Вопросы государственного экзамена

АРХИТЕКТУРА ЭВМ И СИСТЕМ 3

1. Архитектура ЭВМ 3

2. Процессор 16

3. Периферийные устройства ЭВМ. Внешние запоминающие устройства 22

4. Организация прерываний в ЭВМ 31

ИНФОРМАТИКА 36

1. Информатика и информация 36

2. Обеспечение целостности и безопасности информации 41

3. Программное обеспечение (ПО) 45

ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 48

1. Назначение и функции OC 48

2. Процессы 53

3. Организация памяти компьютера 58

4. Система управления вводом-выводом 67

ТЕХНОЛОГИЯ ПРОГРАММИРОВАНИЯ 75

1. Критерии качества программ 75

2. Процессы жизненного цикла программных средств 77

3. Семантический подход к языкам программирования 81

4. Основные структуры программирования 83

5. Структурные типы данных в языках программирования 85

6. Этапы развития технологии программирования 87

КОМПЬЮТЕРНАЯ АЛГЕБРА 90

1. Представление математических объектов в системах компьютерной алгебры 90

2. Алгоритм Евклида 91

3. Модулярная арифметика 93

4. Вычисление полиномов 94

5. Нахождение НОД полиномов от одной переменной 96

ТЕОРИЯ ИНФОРМАЦИИ 98

1. Понятие информации формы её представления 98

2. Энтропия 99

3. Количество информации 105

4. Кодирование 113

5. Сжатие данных 117

6. Помехоустойчивое кодирование 119

WEB-ДИЗАЙН 122

1. HTML 122

2. Основы JavaScript 122

3. Основы WEB-дизайна 122

4. SharePoint 2010 123

ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ В УПРАВЛЕНИИ УЧЕБНЫМ ПРОЦЕССОМ 124

1. Функции, процедуры и службы управления учебным процессом 124

2. Состав и функции подсистем ИСУ 127

3. Технологии проектирования ИС 130

4. Основные направления информатизации процесса обучения 133

МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ 145

1. Системный подход в моделировании 145

2. Стохастическое моделирование 146

3. Имитационное моделирование 147

4. Агентное моделирование 148

ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ЗНАНИЙ В ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ 151

1. Методы представления знаний 151

3.Интеллектуальные информационные системы 156

3. Экспертные системы 162

4. Логическое программирование 167

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ В ОБРАЗОВАНИИ 173

1. Процесс проектирования информационных систем в образовании 173

2. Этапы проектирования информационных систем в образовании 180

3. Управление проектированием информационных систем в образовании 196

4. Анализ компромиссов и рисков программного проекта 205

5. UML как язык объектно-ориентированного проектирования 212

ТЕОРИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ И СИСТЕМ 226

1. Основные задачи и базовые понятия теории систем 226

2. Системный подход к исследованию систем 231

3. Методы описания информационных систем 237

4. Моделирование и проектирование информационных систем 244

5. Информационные модели принятия решений 249

АРХИТЕКТУРА ЭВМ И СИСТЕМ

1. Архитектура эвм

Понятие архитектуры ЭВМ и ее основные составляющие.

Под архитектурой ЭВМ принято понимать совокупность общих принципов организации аппаратно-программных средств и их основных характеристик, определяющая функциональные возможности ЭВМ при решении соответствующих типов задач.

Архитектура ЭВМ охватывает обширный круг проблем, связанных с созданием комплекса аппаратных и программных средств и учитывающих большое количество определяющих факторов. Среди этих факторов самыми главными являются: стоимость, сфера применения, функциональные возможности, удобство в эксплуатации, а одним из основных компонентов архитектуры считаются аппаратные средства.

Архитектура ЭВМ охватывает обширный круг проблем, связанных с созданием комплекса аппаратных и программных средств и учитывающих большое количество определяющих факторов. Среди этих факторов самыми главными являются:

• стоимость,

• сфера применения,

• функциональные возможности,

• удобство в эксплуатации.

Основным компонентом архитектуры считаются аппаратные средства.

Архитектуру вычислительного средства необходимо отличать от его структуры. Структура вычислительного средства определяет его текущий состав на определенном уровне детализации и описывает связи внутри средства.

Архитектура же определяет основные правила взаимодействия составных элементов вычислительного средства, описание которых выполняется в той мере, в какой необходимо для формирования правил их взаимодействия. Она устанавливает не все связи, а наиболее необходимые, которые должны быть известны для более грамотного использования применяемого средства.

Так, пользователю ЭВМ не важно, на каких элементах выполнены электронные схемы и т. д. Важно несколько другое:

• как те или иные структурные особенности ЭВМ связаны с возможностями, предоставляемыми пользователю,

• какие альтернативные решения реализованы при создании машины,

• по каким критериям принимались решения,

• как связаны между собой характеристики устройств, входящих в состав ЭВМ,

• какое действие они оказывают на общие характеристики компьютера.

Другими словами, архитектура ЭВМ действительно отражает круг проблем, которые относятся к общему проектированию и построению вычислительных машин и их программного обеспечения.

Принципы функционирования программно-управляемых машин.

Основные принципы функционирования компьютера были сформулированные в 1945 году Джоном фон Нейманом.

1. В основе работы ЭВМ лежит программный принцип, согласно которому все вычисления выполняются путем последовательного выполнения команд программы ЭВМ.

2. Принцип хранимой программы означает, что программы и данные во время выполнения программы хранятся в одном адресном пространстве в оперативной памяти и различаются не по способу кодирования, а по способу использования. Программа может выступать также в качестве исходных данных (самомодифицируемые программы).

3. Использование двоичного кодирования при хранении и обработке данных в ЭВМ. Отдельные разряды двоичного числа объединяются в более крупные единицы, называемые словами.

4. Информация размещается в ячейках различных запоминающих устройств. Каждая ячейка памяти имеет адрес, по которому происходят запись или считывание слов данных и программ.

К настоящему время принципы фон Неймана дополнены рядом других принципов:

- открытая архитектура, которая означает, что в основе разработки новых ЭВМ лежат общедоступные стандарты, которые унифицируют взаимодействие различных типов оборудования и отдельных технических узлов ЭВМ. Использование при разработке оборудования открытых стандартов позволяет разным производителям разрабатывать для ЭВМ новые аппаратные средства, заменяющие или дополняющие существующее оборудование;

- модульность построения технической архитектуры состоит в том, что вся ЭВМ состоит из отдельных функционально и конструктивно законченных модулей. Соблюдение этого принципа упрощает процедуру замены устаревших или неработоспособных узлов ЭВМ на современные или рабочие;

- стандартизация технических устройств ЭВМ означает, что все устройства ЭВМ согласованы по своим электрическим, электромагнитным параметрам, протоколам работы, габаритам и т.д.;

- принцип микропрограммирования, заключающийся в том, что машинный язык не является конечной субстанцией, приводящей в действие процессы в ЭВМ. Процессор имеет в своем составе блок микропрограммного управления. Этот блок для каждой команды на машинном языке генерирует последовательность действий-сигналов для физического выполнения требуемой машинной команды. Можно также считать набор команд микропрограммами по отношению к операционной системе.

При этом под архитектурой ЭВМ понимают абстрактное представление ЭВМ, которое отражает ее структурную, схемотехническую и логическую организацию.

Понятие архитектуры является комплексным и включает:

- структурную схему ЭВМ;

- средства и способы доступа к элементам структурной схемы ЭВМ;

- организацию и разрядность интерфейсов ЭВМ;

- организацию и способы адресации памяти;

- способы представления и форматы данных ЭВМ;

- набор машинных команд ЭВМ;

- обработку прерываний.

Структура ЭВМ представляет совокупность конструктивных элементов (устройств), из которых состоит ЭВМ, и связей между ними.

Связь между различными устройствами, представляющую собой физическую магистраль, состоящую из многопроводной линии для передачи электрических сигналов, называют интерфейсной шиной. Различают шины для передачи адресов, управляющих сигналов и данных.

Перечисленные принципы функционирования ЭВМ предполагают обязательное наличие у ЭВМ следующих устройств:

● арифметико-логического устройства (АЛУ), выполняющее арифметические и логические операции;

● устройство управления, предназначенное для организации и синхронизации работы всех устройств ЭВМ;

● память для хранения данных;

● внешние устройства для обеспечения обмена информацией с человеком.

Обобщенная структурная схема ЭВМ представлена ниже

В современных компьютерах арифметико-логическое устройство и устрой-ство управления объединены в один блок - процессор, предназначенный для обработки данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операций и программного управления работой устройств компьютера.

Все арифметические и логические операции непосредственно выполняются арифметико-логическим устройством.

Устройство управления формирует и подает во все блоки ЭВМ управляющие импульсы, обусловленные выполняемой командой.

Для кратковременного хранения данных, непосредственно используемых в вычислениях, имеются специальные ячейки памяти процессора, называемые процессорной памятью или регистрами.

Под кэш - памятью понимают особый вид быстродействующей памяти, выполняющей в компьютере роль промежуточной памяти (буфера) при обмене данными между быстродействующим устройством ЭВМ и менее быстродействующим с целью уменьшения периодов ожидания более производительного устройства.

Программы и данные во время непосредственного сеанса работы хранятся в основной (оперативной) памяти компьютера.

Оперативная память состоит из ячеек памяти одинаковой длины.

Байт является наименьшей адресуемой единицей оперативной памяти. Для идентификации ячеек в оперативной памяти каждой из них присваивается адрес, представляющий собой номер ячейки.

Ячейки нумеруются числами из последовательного натурального ряда чисел. Организация оперативной памяти ЭВМ представлена на рис.4.2.

Запись в память данных осуществляется подачей на шину адреса сигналов, соответствующих адресам ячеек, в которые помещаются данные из шины записи.

При чтении данных из памяти по шине адреса передаются адреса читаемых ячеек, а сами данные из ячеек передаются по шине чтения. Возможность произвольного доступа к любой из ячеек памяти позволяет называть оперативную память, как память с произвольным доступом (RAM - Random Access Memory).

Тактовые импульсы вырабатываются генератором тактовых импульсов ЭВМ и используются для синхронизации процессов передачи информации между устройствами. Базовая последовательность импульсов задает тактовую частоту работы процессора и во многом определяет скорость работы ЭВМ.

Внешние устройства ввода-вывода и хранения данных подключаются к ЭВМ через адаптеры или контроллеры. Основное назначение адаптера состоит в управлении и синхронизации работы внешнего устройства с работой других устройств ЭВМ.

Устройства ввода обеспечивают считывание данных с определенных устройств (клавиатуры, сканера, графических манипуляторов и других) и преобразование их в последовательности электрических сигналов, воспринимаемых другими устройствами ЭВМ.

Устройства вывода представляют результаты обработки информации в форме, удобной для визуального восприятия. К таким устройствам относятся принтеры, мониторы, графопостроители.

Внешние устройства хранения предназначаются для организации долговременного хранения данных и программ. К устройствам внешнего хранения относятся накопители на жестких и гибких дисках, DVD (Digital Video Disk) и CD (Compact Disk) накопители, накопители на магнитных лентах (стримеры), Flasch - память и другие.

Управление работой внутренних и внешних устройств ЭВМ производится устройством управления процессора через основной набор логических схем компьютера.

Выполнение команд программы процессором.

Рассмотрим выполнение процессором команд программы.

В общем случае формат машинной команды состоит из двух частей. Одна часть содержит код операции, которую команда должна выполнить. Другая часть - адресная, содержащая адреса оперативной памяти операндов, над которыми эта операция должна быть выполнена и по какому адресу должен быть помещен результат выполнения команды. На рис. 4.3 представлен пример двухадресной команды ЭВМ.

Выполнение программы начинается с загрузки программы и исходных данных в оперативную память с внешнего устройства хранения (если программа не резидентная) и происходит под управлением Операционной системы.

Процесс начинается с чтения и выборки первой команды программы из оперативной памяти. С этой целью в счетчике команд по управляющему сигналу процессора <+1> формируется адрес первой выполняемой команды.

В конце цикла выполнения любой команды в счетчике команд всегда формируется адрес следующей команды, которая должна выполняться вслед за текущей.

В случае, если текущей командой была команда перехода, то в качестве адреса следующей команды в счетчик команд, помещается адрес перехода.

Из счетчика команд адрес передается в регистр адреса, а оттуда поступает в адресную шину оперативной памяти для доступа к ячейкам памяти, содержащим команду.

Команда выбирается из оперативной памяти и через шину данных и команд поступает сначала в регистр данных процессора и далее в регистр команд.

Регистр данных выполняет роль буфера между памятью и остальными регистрами процессора; через него пересылаются команды и операнды из памяти и передаются в память результаты обработки.

Устройство управления считывает из регистра команд код выполняемой команды и переходит к ее выполнению. Выдается управляющий сигнал по которому из регистра команд адреса операндов последовательно передаются в регистр адреса, а затем в адресную шину.

Код операции из регистра команд передается в арифметико-логическое устройство. Операнды выбираются из памяти и помещаются сначала в регистр данных, а после в операционные регистры 1,:, регистры N процессора.

Устройство управления формирует и передает в арифметико-логическое устройство (АЛУ) сигнал на выполнение команды. Операнды последовательно выбираются в АЛУ, выполняется операция, результат которой помещается в один из операционных регистров и далее в регистр данных.

По сигналу устройства управления адрес результата передается из регистра команд в регистр адреса и далее в шину данных. Одновременно из регистра данных по шине данных передается и записывается в память результат решения. Вцикле выполнения следующей команды все действия повторяются.

Структурная схема ЭВМ, состав и назначение основных блоков и устройств.

Структура персонального компьютера

Рассмотрим состав и назначение основных блоков ПК.

Примечание. Здесь и далее организация ПК рассматривается применительно к самым распространенным в настоящее время IBM PC-подобным компьютерам.

Структурная схема ПК на рис. 1.

 

Микропроцессор (МП). Это центральный блок ПК, предназначенный для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операций над информацией.

В состав микропроцессора входят:

Устройство управления (УУ) - формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполняемой операции и результатами предыдущих операций ; формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки ЭВМ; опорную последовательность импульсов устройство управления получает от генератора тактовых импульсов;

Арифметика - логическое устройство (АЛУ) -предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией (в некоторых моделях ПК для ускорения выполнения операций к АЛУ подключается дополнительныйматематический сопроцессор);

Микропроцессорная память (МПП) -служит для кратковременного характера, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в вычислениях в ближайшие такты работы машины, ибо основная память (ОП) не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессор.

Регистры - быстродействующие ячейки памяти различной длины (в отличие от ячеек ОП, имеющих стандартную длину 1 байт и более низкое быстродействие);

Интерфейсная система микропроцессора - реализует сопряжение и связь с другими устройствами ПК; включает в себя внутренний интерфейс МП, буферные запоминающие регистры и схемы управления портами ввода-вывода (ПВВ) и системной шиной.

Интерфейс (interface)- совокупность средств сопряжения и связи устройств компьютера, обеспечивающая их эффективное взаимодействие.

Порт ввода-вывода (I/O - Input/Output port) - аппаратура сопряжения, позволяющая подключить к микропроцессору другое устройство ПК.

Генератор тактовых импульсов. Он генерирует последовательность электрических импульсов; частота генерируемых импульсов определяет тактовую частоту машины.

Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта работы машины или просто такт работы машины.

Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик персонального компьютера и во многом определяет скорость его работы, ибо каждая операция в машине выполняется за определенное количество тактов.

Системная шина. Это основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой.

Системная шина включает в себя:

Кодовую шину данных (КШД), содержащую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов числового кода (машинного слова) операнда;

Кодовую шину адреса (КША), включающую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода-вывода внешнего устройства;

Кодовую шину инструкций (КШИ), содержащую провода и схемы сопряжения для передачи инструкций (управляющих сигналов, импульсов) во все блоки машины;

Шину питания, имеющую провода и схемы сопряжения для подключения блоков ПК к системе энергопитания.

Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:

-  между микропроцессором и основной памятью;

-  между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств;

-  между основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств (в режиме прямого доступа к памяти).

Не блоки, а точнее их порты ввода-вывода, через соответствующие унифицированные разъемы (стыки) подключаются к шине единообразно: Непосредственно или через контроллеры (адаптеры). Управление системной шины осуществляется микропроцессором либо непосредственно, либо, что чаще, через дополнительную микросхему- контроллер шины, формирующий основные сигналы управления.

Основная память (ОП). Она предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками машины. ОП содержит два вида запоминающих устройств: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).

ПЗУ служит для хранения неизменяемой (постоянной) программной и справочной информации, позволяет оперативно только считывать хранящуюся в нем информацию (изменить информацию в ПЗУ нельзя).

ОЗУ предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных) , непосредственно участвующей в информационно - вычислительном -процессе , выполняемом ПК в текущий период времени . Главными достоинствами оперативной памяти являются ее высокое быстродействие и возможность обращения к каждой ячейке памяти отдельно (прямой адресный доступ к ячейке) . В качестве недостатка ОЗУ следует отменить невозможность сохранения информации в ней после выключения питания машины ( энергозависимость).

Внешняя память. Она относится к внешним устройствам ПК и используется для долговременного хранения любой информации, которая может когда-либо потребоваться для решения задач. В частности, во внешней памяти хранится все программное обеспечение компьютера. Внешняя память содержит разнообразные виды запоминающих устройств, но наиболее распространенными, имеющимися практически на любом компьютере, являются накопители на жестких (HDD) и гибких (HD) магнитных дисках.

Назначение этих накопителей - хранение больших объемов информации, запись и выдача хранимой информации по запросу в оперативное запоминающее устройство. В качестве устройств внешней памяти используются также запоминающие устройства на  магнитной дискете, накопители на оптических дисках (CD-ROM-Compact Disk Read Only, DVD, Memory-компакт-диск с памятью, только читаемой) и др.

Источник питания. Это блок, содержащий системы автономного и сетевого энергопитания ПК.

Таймер. Это внутримашинные электронные часы, обеспечивающие при необходимости автоматический съем текущего момента времени (год, месяц, часы, минуты, секунды и доли секунд). Таймер подключается к автономному источнику питания - аккумулятору и при отключение машины от сети продолжает работать.

Внешние устройства (ВУ). Это важнейшая составная часть любого вычислительного комплекса. Достаточно сказать, что по стоимости ВУ иногда составляют 50-80% всего ПК. ОТ состава и характеристик ВУ во многом зависят возможность и эффективность применения ПК в системах управления и в народном хозяйстве в целом.

ВУ ПК обеспечивают взаимодействие машины с окружающей средой пользователями, объектами управления и другими ЭВМ. ВУ весьма разнообразны и могут быть классифицированы по ряду признаков. Так, по назначению можно выделить следующие виды ВУ:

-  внешние запоминающие устройства (ВЗУ) или внешняя память ПК;

-  диалоговые средства пользователя;

-  устройства ввода информации;

-  устройства вывода информации;

-  средства связи и телекоммуникации.

Диалоговые средства пользователя включают в свой состав видеомониторы (дисплеи), реже пультовые пишущие машинки (принтеры с клавиатурой) и устройства речевого ввода-вывода информации.

Видеомонитор (дисплей) - устройство для отображения вводимой и выводимой из ПК информации.

Устройства речевого ввода-вывода относятся к средствам мультимедиа. Устройства речевого ввода - это различные микрофонные акустические системы, "звуковые мыши", например, со сложным программным обеспечением, позволяющим распознавать произносимые человеком буквы и слова, идентифицировать их и закодировать.

Устройства речевого вывода - это различные синтезаторы звука, выполняющие преобразования цифровых кодов в буквы и слова, воспроизводимые через динамики или звуковые колонки, подсоединенные к компьютеру.

К устройствам ввода информации относятся:

Клавиатура - устройство для ручного ввода числовой, текстовой и управляющей информации в ПК;

Графические планшеты (диджитайзеры) -для ручного ввода графической информации, изображений путем перемещения по планшету специального указателя (пера ); при перемещении пера автоматически выполняются считывание координат его местоположения и ввод этих координат в ПК;

Сканеры - для автоматического считывания с бумажных носителей и ввода в ПК машинописных текстов, графиков, рисунков, чертежей; в устройстве кодирования сканера в текстовом режиме считанные символы после сравнения с эталонными контурами специальными программами преобразуются в коды ASCII, а в графическом режиме считанные графики и чертежи преобразуются в последовательности двухмерных координат;

Манипуляторы (устройства указания): джойстик- рычаг, мышь, трекбол-шар в оправе, световое перо и др. - для ввода графической информации на экран дисплея путем управления движением курсора по экрану с последующим кодированием координат курсора и вводом их в ПК;

Сенсорные экраны - для ввода отдельных элементов изображения, программ или команд с полиэкрана дисплея в ПК.

К устройствам вывода информации относятся:

Принтеры - печатающие устройства для регистрации информации на бумажный носитель;

Графопостроители (плоттеры) - для вывода графической информации (графиков, чертежей, рисунков) из ПК на бумажный носитель; плоттеры бывают векторные с вычерчиванием изображения с помощью пера и растровые: термографические, электростатические, струйные и лазерные. По конструкции плоттеры подразделяются на планшетные и барабанные. Основные характеристики всех плоттеров примерно одинаковые: скорость вычерчивания-100-1000 мм/с, у лучших моделей возможны цветное изображение и передача полутонов; наибольшая разрешающая способность и четкость изображения у лазерных плоттеров, но они самые дорогие.

Устройства связи и телекоммуникации для связи с приборами и другими средствами автоматизации (согласователи интерфейсов, адаптеры, цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи и т.п.) и для подключения ПК к каналам связи, к другим ЭВМ и вычислительным сетям (сетевые интерфейсные платы, "стыки", мультиплексоры передачи данных, модемы).

В частности сетевой адаптер является внешним интерфейсом ПК и служит для подключения его к каналу связи для обмена информацией с другими ЭВМ, для работы в составе вычислительной сети. В глобальных сетях функции сетевого адаптера выполняет модулятор- демодулятор.

Многие из названных выше устройств относятся к условно выделенной группе - средствам мультимедиа.

Средства мультимедиа (multimedia- многосредовость) - это комплекс аппаратных и программных средств, позволяющих человеку общаться с компьютером, используя самые разные, естественные для себя среды: звук, видео, графику, тексты, анимацию и др.

К средствам мультимедиа относятся устройства речевого ввода и вывода информации; широко распространенные уже сейчас сканеры(поскольку они позволяют автоматически вводить в компьютер печатные тексты и рисунки); высококачественные видео - (video-) и звуковые(sound-) платы, платы видеозахвата (videograbber), снимающие изображение с видеомагнитофона или видеокамеры и вводящие его в ПК;высококачественные акустические и видеовоспроизводящие системы с усилителями, звуковыми колонками, большими видеоэкранами. Но, пожалуй, еще с большим основанием к средствам мультимедиа относят внешние запоминающие устройства большой емкости на оптических дисках, часто используемые для записи звуковой и видеоинформации.

Прерывание - временный останов выполнения одной программы в целях оперативного выполнения другой, а в данный момент более важной (приоритетной) программы.

Прерывания возникают при работе компьютеры постоянно. Достаточно сказать, что все процедуры ввода-вывода информации выполняются по прерываниям, например прерывания от таймера возникают и обслуживаются контроллером прерываний 18 раз в секунду (естественно, пользователь их не замечает).

Контроллер прерываний обслуживает процедуры прерывания, принимает запрос на прерывание от внешних устройств, определяет уровень приоритета этого запроса и выдает сигнал прерывания в МП. МП, получив этот сигнал, приостанавливает выполнение текущей программы и переходит к выполнению специальной программы обслуживания того прерывания, которое запросило внешнее устройство. После завершения программы обслуживания восстанавливается выполнение прерванной программы. Контроллер прерывания.

Типовые структуры организации взаимодействия центральных блоков ЭВМ.

Классическая концепция вычислительных машин фон-Неймана.  Это концепция первых вычислительных машин, начиная с проекта машины Ч. Бебиджа, вернее машин принстонской архитектуры, основные архитектурные особенности которой были сформулированы Джоном фон Нейманом.  Эта архитектура ЭВМ, поддерживающие следующие принципы:

• двоичного кодирования,

• программного управления,

• однородности памяти,

• адресности памяти.

Классический вариант этой машины (рис.1) по концепции Д. фон Неймана должна содержать блоки:

• оперативную памяти,

• арифметико-логическое устройство,

• устройство управления,

• устройства ввода-вывода

• внешние запоминающие устройства.

Блок оперативной памяти. Оперативная память предназначена для хранения, как команд программы, так и данных. По концепции фон-Неймана принципиально важно, чтобы команды и данные в оперативной памяти были неразличимы. При этом, если код команды из оперативной памяти поступал на сумматор, то он интерпретировался, как данные, если код команды поступал на регистр команд, то он интерпретировался, как команда. Это было важно для возможности переадресации команд в цикле изменением команд на сумматоре. Но в современных ЭВМ коды программ и данных в оперативной памяти стараются различать, например, при помощи специальных битов в специальных структурных объектах, называемых дескрипторами сегментов.  Блок устройства управления предназначен для формирования сигналов управления (микроопераций) для реализации выполнения команд программы. Основными блоками устройства управления являлись: регистр указателя адреса очередной команды (счетчик команд), регистр команд, блок дешифрации команды, блоки формирования микроопераций, регистр состояния (программы). Команды на устройства управления поступают из оперативной памяти на регистр команд по шинам передачи команд (на рис. 1 обозначены двойным пунктиром). Циклы выборки команд управляются не командами, а наборами микроопераций, реализованные аппаратно (прошиты в памяти микропрограмм). Управление АЛУ и другими устройствами осуществляется формированием серий микроопераций согласно командам на все программно управляемые устройства (память, АЛУ, устройства ввода/вывода и т.д.). На рис. 1.1 линии передачи сигналов управления (микроопераций) обозначены одиночными пунктирными линиями.  После выполнения каждой команды признаки результатов и, возможно, сигналы прерываний при внештатных ситуациях во время выполнения команды посылаются от АЛУ в устройства управления (на регистр состояния программы). Коды условий используются для реализаций ветвлений, включая циклы. На рис.1 линии передачи кодов условий и сигналов прерывания обозначены, как и микроопераций, одиночной пунктирной линией. По концепции фон-Неймана команды программы должны поступать из памяти в устройство управления и выполняться строго по их порядку в программу для обеспечения корректности выполнения программ. В современных ЭВМ допускается не только одновременное, но и внеочередное выполнение множества команд, но при этом не нарушается корректность их выполнения.  Кроме этого в современных ЭВМ используются не только арифметические, но и логические операции.  Для непосредственной связи с человеком устройство управление содержал пульт управления и панель сигнализации. Но в такой конфигурации это блок схема скорее калькулятора, а не полноценной ЭВМ. В классической схеме ЭВМ предусмотрены устройства ввода и вывода. Это устройства ЭВМ, предназначенные для ввода и вывода массивов информации в форме удобные для использования человеком, например, в виде печатного текста. Кроме этого, к устройствам ввода/вывода относятся устройства хранения информации вне ЭВМ и переноса на другие ЭВМ. Это накопители на внешних носителях: перфокартах, магнитных лентах, дисках и т.д. Все эти устройства традиционно относят к внешним устройствам. Внешними устройствами могут быть устройства:

• внешней памяти,

• ввода,

• вывода,

• связи с внешним объектом.

Устройства внешней памяти – это устройства энергонезависимой памяти, обычно на основе записи на магнитную поверхность или электронных схемах с использованием МДП транзистров с плавающим затвором (флеш-память) для хранения и/или передачи данных на другие цифровые устройства.  Устройство ввода – это любое устройство ввода данных и программ в оперативную память ЭВМ (клавиатура, перфокарты, магнитные ленты, магнитные диски и т.д.). Устройство вывода – это любое устройство вывода данных и программ из оперативной памяти (принтер, магнитная лента, магнитные диски и т.д.). В большинстве современных ЭВМ оперативная память – энергозависимая. По этой причине операции ввода/ выводы необходимы при включении и выключении ЭВМ. Устройство связи с внешним объектом – это любое устройство, подключенное к ЭВМ, включая сетевые объекты. Операции ввода/вывода – это операции передачи информации между оперативной памятью и внешними устройствами. Для её реализации требуется задать адрес источника, например, адрес на магнитном диске, адрес приемника (начальный адрес в оперативной памяти) и количество передаваемых данных. Затем следует подать серию команд чтения каждой единицы информации из источника и записи в приемник, т.е. операция ввода/вывод требует программы управления (программы драйвера). В дальнейшем, по мере развития ЭВМ устройства УУ и АЛУ, как сильно связанные между собой устройства стали рассматриваться как одно устройство программной обработки данных под названием – процессор. В первых ЭВМ использовали чисто программные методы организации процедуры ввода/вывода. По этой причине на рис.1 устройств ввода/вывода соединены с оперативной памятью, не на прямую, а через процессор. Процессор осуществлял операции ввода/вывода, выбирая каждую единицу передаваемых данных на свои регистры по одной команде программы драйвера, а затем, по другой команде, пересылал ее по адресу приемника, подсчитывая количество передаваемых данных и модифицируя адреса источника и приемника.  В более поздних моделях для организации процедур ввода/вывода (вместо процессора) стали использовать дополнительные специализированные процессоры ввода/вывода. Примером может служить модели семейства ЭВМ IBM 360.  Структура моделей семейства ЭВМ IBM 360. Это структуры первого семейства программно совместимы моделей с явно выделенными процессорами ввода/вывода (канальными процессорами или просто каналами). Блок схема моделей ЭВМ IBM 360 представлена на рис. 1.2 Каждая модель семейства ЭВМ IBM 360 является системой с изменяемой конфигурацией. Она содержит ядро и систему ввода/вывода изменяемой конфигурации. В свою очередь ядро системы предусматривает наращивание блока оперативной памяти. Система ввода/вывода содержит ряд специализированных процессоров ввода (каналов), по возможности адресации – до 31 канала. К одному каналу может быть подключено до 256 абонентов (устройств ввода/вывода). Абоненты или группа однотипных абонентов, подключаются к интерфейсу ввода/вывода через индивидуальные устройства управления для каждого типа абонента. Операции ввода вывода задаются программой канала. Команда программа определяет единичную операцию. Операция канала – это запись или чтение массива чисел или операция управления. Операции управления задают адреса данных в устройствах ввода/вывода, например, номер дорожки диска и т.д..

Каждая операция ввода вывода задается набором команд канала (программой канала). Каждая команда определяет единичную операцию. Это может быть команда записи или чтения массива чисел, управления (задание адреса, например дорожки диска и т.д.). Устройства ввода/вывода связанна с каналами ядра ЭВМ с использование стандартных интерфейсов ввода вывода.  Процессор и канал не различает тип конкретных устройств, подсоединенных к интерфейсу ввода/вывода через соответствующий контроллер. Управление вводом /выводом производится со стороны канала на логическом уровне командами стандартного интерфейса общими для всех типов подключаемы устройств. Но, в зависимости от физической основы конкретного устройства ввода/вывода, эти команды интерпретируются контроллерами индивидуально в зависимости от физики работы периферийного устройства. Использование стандартного управления и интерфейса позволило очень просто изменять конфигурацию периферийного окружения ядра ЭВМ с использованием общего для всех моделей семейства парка периферийных устройств. Программа канала начинается по команде процессора SIO – (старт в/в). Эта команда передает каналам, через ячейку оперативной памяти начало программы канала. Каналы проверяют возможность выполнения первой команды и, если все корректно, сообщает процессору о начале выполнения программы или отказа кодом условия (КУ). По завершении выполнения программы ввода/вывода, канал сохраняет в 64 ячейке памяти результаты выполнения программы в виде "слова состояния канала" и посылает в  процессор сигнал прерывания. В процедуре прерывания определяется корректность  выполнения процедуры ввода/вывода.  В качестве сервисной подсистемы используется ЭВМ класса PC как средства управления ЭВМ системным инженером (например, для управления операциями тестирования) и системным оператором (например, для управления последовательности включения питания, настройки операционной системы). До перестройки, в содружестве социалистических странах самыми массовыми моделями ЭВМ собственной разработки и производства были модели семейства ЕС ЭВМ. По программной модели они были идентичны моделям семейства ЭВМ IBM 360. Но по физической структуре – это были оригинальные изделиями, часто патентоспособными, но уступающими зарубежным образцам по тем тли иным показателям. В настоящее время выпуск их прекратился, как неконкурентных изделий. Но фирменные модели IBM (последующих поколений этого семейства) успешно эксплуатируются и сейчас (в меньшей степени и в России).  Структура моделей семейства мини-ЭВМ PDP 11 корпорации DEC.  Это структуры первого семейства программно совместимы моделей ЭВМ от мини до супермини. Блок схема моделей ЭВМ PDP 11 корпорации DEC представлена на рис. 1.3.   Это семейство программно совместимых мини ЭВМ является знаковым по следующим причинам.

• это первое семейство ЭВМ с системным интерфейсом,

• это программная модель процессора с очень эффективными режимами адресациями,

• это программная модель процессора, в которой, за счет использования новых режимов адресации, оперативную память можно использовать в качестве многостековой,

ЭВМ этой программная модели прошла стадии 16-ти битовой архитектуры, 32-х битовой (семейство VAX-11) и 64-х битовой (семейство Alpa). 

Литература: [2], [3], [4], [5].