Питання з обчислювальної техніки

№ 1. Основні тенденції розвитку ЕОМ (склад і співвідношення технічних і програмних засобів, швидкодія, пам'ять, інтелектуальність)

Існують три глобальні галузі застосування ЕОМ:

Автоматизація обчислень

Застосування ЕОМ в автоматизованих системах управління.

Новий напрямок зажадало зміна класичної структури фон Неймана.

Потрібно було додатково автоматизувати збір інформації і розподіл результатів. ЕОМ стали підключати до каналів зв'язку запараллелівалісь процеси передачі та обробки інформації. З'явилася багатопрограмного, засоби зміни часу, системи переривань і пріоритетів.

Застосування ЕОМ в особистих цілях для спрощення і скорочення робочого часу.

Рішення задач штучного інтелекту

З процесом розвитку людства поступово висуваються нові і нові обчислювальні задачі (які включають не тільки розрахункові завдання), відповідно зростає вимога до ЕОМ Покращення її характеристик таких як пам'ять, швидкодія, інтелектуальність. Останнє особливо затребуваним у великих автоматизованих системах управління. В даний час інтелектуальність реалізується шляхом використання досконалих програмних засобів. Постійно зростає підвищену вимогу до збільшення обсягу зберігання інформації. Сучасні програмні засоби вимагають великої місця як в оперативній пам'яті так і великого місця на постійних носіях інформації. Тенденції розвитку ЕОМ зростають з кожним роком. Прогрес розвитку ЕОМ, особливо в останні 10 років, іде дуже швидкими етапами. За останні два роки типи процесорів змінюються кожен півроку, збільшується їх продуктивність. Відповідно змінюються обсяги носіїв інформацію Буквально 1,5 роки тому 3 гігабайти на жорстких дисках вважалася досить значною цифрою, але зараз ця цифра дуже мала, так як на зміну приходять носії з розміром від 15 до 25 гігабайт. Ціни на різні компоненти та й на самі ЕОМ у зборі відповідно падають з розробкою нових конфігурацій. З такою швидкістю прогресу виробники програмного забезпечення просто не встигають і часом, програмне забезпечення відстає від прогресу технічних засобів. Крупна корпорація Інтел останнім часом стала замислюватися, а чи не знизити темпи розробок нових поколінь процесорів, до того як виробники ПЗ доженуть повною мірою технічні засоби.

№ 2 Класифікація засобів ЕОТ (поняття машинного парку, співвідношення типів ЕОМ)

Для різних типів завдань потрібна відповідно і різна обчислювальна техніка. Тому ринок комп'ютерів постійно має широку градацію класів і моделей ЕОМ. Фірми-виробники засобів Вт дуже уважно відстежують стан ринку ЕОМ. Вони не просто констатують окремі факти і тенденції, а прагнуть активно впливати на них і випереджати потреби споживачів. Так, наприклад, фірма IBM, що випускає приблизно 80% світового машинного "парку", у цей час випускає в основному чотири класи комп'ютерів, перекриваючи ними широкий клас задач користувачів.

- суперЕОМ для вирішення великомасштабних обчислювальних задач, для обслуговування найбільших інформаційних банків даних (150-200 штук).

- Великі ЕОМ для комплектування відомчих, територіальних і регіональних обчислювальних центрів. (2500)

- Середні ЕОМ широкого призначення для управління - складними технологічними виробничими процесами. ЕОМ цього типу можуть використовуватися і для керування розподіленою обробкою інформації в якості мережевих серверів. (25000)

Персональні та професійні ЕОМ, що дозволяють задовольняти індивідуальні потреби користувачів. На базі цього класу ЕОМ будуються автоматизовані робочі місця (АРМ) для фахівців різного рівня. (мільйони)

Також останнім часом з'явилося поняття як мережевий комп'ютер. Він може мати невелике швидкодію. Але принцип обчислень будується на передачі даних по мережі обчислювальному комп'ютера і одержання вже готових результатів.

Поняття машинного парку можна визначити як сукупність різних типів ЕОМ всередині окремого взятого комплексу (наприклад країни).

№ 3 Узагальнена структура ЕОМ. Склад і призначення пристроїв. Принцип роботи.

Основним принципом побудови всіх сучасних ЕОМ є програмне керування. В основі його лежить подання алгоритму розв'язання будь-якої задачі у вигляді програми обчислень.

Класична структура ЕОМ повністю відповідає послідовного методу виконання команд програми і складається з

У будь-якій ЕОМ є пристрої введення інформації (УВВ), за допомогою яких користувачі вводять в ЕОМ програми вирішуваних завдань і дані до них.

При обчисленні програма виконує послідовність операцій:

Пристрій керування розшифровує чергову команду і налаштовує АЛП на виконання операції. Одночасно визначаються адреси операндів, які викликаються в АЛП для обробки.

Таким чином команда за командою обробляються програми. Результат обробки через ОЗУ надсилається до Увив (з метою фіксації та поданням користувачеві)

Виконання кожної команди здійснюється у кілька етапів:

Формування адреси

Вибірка з пам'яті команди

Розшифровка та вибірка операндів

Виконання операцій

Відсилання результатів

За кожний етап відповідає певний блок. Всі сучасні машини мають поєднання операцій, при якому всі блоки працюють паралельно, одночасно.

При використання файлу в обчислювальному процесі його вміст переноситися в ОЗУ. Потім програмна інформація команда за командою зчитується в пристрій керування (УУ). Пристрій керування призначається для автоматичного виконання програм шляхом примусової координації всіх інших пристроїв ЕОМ. АЛП виконує арифметичні і логічні операції над даними. Воно щоразу перенастроюється на виконання чергової операції. Результати виконання окремих операцій зберігаються для подальшого використання на одному з регістрів АЛП або записуються в пам'ять. Потім результати обчислень подаються на пристрої виведення інформації (дисплей, принтер і т.д.)

У подальшому сильно пов'язані пристрої АЛП та УО отримали назву процесор, тобто пристрій для обробки даних. Поєднання операцій дозволяє значно повісити швидкодію.

Такий конвеєр характерний для лінійних ділянок програми. Команди розгалуження (умовного та безумовного переходів) переривають конвеєр, знижується швидкодію.

У машинах Pentium для ліквідації розривів використовуються блоки пророкування розгалужень і запуску двох конвеєрів із подальшому відсіканням одного з них.

У реальних обчисленнях лінійні ділянки програм займають 10-30 команд.

№ 4. Еволюція структур обчислювальних машин. Криза класичної структури ЕОМ.

Вже в перших ЕОМ для збільшення їх продуктивності широко застосовувалось поєднання операцій. При цьому послідовні фази виконання окремих команд програми (формування адрес операндів, вибірка операндів, виконання операції, відсилання результату) виконувалися окремими функціональними блоками. У своїй роботі вони утворювали своєрідний конвеєр, а їх паралельна робота дозволяла обробляти різні фази цілого блоку команд. Цей принцип отримав подальший розвиток в ЕОМ наступних поколінь. Але все ж перші ЕОМ мали дуже сильну централізацію управління, єдині стандарти форматів команд і даних, "жорстке" побудова циклів виконання окремих операцій, що багато в чому пояснюється обмеженими можливостями що використовується в них елементної бази. Центральне УУ обслуговувало не лише обчислювальні операції, але й операції вводу-виводу, пересилань даних між ЗУ та ін Все це дозволяло певною мірою спростити апаратуру ЕОМ, але сильно стримувало зростання їх продуктивності.

У ЕОМ третього покоління відбулося ускладнення структури за рахунок розділення процесів введення-виведення інформації та її обробки

Сильно пов'язані пристрої АЛП та УО отримали назву процесор, тобто пристрій, призначений для обробки даних. У схемі ЕОМ з'явилися також додаткові пристрої, які мали назви: процесори введення-виведення, пристрої керування обміном інформацією, канали введення-виведення (КВВ). Остання назва отримало найбільше розповсюдження стосовно до великих ЕОМ. Тут намітилася тенденція до децентралізації управління і паралельної роботи окремих пристроїв, що дозволило різко підвищити швидкодію ЕОМ в цілому.

Серед каналів вводу-виводу виділяли мультиплексний канали, здатні обслуговувати велику кількість повільно працюють пристроїв вводу-виводу (УВВ), і селекторні канали, які обслуговують в багатоканальних режимах швидкісні зовнішні запам'ятовуючі пристрої (ВЗП).

У персональних ЕОМ, що відносяться до ЕОМ четвертого покоління, відбулося подальше зміна структури (див. рис.). Вони успадкували її від міні-ЕОМ.

З'єднання всіх пристроїв в єдину машину забезпечується за допомогою загальної шини, що представляє собою лінії передачі даних, адрес, сигналів керування та харчування. Єдина система апаратурних сполук значно спростила структуру, зробивши її ще більш децентралізованою. Всі передачі даних по шині здійснюються під керуванням сервісних програм.

Ядро ПЕОМ утворюють процесор і основна пам'ять (ОП), що складається з оперативної пам'яті і постійного пам'яті (ПЗУ). ПЗУ призначається для запису і постійного зберігання найбільш часто використовуваних програм управління. Підключення всіх зовнішніх пристроїв (ВНУ), дисплея, клавіатури, зовнішніх ЗУ та інших забезпечується через відповідні адаптери - согласователі швидкостей роботи сполучених пристроїв або контролери - спеціальні пристрої управління периферійної апаратурою. Контролери в ПЕОМ відіграють роль каналів вводу-виводу. В якості особливих пристроїв слід виділити таймер - пристрій вимірювання часу і контролер прямого доступу до пам'яті (ККД) - пристрій, що забезпечує доступ до ОП, минаючи процесор.

Спосіб формування структури ПЕОМ є досить логічним і природним стандартом для даного класу ЕОМ.

Децентралізація побудови та управління викликала до життя такі елементи, які є загальним стандартом структур сучасних ЕОМ: модульність побудови, магістральних, ієрархія управління.

Як видно з півстолітній історії розвитку ЕОТ дала не дуже широкий спектр основних структур ЕОМ. Всі наведені структури не виходять за межі класичної структури фон Неймана. Їх об'єднують слід. традиційні ознаки:

• ядро ЕОМ утворює процесор - єдиний обчислювач в структурі, доповнений каналами обміну інформацією і пам'яттю.

• лінійна організація осередків усіх видів пам'яті фіксованого розміру;

• однорівнева адресація комірок пам'яті, стирає відмінності між всіма типами інформації;

• внутрішній машинний мова низького рівня, при якому команди містять елементарні операції перетворення простих операндів;

• послідовне централізоване управління обчисленнями;

• досить примітивні можливості пристроїв вводу-виводу. Незважаючи на всі досягнуті успіхи, класична структура ЕОМ не забезпечує можливостей подальшого збільшення продуктивності. Намітився криза, обумовлена низкою суттєвих недоліків:

• погано розвинені засоби обробки нечислових даних (структури, символи, пропозиції, графічні образи, звук, дуже великі масиви даних та ін);

• невідповідність машинних операцій операторам мов високого рівня;

• примітивна організація пам'яті ЕОМ;

• низька ефективність ЕОМ при вирішенні завдань, що допускають паралельну обробку і т.п.

Всі ці недоліки призводять до надмірного ускладнення комплексу програмних засобів, що використовується для підготовки і рішення задач користувачів.

№ .5 Принцип програмного керування ЕОМ.

. Принцип програмного управління може бути здійснено різними способами. Стандартом для побудови практично всіх ЕОМ став спосіб, описаний Дж. фон Нейманом в 1945 р. при побудові ще перших зразків ЕОМ. Суть його полягає в наступному.

Всі обчислення, визначені алгоритмом рішення завдання, повинні бути представлені у вигляді програми, що складається з послідовності керуючих слів-команд. Кожна команда містить вказівки на конкретну виконувану операцію, місце знаходження (адреса) операндів і ряд службових ознак. Операнди - змінні, значення яких беруть участь в операціях перетворення даних. Список (масив) всіх змінних (вхідних даних, проміжних значень і результатів обчислень) є ще одним невід'ємним елементом будь-якої програми.

Для доступу до програм, командам і операнда використовуються їх адреси. Як адрес виступають номери комірок пам'яті ЕОМ, призначених для зберігання об'єктів. Інформація (командна і дані: числова, текстова, графічна тощо) кодується двійковими цифрами 0 і 1. Тому різні типи інформації, розміщені в пам'яті ЕОМ, практично неможливо розрізнити, ідентифікація їх можлива лише при виконанні програми, за її логікою, за контекстом.

Кожен тип інформації має формати - структурні одиниці інформації, закодовані двійковими цифрами 0 і 1. Зазвичай всі формати даних, що використовуються в ЕОМ, кратні байту, тобто складаються з цілого числа байтів.

Послідовність бітів у форматі, що має певний сенс, називається полем. Наприклад, у кожній команді програми розрізняють поле коду операцій, поле адрес операндів. Стосовно числової інформації виділяють знакові розряди, поле значущих розрядів чисел, старші та молодші розряди.

Послідовність, що складається з певного прийнятого для даної ЕОМ числа байтів, називається словом. Для великих ЕОМ розмір слова складає чотири байти, для ПЕОМ - два байти. В якості структурних елементів інформації розрізняють також півслова, подвійне слово та ін

У будь-якій ЕОМ є пристрої введення інформації (УВВ), за допомогою яких користувачі вводять в ЕОМ програми вирішуваних завдань і дані до них. Введена інформація повністю або частково спочатку запам'ятовується в оперативному запам'ятовуючому пристрої (ОЗУ), а потім переноситься в зовнішній запам'ятовуючий пристрій (ВЗП), призначене для тривалого зберігання інформації, де перетвориться в спеціальний програмний об'єкт - файл.

При використанні файлу в обчислювальному процесі його вміст переноситься в ОЗУ. Потім програмна інформація команда за командою зчитується в пристрій керування (УУ).

Пристрій керування призначається для автоматичного виконання програм шляхом примусової координації всіх інших пристроїв ЕОМ. Викликаються з ОЗУ команди дешіфріруются пристроєм керування:

- визначаються код операції, яку необхідно виконати наступному, і адреси операндів, які беруть участь у цій операції.

Залежно від кількості використовуваних у команді операндів розрізняються одно-, дво-, трехадресние та безадресні команди. У одноадресних командах вказується, де знаходиться один з двох оброблюваних операндів. Другий операнд повинен бути поміщений заздалегідь у арифметичний пристрій (для цього в систему команд вводяться спеціальні команди пересилання даних між пристроями).

двоадресного команди містять вказівки про двох операндів, що розміщуються в пам'яті (або в регістрах і пам'яті). Після виконання команди в один із цих адрес засилається результат, а що знаходився там операнд втрачається.

У трехадресних командах зазвичай дві адреси вказують, де знаходяться вихідні операнди, а третій - куди необхідно помістити результат.

У безадресних командах зазвичай обробляється один операнд, який до і після операції перебуває на одному з регістрів арифметико-логічного пристрою (АЛП). Крім того, безадресні команди використовуються для виконання службових операцій (очистити екран,заблокувати клавіатуру, зняти Блокування та ін.)

Всі команди програми виконуються послідовно, команда за командою, в тому порядку, як вони записані в пам'яті ЕОМ (природний порядок проходження команд). Цей порядок характерний для лінійних програм, тобто програм, що не містять розгалужень. Для організації розгалужень використовуються команди, що порушують природний порядок проходження команд. Окремі ознаки, результатів r (r = 0, r <0. R> 0 та ін,), пристрій. Управління використовує, щоб змінити порядок виконання команд програми.

№ 6. Принципи побудови і розвитку елементної бази сучасних ЕОМ.

Всі сучасні обчислювальні машини будуються на комплексах (системах) інтегральних мікросхем (ІС) (основу яких складають великі і надвеликі інтегральні схеми).

Інтегральні схеми мають єдиний технологічний принцип побудови він полягає в циклічному і пошаровому виготовленні частин електронних схем по циклу програма - малюнок - схема: береться кремнієва підкладка покривається фоторезисторів, за програмами наноситься малюнок (літографія) майбутнього шару мікросхеми. Потім малюнок протравлюючих, фіксується, закріплюється і ізолюється від нових шарів і т.д. На основі цього створюється просторова твердотільна структура. Наприклад, НВІС типу Pentium включає близько трьох з половиною мільйонів транзисторів, що розміщуються в п'ятишаровий структурі.

Ступінь мікромініатюризації, розмір кристала ІС, продуктивність і вартість технології безпосередньо визначаються типом літографії. До теперішнього часу домінуючою залишалася оптична літографія, тобто пошарові малюнки на фоторезистори мікросхем наносилися світловим променем. В даний час провідні компанії, що виробляють мікросхеми, реалізують кристали з розмірами приблизно 400 мм2 - для процесорів (наприклад, Pentium) і 200 мм2 - для схем пам'яті. Мінімальний топологічний розмір (товщина ліній) при цьому становить 0,5 - 0,35 мкм. Для порівняння можна навести такий приклад. Товщина людського волосся складає приблизно 100 мкм. Отже, при такому дозволі на товщині волосся можуть викреслювати більше двохсот ліній.

Подальші досягнення в мікроелектроніці зв'язуються з електронної (лазерної), іонної і рентгенівської літографією. Це дозволяє вийти на розміри 0.25, 0.18 і навіть 0.08мкм.

При таких високих технологіях виникає цілий ряд проблем. Мікроскопічна товщина ліній, порівнянна з діаметром молекул, вимагає високої чистоти використовуваних і напилюваної матеріалів, застосування вакуумних установок і зниження робочих температур. Дійсно, досить потрапляння найменшої порошинки при виготовленні мікросхеми, як вона потрапляє в шлюб. Тому нові заводи з виробництва мікросхем мають унікальне обладнання, розташовуване в чистих приміщеннях класу 1, мікросхеми в яких транспортуються від устаткування до встаткування в замкнутих надчистих міні-атмосферах класу 1000. Міні-атмосфера створюється, наприклад, надчисті азотом або іншим інертним газом при тиску 10-4 торр [З].

Зменшення лінійних розмірів мікросхем і підвищення рівня їх інтеграції змушують проектувальників шукати засоби боротьби з споживаної Wn і розсіюваною Wp потужністю. При скороченні лінійних розмірів мікросхем в 2 рази їх обсяги змінюються в 8 разів. Пропорційно цих цифр повинні змінюватися і значення Wn і Wp, в іншому випадку схеми будуть перегріватися і виходити з ладу. В даний час основою побудови всіх мікросхем була і залишається КМОП-технологія (компліментарні схеми, тобто спільно використовують n-і р-переходи в транзисторах із структурою метал - оксид-напівпровідник).

Відомо, що W = U * I. Напруга живлення сучасних мікросхем становить 5 - 3V. З'явилися схеми з напругою живлення 2,8 V, що виходить за рамки прийнятих стандартів. Подальше зниження напруги небажано, тому що завжди в електронних схемах повинно бути забезпечено необхідне співвідношення сигнал-шум, що гарантує стійку роботу ЕОМ.

Протікання струму по мікроскопічних провідникам пов'язане з виділенням великої кількості тепла. Тому, створюючи надвеликі інтегральні схеми, проектувальники змушені знижувати тактову частоту роботи мікросхем. На ріс.3.18 показано, що використання максимальних частот роботи можливо тільки в мікросхемах малої та середньої інтеграції. Максимальна частота доступна далеко не всім матеріалами: кремнію Si, арсеніду галію GaAs і деяким іншим. Тому вони найчастіше і використовуються в якості підкладок в мікросхемах.

Таким чином, перехід до конструювання ЕОМ на НВІС та ультра-НВІС повинен супроводжуватися зниженням тактової частоти роботи схеми. Подальший прогрес у підвищенні продуктивності може бути забезпечений або за рахунок архітектурних рішень, або за рахунок нових принципів побудови і роботи мікросхем. Альтернативних шляхів розвитку проглядається не дуже багато. Так як мікросхеми НВІС не можуть працювати з високою тактовою частотою, то в ЕОМ майбутніх поколінь їх доцільно комплексіровать в системи. При цьому кілька НВІС повинні працювати паралельно, а злиття робіт у системі має забезпечувати надшвидкісні ІС (ССІС), які не можуть мати високого ступеня інтеграції.

Великі дослідження проводяться також у галузі використання явища надпровідності і тунельного ефекту - ефекту Джозефсона. Робота мікросхем при температурах, близьких до абсолютного нуля (-273 ° С), дозволяє досягти максимальної частоти цьому Wp = Wn = 0. Дуже цікаві результати з використання "теплої надпровідності". Виявляється, що для деяких матеріалів, зокрема для солей барію, кремній явище надпровідності наступає вже при температурах близько -150 ° С. Висловлювалися міркування, що можуть бути отримані матеріали, які мають надпровідність при температурах, близьких до кімнатної. З упевненістю можна сказати, що поява таких елементів знаменувало б революцію в розвитку засобів обчислювальної техніки нових поколінь.

Як ще один з альтернативних шляхів розвитку елементної бази ЕОМ майбутніх поколінь слід розглядати і бімолекулярную технологію. В даний час є досліди по синтезу молекул на основі їх стереохімічні генетичного коду, здатних змінювати орієнтацію і реагувати на тік, на світло і т.п. Однак побудова з них біологічних мікромашин ще знаходиться на стадії експериментів. Таким чином, можна зробити висновок, що в даний час можливості мікроелектроніки ще не вичерпані, але тиск меж вже відчутно. Основою для ЕОМ майбутніх поколінь будуть БІС і НВІС спільно з ССІС (Надшвидкісні ІС). При цьому структури ЕОМ та НД будуть широко використовувати паралельну роботу мікропроцесорів

№ 7. Пам'ять ЕОМ. Ієрархічне побудова пам'яті ЕОМ.

Пам'ять будь-який ЕОМ складається з кількох видів пам'яті (оперативна, постійна і зовнішня - різні накопичувачі). Пам'ять є одним з найважливіших ресурсів. Тому операційна система керує процесами виділення обсягів пам'яті для розміщення інформації користувачів. У будь-яких ЕОМ пам'ять будується за ієрархічним принципом. Це обумовлюється наступним:

Оперативна пам'ять призначена для зберігання змінної інформації, тому що вона допускає зміну свого вмісту в ході виконання мікропроцесором

відповідних операцій. Оскільки в будь-який момент часу доступ може здійснюватися до довільно вибраної комірки, то цей вид пам'яті називають також пам'яттю з довільною вибіркою - RAM (Random Access Memory).

Всі програми, в тому числі й ігрові, виконуються саме в оперативній пам'яті. Постійна пам'ять звичайно містить таку інформацію, яка не повинна мінятися протягом тривалого часу. Постійна пам'ять має власну назву - ROM (Read Only Memory), яке вказує на те, що нею забезпечуються тільки режими зчитування і зберігання.

З точки зору користувачів бажано було б мати в ЕОМ єдину понад більшу пам'ять великої продуктивності, однак ємність пам'яті і час звернення пов'язані між собою (чим більший об'єм тим більше час звернення до неї).

Тип пам'яті.

Ємність пам'яті.

t звернення.

Понад оперативна

10-16

20-30 (40) н.с.

КЕШ пам'ять (пам'ять блокнотного типу)

1-го рівня

2-го рівня

3-го рівня

8 кб.

128-256кб.

1-2 Мбайт.

100-200 н. Сек

200 н. Сек

300-400 н. сек

Оперативна пам'ять

4-256 (і більше)

0,2 - 2 мк. Сек.

НМД (накопичувач на магнітних дисках

1-20 Гбайт

Десятки мк сек (сотні)

ІМЛ (накопичувач на магнітних стрічках)

Одиниці Гбайт

хвилини (десятки)

Архіви

-------//--------

Десятки хвилин

Для спрощення всі пересилання інформації здійснюється не по вертикалі, а через оперативну пам'ять. Де-не-які процедури планування тепер здійснюються компіляторами мов високого рівня.

№ 9 Системи адресації в сучасних ЕОМ.

Існує кілька типів адресації

пряма

безпосередня

непряма

відносна

Пряма адресація:

Aісполнітельний = Aчасті команд.

Сл. 0100, 0200,