Ответы на экзамен
.odt1. Архитектура ЭВМ — абстрактное представление ЭВМ, которое отражает ее структурную, схемотехническую и логическую организацию.
Архитектура ЭВМ включает в себя:
1) структурная схема ЭВМ;
2) средства и способы доступа к элементам структурной схемы;
3) организация и разрядность интерфейсов в ЭВМ;
4) набор и доступность регистров;
5) организация и способы адресации памяти;
6) способы представления и форматы данных ЭВМ;
7) набор машинных команд;
8) форматы машинных команд;
9) обработка нештатных ситуаций;
10) топология связи отдельных устройств и модулей.
2. Принстонская архитектура (Архитектура фон Неймана ) разработана в Принстонском университете и предполагает единую память для хранения команд и данных. Гарвардская архитектура в свою очередь характеризуется раздельными блоками памяти для данных и команд, что обеспечивает более высокую производительность за счет одновременного доступа
3.Назовите особенности конвейерной и матричной обработки данных.
Конвейерная обработка: данные обрабатываются поэтапно, где каждую операцию выполняет специализированный блок. Это позволяет выполнять обработку параллельно, повышая производительность
Матричная обработка: используется в процессорах с архитектурой SIMD. Такие системы обрабатывают массивы данных с использованием параллельных вычислений, характерных для матричных процессоров
4.Особенности иерархии:
Уровни отличаются емкостью, скоростью и стоимостью. Чем выше уровень, тем он быстрее и дороже.
Принцип локальности: большинство обращений идет к верхним уровням(Организация памяти ЭВМ).
Уровни памяти:
СОЗУ (сверхоперативное ЗУ): минимальная емкость, максимальная скорость.
Кэш-память: разделена на уровни (L1, L2 и т. д.), обеспечивает быструю выборку данных.
Оперативная память (ОЗУ): используется для хранения текущих данных и программ.
Внешняя память (жесткие диски, SSD): большие объемы данных, низкая скорость доступа.
Долговременное хранение: архивные устройства, такие как магнитные ленты
5.1)Последовательный доступ: данные считываются по порядку. Применяется в устройствах на магнитных лентах.
2)Прямой доступ: данные хранятся блоками с уникальными адресами, используется в жестких дисках.
3)Произвольный доступ: возможен доступ к любой ячейке памяти за одинаковое время (характерно для ОЗУ).
4)Ассоциативный доступ: поиск данных по содержимому, используется в кэш-памяти
6. В стековой памяти информация записывается и считывается по принципу «последним записан — первым считан» (LIFO - Last In First Out). Считывание кодов из стека осуществляется в обратном порядке. Произвольный доступ невозможен.
7. Кэш-память предназначена для ускорения доступа к часто используемым данным. Она бывает разделена на уровни (L1, L2, L3) и характеризуется меньшей емкостью, но большей скоростью по сравнению с оперативной памятью
8. При записи в кэш-память существует несколько методов замещения старой информации, которые определяются стратегией обновления основной памяти.
• Если возникает ситуация, когда, несмотря на выборку из ОП необходимого блока, в кэшпамяти нет места для его размещения. В этом случае необходимо выбрать одну из кэш-строк и заменить ее новым блоком. Способ определения удаляемой кэш-строки называется стратегией замещения.
Типы замещения(обновления) КЭША:
- Наиболее эффективным является алгоритм замещения на основе наиболее давнего использования (LRU - Least Recently Used)
- Алгоритм, работающий по принципу «первый вошел, первый вышел» (FIFO - First In First Out)
- Замена наименее часто использовавшейся строки ( LFU Least Frequently Used).
- Простейший алгоритм - произвольный выбор строки для замены. Замещаемая строка выбирается случайным образом.
9. Если результат обновления блоков кэш-памяти не возвращать в основную память, то нарушается когерентность памяти.
Чтобы избежать этого, предусмотрены методы обновления ОП(основной памяти):
– методы сквозной записи (write through) информация записывается одновременно в кэш-строку и в блок основной памяти.
– методы обратной записи (write back) информация записывается только в кэш-строку. Модифицированная кэш-строка записывается в основную память, только когда она замещается на другой блок ОП.
10. Виртуальная ОП — это память, границы которой определяются допустимым адресным пространством. Объем виртуальной памяти может значительно превышать объем реальной ОП.
• Суть ее заключается в том, что программам предоставляется виртуальное пространство оперативной памяти, по размерам превышающее объем физически установленной оперативной памяти. Это виртуальное пространство разбито на страницы фиксированного размера, а в физической оперативной памяти в каждый момент времени присутствует только часть из них.
11. Обмен данными между быстродействующей и медленнодействующей памятью должен осуществляться в соответствии с алгоритмом доступа к каждому ЗУ и является большой нагрузкой при программировании.
Под виртуализацией понимается метод автоматического управления иерархической памятью таким образом, что программисту кажется, что существует одна быстродействующая память большой емкости.
12. Среди систем виртуальной памяти можно выделить три класса(третий нахуй не нужон,спросили только про два):
– системы с фиксированным размером блоков (страничная организация)
– системы с переменным размером блоков (сегментная организация).
РАЗЛИЧИЯ
Сегмент: переменная длина, используется для логического разделения данных.(логическая единица)
Страница: фиксированный размер, упрощает управление памятью.(физическая единица)
13.
Процессор для упрощения можно рассматривать состоящим из двух устройств – операционного (ОУ) и управляющего (УУ) (ОУ – выполняет указанные элементарные операции; УУ – управляет ОУ, задавая необходимую последовательность выполнения этих операций). В качестве узлов УУ и ОУ включают в себя регистры, счетчики, сумматоры, мультиплексоры, дешифраторы и т.д.
ОУ включает в себя набор функциональных узлов: счетчики, регистры, сумматоры и т.д. Количество этих узлов в ЭВМ или отдельных ее устройствах конечно, и каждый из них может выполнять конечное число различных действий, управление которыми осуществляется по сигналу, поступающему из УУ. Таким образом, УУ управляет конечным числом блоков ЭВМ и вырабатывает конечные последовательности управляющих сигналов, а значит, имеет конечное число внутренних состояний, входных и выходных сигналов.
14. Командой называют записанную в некотором алфавите совокупность всех сведений, необходимых для выполнения некоторых операции в машине.
Структурой команды понимают перечень сведений (элементов команды), необходимых для выполнения операций.
• Форматом команды называют распределение отдельных элементов команды по символам слова, изображающего команду.
• Система команд - совокупность всех выполняемых машиной команд, отличающихся друг от друга операционной частью и/или форматом адресной части
15. Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет операции преобразования данных, такие как арифметические вычисления, логические операции, операции сдвига и сравнения. Это основной блок обработки данных в процессоре
Отличия:
Регистровое АЛУ: использует регистры для хранения операндов и результатов.
Аккумуляторное АЛУ: все операции выполняются с участием аккумулятора — специального регистра, используемого для промежуточных вычислений
16. Устройства Управления (УУ) управляют конечным числом блоков ЭВМ, вырабатывают конечные последовательности управляющих сигналов, а значит, имеют конечное число внутренних состояний, входных и выходных сигналов.
Функции устройства управления (УУ):
Формирование адреса следующей команды.
Выборка команды из памяти.
Декодирование команды.
Управление выборкой операндов.
Запуск АЛУ на выполнение операции.
Запись результата в память
Существуют два основных варианта определения адреса очередной команды.
– Принудительному порядку следования команд (ППСК) - в выполняемой команде в явном виде указывается адрес очередной команды.
– Естественным порядком следования команд (ЕПСК) - адрес очередной команды явно не указывается, а получается из адреса выполняемой команды посредством добавления к нему величины, равной числу слов, занимаемых выполняемой командой.
17. Основные причины, которые обусловливают целесообразность задания в адресном поле команды исходных адресов, отличных от исполнительных, следующие:
– необходимость получения возможно меньшей разрядности адресного поля команды при адресации оперативной памяти большой емкости;
– требование удобства адресации элементов массивов данных в циклических программах, которые в каждом новом цикле обрабатывают новый элемент массива;
– необходимость обеспечения возможности написания программ, которые могут загружаться в любое свободное место оперативной памяти, т.е. перемещаемых программ, не зависящих от абсолютных адресов памяти.
18. 1)Прямая адресация: исполнительный адрес совпадает с указанным в команде. Проста в реализации, но требует большой разрядности адресного поля.
2)Непосредственная адресация: в команде хранится сам операнд. Используется для работы с константами.
3)Регистровая адресация: обращение к операндам в регистрах, что ускоряет доступ и уменьшает объем обращений к памяти
19. Регистр флагов: хранит информацию о текущем состоянии процессора и результатов выполнения операций. Примеры флагов процессора Intel 8086:
ZF (Zero Flag): устанавливается, если результат операции равен нулю.
SF (Sign Flag): отражает знак результата (1 — отрицательный).
OF (Overflow Flag): сигнализирует о переполнении.
CF (Carry Flag): устанавливается при переносе/заеме бита
20. Две основные функции МВВ:
– обеспечение интерфейса с ЦП и памятью ("большой” интерфейс) -включает контроль за процессом передачи данных между устройствами.
– обеспечение интерфейса с одним или несколькими периферийными устройствами ("малый "интерфейс).-преобразование данных в необходимый формат для устройств ввода-вывода
21.В ВМ находят применение три способа организации ввода/вывода:
–программно-управляемый ввод/вывод;
Недостатки:
– неэффективное использование процессора из-за ожидания готовности очередной порции информации;
– пересылка даже одного слова требует выполнения нескольких команд;
– ЦП должен тратить время на анализ битов состояния МВВ, запись в МВВ битов управления;
– чтение или запись данных со скоростью, определяемой ВУ.
Достоинства:
– простота МВВ, поскольку основные функции по управлению В/ВЫВ берет на себя ЦП;
– при одновременной работе с несколькими ВУ приоритет устройств легко изменить программными средствами;
– подключение к СВВ новых внешних устройств или отключение ранее подключенных реализуется без особых сложностей.
–ввод/вывод по прерываниям;
Достоинства:
– эффективнее программно-управляемого В/ВЫВ, поскольку устраняет ненужные ожидания
Недостатки:
– обработка прерывания занимает достаточно много времени ЦП;
– каждое слово, пересылаемое из памяти в модуль В/ВЫВ или в противоположном направлении, как и при программно-управляемом В/ВЫВ, проходит через ЦП.
–прямой доступ к памяти
Достоинства:
– Высокая скорость
Недостатки:
– Необходимость в доп оборудовании
22. Прерывание - это прекращение выполнения текущей команды или текущей последовательности команд для обработки некоторого события специальной программой - обработчиком прерывания, с последующим возвратом к выполнению прерванной программы
Прерывания делятся на:
– Аппаратные - прерывания используются для организации взаимодействия с внешними устройствами. Запросы аппаратных прерываний поступают на специальные входы микропроцессора.
– Программные – внутренние прерывания в МП. Они вызываются следующими ситуациями:
возможны три основных метода:
– множественные линии прерывания (радиальные) - наиболее простой подход к решению проблемы определения источника запроса, но выделение слишком большого количества управляющих линий для этих целей нерационально;
– программная идентификация - обнаружив запрос прерывания, ЦП переходит к общей программе обработки прерывания, задачей которой является опрос всех МВВ с целью определения источника запроса. Недостаток метода заключается в больших временных потерях.;
– векторное прерывание - В этом случае, получив подтверждение прерывания от процессора, выставившее запрос ВУ выдает на шину данных специальное слово, называемое вектором прерывания. Слово содержит либо адрес МВВ, либо другой уникальный идентификатор, который ЦП интерпретирует как указатель на соответствующую программу обработки прерывания. Это устраняет необходимость в предварительных действиях с целью определения источника запроса прерывания.
23. Функции контроллера прерываний:
– восприятие и фиксация запросов прерываний от внешних устройств;
– определение незамаскированных запросов среди поступивших запросов;
– проведение арбитража: выделение наиболее приоритетного запроса из незамаскированных запросов
– сравнение приоритета выделенного запроса с приоритетом запроса
– передача в МП по шине данных типа прерывания, выбранного в процессе арбитража
24. Прямой доступ к памяти (DMA): организуется для ускорения обмена данными между памятью и устройствами ввода-вывода без участия процессора. Применяется в высокоскоростных устройствах, таких как диски или сети
25. Эффективность ПДП зависит от реализации распределения системной шины между ЦП и КПДП в процессе пересылки блока:
– Блочная пересылка- КПДП полностью захватывает системную шину с момента начала пересылки и до момента завершения передачи всего блока. На весь этот период ЦП не имеет доступа к шине;
– Пропуск цикла - КПДП после передачи каждого слова на один цикл шины освобождает системную шину, предоставляя ее на это время процессору. Поскольку КПДП все равно должен ждать готовности ПУ, это позволяет ЦП эффективно распорядиться этим временем;
– Прозрачный режим - КПДП имеет доступ к системной шине только в тех циклах, когда ЦП в ней не нуждается. Это обеспечивает наиболее эффективную работу процессора, но может существенно замедлять операцию пересылки блока данных.
26. Арбитраж шин: процесс определения, какое устройство получает доступ к шине данных в многозадачной системе.
Наибольшее распространение получили следующие алгоритмы динамического изменения приоритетов:
– простая циклическая смена приоритетов;
– циклическая смена приоритетов с учетом последнего запроса;
– смена приоритетов по случайному закону;
– схема равных приоритетов;
– алгоритм наиболее давнего использования.
27. ПРОТОКОЛ ШИНЫ - метод, выбираемый проектировщиками шин для информирования о достоверности адреса, данных, управляющей информации и информации состояния.
В синхронном протоколе все сигналы «привязаны» к импульсам единого генератора тактовых импульсов (ГТИ). В асинхронном протоколе для каждой группы линий шины формируется свой сигнал подтверждения достоверности
28.
Аппаратные: обеспечивают электрическое соединение между устройствами.
Логические: определяют правила обмена данными.
Программные: устанавливают методы взаимодействия через драйверы и API.
Протокольные: задают формат передачи данных и управление сеансами связи