2. Арифметико-логическое устройство

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) (англ. arithmetic and logic unit, ALU) — блок процессора, который служит для выполнения логических, в том числе и арифметических, преобразований над словами, называемыми в этом случае операндами.

Структура АЛУ представлена на рисунке.

Исходные данные (операнды) по командам УУ (см выше) считываются из ОЗУ в регистры первого и второго операндов (связь 1).

Из УУ в блок управления АЛУ поступает команда на выполнение той или иной операции (связь 2), которая передается им в операционную часть (связь 3).

В соответствии с этой командой операционная часть выполняет нужное действие с данными, которые выбираются из регистров первого и второго операндов (связь 6). Результат заносится в регистр результата (связь 4), откуда – в ОЗУ (связь 5).

Структура регистров АЛУ, куда помещаются исходные и результирующие данные, а также размер регистров (число двоичных разрядов t) формируют понятие разрядной сетки (далее – сетки), которое используется ниже.

В своих работах фон Нейман указывал устройства, которые, как он считал, должны присутствовать в компьютерах. Среди этих устройств присутствовало и АЛУ. Фон Нейман отмечал, что АЛУ необходимо для компьютера, поскольку оно гарантирует, что компьютер будет способен выполнять базовые математические операции включая сложение, вычитание, умножение и деление.

Билет №7

№1 Кодирование алфавитно-цифровой информации

Современные вычислительные машины обрабатывают не только числовую, но и текстовую, иначе говоря, алфавитно-цифровую информацию, содержащую цифры, буквы, знаки препинания, математические и другие обозначения, называемые символами. Существуют символы трех типов: цифры 0, 1, 2, . . .,9 буквы Аа, ВЬ, ... , Zz

специальные символы . . . «+», «—», «•», «,», « = », пробел, «:», «;»

Совокупность символов, используемых каким-либо устройством, называется набором символов или алфавитом этого устройства.

Характер этой информации таков, что для ее представления требуются слова переменной длины.

Чтобы иметь возможность представлять в ЭВМ информацию, выраженную символами алфавита, необходимо сами символы закодировать определенным образом. Код — это система символов, отображающих сообщение в данном алфавите. Все ЭВМ работают в двоичном коде (режиме).

Существует несколько систем кодирования. В ЕС ЭВМ применяют четыре системы, одна из которых основана на представлении символов 7-разрядным двоичным кодом, две — 8-разрядным и 12-позиционная, которая предназначена для представления символов на 12-позиционных перфокартах. Наибольшее распространение получило представление алфавитно-цифровой информации посредством восьмиразрядного кода. Каждый код представляет одну двоичную цифру или один двоичный разряд, или один бит. Бит (binary digit — двоичная цифра) — двоичная единица количества информации. Байт принят в качестве основной единицы количества информации и представляет собой группу из восьми соседних двоичных разрядов (бит), которой вычислительная машина может оперировать как единым целым при передаче, хранении и обработке данных (информации).При использовании каждой команды в соответствии с указаниями, содержащимися в ней, они обрабатывают по одному или по нескольку байтов информации. Каждый такой байт эквивалентен либо символу определенного входного языка, либо числу или его части в зависимости от его значения и системы счисления, в которой оно выражено.Байт был принят в качестве основной машинной единицы информации для того, чтобы возможно было создать системы машин, процесс обработки информации в которых был бы независим от размеров преобразуемых слов. Этот выбор обусловил внедрение единой иерархической структуры данных. В порядке увеличения количества разрядов эта структура содержит фиксированные составные единицы (полуслово, слово, двойное слово) и информационную единицу переменной длины (поле).

соответственно 16, 32 и 64 двоичных разрядов, поле может быть любой длины в пределах от 1 до 256 байт. В байте (8)разряды нумеруются от 0 до 7, в 16— от О до 15, в слове (32) — от 0 до 31, в двойном слове (64) — от 0 до 63.

№2 Основная память ЭВМ

Компью́терная па́мять (устройство хранения информации, запоминающее устройство) — часть вычислительной машины, физическое устройство или среда для хранения данных, используемых в вычислениях, в течение определённого времени. Память, как и центральный процессор, является неизменной частью компьютера с 1940-х. Память в вычислительных устройствах имеет иерархическую структуру и обычно предполагает использование нескольких запоминающих устройств, имеющих различные характеристики

Операти́вная па́мять (также оперативное запоминающее устройство, ОЗУ) — в информатике — память, часть системы памяти ЭВМ, в которую процессор может обратиться за одну операцию (jump, move и т. п.). Предназначена для временного хранения данных и команд, необходимых процессору для выполнения им операций. Оперативная память передаёт процессору данные непосредственно, либо через кеш-память. Каждая ячейка оперативной памяти имеет свой индивидуальный адрес.

SRAM (Static RAM)Основная статья: SRAM (память)ОЗУ, собранное на триггерах, называется статической памятью с произвольным доступом или просто статической памятью. Достоинство этого вида памяти — скорость. Поскольку триггеры собраны на вентилях, а время задержки вентиля очень мало, то и переключение состояния триггера происходит очень быстро. Данный вид памяти не лишён недостатков. Во-первых, группа транзисторов, входящих в состав триггера, обходится дороже, даже если они вытравляются миллионами на одной кремниевой подложке. Кроме того, группа транзисторов занимает гораздо больше места, поскольку между транзисторами, которые образуют триггер, должны быть вытравлены линии связи.

DRAM (Dynamic RAM)Основная статья: DRAMБолее экономичный вид памяти. Для хранения разряда (бита или трита) используется схема, состоящая из одного конденсатора и одного транзистора (в некоторых вариациях конденсаторов два). Такой вид памяти решает, во-первых, проблему дороговизны (один конденсатор и один транзистор дешевле нескольких транзисторов) и во-вторых, компактности (там, где в SRAM размещается один триггер, то есть один бит, можно уместить восемь конденсаторов и транзисторов).Есть и свои минусы. Во-первых, память на основе конденсаторов работает медленнее, поскольку если в SRAM изменение напряжения на входе триггера сразу же приводит к изменению его состояния, то для того чтобы установить в единицу один разряд (один бит) памяти на основе конденсатора, этот конденсатор нужно зарядить, а для того чтобы разряд установить в ноль, соответственно, разрядить. А это гораздо более длительные операции (в 10 и более раз), чем переключение триггера, даже если конденсатор имеет весьма небольшие размеры. Второй существенный минус — конденсаторы склонны к «стеканию» заряда; проще говоря, со временем конденсаторы разряжаются. Причём разряжаются они тем быстрее, чем меньше их ёмкость. В связи с этим обстоятельством, дабы не потерять содержимое памяти, заряд конденсаторов необходимо регенерировать через определённый интервал времени — для восстановления. Регенерация выполняется путём считывания заряда (через транзистор). Контроллер памяти периодически приостанавливает все операции с памятью для регенерации её содержимого, что значительно снижает производительность данного вида ОЗУ. Память на конденсаторах получила своё название Dynamic RAM (динамическая память) как раз за то, что разряды в ней хранятся не статически, а «стекают» динамически во времени.

Таким образом, DRAM дешевле SRAM и её плотность выше, что позволяет на том же пространстве кремниевой подложки размещать больше битов, но при этом её быстродействие ниже. SRAM, наоборот, более быстрая память, но зато и дороже. В связи с этим обычную память строят на модулях DRAM, а SRAM используется для построения, например, кэш-памяти в микропроцессорах.

Различают:

По доступным операциям с данными

 Память только для чтения (read-only memory, ROM)

 Память для чтения/записи (random-access memory, RAM)

По энергозависимости

 Энергонезависимая память (англ. nonvolatile storage) — память, реализованная ЗУ, записи в которых не стираются при снятии электропитания. К этому типу памяти относятся все виды памяти на ПЗУ и ППЗУ;

 Энергозависимая память (англ. volatile storage) — память, реализованная ЗУ, записи в которых стираются при снятии электропитания. К этому типу памяти относятся память на ОЗУ, кэш-память.

 Статическая память (англ. static storage) — энергозависимая память, которой для хранения информации достаточно сохранения питающего напряжения;

 Динамическая память (англ. dynamic storage) — энергозависимая памяти, в которой информация со временем разрушается (деградирует), и, кроме подачи электропитания, необходимо производить ее периодическое восстановление (регенерацию).

По порядку выборки

 с последовательным доступом (SAM) — когда ячейки памяти выбираются (считываются) последовательно, одна за другой, в очерёдности их расположения. Вариант такой памяти — стековая память;

 c произвольным доступом (RAM) — когда вычислительное устройство может обратиться к произвольной ячейке памяти по любому адресу.

Билет №8 вопрос №1

Кодирование информации

Код — это набор условных обозначений (или сигналов) для записи (или передачи) некоторых заранее определенных понятий.

Кодирование информации – это процесс формирования определенного представления информации. В более узком смысле под термином «кодирование» часто понимают переход от одной формы представления информации к другой, более удобной для хранения, передачи или обработки.

Обычно каждый образ при кодировании (иногда говорят — шифровке) представлении отдельным знаком.

Знак - это элемент конечного множества отличных друг от друга элементов.

В более узком смысле под термином "кодирование" часто понимают переход от одной формы представления информации к другой, более удобной для хранения, передачи или обработки.

Компьютер может обрабатывать только информацию, представленную в числовой форме. Вся другая информация (например, звуки, изображения, показания приборов и т. д.) для обработки на компьютере должна быть преобразована в числовую форму. Например, чтобы перевести в числовую форму музыкальный звук, можно через небольшие промежутки времени измерять интенсивность звука на определенных частотах, представляя результаты каждого измерения в числовой форме. С помощью программ для компьютера можно выполнить преобразования полученной информации, например "наложить" друг на друга звуки от разных источников.

Аналогичным образом на компьютере можно обрабатывать текстовую информацию. При вводе в компьютер каждая буква кодируется определенным числом, а при выводе на внешние устройства (экран или печать) для восприятия человеком по этим числам строятся изображения букв. Соответствие между набором букв и числами называется кодировкой символов.

Как правило, все числа в компьютере представляются с помощью нулей и единиц (а не десяти цифр, как это привычно для людей). Иными словами, компьютеры обычно работают в двоичной системе счисления, поскольку при этом устройства для их обработки получаются значительно более простыми. Ввод чисел в компьютер и вывод их для чтения человеком может осуществляться в привычной десятичной форме, а все необходимые преобразования выполняют программы, работающие на компьютере.

Одна и та же информация может быть представлена (закодирована) в нескольких формах. C появлением компьютеров возникла необходимость кодирования всех видов информации, с которыми имеет дело и отдельный человек, и человечество в целом. Но решать задачу кодирования информации человечество начало задолго до появления компьютеров. Грандиозные достижения человечества - письменность и арифметика - есть не что иное, как система кодирования речи и числовой информации. Информация никогда не появляется в чистом виде, она всегда как-то представлена, как-то закодирована.

Двоичное кодирование – один из распространенных способов представления информации. В вычислительных машинах, в роботах и станках с числовым программным управлением, как правило, вся информация, с которой имеет дело устройство, кодируется в виде слов двоичного алфавита.

Кодирование символьной (текстовой) информации.

Основная операция, производимая над отдельными символами текста - сравнение символов.

При сравнении символов наиболее важными аспектами являются уникальность кода для каждого символа и длина этого кода, а сам выбор принципа кодирования практически не имеет значения.

Для кодирования текстов используются различные таблицы перекодировки. Важно, чтобы при кодировании и декодировании одного и того же текста использовалась одна и та же таблица.

Таблица перекодировки - таблица, содержащая упорядоченный некоторым образом перечень кодируемых символов, в соответствии с которой происходит преобразование символа в его двоичный код и обратно.

Исторически сложилось, что в качестве длины кода для кодирования символов было выбрано 8 бит или 1 байт. Поэтому чаще всего одному символу текста, хранимому в компьютере, соответствует один байт памяти.

Различных комбинаций из 0 и 1 при длине кода 8 бит может быть 28 = 256, поэтому с помощью одной таблицы перекодировки можно закодировать не более 256 символов. При длине кода в 2 байта (16 бит) можно закодировать 65536 символов.

вопрос №2 КЭШ память

Кэш-память – это высокоскоростная память произвольного доступа, используемая процессором компьютера для временного хранения информации. Она увеличивает производительность, поскольку хранит наиболее часто используемые данные и команды «ближе» к процессору, откуда их можно быстрее получить.

Кэш-память напрямую влияет на скорость вычислений и помогает процессору работать с более равномерной загрузкой. Представьте себе массу информации, используемой в школе. Небольшие объемы информации, необходимой в первую очередь, висят на стене над столом. Точно так же вы храните под рукой информацию по текущим урокам. Реже используемые справочники лежат на полке, рядом со столом. Литература, к которой вы обращаетесь совсем редко, занимает полки книжного шкафа.

Компьютеры хранят данные аналогично. Когда приложение начинает работать, данные и команды переносятся с медленного жесткого диска в оперативную память произвольного доступа, откуда процессор может быстро их получить. Оперативная память выполняет роль кэша для жесткого диска.

Существует два типа кэш-памяти: внутренняя (от 8 до 64 Кбайт) – размещается внутри процессора и внешняя ( от 256 Кбайт до 1Мбайт устанавливается на системной плате.

Хотя оперативная память намного быстрее диска, тем не менее и она не успевает за потребностями процессора. Поэтому данные, которые требуются часто, переносятся на следующий уровень быстрой памяти, называемой кэш-памятью второго уровня. Она может располагаться на отдельной высокоскоростной микросхеме статической памяти, установленной в непосредственной близости от процессора ( в новых процессорах кэш-память второго уровня интегрирована непосредственно в микросхему процессора.)

На более высоком уровне информация, используемая чаще всего, хранится в специальной секции процессора, называемой кэш-памятью первого уровня. Это самая быстрая память.

Процессор Pentium III имеет кэш-память первого уровня емкостью 32 Кбайт на микросхеме процессора и либо кэш-память второго уровня емкостью 256 Кбайт на микросхеме, либо кэш-память второго уровня емкостью 512 Кбайт, не интегрированную с процессором.

Когда процессору нужно выполнить команду, он сначала анализирует состояние своих регистров данных. Если необходимых данных в регистрах нет, он обращается к кэш-памяти первого уровня, а затем – кэш-памяти второго уровня. Если данных нет ни в одной кэш-памяти, процессор обращается к оперативной памяти. И только в том случае, если нужных данных нет и там, он считывает данные с жесткого диска.

Когда процессор обнаруживает данные в одном из КЭШей, это называют «попаданием», неудачу называет «промахом». Каждый промах вызывает задержку, поскольку процессор будет пытаться обнаружить данные на другом, более медленном уровне. В хорошо спроектированных системах с программными алгоритмами, которые выполняют предварительную выборку данных до того, как они потребуются, процент «попаданий» может достигать 90.

Частота промахов при обращении к кэш-памяти может быть значительно снижена за счет увеличения емкости КЭШа. Но большая кэш-память требует больше энергии, генерирует больше тепла и увеличивает число бракованных микросхем при производстве.

Один из способов обойти эти трудности – передача логики управления кэш-памятью от аппаратного обеспечения к программному.

Управляемая программным образом кэш-память сейчас существует лишь в исследовательских лабораториях.