Тема 15. Схемы поддержки мп на системных платах 340
Лекция 21 340
21.1. Эволюция шинной архитектуры IBM PC 341
21.2. Современные схемы поддержки МП на системных платах 352
21.3. Контрольные вопросы 356
Тема 16. Некоторые вопросы развития архитектуры эвм 357
Лекция 22 357
22.1. Теги и дескрипторы. Самоопределяемые данные 357
22.2. Методы оптимизации обмена процессор-память 360
22.3. Динамическое распределение памяти. Виртуальная память 373
22.4. Контрольные вопросы 379
Лекция 23. Защита памяти 380
23.1. Защита отдельных ячеек памяти 380
23.2. Метод граничных регистров 381
23.3. Метод ключей защиты 381
23.4. Алгоритмы управления многоуровневой памятью 383
23.5. Контрольные вопросы 387
Тема 17. Risk – процессоры 387
Лекция 24 387
24.1. Общая характеристика RISK - процессоров 387
24.2. ARM архитектура 389
24.3. Контрольные вопросы 398
Тема 18. Суперкомпьютеры. Параллельные вычислительные системы 399
Лекция 25 399
25.1. Смена приоритетов в области высокопроизводительных вычислений 399
25.2. Сферы применения многоядерных процессоров и многопроцессорных вычислительных систем 402
25.3. Классификация архитектур вычислительных систем по степени параллелизма обработки данных 405
25.4. Архитектуры SMP, MPP и NUMA 407
25.5. Организация когерентности многоуровневой иерархической памяти 410
25.6. PVP архитектура 410
25.7. Контрольные вопросы 411
Лекция 26. Кластерная архитектура 412
26.1. Архитектура связи в кластерных системах 413
26.2. Коммутаторы для многопроцессорных вычислительных систем. 416
26.3. Контрольные вопросы 423
Лекция 27. Высокопроизводительные многоядерные процессоры для встраиваемых приложений 424
27.1. Процессоры Tile-64/64Pro компании Tilera 424
27.2. 96-GFLOPS процессор CSX700 компании ClearSpeed Technology 429
27.3. 167-ядерная вычислительная платформа — AsAP-II 433
27.4. Мультипроцессор Cell 435
27.5. Альтернативная технология построения многоядерных систем на кристалле — ATAC 442
27.6. Контрольные вопросы 450
Список литературы 450 Тема1. Формы представления информации Лекция 1. Основные понятия
В общем случае, информация является абстрактным понятием, значение которого зависит от контекста, в котором оно используется. Наиболее общее определение информации имеет место в философии, где под информацией понимается один из атрибутов материи, отражающий её структуру. В рамках данного курса под информацией будем понимать все сведения, являющиеся объектом хранения, передачи и преобразования. В свою очередь, сведения – это знания, выраженные в сигналах, сообщениях, известиях, уведомлениях и т.д.
Информация может быть выражена в самых разнообразных формах. По типу восприятия среди них можно выделить следующие, наиболее употребительные, формы представления информации:
- графическая или изобразительная – картины, фотографии, чертежи,
голограммы, различные виды реального мира, например, северное сияние,
географические карты и т.п.,
- звуковая – мир полон звуков, которые мы можем воспринимать либо
своими органами чувств, либо с помощью приборов, это речь, музыка,
инфранизкие звуки от землетрясений и ультразвуки в технике, и многое
другое,
- текстовая – закодированная специальными знаками речь человека,
- числовая – количественная мера объектов и их свойств, закодированная
специальными знаками аналогично текстовой,
- видеоинформация – форма представления информации в виде
последовательности кадров ( графическая форма), следующих друг за
другом с некоторой частотой,
- тактильная – форма представления информации, воспринимаемая
человеком при касании, либо с помощью датчиков,
- органолептическая – передаваемая через запахи, вкусы и другие органы
чувств человека, а также с помощью датчиков,
- техническая – форма представления информации посредством показаний
самых разнообразных датчиков, например, датчики напряжённости
магнитного поля, рентгеновские установки, андронные коллайдеры и т.п.
Все эти формы могут быть разделены ещё на разные виды по характеру представления параметров:
- статические ( не зависящие от времени) и динамические ( переменные во
времени),
- непрерывные и дискретные во времени,
- непрерывные и дискретные по величине.
В технике с понятием информации тесно связаны такие понятия, как сигнал, сообщение и данные.
Сигнал – это любой процесс, несущий информацию ( электрический сигнал в проводах, радиосигнал в эфире, свет, воспринимаемый телескопом и т.д.).
Сообщение – это информация, представленная в определённой форме и предназначенная для передачи.
Данные – это информация, представленная в формализованном виде и предназначенная для обработки.
Сигнал называется непрерывным во времени, если его параметр в заданных пределах может изменяться в любой момент времени. Сигнал называется дискретным во времени, если его параметр в заданных пределах может изменяться только в фиксированные моменты времени.
Сигнал называется аналоговым, если его параметр в заданных пределах может принимать любые промежуточные значения в любой момент времени. Сигнал называется дискретным по величине и непрерывным во времени, если его параметр в заданных пределах может принимать только отдельные фиксированные значения, но в любой момент времени.
Сигнал называется дискретным по величине и во времени, если его параметр в заданных пределах может принимать только отдельные фиксированные значения, и изменения могут происходить только в фиксированные моменты времени.
На рисунке 1.1 в виде графиков изображены:
а) аналоговый (непрерывный по уровню и во времени) сигнал Хнн;
6) дискретный по уровню и непрерывный во времени сигнал Хдн;
в) непрерывный по уровню и дискретный во времени сигнал Хнд ;
г) дискретный по уровню и во времени сигнал Хдд.
|
а |
б |
|
в |
г |
Рис.1.1. Разные виды представления сигналов
Форма представления информации очень важна при ее передаче и восприятии, поскольку в зависимости от цели, которую Вы перед собой поставили, одна и та же информация может быть представлена в различных формах.
Поскольку под информацией понимаются все сведения, являющиеся объектом хранения, передачи и преобразования, для однозначности при реализации этих процессов используют языки.
Основу любого языка составляет алфавит — набор однозначно определенных знаков (символов), с помощью которых представляется информация.
Языки делятся на естественные (разговорные) и формальные. Алфавит естественных языков зависит от национальных традиций. Формальные языки встречаются в специальных областях человеческой деятельности (математике, физике, химии, вычислительной технике и т. д.).
Представление информации с помощью формального языка называют кодированием.
Код — набор символов (условных обозначений) дли представления информации. Кодирование — процесс представления информации в виде кода или, другими словами, процесс преобразования информации из одной формы в другую. Декодирование – процесс, обратный кодированию.
Способ представления информации с помощью языка, содержащего всего два символа алфавита — 0 и 1, предложил еще в XVII веке знаменитый немецкий ученый Готфрид Вильгельм Лейбниц «Вычисление с помощью двоек... является для науки основным и порождает новые открытия... при сведении чисел к простейшим началам, каковы 0 и 1, везде появляется чудесный порядок».
Сегодня такой способ представления информации, широко используется в технических устройствах, в том числе и в компьютере. Эти два символа 0 и 1 принято называть двоичными цифрами или битами (от англ. bit — Binary Digit - двоичный знак). Техническая реализация такого алфавита оказалась наиболее простой:
- в электронных устройствах 0 обычно представляется низким напряжением,
1 – высоким ( позитивная логика) или наоборот ( негативная логика),
- в запоминающих устройствах используются бистабильные ячейки, одно
состояние которых принимается за ноль, второе – за единицу,
- в волоконно-оптических линиях связи 0- отсутствие светового сигнала,
1- наличие светового сигнала. Более крупной единицей измерения объема информации принято считать 1 байт, который состоит из 8 бит.
Принято также использовать и более крупные единицы измерения объема информации. Число 1024 (210) является множителем при переходе к более высокой единице измерения.
|
Килобит, |
Кбит = 1024 бит , |
|
Мегабит, |
1 Мбит = 1024 Кбит , |
|
Гигабит, |
Гбит = 1024 Мбит , |
|
Килобайт, |
1 Кбайт = 1024 байт , |
|
Мегабайт, |
1 Мбайт = 1024 Кбайт , |
|
Гигабайт, |
1 Гбайт = 1024 Мбайт . |
В общем случае, применительно к двоичной системе, объём информации определяется формулой К.Шеннона
H=log2N ,
где Н – количество информации, несущей представление о состоянии, в котором находится объект,
N – количество равновероятных альтернативных состояний объекта.
Рассмотрим способы представления информации в ЭВМ.
Представление целых чисел.
В ЭВМ возможны разные способы представления целых чисел. Наиболее распространённым является формат с фиксированной запятой. Если это число без знака, то все биты ячейки памяти участвуют в указании количественного значения числа. При размере ячейки памяти в 1 байт имеется возможность представить все числа в диапазоне от 00000000 до 11111111 ( в двоичной системе) или от 0 до 255 ( в десятичной системе). Больший размер ячейки памяти позволяет закодировать больший диапазон чисел. Если необходимо закодировать числа со знаком, то знак числа кодируется в старшем бите ячейки памяти, а модуль числа кодируется оставшимися битами.
Представление вещественных чисел.
Вещественные числа в ЭВМ представляются как в формате с фиксированной запятой, так и в формате с плавающей запятой. Формат с фиксированной запятой предполагает, что старший бит хранит знак числа, одна часть оставшихся бит хранит целую часть числа, а другая часть – дробную часть числа. Причём, соотношение бит для хранения целой и дробной частей фиксировано. В формате с плавающей запятой биты ячейки памяти разбиты на следующие группы : знак числа, мантисса, знак порядка, модуль порядка. Например, при длине ячейки памяти в 32 бита, 1 разряд занимает знак числа, 24 разряда занимает мантисса числа, 1 разряд занимает знак порядка числа и 7 разрядов – модуль порядка.
Представление текстовой информации.
Текстовая информация представляется в виде последовательности знаков алфавита и служебных символов. Каждому знаку и символу сопоставляется двоичное число в соответствии с таблицей кодировок. Существуют различные стандарты кодирования текстовой информации, например, КОИ-7, ASCII, UCS-2, UCS-4. Часто используемая таблица кодировок ASCII позволяет 256 знаков алфавита и служебных символов закодировать 8-битными кодами. Для вывода на дисплей текстовая информация подвергается декодированию. Вместо цифрового кода на экран дисплея выводится изображение символа.Полный набор изображений символов для различных алфавитов и типов шрифтов хранится в специальной области памяти – знакогенераторе.
Представление графической информации.
Кодирование графических изображений разделяется на два направления – растровая и векторная графика. Растровое изображение представляет собой решётку точек, называемых пикселами ( pixel, от английских слов picture element). Чем больше пикселей, тем более детально представлено изображение. Для каждого пикселя в памяти хранится код цвета. Наиболее распространённой является RGB кодировка ( Red, Green, Blue – красный, зелёный, синий). При длине кода цвета в 24 бита 8 бит используется для задания интенсивности красного цвета, 8 бит – зелёного и ещё 8 бит – синего цвета. Таким образом, каждый цвет имеет 256 уровней интенсивности. Смешивание этих цветов в различных соотношениях даёт 224 различных цветов. В таком виде графическая информация хранится в файлах с расширением BMP. Для уменьшения размеров хранимых файлов применяют дополнительные методы кодирования – сжатие. Получающиеся при этом файлы имеют расширение JPEG, GIF и т.п.
При векторном представлении графической информации вместо решётки точек имеется набор слоёв. В каждом слое размещается свой элемент векторного изображения – отрезок, кривая линия или фигура, которые описываются с помощью специального языка ( математических уравнений).
Например, для построение такого графического примитива, как окружность радиуса r, необходимо и достаточно следующих исходных данных:
- координаты центра окружности,
- значение радиуса r,
- цвет заполнения, если окружность не прозрачная,
- цвет и толщина контура в случае наличия контура.
Сложные графические объекты представляются в виде совокупности элементарных графических объектов (графических примитивов). Результирующее изображение получается путём совмещения слоёв, которые его описывают. В качестве примеров графических редакторов, создающих растровые изображения можно привести CorelDRAU, Microsoft Visio и Adobe Flash.
Основное отличие растровой графики от векторной состоит в том, что можно легко производить перемещение, масштабирование, вращение, заполнение векторного изображения без потери качества так как оно фактически задано в виде уравнений, в то время как растровое изображение уже задано с конечной дискретностью ( ограниченное количество пикселей) и его увеличение приводит к возрастанию зернистости.
В то же время, не каждый объект может быть легко представлен в векторной форме. Для сложных объектов может понадобиться слишком большое количество графических примитивов и очень большое время для расчёта изображения при выводе на растровый дисплей. В частности, перевод растровых изображений в векторную форму, как правило, требует очень большого объёма вычислений и не всегда обеспечивает высокое качество векторного рисунка.
То есть векторная графика идеальна для простых или составных рисунков, которые должны быть аппаратно-независимыми или не нуждаются в фотореализме.
Представление звуковой информации.
Первичными преобразователями звукового сигнала являются датчики
( микрофоны), которые преобразуют звук в аналоговый электрический сигнал. Далее этот сигнал дискретизируется по времени и амплитуде (оцифровывается) специальными устройствами – аналого-цифровыми преобразователями, и в виде последовательности двоичных чисел поступает в ЭВМ. Обратное преобразование осуществляется цифро-аналоговыми преобразователями, выходной сигнал которых сглаживается, усиливается и подаётся на динамики, воспроизводящие звуковую информацию. Как правило, подобным образом поступает в ЭВМ информация от любых датчиков, преобразующих самую разнообразную техническую информацию.
Для сжатия звуковой информации в зависимости от характера звука используются разные методы кодирования. Например, для музыки часто используется формат MP3, а для кодирования речи в мобильной связи используется линейное предсказание с мультикодовым управлением (CELP - Code Excited Linear Prediction). Для кодирования инструментальной музыки в компьютерах и синтезаторах часто используют систему кодирования MIDI, основанную на нотной записи и отличающуюся чрезвычайной компактностью и простотой изменения темпа и тональности мелодии.
Контрольные вопросы
1. Назовите известные Вам формы представления информации.
2. Разделение форм представления информации по характеру представления параметров.
3. Дайте определение таким понятиям, как сигнал, сообщение и данные.
4. Чем отличается непрерывный во времени сигнал от аналогового.
5. Чем отличается формальные языки от естественных.
6. Дайте определение кодированию и декодированию.
7. Как представляются целые числа в ЭВМ.
8. Как представляются вещественные числа в ЭВМ.
9. Представление текстовой информации в ЭВМ.
10. Представление графической информации в ЭВМ.
11. В чём состоит отличие растровой графики от векторной.
12. Представление звуковой информации в ЭВМ.