Ответы к Экзамену по архитектуре ЭВМ для ССУЗов

Подождите немного. Документ загружается.

Архитектура ЭВМ и Вычислительных систем

1. . Понятие архитектуры и структуры ЭВМ Архитектура

.фон Неймана

Архитектурой компьютера считается его представление на некотором общем уровне,

включающее описание пользовательских возможностей программирования, системы команд,

системы организации памяти и т.д. архитектура определяет принципы построения,

информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера:

процессора, оперативного запоминающего устройства, внешних ЗУ и периферийных

устройств. Общность архитектуры различных компьютеров обеспечивает их совместимость с

точки зрения пользователя.

Структура компьютера – совокупность его функциональных элементов и связей между

ними. Элементами могут быть самые различные устройства – от основных логических узлов

компьютера до простейших схем. Структура компьютера представляется в виде структурных схем,

с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации.

Архитектура фон Неймана

В основе построения большинства компьютеров лежат принципы, сформулированные в

1945 г. Американским ученым Джоном фон Нейманом.

1. Принцип программного управления. Из него следует. Что программа состоит из

набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за

другом в определенной последовательности. Выборка программы из памяти

осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр последовательно

увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды. Так

как команды расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется

выборка команд из последовательно расположенных ячеек памяти. Если после

выполнения команды следует перейти не к следующей, а к какой-то другой,

используют команды условного и безусловного переходов (ветвление), которые

заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащий следующую

команду. Выборка команд из памяти прекращается по достижении и выполнении

команды stop. Таким образом процессор выполняет программу автоматически

без участия человека.

2. Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же

памяти. Поэтому компьютер не различает, что храниться в данной ячейки памяти

– число, текст или команда. Над командами можно выполнять те же действия, что

и над данными. Это открывает ряд возможностей. Например, программа в

процессе выполнения также может подвергаться переработке, что позволяет

задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей (так в

программе организуется выполнение циклов и подпрограмм). Более того,

программы могут быть получены как результаты исполнения другой программы.

На этом принципе основаны методы трансляции – перевода программы с языка

программирования высокого уровня на язык конкретной машины.

3. Принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных

ячеек. Процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.

Отсюда следует возможность давать имена областям памяти так, чтобы к

запомненным в них значениям можно было обратиться или изменить их

значение с использованием присвоенных имен.

Компьютеры, построенные на Этих принципах относятся к типу фон-неймановских.

Существуют и другие классы компьютеров, отличающиеся от фон-неймановских. В них ,например,

может не выполняться прицип программного управления, т.е. они могут работать без счетчика

команд.

Архитектура ЭВМ и Вычислительных систем

2. . Организация классы архитектур ЭВМ Организация

функционирования ЭВМ с магистральной структурой

Архитектура «Звезда» здесь ЦУ соединено непосредственно с ВУ и управляет их

работой. (ранние модели машин).

Классическая архитектура фон Неймана. – одно арифметико-логическое устройство (АЛУ)

и одно устройство управления (УУ), через которое проходит поток команд (программа). Это

однопроцессорный компьютер. Вычислительная машина включает пять базовых компонент и

состоит из следующих типов устройств:

 Центральный процессор (ЦП, CPU),включающий АЛУ и УУ

 Запоминающие устройства, включающие ОП и внешние ЗУ

 Устройства ввода вывода – внешние (периферийные) устройства (ВУ)

Иерархическая структура – ЦУ соединено с периферийными процессорами,

управляющими в свою очередь контроллерами, к которым подключены группы ВУ

ЦУ

ВУ ВУ

ВУ

УВв ОЗУ УВыв

УВв

Программа и

данные

результат

ЦУ

ВУ

ВП

ВУ

АЛУ

УУ

ОЗУ

Процессор

КВВ

УВВ

ВЗУ

УВВ

ВЗУ

Архитектура ЭВМ и Вычислительных систем

Магистральная структура (общая шина) – процессор(ы) и блок(и) ОП взаимодействуют

между собой и с ВУ через внутренний канал, общий для всех устройств. (Машины DEC, ПЭВМ, IBM-

pc-совместимые)

К этому типу архитектуры относится также архитектура персонального компьютера:

функциональные блоки связаны здесь между собой общей шиной, называемой также системной

магистралью.

Физически магистраль представляет собой многопроводную линию с гнездами для

подключения электронных схем. Совокупность проводов магистрали разделяется на отдельные

группы – шину адреса, шину данных и шину управления.

Периферийные устройства подключаются к компьютеру через контроллеры – устройства

управления периферийными устройствами.

Контроллер – устройство, которое связывает периферийное оборудование и/или каналы

связи с ЦП, освобождая процессор от непосредственного управления функционированием

данного оборудования.

Все архитектурные элементы базируется на следующих схемных элементах и базовых

узлах:

 Память обычно использует возможности и свойства триггеров и его аналогов;

 Счетчик(регистр) адреса команд

 Сумматор



Дешифратор команд

магистраль

ЦП1 ЦП2 ОП1 ОП2 ВУ ВУ

Процессор

ОП

ВНУ

Контроллер

КПД Таймер

ВНУ

Контроллер

Архитектура ЭВМ и Вычислительных систем

3. . Базовые логические операции и схемы Таблицы

.истинности

Алгебра логики – это математический аппарат, с помощью которого записывают,

вычисляют, упрощают и преобразовывают логические высказывания.

Создателем алгебры логики является английский математик Джордж Буль (19 век), в

честь которого она названа булевой алгеброй высказываний.

Логическое высказывание – это любое повествовательное предложение, в отношении

которого можно однозначно сказать, истинно оно или ложно.

Например, предложение «6 – четное число» - высказывание, так как оно истинное.

Математический аппарат алгебры логики очень удобен для описания того, как функционируют

аппаратные средства компьютера, поскольку основной системой счисления в компьютере

является двоичная, в которой используются цифры 1 и 0, а значений логических переменных тоже

два: 1 и 0.

Логический элемент компьютера — это часть электронной логической схемы, которая

реализует элементарную логическую функцию.

Логическими элементами компьютеров являются электронные схемы И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ,

ИЛИ-НЕ и др. (называемые также вентилями), а также триггер. С помощью этих схем можно

реализовать любую логическую функцию, описывающую работу устройств компьютера. Работу

логических элементов описывают с помощью таблиц истинности.

Базовые логические элементы И, ИЛИ, НЕ

Схема И реализует конъюнкцию (логическое умножение) двух или более логических

значений.

Эл. схема

Таблица истинности

х y х и у

0 0 0

0 1 0

1 0 0

1 1 1

Единица на выходе схемы И будет тогда и только тогда, когда на всех входах будут

единицы. Когда хотя бы на одном входе будет нуль, на выходе также будет нуль. Связь между

выходом z этой схемы и входами х и у описывается соотношением z = х ^ у (читается как «х и у»).

Операция конъюнкции на функциональных схемах обозначается знаком & (читается как

«амперсэнд»), являющимся сокращенной записью английского слова and.

Схема ИЛИ реализует дизъюнкцию (логическое сложение) двух или более

логических значений.

Эл. схема

Таблица истинности

х y х или у

0 0 0

0 1 1

1 0 10

1 1 1



Архитектура ЭВМ и Вычислительных систем

Когда хотя бы на одном входе схемы ИЛИ будет единица, на ее выходе также будет

единица. Знак «1» на схеме — от устаревшего обозначения дизъюнкции как «>=!» (т.е. значение

дизъюнкции равно единице, если сумма значений операндов больше или равна 1). Связь между

выходом z этой схемы и входами х и у описывается соотношением z = х или у.

Схема НЕ (инвертор) реализует операцию отрицания.

Таблица истинности

х не х

0 1

1 0

Связь между входом х этой схемы и выходом можно записать соотношением Z = , где

х читается как «не х» или «инверсия. Если на входе схемы 0, то на выходе 1. Когда на входе 1 на

выходе 0.

S ИЛИ – НЕ

-Q

S ИЛИ – НЕ

Архитектура ЭВМ и Вычислительных систем

4. Логические узлы ЭВМ и их классификация

4.1. Триггер

Данное устройство – электронная схема, широко применяемая в регистрах компьютера

для запоминания одного разряда двоичного кода. Триггер имеет два устойчивых состояния, одно

из которых соответствует двоичной единице, а другое двоичному нулю.

Самый распространенный тип триггера – так называемый RS-триггер. Он имеет два

симметричных входа S и R и два симметричных выхода Q и –Q, причем выходной сигнал Q

является отрицанием сигнала –Q.

На каждый из двух входов могут подаваться

сигналы в виде кратковременных импульсов.

Наличие импульса считается единицей, а его

отсутствие нулем.

Возможные комбинации входных и

выходных значений:

1. Если на входы подать S=1, R=0, то не

зависимо от состояния на q верхнего вентиля

появится 0. После этого на входах нижнего вентиля

окажется R=0, Q=0 и –Q станет равным 1

2. S=00, R=1 =>Q=1, -q=0

3. Если одновременно подать оба 0, то

состояния выходов не меняются

4. Две единицы одновременно на выходы подавать нельзя

4.2. Полусумматор

При сложении логических чисел, образуется сумма в данном разряде, при этом

возможен перенос в старший разряд. Обозначим слагаемые, суму и перенос и рассмотрим

соответствующую данной операции таблицу:

Слагаемое Слагаемое Сумма Перенос

0 0 0 0

0 1 1 0

1 0 1 0

1 1 0 1

Из таблицы видно что перенос можно реализовать с помощью операции логического

умножения P=A&B

Значения суммы более всего совпадают с результатом логического сложения, за

исключением случая, когда на вход подаются две единицы, а на выходе должен получится ноль.

Нужный результат достигается, если результат логического сложения умножить на

инвертированный перенос. Таким образом, для определения суммы можно применить

выражение

Из этой формулы видно, что на выходе должен стоять элемент логического умножения,

который имеет два входа, на один из них подается результат логического сложения исходных

величин, а на второй результат инвертированного логического умножения. Данная схема

Архитектура ЭВМ и Вычислительных систем

называется полусумматором, так как реализует суммирование одноразрядных двоичных чисел

без учета переноса.

Архитектура ЭВМ и Вычислительных систем

5. . Системы счисления Правила перевода из одной

системы счисления в другую

Система счисления(далее СС) - совокупность приемов и правил для записи чисел

цифровыми знаками.

Наиболее известна десятичная СС, в которой для записи чисел используются цифры 0,1,:,9.

Способов записи чисел цифровыми знаками существует бесчисленное множество. Любая

предназначенная для практического применения СС должна обеспечивать:

o возможность представления любого числа в рассматриваемом диапазоне величин;

o единственность представления (каждой комбинации символов должна

соответствовать одна и только одна величина);

o простоту оперирования числами;

В зависимости от способов изображения чисел цифрами, системы счисления делятся на

непозиционные и позиционные. Непозиционной системой называется такая, в которой

количественное значение каждой цифры не зависит от занимаемой ей позиции в изображении

числа (римская система счисления). Позиционной системой счисления называется такая, в

которой количественное значение каждой цифры зависит от её позиции в числе (арабская

система счисления). Количество знаков или символов, используемых для изображения числа,

называется основанием системы счисления.

Позиционные системы счисления имеют ряд преимуществ перед непозиционными:

удобство выполнения арифметических и логических операций, а также представление больших

чисел, поэтому в цифровой технике применяются позиционные системы счисления.

Запись чисел может быть представлена в виде

где A(D) - запись числа A в СС D;

- символ системы, образующие базу.

По этому принципу построены непозиционные СС. В общем же случае системы

счисления: A(B)=a

+...+a

. Если положить, что B

=q*B

i-1

, а B

=1, то получим позиционную

СС. При q=10 мы имеем дело с привычной нам десятичной СС.

На практике также используют другие СС:

Каждая СС имеет свои правила арифметики (таблица умножения, сложения). Поэтому,

производя какие-либо операции над числами, надо помнить о СС, в которой они представлены.

Если основание системы q превышает 10, то цифры, начиная с 10, при записи обозначают

прописными буквами латинского: A,B,...,Z. При этом цифре 10 соответствуею знак 'A', цифре 11 -

знак 'B' и т.д. В таблице ниже приводятся десятичные числа от 0 до 15 и их эквивалент в различных

СС:

В позиционной СС число можно представить через его цифры с помощью следующего

многочлена относительно q: A=a

+...+a

(1) Выражение (1) формулирует правило для

вычисления числа по его цифрам в q-ичной СС. Для уменьшения количества вычислений

пользуются т.н. схемой Горнера. Она получается поочередным выносом q за скобки: A=(...

((a

*q+a

n-1

)*q+a

n-2

)*q+...)*q+a

результат вычисления многочлена будет всегда получен в той

системе счисления, в которой будут представлены цифры и основание и по правилам которой

будут выполнены операции.

Правила перевода целых чисел

Результатом является целое число.

Архитектура ЭВМ и Вычислительных систем

1. Из десятичной системы счисления - в двоичную и шестнадцатеричную:

o исходное целое число делится на основание системы счисления, в которую

переводится (2 или 16); получается частное и остаток;

o если полученное частное не делится на основание системы счисления так, чтобы

образовалась целая часть, отличная от нуля, процесс умножения прекращается,

переходят к шагу в). Иначе над частным выполняют действия, описанные в шаге а);

o все полученные остатки и последнее частное преобразуются в соответствии с

таблицей в цифры той системы счисления, в которую выполняется перевод;

o формируется результирующее число: его старший разряд - полученное последнее

частное, каждый последующий младший разряд образуется из полученных

остатков от деления, начиная с последнего и кончая первым. Таким образом,

младший разряд полученного числа - первый остаток от деления, а старший -

последнее частное.

2. Из двоичной и шестнадцатеричной систем счисления - в десятичную. В этом случае

рассчитывается полное значение числа по формуле.

3. Из двоичной системы счисления в шестнадцатеричную:

o исходное число разбивается на тетрады (т.е. 4 цифры), начиная с младших

разрядов. Если количество цифр исходного двоичного числа не кратно 4, оно

дополняется слева незначащими нулями до достижения кратности 4;

o каждая тетрада заменятся соответствующей шестнадцатеричной цифрой в

соответствии с таблицей

4. Из шестнадцатеричной системы счисления в двоичную:

o каждая цифра исходного числа заменяется тетрадой двоичных цифр в

соответствии с таблицей. Если в таблице двоичное число имеет менее 4 цифр, оно

дополняется слева незначащими нулями до тетрады;

o незначащие нули в результирующем числе отбрасываются.

Архитектура ЭВМ и Вычислительных систем

6. , Кодирование графической символьной и

звуковой информации

Исторически первой технологической формой получения, передачи, хранения

информации являлось аналоговое (непрерывное) представление звукового, оптического или

другого сигнала.

Аналогово-цифровое (дискретное) преобразование – заключается в формировании

последовательностей n-разрядных двоичных слов, представляющие с заданной точностью

аналоговые сигналы. Для выполнения этого преобразования в начале осуществляется

квантование аналогового сигнала. В результате преобразования получается дискретный сигнал.

Наименьшее изменение аналогового сигнала, которое регистрируется устройством,

осуществляющим преобразование, называется разрешением.

АЦП чаще всего изготавливают в виде интегральных схем. В необходимых случаях

осуществляется обратное преобразование.

Дискретный сигнал – сигнал, имеющий конечное

(обычно небольшое) число значений. Практически всегда

цифровой сигнал имеет два или три значения.

В цифровых системах используют двоичные сигналы,

имеющие значения «+» и «-». Вместе с тем, при передаче данных в

большинстве случаев применяется троичный сигнал со

значениями (+), (-), (0). В такой системе «единица» представляется

отсутствием сигнала, в то время, как «ноль» характеризуется

положительным либо отрицательным сигналом. При этом

полярность импульсов, представляющей нули должна

чередоваться, т.е. за положительным импульсом должен

следовать отрицательный и наоборот. Дискретные сигналы

помехоустойчивы, легко восстановить форму.

Рассмотрим пример кодирования звука на примере Audio CD,

знакомом многим. В этом случае звуковой сигнал сначала преобразуется в

дискретную аппроксимацию(многоуровневый ступенчатый сигнал) при этом

происходит квантование во времени, которое заключается в измерении в

дискретные промежутки времени необходимого параметра аналогового

сигнала. Кроме того осуществляется квантование по амплитуде сигнала.

Элемент разбиения этого сигнала именуют квантом. При квантовании

аналогового сигнала происходит округление его значений до некоторой

заданной фиксированной величины, именуемой уровнем. Расстояние

между соседними уровнями именуется шагом. Из-за округления

квантование всегда связанно с определенным искажением сигнала.

Уменьшение искажения требует увеличения числа уровней квантования и

уменьшение шага квантования.

Кодирование графической информации

Любой цвет можно представить в виде трех основных цветов: красного, зеленого и

синего. В связи с этим цвета кодируются с помощью трех байтов. Первый отвечает за красный

цвет, второй – за зеленый, а третий - за синий. Чем больше значения байта цветовой

составляющей, тем выше яркость этого цвета. Задавая любые значения от 0 до 255 для каждого

из байтов, можно закодировать любой из 16.5 млн. цветов.

При кодировании изображение разбивается на точки (пиксели). Чем больше количество

таких точек, тем выше качество изображения. Когда рисунок разбит на точки, тогда можно,

двигаясь по строкам, закодировать цвет каждой точки. В некоторых форматах кроме трех