Использование двоичной системы счисления в вычислительных машинах

Принципы фон Неймана. 1. Использование двоичной системы счисления в вычислительных машинах

1. Использование двоичной системы счисления в вычислительных машинах. Преимущество перед десятичной системой счисления заключается в том, что устройства можно делать достаточно простыми, арифметические и логические операции в двоичной системе счисления также выполняются достаточно просто.

2. Программное управление ЭВМ. Работа ЭВМ контролируется программой, состоящей из набора команд. Команды выполняются последовательно друг за другом. Созданием машины с хранимой в памяти программой было положено начало тому, что мы сегодня называем программированием.

4. Ячейки памяти ЭВМ имеют адреса, которые последовательно пронумерованы. В любой момент можно обратиться к любой ячейке памяти по ее адресу. Этот принцип открыл возможность использовать переменные в программировании.

5. Возможность условного перехода в процессе выполнения программы. Не смотря на то, что команды выполняются последовательно, в программах можно реализовать возможность перехода к любому участку кода.

Самым главным следствием этих принципов можно назвать то, что теперь программа уже не была постоянной частью машины (как например, у калькулятора). Программу стало возможно легко изменить. А вот аппаратура, конечно же, остается неизменной, и очень простой.

Для сравнения, программа компьютера ENIAC (где не было хранимой в памяти программы) определялась специальными перемычками на панели. Чтобы перепрограммировать машину (установить перемычки по-другому) мог потребоваться далеко не один день. И хотя программы для современных компьютеров могут писаться годы, однако они работают на миллионах компьютеров после несколько минутной установки на жесткий диск.

Источник

Использование двоичной системы счисления в вычислительных машинах.

3. Память компьютера используется не только для хранения данных, но и программ. При этом и команды программы и данные кодируются в двоичной системе счисления, т.е. их способ записи одинаков. Поэтому в определенных ситуациях над командами можно выполнять те же действия, что и над данными. Первоначально программа задавалась путем установки перемычек на специальной коммутационной панели. Это было весьма трудоемким занятием. Нейман первым догадался, что программа может также храниться в виде набора нулей и единиц, причем в той же самой памяти, что и обрабатываемые ею числа. Отсутствие принципиальной разницы между программой и данными дало возможность ЭВМ самой формировать для себя программу в соответствии с результатами вычислений.

Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру, которая воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ. Основными блоками по Нейману являются устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ) (обычно объединяемые в центральный процессор), память, внешняя память, устройства ввода и вывода.

2.Конфігурація комп”ютера. Які варіанти конфігурації вам відомі?

Конфигурация компьютера — особенности конструкции компьютерa, включая архитектуру, состав и характеристики основных составных частей и вспомогательных (периферийных) средств, а также организацию связей между ними. Характер конфигурации персональных компьютеров, как при их проектировании, так и выборе, определяется составом и сложностью задач, на которые они рассчитаны, включая требования, предъявляемые соответствующими средствами программного обеспечения.

Понятие «минимальная конфигурация персонального компьютера обычно связывается с конкретным типом центрального процессора, стандартными или минимальными для него размерами внутренней и внешней памяти, клавиатурой и монитором. Изменение конфигурации компьютера, связанное с заменой устаревших компонентов и расширением возможностей называется модернизацией (апгрейдом). Повышение производительности системы может достигаться и за счет искусственного увеличения тактовой частоты микропроцессоров (центрального и/или других) — «разгона» (оверклокинга).

1. 3. Конструкція і основні типи пристроїв пам”яті. (бред)

2. 0.Памятью компьютера называется совокупность устройств для хранения программ, вводимой информации, промежуточных результатов и выходных данных.

1.Внутренняя память предназначена для хранения относительно небольших объемов информации при ее обработке микропроцессором.

1.1Энергонезависимой называется память, которая не стирается при выключении компьютера.

К энергонезависимой внутренней памяти относится постоянное запоминающее устройство (ПЗУ)1.1.2. Содержимое ПЗУ устанавливается на заводе-изготовителе и в дальнейшем не меняется. Эта память составлена из микросхем, как правило, небольшого объема. Обычно в ПЗУ записываются программы, обеспечивающие минимальный базовый набор функций управления устройствами компьютера. При включении компьютера первоначально управление передается программе из ПЗУ, которая тестирует компоненты компьютера и запускает программу-загрузчик операционной системы.

1.2.Энергозависимой называется память, которая стирается при выключении компьютера.

К энергозависимой внутренней памяти относятся оперативное запоминающее устройство (ОЗУ)123, видеопамять124 и кэш—память125. В оперативном запоминающем устройстве в двоичном виде запоминается обрабатываемая информация, программа ее обработки, промежуточные данные и результаты работы. ОЗУ обеспечивает режимы записи, считывания и хранения информации, причём в любой момент времени возможен доступ к любой произвольно выбранной ячейке памяти. Доступ к этой информации в ОЗУ осуществляется очень быстро. Эта память составлена из сложных электронных микросхем и расположена внутри корпуса компьютера. Часть оперативной памяти отводится для хранения изображений, получаемых на экране монитора, и называется видеопамять. Чем больше видеопамять, тем более сложные и качественные картинки может выводить компьютер. Высокоскоростная кэш-память служит для увеличения скорости выполнения операций компьютером и используется при обмене данными между микропроцессором и ОЗУ. Кэш-память является промежуточным запоминающим устройством (буфером). Существует два вида кэш-памяти: внутренняя, размещаемая внутри процессора и внешняя, размещаемая на материнской плате.

2.Внешняя память предназначена для длительного хранения больших объемов информации независимо от того включен или выключен компьютер. Внешняя память может быть с произвольным доступом и последовательным доступом.

2.1Устройства памяти с произвольным доступом позволяют получить доступ к произвольному блоку данных примерно за одно и то же время доступа. Выделяют следующие основные типы устройств памяти с произвольным доступом:

1. Накопители на жёстких магнитных дисках (винчестеры, НЖМД).

2. Накопители на гибких магнитных дисках (флоппи-дисководы, НГМД).

3. Оптические диски (СD-ROM— Compact Disk Read Only Memory).

1.2Устройства памяти с последовательным доступом позволяют осуществлять доступ к данным последовательно, т.е. для того, чтобы считать нужный блок памяти, необходимо считать все предшествующие блоки. Среди устройств памяти с последовательным доступом выделяют:

1. Накопители на магнитных лентах (НМЛ).

2. Перфокарты – карточки из плотной бумаги и перфоленты – катушки с бумажной лентой, на которых информация кодируется путем пробивания (перфорирования) отверстий. Для считывания данных применяются устройства последовательного доступа. В настоящее время данные устройства морально устарели и не применяются.

4.Виртуа́льная па́мять — технология управления памятью ЭВМ, разработанная для многозадачных операционных систем. При использовании данной технологии для каждой программы используются независимые схемы адресации памяти, отображающиеся тем или иным способом на физические адреса в памяти ЭВМ. Позволяет увеличить эффективность использования памяти несколькими одновременно работающими программами, организовав множество независимых адресных пространств, и обеспечить защиту памяти между разными приложениями. Также позволяет программисту использовать больше памяти, чем установлено в компьютере, за счет откачки неиспользуемых страниц на вторичное хранилище.

При использовании виртуальной памяти упрощается программирование, так как программисту больше не нужно учитывать ограниченность памяти, или согласовывать использование памяти с другими приложениями. Для программы выглядит доступным и непрерывным все допустимое адресное пространство, вне зависимости от наличия в ЭВМ соответствующего объема ОЗУ.

Применение механизма виртуальной памяти позволяет:

5.Систе́мный блок — функциональный элемент, защищающий внутренние компоненты компьютера от внешнего воздействия и механических повреждений, поддерживающий необходимый температурный режим внутри, экранирующий создаваемые внутренними компонентами электромагнитное излучение и являющийся основой для дальнейшего расширения системы.

В системном блоке расположены:

6.Монито́р — устройство, предназначенное для визуального отображения информации. Современный монитор состоит из корпуса, блока питания, плат управления и экрана. Информация (видеосигнал) для вывода на монитор поступает с компьютера посредством видеокарты, либо с другого устройства, формирующего видеосигнал.

Дата добавления: 2015-04-21 ; просмотров: 12 ; Нарушение авторских прав

Источник

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Применение двоичной системы счисления удобно для программирования, так как позволяет легко различать два противоположных состояния. Например, есть ли пробивка на перфокарте или ее нет; записан ли сигнал на магнитной ленте или его нет. [1]

Применение двоичной системы счисления в электронных вычислительных машинах обусловлено возможностью создания элементов схем с двумя различными состояниями, например включено и выключено. Значит, машины могут работать по простому и очень надежному принципу: да или нет. [2]

Применение двоичной системы счисления позволяет иметь для представления каждого разряда числа физические элементы, обладающие только двумя устойчивыми состояниями и работающие по принципу да, нет, что значительно упрощает конструкцию арифметического и запоминающего устройств по сравнению с теми случаями, когда используются системы счисления с основанием, большим двух. [3]

Применение двоичной системы счисления в электронных вычислительных машинах объясняется сравнительной простотой реализации любого арифметического и логического действия, что вытекает из простоты представления чисел комбинацией лишь двух чисел. Для технического осуществления арифметических и логических операций в каждом разряде числа достаточно зафиксировать лишь два устойчивых состояния: включено, что соответствует единице, и выключено, что соответствует нулю, или наоборот. [4]

Применение двоичной системы счисления обеспечивает легкость выполнения машиной логических операций, имеющих двоичный характер. [7]

Вместе с тем применение двоичной системы счисления связано и с некоторыми неудобствами. Во-первых, следует отметить, что двоичное число имеет по сравнению с десятичной записью большее количество разрядов. [8]

В двоичной системе счисления, как и в десятичной, записываются только множители ( цифры) разрядов, Запись числа в двоичной системе значительно длиннее десятичной записи, однако применение двоичной системы счисления удобно потому, что для изображения числа в машине можно использовать надежные механизмы, имеющие два устойчивых состояния. [9]

В ЭВМ используются двоичная и шестнадцатеричная системы счисления. Применение двоичной системы счисления для обработки информации в ЭВМ позволяет упростить построение аппаратуры и облегчить проектирование машины. [10]

Кроме того, применение чисто двоичной системы счисления связано с трудностью чтения значения числа, требующего известного навыка; затруднительны расчеты, связанные с двоичным кодированием; становится невозможным применять существующие перфоленты из-за трудности записи двоичного числа поперек ее, так как количество разрядов у двоичного числа может быть велико. [15]

Источник

Особенности фон Неймановской архитектуры ЭВМ.

Особенности фон Неймановской архитектуры ЭВМ.

· Данные, подлежащие обработке, и команды кодированы одинаково. Информация кодировалась одинаково, но обрабатывалась по-разному.

· Сильная централизация управления.

· Неэффективное использование АЛУ.

· Однопрограммный последовательный режим отсутствия параллельны вычислений.

Принципы фон Неймана

Пост – фон Неймановская архитектура ЭВМ и её характеристики.

Многоуровневая архитектура ЭВМ.

Уровень 1: уровень Микроархитектуры

На этом уровне находятся совокупности 8 или 32 регистров, которые формируют локальную память и схему, называемую АЛУ (арифметико-логическое устройство).

АЛУ выполняет простые арифметические операции. Регистры вместе с АЛУ формируют тракт данных, по которому поступают данные. Тракт данных работает следующим образом. Выбирается один или два регистра, АЛУ производит над ними какую-либо операцию, например сложения, после чего результат вновь помещается в один из этих регистров.

На некоторых машинах работа тракта данных контролируется особой программой, которая называется микропрограммой. На других машинах тракт данных контролируется аппаратными средствами.

На машинах, где тракт данных контролируется программным обеспечением, микропрограмма — это интерпретатор для команд на уровне 2.

Микропрограмма вызывает команды из памяти и выполняет их одну за другой, используя при этом тракт данных. На компьютере с аппаратным контролем тракта данных происходит такая же процедура, но при этом нет программы, интерпретирующей команды уровня 2.

Уровень 2: уровень архитектуры набора команд

Уровень 2 мы будем называть уровнем архитектуры набора команд. Каждый производитель публикует руководство для компьютеров, которые он продает, под названием «Руководство по машинному языку X», «Принципы работы компьютера У» и т. п. Подобное руководство содержит информацию именно об этом уровне. Описываемый в нем набор машинных команд в действительности выполняется микропрограммой-интерпретатором или аппаратным обеспечением. Если производитель поставляет два интерпретатора для одной машины, он должен издать два руководства по машинному языку, отдельно для каждого интерпретатора.

Уровень 4: уровень Ассемблера

Уровень 4 представляет собой символическую форму одного из языков более низкого уровня. На этом уровне можно писать программы в приемлемой для человека форме. Эти программы сначала транслируются на язык уровня 1, 2 или 3, а затем интерпретируются соответствующей виртуальной или фактически существующей машиной. Программа, которая выполняет трансляцию, называется ассемблером.

Структура памяти ЭВМ.

общем случае память современной ЭВМ включает в себя следующие иерархические уровни:

· Сверхоперативная память (СОП), которая называется еще местной памятью.

· Кэш-память, которая обычно отсутствует в простейших процессорных устройствах. В более сложных ЭВМ кэш имеет несколько уровней, причем кэш верхнего уровня всегда находится в кристалле процессора.

· Оперативная (основная) память (ОП) или оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), а также системное ПЗУ, объединенное с ОЗУ общим полем адресов.

· Память с прямым доступом на магнитных дисках.

· Память с последовательным доступом на магнитных лентах.

Устройства перечислены в порядке убывания быстродействия и увеличения объема.

Использование кэш-памяти

Организация дисковых массивов (RAID)

Если просто объединить несколько дисков в (неизбыточный) массив, то среднее время между отказами (СВМО) будет равно СВМО одного диска, деленному на количество дисков. Такой показатель слишком мал для приложений, критичных к аппаратным сбоям. Улучшить его можно применяя реализуемую различным образом избыточность при хранение информации.

Стековая организация памяти

Механизм стековой адресации поясняется на рис.8.4.

Таблица страниц виртуальной памяти и её характеристика.

Номер виртуальной страницы используется в качестве индекса внутри таблицы страниц, который нужен для поиска записи для этой виртуальной страницы. Из записи в таблице страниц берется номер страничного блока. Номер страничного блока присоединяется к старшим битам смещения, заменяя собой номер виртуальной страницы, чтобы сформировать физический адрес, который может быть послан к памяти.

Таким образом, предназначение таблицы страниц заключается в отображении виртуальных страниц на страничные блоки. С математической точки зрения таблица страниц — это функция, в которой в качестве аргумента выступает номер виртуальной страницы, а результатом является номер физического блока. При использовании результата этой функции поле виртуальной страницы в виртуальном адресе можно заменить полем страничного блока, формируя таким образом адрес физической памяти.

Виртуальный адрес

Page Global Directory(далее —PGD) — таблица (здесь и далее — то же самое, что директория) самого высокого уровня, каждая запись в ней — ссылка наPage Middle Directory(PMD), записи которой, в свою очередь, ссылаются на таблицуPage Table Entry(PTE). Записи вPTEссылаются на реальные физические адреса, а также хранят флаги состояния страницы.

То есть, при трёхуровневой иерархии памяти виртуальный адрес будет выглядеть так:

Значения полей PGD, PMD и PTE — это индексы в соответствующих таблицах (то есть сдвиги от начала этих таблиц), а offset — это смещение адреса от начала страницы.

В зависимости от архитектуры и режима страничной адресации, количество битов, выделяемых для каждого из полей, может отличаться. Кроме того, сама страничная иерархия может иметь число уровней, отличное от трёх: например, на x86 нет PMD.

Размер страницы

В реальных (то есть не в учебных) системах используются страницы от 512 байт до 64 килобайт.

Чаще всего размер страницы определяется архитектурой и является фиксированным для всей системы, например — 4 KiB.

С одной стороны, при меньшем размере страницы память меньше фрагментируется. Ведь наименьшая единица виртуальной памяти, которая может быть выделена процессу — это одна страница, а программам очень редко требуется целое число страниц. А значит, в последней странице, которую запросил процесс, скорее всего останется неиспользуемая память, которая, тем не менее, будет выделена, а значит — использована неэффективно.

С другой стороны, чем меньше размер страницы, тем больше размер страничных таблиц. Более того, при отгрузке на HDD и при чтении страниц с HDD быстрее получится записать несколько больших страниц, чем много маленьких такого же суммарного размера.

АЛУ и его характеристика.

АЛУ – одна из основных функциональных частей процессора, осуществляющая непосредственное преобразование информации.

Все операции, выполняемые в АЛУ, можно разделить на следующие группы:

¨ операции двоичной арифметики для чисел с фиксированной точкой;

¨ операции двоичной (шестнадцатеричной) арифметики для чисел с плавающей точкой;

¨ операции десятичной арифметики над числами, представленными в двоично-десятичном коде;

¨ операции адресной арифметики (при модификации адресов команд);

¨ операции специальной арифметики (нормализация, сдвиг);

¨ операции над алфавитно-цифровыми полями.

Для выполнения перечисленных операций в АЛУ включают следующие функциональные узлы:

¨ сумматор (для выполнения суммирования и других действий над кодами операндов);

¨ регистры (для хранения кодов операндов на время выполнения действия над ними);

¨ сдвигатели (для сдвига кода на один или несколько разрядов вправо или влево);

¨ преобразователи (для преобразования прямого кода числа в обратный или дополнительный);

¨ комбинационные схемы (для реализации логических операций, мультиплексирования данных, управляемой передачи информации, формирования признаков результата).

Регистры и в некоторых случаях сумматоры имеют цепи управления приемом, выдачей и сбросом кодов операндов. Логические операции, операции сдвига и преобразования кодов могут выполняться не только специальными устройствами, но и с помощью дополнительных связей регистров и сумматора.

Центральной частью является сумматор.

Сумматор параллельный, если операция сложения выполняется одновременно для всех цифр во всех разделах всех чисел.

Сумматор последовательный, если операция сложения выполняется только с цифрами одного разряда.

Структура алу

Обобщенная структурная схема АЛУ (рис. 7.1) включает:

— блок регистров для приема и размещения операндов и результатов;

— операционный блок, в котором осуществляется преобразование операндов в соответствии с реализуемыми алгоритмами;

— схемы контроля, обеспечивающие непрерывный оперативный контроль и диагностирование ошибок;

— блок управления (БУ), в котором после приема кода операции (КОП) из центрального устройства управления формируются управляющие сигналы (УС), координирующие взаимодействие всех узлов АЛУ между собой и с другими блоками процессора.

Блок регистров связан с РОН центрального процессора и кэш-памятью данных.

Иногда АЛУ не содержит своего БР, в этом случае операционный блок непосредственно работает с регистрами общего назначения процессора. Для оперативного управления выполнением операции в ОБ на разных этапах анализируется преобразуемая информация и формируются сигналы признаков (флаги), которые используются в БУ для выработки и посылки в процессор сигнала признака результата (ПРез).

Для оценки АЛУ используются следующие характеристики: множество выполняемых операций, разрядность, время выполнения операций, надежностные и энергетические характеристики.

Быстродействие АЛУ.

Быстродействие АЛУ во многом определяет производительность процессора. Причем важна не только частота тактового сигнала, которым тактируется АЛУ, но и количество тактов, необходимое для выполнения той или иной команды. Для повышения производительности разработчики стремятся довести время выполнения команды до одного такта, а также обеспечить работу АЛУ на возможно более высокой частоте. Один из путей решения этой задачи состоит в уменьшении количества выполняемых АЛУ команд, создание процессоров с уменьшенным набором команд (так называемые RISC-процессоры). Другой путь повышения производительности процессора — использование нескольких параллельно работающих АЛУ.
Что касается операций над числами с плавающей точкой и других специальных сложных операций, то в системах на базе первых процессоров их реализовали последовательностью более простых команд, специальными подпрограммами, однако затем были разработаны специальные вычислители — математические сопроцессоры, которые заменяли основной процессор на время выполнения таких команд. В современных микропроцессорах математические сопроцессоры входят в структуру как составная часть.

Методы повышения быстродействия:

Одним из таких методов является реализация принципа локального параллелизма. Суть этого принципа – в распараллеливании во времени алгоритма выполняемой отдельно команды на ряд независимых этапов и их реализации на различных операционных блоках АЛУ.

Второй хорошо известный метод – конвейерная обработка. Операционный блок разделяется на несколько частей – уровней конвейера. На каждой ступени выполняется определенная стадия операции (например, считывание операндов, сравнение порядков чисел, сложение мантисс чисел и так далее). Совмещение стадий выполнения нескольких операций на различных ступенях конвейера приводит к тому, что реализация следующей операции начинается до окончания предыдущей. Это значительно увеличивает быстродействие операционного блока.

Другой способ сокращения длительности выполнения многотактных операций – использование эффективных алгоритмов. При использовании таких алгоритмов сочетается использование быстродействующих блоков, одновременно анализа нескольких разрядов операндов и реализация конвейерного метода обработки.

Наиболее новый способ увеличения быстродействия всех блоков процессора ЭВМ – введение векторных операций – операций над упорядоченными массивами данных (в суперЭВМ векторные операции появились давно, в связи с чем в составе процессоров появилась специализация устройств по типам операндов – скалярные и векторные).

Задание формата микрокоманд.

Рассмотрим формат управляющей МК.

Формат МК включает пять полей:

См фото лекций

Мультипроцессорные системы

Если запрашиваемые данные находятся в кэше, то не произойдет обращения к шине. Если размер кэш-памяти достаточно велик, вероятность успеха (коэффициент кеш-попаданий, hit rate) велика и трафик на шине снижается, позволяя включить в систему большее количество процессоров.

Однако очевидно, что введение кэша порождает проблему несогласованности памяти. Изменение данных в памяти одним процессором должно каким-то образом синхронизироваться с кэшем всех процессоров.

Достоинство узловых коммутаторов также и в том, что к памяти могут одновременно получить доступ несколько процессоров (естественно не любые комбинации допустимы).

Мультикомпьютерные системы

Наибольшее число существующих в настоящее время распределенных систем построено по схеме гетерогенных мультикомпьютерных. Это означает, что компьютеры, являющиеся частями этой системы, могут быть крайне разнообразны, например, по типу процессора, размеру памяти и производительности каналов ввода-вывода.

Другим примером гетерогенности является создание крупных мультикомпьютерных систем с использованием существующих сетей и каналов. В глобальных системах различные станции могут, в свою очередь, соединяться общедоступными сетями, например сетевыми службами, предлагаемыми коммерческими операторами связи

В мультикомпьютерах каждый процессор имеет свою собственную память, к которой другие процессоры не могут получить прямой доступ (NORMA – NO-Rremote Memory Access). Программы на разных процессорах в мультикомпьютере взаимодействуют друг с другом с помощью примитивов send и receive, которые используются для передачи сообщений.

Все мультикомпьютеры сходны в одном: когда программа выполняет примитив send, процессор передачи данных получает уведомление и передает блок данных в целевую машину (воможно, после предварительного запроса и получения разрешения).

Мультикомпьютеры очень трудно нормально классифицировать. Однако можно выделить два наиболее общих типа: МРР и COW.

Массивно-параллельная система (на рисунке) – высокопроизводительная параллельная вычислительная система, создаваемая с использованием специализированных вычислительных модулей и систем связи.

Второй тип мультикомпьютеров – это системы COW (Cluster of Workstations – кластер рабочих станций) или NOW (Network of Workstations – сеть рабочих станций). Обычно кластер состоит из множества ПК или рабочих станций, соединенных посредством сетевых плат.

Особенности фон Неймановской архитектуры ЭВМ.

· Сильная централизация управления.

· Неэффективное использование АЛУ.

· Однопрограммный последовательный режим отсутствия параллельны вычислений.

Принципы фон Неймана

Источник