволяет быстро менять программы и их части, вводить непрямые системы адресации, видоизменять программы по определенным правилам.

4.Принцип использования двоичной системы счисления для представления информации в ЭВМ. Это существенно упрощает техническую конструкцию ЭВМ.

5.Принцип иерархичности ЗУ. Это компромисс между емкостью и временем доступа к данным для обеспечения относительной дешевизны. Эти принципы фон Неймана относятся к фундаментальным положениям, определившим на многие годы развитие вычислительной техники и кибернетики.

Билет №6. Основные характеристики вычислительных машин и систем.

Общетехническими показателями ВМ и ВС являются стоимость, производительность и надежность.

1. Операционные ресурсы – это перечень действий (операций), которые может делать (выполнять) аппаратура ВК в плане обработки информации (исходных данных). В этот перечень прежде всего включается система машинных операций, система машинных команд. В понятие операционные ресурсы включаются также способы представления информации в ЭВМ, способы представления чисел, текстов, логических значений. Чем шире перечень действий, чем шире многообразие способов представления данных – тем шире операционные ресурсы ЭВМ и, следовательно, возможности ВК в плане обработки информации.

Разрядность — это максимальное количество разрядов двоичного числа, над которым одновременно может выполняться машинная операция, в том числе и операция передачи информации; чем больше разрядность, тем, при прочих равных условиях, будет больше и производительность ПК.

Разрядность МП определяется иногда по разрядности его регистров и кодовой шины данных, а иногда по разрядности кодовых шин адреса.

2. Производительность ВМ и систем (производительность, быстродействие, тактовая частота)

Производительность определяется количеством вычислительной работы, выполняемой за единицу времени. Поскольку нет единой меры (единиц) для измерения вычислительной работы, отсутствует общепринятая методика оценки производительности

3. Емкость памяти – очевидная техническая характеристика, которая характеризует вместимость хранилища программ и данных ВК.

• Тип и емкость оперативной памяти. Увеличение емкости основной памяти в 2 раза, помимо всего прочего, увеличивает эффективную производительность компьютера при решении сложных задач (когда ощущается дефицит памяти) примерно в 1,41 раза (закон корня квадратного).

• Тип и емкость накопителей.

• Наличие, виды и емкость кэш-памяти. Кэш-память — это буферная, недоступная для пользователя быстродействующая память, автоматически используемая компьютером для ускорения операций с информацией, хранящейся в более медленно действующих запоминающих устройствах. Например, для ускорения операций с основной памятью организуется регистровая кэш-память внутри микропроцессора (кэш-память первого уровня) или вне микропроцессора на материнской плате (кэш-память второго уровня); для ускорения операций с дисковой памятью организуется кэш-память на ячейках электронной памяти.

4. Надежность ВК – это свойство ВК выполнять возложенные на него функции в течение заданного отрезка времени. Отказы аппаратуры – случайные события, частоту которых принято характеризовать интенсивностью отказов λ, т.е. количеством отказов в единицу времени. Другая характеристика надежности – т. н. наработка на отказ: T=1/λ - это промежуток времени между двумя соседними (по времени) отказами. Общий подход увеличения надежности ВК – резервирование аппаратуры, например, дублирование.

5. Стоимость и цена аппаратного обеспечения

Стоимость ВК – интегральная характеристика, определяется всеми перечисленными характеристиками. Стоимость определяется большим числом факторов, точный учет которых весьма затруднителен. Существенно, что все эти факторы (элементная база, технология изготовления печатных плат, технология и инструментальные средства проектирования) находятся в состоянии непрерывного развития. Соответственно абсолютные значения отдельных составляющих стоимости также динамично изменяются. Но с учетом взаимного влияния рассматриваемых факторов в ходе технического прогресса относительные показатели (доли отдельных составляющих) весьма устойчивы. Они и используются для оценок. Стоимость определяет часть цены. При определении цены учитываются дополнительно затраты на научно-исследовательские работы (НИР), маркетинг, отчисления на прибыль:

Цена = <стоимость элементов> + <стоимость изготовления> + <главная надбавка> + <неучтенные расходы>.

Главная надбавка учитывает стоимость НИР, маркетинга, прибыль. При установившемся производстве ВМ и стабильной экономике относительные доли приведенных составляющих цены достаточно устойчивы, но отличаются для разных классов ВМ (табл. 3.1).