1 Представление информации в вычислительных системах
2 Архитектура вычислительной системы: назначение и основные функциилогических блоков
Рисунок 1
УстройствоУправления (УУ) – формирует и подаёт во все блоки ЭВМ сигналы управления.Опорную последовательность импульсов УУ получает от генератора тактовыхимпульсов.
Арифметико-Логическоеустройство (АЛУ) – предназначено для выполнения всех арифметических илогических операций над числовой и символьной информацией. Для ускорениявыполнения операций в некоторых моделях ЭВМ к арифметическому устройствуподключается математический сопроцессор.
Микропроцессорнаяпамять (МПП) – предназначена для кратковременного хранения информации,используемой в ближайшем такте работы ЭВМ.
Интерфейснаясистема – предназначена для сопряжения связи с другими устройствами.
Генератортактовых импульсов – предназначен для генерации последовательностиэлектрических импульсов, частота которых определяет частоту работы процессора.
Системнаяшина – основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение исвязь всех его устройств между собой. Включает:
· Кодоваяшина данных – предназначена для параллельной передачи всех разрядов машинногослова
· Кодоваяшина адреса - предназначена дляпараллельной передачи всех разрядов кода адреса ячейки памяти
· Кодоваяшина инструкций — предназначена для параллельной передачи всех разрядовуправляющих слов (инструкций) во все блоки машины
· Шинапитания – предназначена для подключения блоков компьютера к источнику питания
Системная шинаобеспечивает 3 направления передачи информации:
· междумикропроцессором и основной памятью
· между МПи портами вводавывода внешних устройств
· междуосновной памятью и портами вводавывода внешних устройств
Основная память –предназначена для хранения и оперативной передачи информации другим блокаммашины.
· ПЗУ: ROM(Read Only Memory)
· ОЗУ: RAM (Random Access Memory) – для оперативной записи, хранения и считывания информации,участвующей в процессе
3 Внутренняя структура процессора: назначение и основныефункции блоков
Рисунок2
ЦП– совокупность УУ и АЛУ.
ЦП– функциональная часть вычислительной машины, предназначенная длянепосредственного осуществления этим процессором процесса преобразования,обработки информации и управления этим преобразованием.
Устройство Управления (УУ) – формирует иподаёт во все блоки ЭВМ сигналы управления. Опорную последовательностьимпульсов УУ получает от генератора тактовых импульсов.
Арифметико-Логическоеустройство (АЛУ) – предназначено для выполнения всех арифметических и логическихопераций над числовой и символьной информацией.
РегистрАдреса (РА) – предназначен для хранения адреса ячейки основной памяти вплоть дозавершения операций с этой ячейкой.
УказательСтека (УкС) – это регистр, где хранится адрес вершины стека. Стек – схемаорганизации доступа к оперативной памяти, который реализует дисциплину FILO (First Input Last Output).
СчётчикКоманд (СК) – элемент, реализующий принцип программного управления. Здесьнаходится адрес выполняемой в данный момент команды.
РегистрКоманд (РК) – содержит тело выполняемойкоманды. Позволяет проанализировать код операции и дешифрировать его. Последешифрации вырабатывает управляющие сигналы.
РегистрОбщего Назначения (РОН) – служит для временного хранения операндов ипромежуточных результатов вычислений.
Индексныерегистры (ИР) – служат для формирования адресов операндов при реализациициклических участков программ.
РегистрПризнака Результата (РПР) – служит для хранения признака, характеризующегорезультат выполнения последней арифметической или логической операции.
Аккумулятор(АКК) – это регистр, на который возлагаются различные функции. Например, в негозагружается один из операндов, хранится результат последнего вычисления.Поэтому АКК может быть в равной степени отнесён как к АЛУ, так и к УУ.
Буферданных – компенсирует разницу в быстродействии ЗУ и устройств потребления ихранения информации (АЛУ и ОП).
Буферадреса – передаются не операнды, а адреса.
4 Организации и принцип работы памяти
Видыпамяти компьютера:
· Микропроцессорнаяпамять (МПП)
· Регистроваякэш-память
· Основнаяпамять (ОП)
o ПЗУ
o ОЗУ
· Внешняяпамять (ВЗУ)
Статическаяпамять обладает более высоким быстродействием, чем динамическая. Статическаяиспользуется в МПП и буферной кэш-памяти.
Вдинамической памяти ячейки построены на основе полупроводников с накоплениемзарядов (конденсаторы). Т.к. конденсатор со временем разряжается, он требуетподпитки во избежание потери информации, поэтому называется динамической.Используется для построения оперативных запоминающих устройств.
Регистроваякэш-память является буфером между основной памятью и МПП. Позволяет увеличитьскорость выполнения операций. Является высокоскоростной. Регистры кэш-памяти недоступны для пользователя (отсюда название, от англ. “cache” – недоступное, скрытое). В ней хранятсякопии блоков данных тех областей основной памяти, к которой выполнялисьпоследние обращения.
Рисунок3
Приматричной организации адрес ячейки, поступающий в регистр адреса, делится на 2части – поступающие в регистр X и Y. Из этих регистров коды полуадресовпоступают в дешифраторы X и Y, каждый из которых в соответствии сполученным адресом выбирает 1 из 1024 шин. По выбранным шинам подаются сигналызаписисчитывания в ячейку памяти, находящуюся на пересечении этих шин. Далееинформация поступает в регистр данных, связанный с кодовыми шинами данных.Управляющие сигналы, определяющие какую операцию необходимо выполнить,поступают по кодовой шине инструкций. Куб памяти содержит набор запоминающихэлементов собственных ячеек памяти.
5 Периферийные устройства: состав и назначение, взаимосвязь спроцессором
6 Режимы работы процессора и их организация
Режимыработы:
1. Однопрограммный
· Непосредственногодоступа
· Косвенногодоступа
2. Многопрограммный
· Пакетнойобработки
· Режимразделения времени
a. Диалоговый
b. Реального времени
Однопрограммный(монопольный) – в данный момент времени используется одна программа.
Режимнепосредственного доступа – это режим, когда все ресурсы компьютера передаютсяодному пользователю.
Режим косвенногодоступа – представляет собой режим, когда пользователь не имеетнепосредственного контакта с компьютером. Пользователь готовит задания и отдаётих на обработку. Задачи запускаются в порядке очерёдности и, по мереготовности, результаты выдаются пользователю.
Многопрограммный(мультипрограммный, многозадачный) – необходимо разделения ресурсов компьютера.
Режим пакетнойобработки – пользователь в этом режиме обращается к компьютеру 2 раза: дляввода данных и получения результата. Переход к решению следующей задачипроисходит после окончательного завершения предыдущей.
Режим разделениявремени – решается несколько задач, каждой из которых выделяются квантывремени, при этом условием прерывания текущей задачи служит либо истечениевыделенного кванта времени, либо обращение к процессору какого-либо болееприоритетного внешнего устройства.
Диалоговый режим –характерен для многопользовательских систем. В ходе решения задачи пользовательможет корректировать процесс решения.
Режим реальноговремени – строго регламентировано время ответа системы на выдаваемые запросы.
7 Прерывания: основные виды и их предназначения
Прерывание– это приостановка выполнения в процессоре программы с целью выполнения другойболее важной программы или процедуры.
Основойдля управления процессом решения совокупности задач являются процедуры:
· Выбораочередной задачи или определения приоритета
· Сохранениеинформации о статусе задачи при её прерывании
· Устранениеконфликтов между задачами
При этом процессорвыполняет следующую последовательность действий:
1. Анализирует допустимость и приоритетпрерываний
2. Запоминает в стековой памяти текущеесостояние прерванной программы
3. Посылает источнику запроса на прерываниезапрос о причине прерывания
4. Анализирует код запрошенного прерывания
5. Считывает из оперативной памяти и записываетв регистры МПП атрибуты векторов прерывания
6. Устанавливает в нулевое состояние флагипрерывания и трассировки
7. Выполняет программу прерывания
8. После обработки программы прерываниявозвращает из стековой памяти параметры прерванной программы в регистры МПП ивосстанавливает выполнение прерванной программы.
Классификацияпрерываний:
1. Пользовательские
· Прикладные– временно установленные пользователем прерывания при многопрограммном режимеработы МП для указания приоритета выполнения ПП.
2. Системные
· Внутренние
o Планируемые– это обычные процедуры, которые вызывает текущая программа для выполненияпредусмотренной в ней стандартной подпрограммы.
a. Программы BIOS
b. Программы DOS
o Непланируемые
a. Технические – прерывания от схем контроля,которые возникают при появлении отказов и сбоев в аппаратуре компьютера.
b. Логические – прерывания при появлении ошибокв ходе выполнения программ (деление на 0, нарушение защиты памяти)
· Внешние
o Аппаратные– инициализируются при обращении к МП со стороны внешних устройств.
3. Справочные
· Псевдопрерывания– служат для запоминания важных приоритетных адресов, которые могут бытьиспользованы в программах, в частности, при условных и безусловных передачахуправления.
8 Параллельные и конвейерные вычисления
9 Классификация вычислительных систем и их сравнительнаяхарактеристика
Вычислительнаясистема - это совокупностьвзаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, периферийногооборудования и программного обеспечения, предназначенную для подготовки ирешения задач пользователей. Отличительной особенностью ВС по отношению к ЭВМявляется наличие в них нескольких вычислителей, реализующих параллельнуюобработку.
ВС:
· Многомашинные- Основной недостаток многомашинной ВС — недостаточно эффективно используетсяоборудование всего многомашинного комплекса. Достаточно в ВС в каждой ЭВМ выйтииз строя по одному устройству (даже разных типов), как вся система становитсянеработоспособной.
· Многопроцессорные- Наличие единой ОС делает возможным автоматическое распределение ресурсовсистемы на различных этапах её работы. В результате достигается высокая``живучесть'' ВС, позволяющая в случае отказа отдельных модулейперераспределить нагрузку между работоспособными, обеспечив тем самымвыполнение наиболее важных для ВС функций. К недостаткам многопроцессорной ВСотносятся трудности, возникающие при реализации общего поля ОП, ВЗУ, а такжепри разработке специальной ОС.
o Высокопараллельные
o Суперкомпьютеры
МПВС:
· Кластерные
· Потоковые
· Ассоциативные
ВысокопараллельнаяВС (MPP) содержит >128процессоров. Характерной чертой архитектуры является наличие единственного УУ(процессора), распределяющего задания между подчинёнными ему процессорами. Нацентральном процессоре размещается ядро ОС (планировщик заданий), а наподчинённых процессорах – приложения.
Кластерные ВС.
Кластер – это группавзаимосвязанных вычислительных систем, работающих совместно и составляющихединый вычислительный ресурс.
В качестве узлакластера может выступать однопроцессорная ЭВМ или ВС.
Объединениепозволяет:
· Значительноповысить производительность
· Обеспчитьвысокий уровень коэффициента готовности.
Потоковые ВС.
Последовательностьвыполнения команд определяется не центральным устройством управления (счётчикомкоманд), а другими способами:
· Командавыполняется, когда становятся доступны её операнды (механизм управленияданными, или потоковый механизм)
· Командавыполняется, когда другим командам требуется результат её выполнения(управление по запросу)
10 Основные команды процессора
Командапересылки MOV.
Этоосновная команда пересылки данных из памяти в регистр, из регистра в память илииз регистра в регистр. Также может занести число, определённое программистом, врегистр или в память. Может записать сегментный регистр в память или в другойрегистр. Также может загрузить сегментный регистр из памяти или из другогорегистра. Однако не может загрузить сегментный регистр данными снепосредственным операндом. (Необходимо сначала записать в общий регистр, азатем уже – в сегментный).
Командаимеет 2 операнда: источник и результат. После выполнения изменяется толькорегистр-результат. Команда не меняет флагов состояния.
Командазамены XCHG.
Меняетместами содержимое 2ух ячеек. В качестве операндов не могут использоватьсясегментные регистры. Команда заменяет 3 команды пересылки и не требуетпромежуточной ячейки.
Командасложения ADD, ADC.
Осуществляетсложение двух операндов. Результат помещается на место первого из них. Команда ADC к сумме добавляет флаг переноса (0 или 1).
Командавычитания SUB, SBB.
Аналогичныкомандам сложения. SBBвычитает ещё и флаг.
Командасравнения CMP.
Сравнивает2 числа, вычитая одно из другого. Она не записывает результат, но флагисостояния устанавливает в соответствии с результатом. Эта команда меняет толькофлаги.
КомандаCMP AX, BXсравнивает содержимое регистра AX с BX путём вычитания AX-BX.После выполнения команды:
· Если AX=BX,то флаг нуля Z = 1,флаг переноса C = 0;
· Если AXBX,то флаг нуля Z = 0,флаг переноса C = 1;
· Если AX>BX,то флаг нуля Z = 0,флаг переноса C = 0;
1Мультимедийные технологии. Основные понятия, определения, эволюция. Применениемультимедиа в бизнесе
Системы мультимедиа активно внедряются всферу бизнеса. Бизнес становится все более глобальным и международным, фактически,благодаря современным средствам коммуникации, исчезает значение офиса, т. к.сотрудники могут работать у себя дома, в автомобиле в кафе и где угодно.Главная задача, которую ставили перед собой создатели мультимедийных устройств– это привлечение к работе на ЭВМ пользователей, не являющихся специалистами повычислительным системам. Мультимедиа-система состоит из двух частей: человека имашины. Мультимедийные технологии, позволяют объединить в компьютерных приложениях два и болеетипа данных – текст, графика, звук, голос, видео, анимация. С начала 90-х годовсредства мультимедиа развивались и совершенствовались, к началу XXI века она стала основой новыхпродуктов и услуг, таких как электронные книги и газеты, новые технологииобучения, видеоконференции, средства графического дизайна, голосовой ивидеопочты. Применение средств мультимедиа в компьютерных приложенияхстало возможным благодаря прогрессу в разработке и производстве новыхмикропроцессоров и систем хранения данных.
Работа со звуком и видео и изображениями осуществляется при помощиспециальных технических и аппаратных средств, которые называются средствами мультимедиа.Компьютер, снабженный такими средствами, называется мультимедийным.
Мультимедийный компьютер должен включать в себя следующие устройства:
· звуковую стерео плату;
· CD-ROM;
· звуковые стерео колонки;
· микрофон;
· видеокарту.
2 Виды информации, обрабатываемые мультимедиа системами: числовая,символьная, логическая, аудиоинформация, графическая, семантическая, цвет,эмоции. Проблематика обработки каждого вида информации
Аудио играфическая-динамическая информации существуют только с учетом фактора времени.Если масштаб времени изменить, то информация искажается. Правильно воспринятьее можно, только если она находится в динамике. Для обработки ее приходитсяиспользовать специальные программные средства.
Статическая видео-информацияпредставляет собой графики, чертежи, таблицы, диаграммы, которые относятся ктак называемым штриховым рисункам. Кроме штриховых есть полутоновые рисунки, вкоторых форма предметов передается с помощью яркости или цвета.
Динамическаявидеоинформация – это фильмы (слайд-фильмы, мультфильмы, видеофильмы). Этот видинформации отличается многокадровостью. В основе динамической видеоинформациилежит последовательное экспонирование на экране отдельных кадров вывода всоответствии со сценарием. Поэтому процесс обработки динамическойвидеоинформации часто называется редактированием сценариев. Динамическаявидеоинформация используется либо для последовательной демонстрации кадроввывода (слайдов), либо для демонстрации движущихся изображений (что часто называетсяанимацией). При демонстрации слайд-фильмов каждый кадр должен находиться наэкране столько времени, сколько необходимо для восприятия его человеком(примерно от 30 сек. до 1,5 мин., и более).
Анимационныефильмы демонстрируются так, чтобы отдельные кадры вывода зрительный аппаратчеловека зафиксировать не мог. Для этого они должны достаточно быстро сменятьдруг друга. Поскольку время демонстрации на экране каждого кадра вывода мало,каждый отдельный кадр сознанием человека не воспринимается. При частоте сменыкадров 16 кадров в секунду незаметно даже мелькание при смене кадров. Стандарткино – 24 кадра в секунду, телевидения (в Европе) – 25 кадров в секунду, в США– 30 кадров в секунду.
Знаковые системы,с помощью которых переносится смысл, это — текст, числа, речь, рисунок. Но припередаче смысла с помощью текста (речи) мы сталкиваемся с тем, что один и тотже текст может нести разный смысл. Это связано с имеющимися у людей моделямимира: если модель одна — то смысл 1, если другая — то смысл 2. Кроме того,смысл может меняться при наложении на текст интонации, за счет эмоций, мимики,при незначительных изменениях текста (например: “способный человек”, “оченьспособный человек”, “на все способный человек”). Для людей — не проблемауловить оттенки смысла. Но объяснить, как это делается, можно далеко не всегда.
Эмоции — это ещеодин вид информации, широко используемый в животном мире для характеристикиотношения к происходящим событиям. Эмоции передаются не только (и не столько)словами, но и мимикой, и интонациями.
Цвет — тожеразновидность информации. Известно, что цвета делятся на теплые и холодные,возбуждающие и тормозящие. При правильном подборе цвета, с его помощью можновлиять на настроение работающего на ЭВМ.
3 Классификация устройств ввода, вывода,ввода-вывода мультимедийной информации. Состав,особенности, эволюция
К устройствам ввода информации относятся клавиатуры, устройства управлениякурсором, системы ввода с машиночитаемых документов, системы ввода штриховыхкодов, сканеры, устройства ввода акустических сигналов, цифровые фото ивидеокамеры, TV- устройства ввода.
Устройства управления курсором включают в себя световое перо, мышь,джойстик, кот, и др. Они используются для перемещения курсора по экрану и дляотметки позиции, в которой находится курсор.
Машиночитаемые документы представляют собой лист бумаги, на которыйнейтральной краской наносится решетка. Нейтральная краска (например, желтая) невоспринимается электронными приборами. Черным цветом в определенных местахразметки можно нанести штрихи или символы специальной формы (например,стилизованные шрифты). Такие устройства используются для ввода почтовыхиндексов с конвертов. Разрабатывались устройства для ввода информации сперфокарт, на которые вручную наносились надписи. Для ЭВМ Минск- 32 былоразработано специальное устройство — “Бланк”, которое применялось для переписинаселения в СССР. В настоящее время для ввода машиночитаемых документов можетиспользоваться сканер.
Устройства ввода акустических сигналов делятся на устройства ввода музыкальныхпроизведений, звуковых эффектов и речи. Для ввода акустических сигналов любоготипа необходимо, чтобы ЭВМ была оснащена звуковой картой. Для ввода звуковыхэффектов и речи используются микрофон или магнитофон. Музыкальные произведения могутвводиться с магнитофона, через специальный интерфейс с MIDI -
устройств или с клавиатуры ЭВМ. Звуковыеэффекты могут создаваться программным путем.
Цифровые фотокамеры своим появлением резко изменили технологиюфотографии. Они используют для хранения изображения специальный магнитныйноситель, на который изображение записывается в оцифрованном виде. Цифровойфотоаппарат позволяет перестраивать режимы фиксации изображения — можнонастроиться на монохромную съемку (поскольку монохромный снимок занимает значительноменьше места на магнитном носителе, чем цветной, в этом режиме можно сделатьнаибольшее количество снимков без смены носителя). Можно настроить цифровуюфотокамеру на фиксацию цветного изображения, при этом указывается количествоцветов. Регулируется так же разрешающая способность аппарата, что существеннодля увеличения сделанного снимка.
Цифровые видеокамеры отличаются от аналоговых. Аналоговая камерапишет изображение и звук на магнитную ленту. В цифровых видеокамерах записьведется в цифровом виде.
Телевизионные (TV) устройства ввода - цифровые и аналоговые, различаютсяспособами записи и воспроизведения. Подключаются к ЭВМ через дигитайзер,TV-тюнер (например, AVER MediaTV Studio, MediaForte TV Vision). Использование таких устройств требует высокойпроизводительности ЭВМ. При недостаточной производительности изображениедвижется неравномерно, скачками. Чтобы снизить требования к производительности,изображение уменьшают в размерах (вплоть до 1/8 экрана), сокращают количествоцветов в изображении, снижают разрешающую способность. Такие видеоизображениячасто используются в баннерах Интернет.
Сокращение объема изображения (а значит — итребований к производительности аппаратуры) достигается так же кодированием сосжатием. При этом облегчается хранение видеопродукции, и усложняетсявоспроизведение, так как для воспроизведения необходимо восстанавливать сжатоеизображение. Восстановление может выполняться либо программным путем (сиспользованием микропроцессора ЭВМ), либо в специальном ускорителе (акселераторе)видео- или TV-карты.
Устройства вывода информации включают плоттеры, принтеры, электронныеэкраны и панели, системы аудиовывода, видеосистемы. При выводе графическойинформации может применяться вывод двумерного, или объемного (трехмерного) изображения.Для вывода объемного изображения находят применение специальные устройства испособы.
Плоттеры предназначены для вывода графической информации на твердыйноситель (бумагу). Планшетный плоттер имеет линейку, по которой можетперемещаться печатающий механизм. Перемещение линейки сдвигает печатающиймеханизм по вертикали, а перемещение механизма по линейке сдвигает его погоризонтали. Благодаря этому, можно установить печатающий механизм в любуюточку планшета. На планшете крепится лист бумаги. Плоттер может воспроизводитьна бумаге очень сложные штриховые изображения. Но работает плоттер оченьмедленно. Для управления плоттером разработаны специальные алгоритмическиеязыки.
Принтеры - это внешние устройства ЭВМ, предназначенные для выводаинформации на твердый носитель в символьном или графическом виде. Классификацияпринтеров может быть проведена по следующим критериям: по способу вывода, попринципу формирования изображения, по способу регистрации, и по принципууправления процессом печати.
Электронные экраны и панели предназначены для предъявления выводимой изЭВМ информации большой аудитории. Простейший демонстрационный экран может бытьсделан из поставленных друг на друга телевизоров (при образовании изтелевизоров матрицы размером 8х8 выводимая из ЭВМ информация доступна длябольшой аудитории). Телевизионная матрица через блок сопряжения подключается кЭВМ. Изображение на такую матрицу может выводится фреймами.
Видеосистемы предназначены для оперативного отображенияинформации, доведения ее до сведения пользователя (оператора ЭВМ). Обычно онисостоят из двух частей: монитора и адаптера. Монитор служит для визуализацииизображения, адаптер — для связи монитора с микропроцессорным комплектом.
Системы ввода-вывода включают в себя абонентские пункты (сочетаниедисплея с клавиатурой и устройством сопряжения с ЭВМ), модемы, сенсорныедисплеи, аудио и видеомагнитофоны. Они служат как для ввода, так и для выводаинформации.
Особое место среди них занимают сенсорныедисплеи. Сенсорный дисплей — это устройство, реагирующее на прикосновение.Необычным в нем является способ ввода информации — вместо мыши, джойстика илисветового пера используется рука человека, которая изменяет емкость илииндуктивность датчиков при перемещении руки по различным зонам экрана дисплея,и за счет этого позволяет определить, к какой части экрана прикоснулись. Дляреализации такой системы в углах экрана обыкновенного дисплея устанавливаютсяемкостные или индуктивные датчики, соединенные с ЭВМ. Рука человека изменяетемкость (или индуктивность) по-разному в разных датчиках (их всего 4) взависимости от места нахождения руки. ЭВМ это учитывает, и определяет, на какуюзону экрана рука указывает.
Преобразователи информации включают в себя аналого- цифровые (АЦП),цифро-аналоговые (ЦАП) преобразователи, системы распознавания, преобразователиформатов (конвертеры), системы сж