64199 (Ответы на билеты по экзамену ВМС и СТК в МЭСИ), страница 2

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 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).

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

Запоминающая

среда