Ответы на билеты по экзамену ВМС и СТК в МЭСИ

№1. Основные тенденции развития ЭВМ (состав и соотношение технических и программных средств, быстродействие, память, интеллектуальность)

Существуют три глобальных области применения ЭВМ:

1.     Автоматизация вычислений

2.     Применение ЭВМ в автоматизированных системах управления.

Новое направление потребовало изменение классической структуры фон Неймана.

Нужно было дополнительно автоматизировать сбор информации и распределение результатов. ЭВМ стали подключать к каналам связи запаралелевались процессы передачи и обработки информации. Появилась многогопрограмность, средства изменения времени, системы прерываний и приоритетов.

3.     Применение ЭВМ в личных целях для упрощения и сокращения рабочего времени.

4.     Решение задач искусственного интеллекта

 С процессом развития человечества выдвигаются постепенно новые и новые вычислительные задачи ( которые включают не только расчетные задачи), соответственно возрастает требование к ЭВМ Улучшения ее характеристик таких как память, быстродействие, интеллектуальность. Последнее особенно востребовано в больших автоматизированных системах управления. В настоящее время интеллектуальность реализуется путем использования совершенных программных средств. Постоянно возрастает повышенное требование к увеличению объема хранения информации. Современные программные средства требуют большого места как в оперативной памяти так и большого места на постоянных носителях информации. Тенденции развития ЭВМ возрастают с каждым годом. Прогресс развития ЭВМ, особенно в последние 10 лет, идет очень быстрыми этапами. За последние два года типы процессоров сменяются каждый полгода, увеличивается их производительность. Соответственно меняются объемы носителей информацию Буквально 1,5 года назад 3 гигабайта на жестких дисках считалась довольно внушительной цифрой, но сейчас эта цифра очень мала, т.к на смену приходят носители с размером от 15 до 25 гигабайт. Цены на различны компоненты да и на сами ЭВМ в сборе соответственно падают с разработкой более новых конфигураций. С такой скоростью прогресса производители программного обеспечения просто не поспевают и порой, программное обеспечение отстает от прогресса технических средств. Крупная корпорация Интел в последнее время стала задумываться, а не снизить ли темпы разработок новых поколений процессоров, до того как производители ПО догонят в полной мере технические средства.

№2 Классификация средств ЭВТ (понятие машинного парка, соотношение типов ЭВМ)

 Для различных типов задач нужна соответственно и различная вычислительная техника. Поэтому рынок компьютеров постоянно имеет широ­кую градацию классов и моделей ЭВМ. Фирмы-производители средств ВТ очень внимательно отслеживают состояние рынка ЭВМ. Они не просто кон­статируют отдельные факты и тенденции, а стремятся активно воздейство­вать на них и опережать потребности потребителей. Так, например, фирма IBM, выпускающая примерно 80% мирового машинного «парка», в настоя­щее время выпускает в основном четыре класса компьютеров, перекрывая ими широкий класс задач пользователей.

 - СуперЭВМ для решения крупномасштабных вычислительных задач, для обслуживания крупнейших информационных банков данных (150-200 штук).

- Большие ЭВМ для комплектования ведомственных, территориальных и региональных вычислительных центров. (2500)

- Средние ЭВМ широкого назначения для управления - сложными техно­логическими производственными процессами. ЭВМ этого типа могут использоваться и для управления распределенной обработкой инфор­мации в качестве сетевых серверов. (25000)

-     Персональные и профессиональные ЭВМ, позволяющие удовлетворять индивидуальные потребности пользователей. На базе этого класса ЭВМ строятся автоматизированные рабочие места (АРМ) для специалистов различного уровня. (миллионы)

-     Также в последнее время появилось понятие как сетевой компьютер. Он может иметь небольшое быстродействие. Но принцип вычислений строится на передачи данных по сети вычислительному компьютеру и получение уже готовых результатов.

Понятие машинного парка можно определить как совукупность различных типов ЭВМ внутри отдельного взятого комплекса (например страны).

№3 Обобщенная структура ЭВМ. Состав и назначение устройств. Принцип работы.

Основным принципом построения всех современных ЭВМ является программное управление. В основе его лежит представление алгоритма решения любой задачи в виде программы вычислений.

Классическая структура ЭВМ полностью соответствует последовательному методу выполнения команд программы и состоит из

 В любой ЭВМ имеются устройства ввода информации (УВв), с помощью которых пользователи вводят в ЭВМ программы решаемых задач и данные к ним.

При вычислении программа выполняет последовательность операций :

Устройство управления расшифровывает очередную команду и настраивает АЛУ на выполнение операции. Одновременно определяются адреса операндов, которые вызываются в АЛУ для обработки.

 Таким образом команда за командой обрабатываются программы. Результат обработки через ОЗУ отсылается в Увыв (с целью фиксации и представлению пользователю)

 Выполнение каждой команды осуществляется в несколько этапов:

-      Формирование адреса

-      Выборка из памяти команды

-      Расшифровка и выборка операндов

-      Выполнение операций

-      Отсылка результатов

За каждый этап отвечает определенный блок. Все современные машины имеют совмещение операций, при котором все блоки работают параллельно, одновременно.

При использования файла в вычислительном процессе его содержимое переноситься в ОЗУ. Затем программная информация команда за командой считывается в устройство управления (УУ). Устройство управления предназначается для автоматического выполнения программ путем принудительной координации всех остальных устройств ЭВМ. АЛУ выполняет арифметические и логические операции над данными. Оно каждый раз перенастраивается на выполнение очередной операции. Результаты выполнения отдельных операций сохраняются для последующего использования на одном из регистров АЛУ или записываются в память. Потом результаты вычислений подаются на устройства вывода информации(дисплей, принтер и т.д.)

В последующем сильно связанные устройства АЛУ и УУ получили название процессор, т.е. устройство для обработки данных. Совмещение операций позволяет значительно повесить быстродействие.

 Такой конвейер характерен для линейных участков программы. Команды ветвления (условного и безусловного переходов) прерывают конвейер, снижается быстродействие.

 В машинах Pentium для ликвидации разрывов используются блоки предсказания ветвлений и запуска двух конвейеров с последующем отсечением одного из них.

 В реальных вычислениях линейные участки программ занимают 10-30 команд.

 №4. Эволюция структур вычислительных машин. Кризис классической структуры ЭВМ.

Уже в первых ЭВМ для увеличения их производительности широко при­менялось совмещение операций. При этом последовательные фазы выполне­ния отдельных команд программы (формирование адресов операндов, вы­борка операндов, выполнение операции, отсылка результата) выполнялись отдельными функциональными блоками. В своей работе они образовывали своеобразный конвейер, а их параллельная работа позволяла обрабатывать различные фазы целого блока команд. Этот принцип получил дальнейшее развитие в ЭВМ следующих поколений. Но все же первые ЭВМ имели очень сильную централизацию управления, единые стандарты форматов команд и данных, «жесткое» построение циклов выполнения отдельных операций, что во многом объясняется ограниченными возможностями используемой в них элементной базы. Центральное УУ обслуживало не только вычислительные операции, но и операции ввода-вывода, пересылок данных между ЗУ и др. Все это позволяло в какой-то степени упростить аппаратуру ЭВМ, но сильно сдерживало рост их производительности.

В ЭВМ третьего поколения произошло усложнение структуры за счет разделения процессов ввода-вывода информации и ее обработки

Сильно связанные устройства АЛУ и УУ получили название процессор, т.е. устройство, предназначенное для обработки данных. В схеме ЭВМ по­явились также дополнительные устройства, которые имели названия: процессоры ввода-вывода, устройства управления обменом информацией, кана­лы ввода-вывода (КВВ). Последнее название получило наибольшее распрос­транение применительно к большим ЭВМ. Здесь наметилась тенденция к децентрализации управления и параллельной работе отдельных устройств, что позволило резко повысить быстродействие ЭВМ в целом.

Среди каналов ввода-вывода выделяли мультиплексные каналы, способ­ные обслуживать большое количество медленно работающих устройств вво­да-вывода (УВВ), и селекторные каналы, обслуживающие в многоканаль­ных режимах скоростные внешние запоминающие устройства (ВЗУ).

В персональных ЭВМ, относящихся к ЭВМ четвертого поколения, про­изошло дальнейшее изменение структуры (см рис.). Они унаследовали ее от мини-ЭВМ.

Соединение всех устройств в единую машину обеспечивается с помо­щью общей шины, представляющей собой линии передачи данных, адресов, сигналов управления и питания. Единая система аппаратурных соединений значительно упростила структуру, сделав ее еще более децентрализованной. Все передачи данных по шине осуществляются под управлением сервисных программ.

Ядро ПЭВМ образуют процессор и основная память (ОП), состоящая из оперативной памяти и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ). ПЗУ предназначается для записи и постоянного хранения наиболее часто исполь­зуемых программ управления. Подключение всех внешних устройств (ВнУ), дисплея, клавиатуры, внешних ЗУ и других обеспечивается через соответ­ствующие адаптеры - соглосователи скоростей работы сопрягаемых устройств или контроллеры - специальные устройства управления периферийной ап­паратурой. Контроллеры в ПЭВМ играют роль каналов ввода-вывода. В ка­честве особых устройств следует выделить таймер - устройство измерения времени и контроллер прямого доступа к памяти (КПД) - устройство, обес­печивающее доступ к ОП, минуя процессор.

Способ формирования структуры ПЭВМ является достаточно логичным и естественным стандартом для данного класса ЭВМ.

Децентрализация построения и управления вызвала к жизни такие эле­менты, которые являются общим стандартом структур современных ЭВМ: модульность построения, магистральность, иерархия управления.

Как видно из полувековой истории развития ЭВТ дала не очень широкий спектр основных структур ЭВМ. Все приведенные структуры не выходят за пределы класической структуры фон Неймана. Их объединяют след. традиционные признаки:

• ядро ЭВМ образует процессор - единственный вычислитель в структуре, дополненный каналами обмена информацией и памятью.

• линейная организация ячеек всех видов памяти фиксированного раз­мера;

• одноуровневая адресация ячеек памяти, стирающая различия между всеми типами информации;

• внутренний машинный язык низкого уровня, при котором команды со­держат элементарные операции преобразования простых операндов;

• последовательное централизованное управление вычислениями;

• достаточно примитивные возможности устройств ввода-вывода. Несмотря на все достигнутые успехи, классическая структура ЭВМ не обеспечивает возможностей дальнейшего увеличения производительности. Наметился кризис, обусловленный рядом существенных недостатков:

• плохо развитые средства обработки нечисловых данных (структуры, символы, предложения, графические образы, звук, очень большие мас­сивы данных и др.);

• несоответствие машинных операций операторам языков высокого уровня;

• примитивная организация памяти ЭВМ;

 • низкая эффективность ЭВМ при решении задач, допускающих парал­лельную обработку и т.п.

Все эти недостатки приводят к чрезмерному усложнению комплекса про­граммных средств, используемого для подготовки и решения задач пользова­телей.

№.5 Принцип программного управления ЭВМ.

Основным принципом построения всех современных ЭВМ является программное управление. В основе его лежит представление алгоритма решения любой задачи в виде программы вычислений.

.Принцип программного управле­ния может быть осуществлен различными способами. Стандартом для пост­роения практически всех ЭВМ стал способ, описанный Дж. фон Нейманом в 1945 г. при построении еще первых образцов ЭВМ. Суть его заключается в следующем.

Все вычисления, предписанные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности управля­ющих слов-команд. Каждая команда содержит указания на конкретную вы­полняемую операцию, место нахождения (адреса) операндов и ряд служеб­ных признаков. Операнды - переменные, значения которых участвуют в опе­рациях преобразования данных. Список (массив) всех переменных (входных данных, промежуточных значений и результатов вычислений) является еще одним неотъемлемым элементом любой программы.

Для доступа к программам, командам и операндам используются их ад­реса. В качестве адресов выступают номера ячеек памяти ЭВМ, предназна­ченных для хранения объектов. Информация ( командная и данные: число­вая, текстовая, графическая и т.п.) кодируется двоичными цифрами 0 и 1. Поэтому различные типы информации, размещенные в памяти ЭВМ, прак­тически неразличимы, идентификация их возможна лишь при выполнении программы, согласно ее логике, по контексту.

Каждый тип информации имеет форматы - структурные единицы ин­формации, закодированные двоичными цифрами 0 и 1. Обычно все форматы данных, используемые в ЭВМ, кратны байту, т.е. состоят из целого числа байтов.

Последовательность битов в формате, имеющая определенный смысл, называется полем. Например, в каждой команде программы различают поле кода операций, поле адресов операндов. Применительно к числовой инфор­мации выделяют знаковые разряды, поле значащих разрядов чисел, старшие и младшие разряды.

Последовательность, состоящая из определенного принятого для дан­ной ЭВМ числа байтов, называется словом. Для больших ЭВМ размер слова составляет четыре байта, для ПЭВМ - два байта. В качестве струк­турных элементов информации различают также полуслово, двойное слово и др.

В любой ЭВМ имеются устройства ввода информации (УВв), с помо­щью которых пользователи вводят в ЭВМ программы решаемых задач и дан­ные к ним. Введенная информация полностью или частично сначала запоми­нается в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ), а затем переносится во внешнее запоминающее устройство (ВЗУ), предназначенное для длитель­ного хранения информации, где преобразуется в специальный программный объект - файл.

При использовании файла в вычислительном процессе его содержимое переносится в ОЗУ. Затем программная информация команда за командой считывается в устройство управления (УУ).

Устройство управления предназначается для автоматического выполне­ния программ путем принудительной координации всех остальных устройств ЭВМ. Вызываемые из ОЗУ команды дешифрируются устройством управления:

- определяются код операции, которую необходимо выполнить следующей, и адреса операндов, принимающих участие в данной операции.

В зависимости от количества используемых в команде операндов разли­чаются одно-, двух-, трехадресные и безадресные команды. В одноадресных командах указывается, где находится один из двух обрабатываемых операн­дов. Второй операнд должен быть помещен заранее в арифметическое уст­ройство (для этого в систему команд вводятся специальные команды пере­сылки данных между устройствами).

Двухадресные команды содержат указания о двух операндах, размещае­мых в памяти (или в регистрах и памяти). После выполнения команды в один из этих адресов засылается результат, а находившийся там операнд теряется.

В трехадресных командах обычно два адреса указывают, где находятся исходные операнды, а третий - куда необходимо поместить результат.

В безадресных командах обычно обрабатывается один операнд, который до и после операции находится на одном из регистров арифметико-логичес­кого устройства (АЛУ). Кроме того, безадресные команды используются для выполнения служебных операций (очистить экран, заблокировать клавиату­ру, снять Блокировку и др.).

Все команды программы выполняются последовательно, команда за ко­мандой, в том порядке, как они записаны в памяти ЭВМ (естественный поря­док следования команд). Этот порядок характерен для линейных программ, т.е. программ, не содержащих разветвлений. Для организации ветвлений ис­пользуются команды, нарушающие естественный порядок следования команд. Отдельные признаки ,результатов r (r = 0, r < 0. r > 0 и др.,),устройство .управ­ления использует для изменения порядка выполнения команд программы.

№6. Принципы построения и развития элементной базы современных ЭВМ.

Все современные вычислительные машины строятся на комплексах (си­стемах) интегральных микросхем (ИС) (основу которых составляют большие и сверхбольшие интегральные схемы).

Интегральные схемы имеют единый технологический принцип построения он заключается в циклическом и послойном изготовлении частей электронных схем по циклу программа - рисунок - схема: берется кремневая подложка покрывается фоторезистором, по программам наносится рисунок (литография) будущего слоя микросхемы. Затем рисунок протравливается, фиксируется, закрепляется и изолируется от новых слоев и т.д. На основе этого создается про­странственная твердотельная структура. Например, СБИС типа Pentium вклю­чает около трех с половиной миллионов транзисторов, размещаемых в пятислойной структуре.

Степень микроминиатюризации, размер кристалла ИС, производитель­ность и стоимость технологии напрямую определяются типом литогра­фии. До настоящего времени доминирующей оставалась оптическая ли­тография, т.е. послойные рисунки на фоторезисторе микросхем наноси­лись световым лучом. В настоящее время ведущие компании, производящие микросхемы, реализуют кристаллы с размерами примерно 400 мм² - для процессоров (например, Pentium) и 200 мм² - для схем памяти. Минимальный топологический размер (толщина линий) при этом составляет 0,5 - 0,35 мкм. Для сравнения можно привести такой пример. Толщина человеческого волоса составляет примерно 100 мкм. Значит, при таком разрешении на толщине волоса могут вычерчивать более двухсот линий.

Дальнейшие достижения в микроэлектронике связываются с электрон­ной (лазерной), ионной и рентгеновской литографией. Это позволяет выйти на размеры 0.25, 0.18 и даже 0.08мкм.

При таких высоких технологиях возникает целый ряд проблем. Микро­скопическая толщина линий, сравнимая с диаметром молекул, требует высо­кой чистоты используемых и напыляемых материалов, применения вакуум­ных установок и снижения рабочих температур. Действительно, достаточно попадания мельчайшей пылинки при изготовлении микросхемы, как она по­падает в брак. Поэтому новые заводы по производству микросхем имеют уникальное оборудование, размещаемое в чистых помещениях класса 1, мик­росхемы в которых транспортируются от оборудования к оборудованию в замкнутых сверхчистых мини-атмосферах класса 1000. Мини-атмосфера создается, например, сверхчистым азотом или другим инертным газом при давлении 10-⁴ Торр [З].

Уменьшение линейных размеров микросхем и повышение уровня их интеграции заставляют проектировщиков искать средства борьбы с по­требляемой Wn и рассеиваемой Wp мощностью. При сокращении линей­ных размеров микросхем в 2 раза их объемы изменяются в 8 раз. Про­порционально этим цифрам должны меняться и значения Wn и Wp, в противном случае схемы будут перегреваться и выходить из строя. В настоящее время основой построения всех микросхем была и остается КМОП-технология (комплиментарные схемы, т.е. совместно использую­щие n- и р-переходы в транзисторах со структурой металл - окисел -полупроводник).

Известно, что W=U*I. Напряжение питания современных микросхем составляет 5 - 3V. Появились схемы с напряжением питания 2,8V, что выходит за рамки принятых стандартов. Дальнейшее понижение напряже­ния нежелательно, так как всегда в электронных схемах должно быть обеспечено необходимое соотношение сигнал-шум, гарантирующее устой­чивую работу ЭВМ.

Протекание тока по микроскопическим проводникам сопряжено с вы­делением большого количества тепла. Поэтому, создавая сверхбольшие интегральные схемы, проектировщики вынуждены снижать тактовую час­тоту работы микросхем. На рис.3.18 показано, что использование максимальных частот работы возможно только в микросхемах малой и средней интеграции. Максимальная частота   доступна очень немногим материалам: кремнию Si, арсениду галлия GaAs и некоторым другим. Поэтому они чаще всего и используются в качестве подложек в микросхемах.

Таким образом, переход к конструированию ЭВМ на СБИС и ультра-СБИС должен сопровождаться снижением тактовой частоты работы схе­мы. Дальнейший прогресс в повышении производительности может быть обеспечен либо за счет архитектурных решений, либо за счет новых прин­ципов построения и работы микросхем. Альтернативных путей развития просматривается не очень много. Так как микросхемы СБИС не могут работать с высокой тактовой частотой, то в ЭВМ будущих поколений их целесообразно комплексировать в системы. При этом несколько СБИС должны работать параллельно, а слияние работ в системе должно обеспе­чивать сверхскоростные ИС (ССИС), которые не могут иметь высокой степени интеграции.

Большие исследования проводятся также в области использования явле­ния сверхпроводимости и туннельного эффекта - эффекта Джозефсона. Ра­бота микросхем при температурах, близких к абсолютному нулю (-273°С), позволяет достигнуть максимальной частоты этом Wp=Wn=0. Очень интересны резуль­таты по использованию “теплой сверхпроводимости”. Оказывается, что для некоторых материалов, в частности для солей бария,+кремний явление сверхпроводи­мости наступает уже при температурах около -150°С. Высказывались сооб­ражения, что могут быть получены материалы, имеющие сверхпроводимость при температурах, близких к комнатной. С уверенностью можно сказать, что появление таких элементов знаменовало бы революцию в развитии средств вычислительной техники новых поколений.

В качестве еще одного из альтернативных путей развития элементной базы ЭВМ будущих поколений следует рассматривать и бимолекулярную технологию. В настоящее время имеются опыты по синтезу молекул на основе их стереохимического генетического кода, способных менять ори­ентацию и реагировать на ток, на свет и т.п. Однако построение из них биологических микромашин еще находится на стадии экспериментов. Таким образом, можно сделать вывод, что в настоящее время возможности микроэлектроники еще не исчерпаны, но давление пределов уже ощутимо. Основой для ЭВМ будущих поколений будут БИС и СБИС совместно с ССИС (Сверхскоростные ИС). При этом структуры ЭВМ и ВС будут широко использовать параллельную работу микропроцессоров

№7. Память ЭВМ. Иерархическое построение памяти ЭВМ.

Память любой ЭВМ состоит из нескольких видов памяти (оперативная, постоянная и внешняя - различные накопители). Память является одним из важнейших ресурсов. Поэтому операционная система управляет процессами выделения объемов памяти для размещения информации пользователей. В любых ЭВМ память строится по иерархическому принципу. Это обуславливается следующим:

Оперативная память предназначена для хранения переменной информации, так как она допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения микропроцессором

соответствующих операций. Поскольку в любой момент времени доступ может осуществляться к произвольно выбранной ячейке, то этот вид памяти называют также памятью с произвольной выборкой - RAM (Random Access Memory).

 Все программы, в том числе и игровые, выполняются именно в оперативной памяти. Постоянная память обычно содержит такую информацию, которая не должна меняться в течение длительного времени. Постоянная память имеет собственное название - ROM (Read Only Memory), которое указывает на то, что ею обеспечиваются только режимы считывания и хранения.

 С точки зрения пользователей желательно было бы иметь в ЭВМ единую сверх большую память большой производительности, однако емкость памяти и время обращения связаны между собой (чем больше объем тем больше время обращения к ней).

Тип памяти.	Емкость памяти.	t обращения.
Сверх оперативная	10-16	20-30(40) н.с.
КЭШ память (память блокнотного типа) 1-го уровня 2-го уровня 3-го уровня	8 кб. 128-256кб. 1-2 Мбайт.	100-200 н. Сек 200 н. Сек 300-400 н. сек
Оперативная память	4-256(и более)	0,2 – 2 мк. Сек.
НМД(накопитель на магнитных дисках	1-20 Гбайт	Десятки мк сек (сотни)
НМЛ(накопитель на магнитных лентах)	Единицы Гбайт	Минуты(десятки)
Архивы	-------//--------	Десятки минут

Для упрощения все пересылки информации осуществляется не по вертикали, а через оперативную память. Кое-какие процедуры планирования теперь осуществляются компиляторами языков высокого уровня.

№8. Обобщенная структура Запоминающих устройств. Принцип работы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(Типовая структура запоминающего устройства.)

Любое запоминающее устройство может работать в двух режимах: