Пачкин С.Г. Вычислительные машины, системы и сети

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 9. Восстановление исходного сигнала с помощью

интерполирования

Для преобразования звуковой информации в цифровую

форму используют аппаратное средство - аналого-цифровые

преобразователи (АЦП). Для вывода оцифрованного звука на

аудиоустройства используют аппаратное средство - цифро-

аналоговые преобразователи (ЦАП).

Представление (кодирование) видео информации

В наиболее общем и простом случае видеоданные могут

быть представлены в цифровом виде как последовательность

сменяющих друг друга с определенной скоростью графических

образов, соответствующих содержанию видеоряда. Например,

стандарт SIF представляет видеосигнал 30 кадрами в секунду с

разрешением каждого кадра 352x240 пикселей, а урезанный

формат PAL/SECAM – 25 кадров в секунду с разрешением

35x×288 пикселей (полноценный стандарт PAL/SECAM имеет

параметры в 4 раза больше).

Типичный размер кадра для DVD-фильма в видеостандарте

PAL/SECAM составляет 720x576 пикселей при 25 кадрах в се-

кунду и 640x480 пикселей при 30 кадрах в секунду в стандарте

NTSC.

Очевидно, что представление видеоданных связано с про-

блемой аналогичной той, которая возникает при представлении

звуковых данных – большим объемом хранимой информации.

Для разрешения этой проблемы при оцифровке видео ис-

пользуются алгоритмы сжатия (кодирования) видеоданных. При

кодировании исходного видеоизображения кодек (программа

сжатия) выявляет и сохраняет ключевые кадры, на которых про-

исходит смена сюжета. А вместо сохранения промежуточных

кадров прогнозирует и сохраняет лишь информацию об измене-

ниях в текущем кадре по отношению к предыдущему.

Наиболее известными алгоритмами сжатия является семей-

ство алгоритмов MPEG (MPEG 1, MPEG 2, MPEG 4)

1.4 Программно-технические принципы построения ЭВМ

Современные ЭВМ строятся на одном принципе – принци-

пе программного управления. В основе принципа программного

управления лежит представление алгоритма в форме оператор-

ной схемы, которая задает правило вычислений, как компози-

цию операторов (операций над информацией) двух типов: опе-

раторов, обеспечивающих преобразование информации, и опе-

раторов, анализирующих информацию с целью определения по-

рядка выполнения операторов. Реализация этого принципа в

различных ЭВМ может быть разной. Используемый в современ-

ных компьютерах принцип программного управления был пред-

ложен в 1945 году Дж. фон Нейманом, и с тех пор неймановский

принцип программного управления используется в качестве ос-

новного принципа построения ЭВМ.

1.4.1 Принцип программного управления (Принцип Джон

фон Неймана)

Янош Лайош Нейман родился 28 декабря

1903 в Будапеште, работал в Германии, а затем

по приглашению Принстонского университета

выехал в Соединённые Штаты Америки, где

он остался навсегда. Позже, после переселения

в 1930-х годах в США, его имя на английский

манер изменилось на Джон.

Архитектура фон Неймана — широко известный принцип

совместного хранения программ и данных в памяти компьюте-

ра. Вычислительные системы такого рода часто обозначают

термином «Машина фон Неймана», однако, соответствие этих

понятий не всегда однозначно. В общем случае, когда говорят

об архитектуре фон Неймана, подразумевают физическое от-

деление процессорного модуля от устройств хранения про-

грамм и данных.

Наличие жёстко заданного набора исполняемых команд и

программ было характерной чертой первых компьютерных сис-

тем. Сегодня подобный дизайн применяют с целью упрощения

конструкции вычислительного устройства. Так, настольные

калькуляторы, в принципе, являются устройствами с фиксиро-

ванным набором выполняемых программ. Их можно использо-

вать для математических расчётов, но невозможно применить

для обработки текста и компьютерных игр, для просмотра гра-

фических изображений или видео. Изменение встроенной про-

граммы для такого рода устройств требует практически полной

их переделки, и в большинстве случаев невозможно. Впрочем,

перепрограммирование ранних компьютерных систем всё-таки

выполнялось, однако требовало огромного объёма ручной рабо-

ты по подготовке новой документации, перекоммутации и пере-

стройки блоков и устройств и т. п.

Всё изменила идея хранения компьютерных программ в

общей памяти. Ко времени её появления использование архи-

тектур, основанных на наборах исполняемых инструкций, и

представление вычислительного процесса как процесса выпол-

нения инструкций, записанных в программе, чрезвычайно уве-

личило гибкость вычислительных систем в плане обработки

данных. Один и тот же подход к рассмотрению данных и инст-

рукций сделал лёгкой задачу изменения самих программ.

Принцип Джон фон Неймана включает следующие по-

ложения:

Принцип двоичного кодирования

Согласно этому принципу, вся информация, поступающая в

ЭВМ, кодируется с помощью двоичных сигналов и разделяется

на единицы (элементы) информации, называемые словами.

Слово обрабатывается в ЭВМ как одно целое - как машин-

ный элемент информации.

Принцип программного управления

Из него следует, что программа состоит из набора команд,

которые выполняются процессором автоматически друг за дру-

гом в определенной последовательности.

Программа - алгоритм, представленный в терминах машин-

ных команд.

Команда (инструкция) - управляющие слова, которые опре-

деляет наименование операции и слова информации, участвую-

щие в операции.

Принцип однородности памяти

Программы и данные выглядят совершенно одинаково, са-

ми по себе неразличимы и хранятся в одной и той же памяти.

Только порядок использования слов в программе вносит в них

различия.

Таким образом, ЭВМ не различает, что хранится в данной

ячейке памяти - число, текст или команда. И поэтому над ко-

мандами можно выполнять такие же действия, как и над данны-

ми.

Принцип адресности

Структурно основная память состоит из пронумерованных

ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна

любая ячейка.

Согласно фон Нейману, ЭВМ состоит из следующих основ-

ных блоков (Рис. 10):

- арифметическо-логическое устройство (АЛУ), выпол-

няющее арифметические и логические операции;

- устройство управления (УУ), которое организует процесс

выполнения программ;

- оперативно-запоминающее устройство (ОЗУ) или память

для хранения программ и данных, которое состоит из про-

нумерованных ячеек, легко доступных для других уст-

ройств компьютера;

- внешнее устройство (ВУ) для ввода-вывода информации.

Рис. 10. Структурная схема машина фон Неймана

Последовательность работы устройств при выполнении

программы:

Шаг 1 - Сначала с помощью внешнего устройства в память

компьютера вводится программа, адрес первой коман-

ды (начала программы) передаётся в УУ;

Шаг 2 - устройство управления по указанному адресу считывает

содержимое ячейки памяти, где находится команда (ин-

струкция) программы и передаёт её АЛУ;

Шаг 3 - арифметическо-логическое устройство организует вы-

полнение полученной команды (инструкции): арифме-

тические или логические операции, чтение данных с

внешних устройств или из памяти, вывод данных на

внешние устройства или запись в память;

Шаг 4 - переход на следующую (или заданную) ячейку памяти,

т.е. адрес текущей команды увеличивается на длину

только что выполненной команды илинепосредственно

изменяется логической командой;

Шаг 5 - Если команда не была последней, то происходит повто-

рение предыдущих шагов, начиная со 2-го.

Таким образом может быть организовано автоматическое

(без вмешательства человека) выполнение всех команд про-

граммы. Затем результаты выполненной программы должны

быть выведет на внешние устройства (экран дисплея, листы бу-

АЛУ УУ ВУ

ОЗУ

Процессор

- Линии передачи данных

- Линии управления

маги принтера или внешняя память), и компьютер переходит в

режим ожидания сигналов внешних устройств.

1.4.2 Развитие структурной схемы ЭВМ по поколениям

Уже в первых ЭВМ для увеличения их производительности

широко применялось совмещение операций. При этом последо-

вательные фазы выполнения отдельных команд программы

(формирование адресов операндов, выборка операндов, выпол-

нение операции, отсылка результата) выполнялись отдельными

функциональными блоками. Но не смотря на это, все же первые

ЭВМ имели очень сильную централизацию управления, единые

стандарты форматов команд и данных, «жесткое» построение

циклов выполнения отдельных операций, что во многом объяс-

няется ограниченными возможностями используемой в них эле-

ментной базы. Центральное УУ обслуживало не только вычис-

лительные операции, но и операции ввода-вывода, пересылок

данных между ЗУ и др. Все это позволяло в какой-то степени

упростить аппаратуру ЭВМ, но значительно сдерживало рост

их производительности.

В ЭВМ второо поколения произошло усложнение структу-

ры за счет разделения процессов ввода-вывода информации и

процесса ее обработки (Рис. 11). Сильно связанные устройства

АЛУ и УУ получили название процессор. В структуре ЭВМ поя-

вились дополнительные устройства, которые стали называться:

процессоры ввода-вывода, устройства управления обмена ин-

формацией, каналы ввода-вывода (КВВ). Последние получили

наибольшее распространение применительно к большим ЭВМ.

Здесь наметилась тенденция к децентрализации управления и па-

раллельной работе отдельных устройств, что позволило резко

повысить быстродействие ЭВМ в целом.

Среди каналов ввода-вывода выделяли мультиплексные ка-

налы, способные обслуживать большое количество медленно ра-

ботающих устройств ввода-вывода (УВВ), и селекторные ка-

налы, обслуживающие в монопольных режимах скоростные

внешние запоминающие устройства (ВЗУ).

ОЗУ

АЛУ

УУ

КВВ

УВВ УВВ

ВЗУ ВЗУ

процессор

ОП

Вн

Контроллер

Вн

Контроллер

Процессор

КПД Таймер

Шина

Рис. 11. Структурная схема ЭВМ второго поколения

В машинах третьего и четвёртого поколений, произошло

дальнейшее изменение структуры (Рис. 12). Данная структура

широко применялась при построении мини-ЭВМ.

Рис. 12. Структурная схема ЭВМ третьего поколения

Соединение всех устройств в единую машину обеспечива-

ется с помощью общей шины, представляющей собой линии

передачи данных, адресов, сигналов управления и питания.

Единая система аппаратурных соединений значительно упро-

стила структуру, сделав ее еще более децентрализованной. Все

передачи данных по шине осуществляются под управлением

сервисных программ.

Ядро мини- и микро-ЭВМ образуют процессор и основная

память (ОП). Подключение всех внешних устройств (ВнУ): дис-

плея, клавиатуры, внешних ЗУ и др., обеспечивается через соот-

ветствующие контроллеры и адаптеры. Контроллеры играют

роль каналов ввода-вывода. В качестве особых устройств следу-

ет выделить таймер — устройство измерения времени и кон-

троллер прямого доступа к памяти (КПД) — устройство,

обеспечивающее доступ к ОП, минуя процессор.

1.4.3 Элементы структуры современных ЭВМ

Децентрализация построения и управления вызвала к жизни

такие элементы, которые являются общим стандартом структур

современных ЭВМ:

- модульность построения;

- магистральность (шины);

- иерархия управления.

Модульность построения предполагает выделение в

структуре ЭВМ автономных, функционально и конструктивно

законченных устройств (процессор, модуль памяти, накопитель

на жестком или гибком магнитном диске).

Модульная конструкция делает ЭВМ открытой системой,

способной к адаптации и совершенствованию. К ЭВМ можно

подключать дополнительные устройства, улучшая ее техниче-

ские и экономические показатели. Появляется возможность на-

ращивания вычислительной мощи, улучшения структуры путем

замены отдельных устройств на более совершенные, изменения

и управления конфигурацией системы, приспособления ее к

конкретным условиям применения в соответствии с требова-

ниями пользователей.

В современных ЭВМ принцип децентрализации и парал-

лельной работы распространен как на периферийные устройст-

ва, так и на сами ЭВМ (процессоры). Появились вычислитель-

ные системы (ВС), содержащие несколько вычислителей (ЭВМ

или процессоры), работающие согласованно и параллельно.

Внутри самой ЭВМ произошло еще более резкое разделение

функций между средствами обработки. Появились отдельные

специализированные процессоры, например сопроцессоры, вы-

полняющие обработку чисел с плавающей точкой, матричные

процессоры и др.

Все существующие типы ЭВМ выпускаются семействами,

в которых различают старшие и младшие модели. Всегда имеет-

ся возможность замены более слабой модели на более мощную.

Это обеспечивается информационной, аппаратной и программ-

ной совместимостью. Программная совместимость в семействах

устанавливается по принципу «снизу вверх», т.е. программы,

разработанные для ранних и младших моделей, могут обрабаты-

ваться и на старших, но не обязательно наоборот.

Модульность структуры ЭВМ требует стандартизации и

унификации оборудования, номенклатуры технических и про-

граммных средств, средств сопряжения — интерфейсов, конст-

руктивных решений, унификации типовых элементов замены,

элементной базы и нормативно-технической документации. Все

это способствует улучшению технических и эксплутационных

характеристик ЭВМ, росту технологичности их производства.

Децентрализация управления предполагает иерархическую

организацию структуры ЭВМ. Устройство управления глав-

ного, или центрального, процессора определяет лишь последо-

вательность работ подчиненных модулей и их инициализацию,

после чего они продолжают работу по собственным программам

управления. Результаты выполнения требуемых операций пред-

ставляются ими «вверх по иерархии» для правильной координа-

ции всех работ

Подчиненные модули (контроллеры, адаптеры, каналы вво-

да-вывода) могут в свою очередь использовать специальные

шины или магистрали для обмена информацией. Стандартиза-

ция и унификация привели к появлению иерархии шин и к их

специализации. Из-за различий в скоростях работы отдельных

устройств в структурах ПК появились:

• системная шина – для взаимодействия основных устройств;

• внешняя шина (локальная) – для подключения адаптеров

внешних быстродействующих устройств для ввода и вывода

информации;

• периферийная шина – для подключения «медленных» пери-

ферийных устройств.

Иерархический принцип построения и управления характе-

рен не только для структуры ЭВМ в целом, но и для отдельных

ее подсистем. Например, по этому же принципу строится систе-

ма памяти ЭВМ.

C точки зрения пользователя, желательно иметь в ЭВМ

оперативную память большой информационной емкости и вы-

сокого быстродействия. Однако одноуровневое построение па-

мяти не позволяет одновременно удовлетворять этим двум про-

тиворечивым требованиям. Поэтому память современных ЭВМ

строится по многоуровневому, пирамидальному принципу (Рис.

13):

Рис. 13. Иерархия многоуровневой организации памяти

1. В составе процессоров может иметься сверхоперативное

запоминающее устройство небольшой емкости, образованное

несколькими десятками или несколькими сотнями регистров с

быстрым временем доступа, составляющим один такт процессо-

ра (наносекунды, не). Здесь обычно хранятся данные, непосред-

ственно используемые в обработке. Такую память принято на-

зывать микропроцессорной памятью МПП.

2. Следующий уровень образует кэш-память, или память

блокнотного типа, представляющая собой буферное запоми-

нающее устройство для хранения активных страниц объемом

десятки и сотни Кбайтов. В современных ПК она в свою очередь

делится:

Ленточный но

тель

Оптический диск

Магнитный диск

Основная п

мять

Кэш

память

Регис

ры