И, наконец, сохранение результата.

Идея, реализованная Эйкеном, заключалась в физическом разделении линий передачи команд и данных. В первом компьютере Эйкена «Марк I» для хранения инструкций использовалась перфорированная лента, а для работы с данными — электромеханические регистры. Это позволяло одновременно пересылать и обрабатывать команды и данные, благодаря чему значительно повышалось общее быстродействие компьютера. В Гарвардской архитектуре характеристики устройств памяти для инструкций и памяти для данных не требуется иметь общими. В частности, ширина слова, тайминги, технология реализации и структура адресов памяти могут различаться. В некоторых системах инструкции могут хранится в памяти только для чтения, в то время как, для сохранения данных обычно требуется память с возможностью чтения и записи. В некоторых системах требуется значительно больше памяти для инструкций, чем памяти для данных (поскольку данные обычно могут подгружатся с внешней или более медленной памяти). Такая потребность увеличивает битность (ширину) шины адреса памяти инструкций по сравнению с шиной адреса памяти данных.

Архитектура была разработана Говардом Эйкеном в конце 1930-х годов в Гарвардском университете. Отличие от архитектуры фон Неймана

В чистой архитектуре фон Неймана процессор одномоментно может либо читать инструкцию, либо читать/записывать единицу данных из/в памяти. То и другое не может происходить одновременно, поскольку инструкции и данные используют одну и ту же системную шину.

А в компьютере с использованием гарвардской архитектуры процессор может читать инструкции и выполнять доступ к памяти данных в то же самое время, даже без кэш-памяти. Таким образом, компьютер с гарвардской архитектурой может быть быстрее (при определенной сложности схемы), поскольку доставка инструкций и доступ к данным не претендуют на один и тот же канал памяти.

Также машина гарвардской архитектуры имеет различные адресные пространства для команд и данных. Так, нулевой адрес инструкций — это не то же самое, что и нулевой адрес данных. Нулевой адрес инструкций может определятся двадцатичетырехбитным значением, в то время как нулевой адрес данных может выглядеть как восьмибитный байт, который не являются частью этого двадцатичетырехбитного значения.

Синхронный двигатель (сравнение с асинхронным)

Асинхронный двигатель

Наибольшее распространение в промышленности получил асинхронный двигатель переменного тока с короткозамкнутым ротором (squirrel-cage induction motor). Честь его изобретения принадлежит М. Доливо-Добровольскому в 1890 г. Такой двигатель имеет ряд достоинств: высокий к.п.д., высокую надежность, простоту конструкции, низкую стоимость. Его недостатки - сложность регулирования частоты вращения и большие пусковые токи. В настоящее время эти недостатки преодолены, благодаря современным электронным средствам коммутации и управления с помощью ЭВМ, удешевившим частотное управление приводом (рассматривается в дальнейшем). 3 фазы напряжения и тока, подаваемые по трем проводам. Изначально на электростанции турбогенераторы создают переменное напряжение, вращая электромагнит ротора внутри 3-х фазной обмотки статора. На рис. 52 внизу показаны различные положения вращающегося ротора (полюса магнита Ю и С в соответствии со стрелкой компаса) и соответственно значения каждой из 3-х фаз тока: I1, I2, I3. Для удобства представления каждая синусоида изображается вращающимся вектором, при этом она получается как проекция на вертикальную координатную ось. Эти 3 синусоиды принято изображать, как на рис.53, а фазы обозначать латинскими буквами А, В, С.

Рисунок 52. Получение 3-х фазного тока в генераторе

Рисунок 53. Трехфазная система напряжений и токов

Когда трехфазный ток попадает в аналогичную генератору трехфазную обмотку статора электродвигателя, то он также создает вращающееся магнитное поле. Но ротор двигателя построен совершенно иначе. У него изначально нет никаких магнитов, в роторе помещены короткозамкнутые толстые проводники.

При включении электродвигателя в сеть вращающееся магнитное поле пересекает проводники ротора, наводя (индуцируя) в них э.д.с. (отсюда англ. название “induction motor”). Эта э.д.с. вызывает токи, которые создают магнитный поток ротора, сцепляющийся с вращающимся полем статора, которое увлекает за собой ротор и он начинает вращаться. В первый момент пуска поле статора вращается относительно ротора с максимальной частотой ω0 = 2 π f, где: f – частота электросети, равная 50 Гц (в Европе). Постепенно ротор раскручивается, разница частот вращения ротора ω1 и поля статора: ω0 – ω1 уменьшается, но она не может сравняться с нулем. Причина здесь в том, что при нулевой разнице поле статора не будет пересекать проводники ротора, не будет токов ротора и не будет сцепления ротора с полем статора. Относительную разницу частот вращения ротора и поля статора принято называть “скольжением” s = (ω0 – ω1) / ω0; 1 ≥ s ≥0. В момент пуска асинхронный короткозамкнутый двигатель потребляет большой пусковой ток, при этом s = 1. Он похож на трансформатор, у которого накоротко замкнута вторичная обмотка, в которой течет большой ток короткого замыкания (соответственно в названии двигателя “короткозамкнутый ротор”). По мере раскручивания ротора, ток в нем уменьшается, уменьшается и ток статора, потребляемый от электросети.

Из-за больших бросков тока пуск асинхронного короткозамкнутого двигателя, особенно большой мощности, создает проблемы для другого оборудования, подключенного к сети, так как в сети падает напряжение. Применение частотного регулирования скорости двигателя снимает проблемы пуска. На рис.48 справа показана механическая характеристика асинхронного двигателя. В момент пуска при неподвижном роторе двигатель развивает пусковой момент Мп, показанный точкой на горизонтальной оси при ω = 0. Двигатель может раскручиваться, если момент сопротивления от нагрузки меньше Мп. На рис. 48 Мн обозначает номинальный момент нагрузки, на который рассчитан двигатель. Частота вращения растет и устанавливается в верхней точке на вертикали Мн, при этом существует некоторое скольжение. Если снять момент нагрузки М=0, то установится так называемый режим холостого хода, когда скольжение уменьшится почти до нуля, и ротор будет вращаться почти с максимальной частотой ω0.

Синхронный двигатель

По принципу обратимости электрических машин данный двигатель имеет то же устройство, что и синхронный генератор переменного тока на рис.52. У него такая же обмотка статора, как и у асинхронного двигателя, но ротор обычно представляет собой постоянный магнит, который жестко притягивается к вращающемуся полю статора без всякого скольжения. Частота его вращения ω0 = 2 π f независимо от момента нагрузки, поэтому он называется синхронным. Это ценно для системы управления, однако у него очень малый пусковой момент, значительно меньше, чем у асинхронного, поэтому в его роторе помещают часто еще и короткозамкнутую обмотку. Таким образом, он становится также и асинхронным при пуске.

Билет 3

1. Контроллер памяти, шина процессора

Контроллер памяти — цифровая схема, управляющая потоком данных к и от оперативной памяти. Может представлять собой отдельную микросхему или быть интегрирована в более сложную микросхему, например, в северный мост, микропроцессор или систему на кристалле.

Контроллер памяти содержит логические цепи, необходимые для проведения операций чтения и записи в DRAM, а также для обновления хранимых в DRAM данных. Без периодических обновлений чипы памяти DRAM теряют информацию, так как разряжаются токами утечки конденсаторы, хранящие биты. Типичное время надежного хранения информации составляет доли секунды, но не менее 64 миллисекунд согласно стандартам JEDEC. На более длительных периодах времени информация сохраняется лишь частично.

DRAM (Dynamic random access memory, Динамическая память с произвольным доступом) — тип энергозависимой полупроводниковой памяти спроизвольным доступом; DRAM широко используемая в качестве оперативной памяти современных компьютеров, а также в качестве постоянного хранилища информации в системах, требовательных к задержкам.

Физически DRAM состоит из ячеек, созданных в полупроводниковом материале, в каждой из которых можно хранить определённый объём данных, строку от 1 до 4 бит. Совокупность ячеек такой памяти образуют условный «прямоугольник», состоящий из определённого количества строк и столбцов. Один такой «прямоугольник» называется страницей, а совокупность страниц называется банком. Весь набор ячеек условно делится на несколько областей.

Как запоминающее устройство, DRAM представляет собой модуль памяти различных конструктивов, состоящий из электрической платы, на которой расположены микросхемы памяти и разъёма, необходимого для подключения модуля к материнской плате.

В большинстве современных x86-систем (то есть компьютеров на базе x86-процессоров), процессор как устройство к памяти обращаться вообще не может, так как не имеет в своем составе соответствующих узлов. Поэтому он обращается к «промежуточному» специализированному устройству, называемому контроллером памяти, а уже тот, в свою очередь — к микросхемам ОЗУ, размещенным на модулях памяти. Модули вы наверняка видели — это такие длинные узкие текстолитовые «планочки» (фактически — небольшие платы) с некоторым количеством микросхем на них, вставляемые в специальные разъемы на системной плате. Роль контроллера ОЗУ, таким образом, проста: он служит своего рода «мостом»* между памятью и использующими ее устройствами (кстати, к ним относится не только процессор, но об этом — чуть позже). Как правило, контроллер памяти входит в состав чипсета — набора микросхем, являющегося основой системной платы. От быстродействия контроллера во многом зависит скорость обмена данными между процессором и памятью, это один из важнейших компонентов, влияющих на общую производительность компьютера.

* — кстати, контроллер памяти физически находится в микросхеме чипсета, традиционно называемой «северным мостом».

Процессорная шина

Любой процессор обязательно оснащён процессорной шиной, которую в среде x86 CPU принято называть FSB (Front Side Bus). Эта шина служит каналом связи между процессором и всеми остальными устройствами в компьютере: памятью, видеокартой, жёстким диском, и так далее. Впрочем, как мы уже знаем из предыдущего раздела, между собственно памятью и процессором находится контроллер памяти. Соответственно: процессор посредством FSB связывается с контроллером памяти, а уже тот, в свою очередь, по специальной шине (назовём её, не мудрствуя лукаво, «шиной памяти») — с модулями ОЗУ на плате. Однако, повторимся: поскольку «внешняя» шина у классического x86 CPU всего одна, она используется не только для работы с памятью, но и для общения процессора со всеми остальными устройствами

2. Логарифмическая шкала, децибелы

Диапазон мощностей, напряжений и токов, встречающихся в радиотехнике, слишком широк, чтобы выражать их в линейном масштабе. Поэтому на практике пользуются логарифмической шкалой, где основной единицей является децибел (1дБ равен 0,1 Б). Децибел определяет не величину мощности, напряжения или тока, а отношение между двумя значениями каждой из этих величин, при этом для соблюдения точности необходимо, чтобы эти две величины сравнивались при одинаковых значениях импеданса. Отношение выходной мощности усилителя ко входной, традиционно задается [1] в логарифмической величине - децибел:

G (dB)=10 log(P_out / P_in).

Переход к логарифмическим функциям можно обосновать рядом причин:

1. возможностью на сравнительно небольшом пространстве графика показывать большой диапазон значений величин; ниже показано два графика, первый с равномерной шкалой, второй с логарифмической

 

Рисунок 17. Некоторые параметры звуковых волн в воздухе

 

2. операции умножения коэффициентов заменять операцией сложения, как например на логарифмической линейке, которая в прошлом очень часто использовалась инженерами для вычислений, но была заменена калькулятором и ЭВМ;

3. логарифмической зависимостью ощущения громкости звука от звукового давления, например при увеличении звукового давления в 2 раза мы ощутим увеличение громкости в 0,3 раз [6], здесь берется логарифм без множителя 10.

Децибелы можно представить как десятичный порядок отношения чисел, увеличенный в 10 раз. Некоторое представление об этом дает таблица 1.

Таблица 1 Значения децибел G для некоторых значений отношения K двух чисел

 

K	10^-2	0,1	0,25	0,5		1,5						10^2	10^3	10^4
G(dB)	-20	-10	-6	-3		1,76		4,7

 

Поскольку мощность P = U² ∙R, то при задании усиления по напряжению в децибелах справедлива формула

G (dB)=10 log(P_out / P_in)= 10 log(U²_out ∙ R /(U² _in ∙ R))= 20 log(U_out / U _in). Можно задавать коэффициент усиления и как обычное отношение не в децибелах.

Билет 4

1. Архитектура как совместимость с кодом Архитектура процессора — количественная составляющая компонентов микроархитектуры вычислительной машины (процессора компьютера) (например, регистр флагов илирегистры процессора), рассматриваемая IT-специалистами в аспекте прикладной деятельности. С точки зрения программиста — совместимость с определённым набором команд (например, процессоры, совместимые с командами Intel х86), их структуры (например, систем адресации или организации регистровой памяти) и способа исполнения (например, счетчик команд). Наверняка вы часто встречались с термином «x86», или «Intel-совместимый процессор» (или «IBM PC compatible» — но это уже по отношению к компьютеру). Иногда также встречается термин «Pentium-совместимый» (почему именно Pentium — вы поймете сами чуть позже). Что за всеми этими названиями скрывается на самом деле? На данный момент наиболее корректно с точки зрения автора выглядит следующая простая формулировка: современный x86-процессор — это процессор, способный корректно исполнять машинный код архитектуры IA32 (архитектура 32-битных процессоров Intel). В первом приближении это код, исполняемый процессором i80386 (известным в народе как «386-й»), окончательно же основной набор команд IA32 сформировался с выходом процессора Intel Pentium Pro. Что означает «основной набор» и какие есть еще? Для начала ответим на первую часть вопроса. «Основной» в данном случае означает то, что с помощью исключительно этого набора команд, может быть написана любая программа, которая вообще может быть написана для процессора архитектуры x86 (или IA32, если вам так больше нравится). Кроме того, у архитектуры IA32 существуют «официальные» расширения (дополнительные наборы команд) от разработчика самой архитектуры, компании Intel: MMX, SSE, SSE2 и SSE3. Также существуют «неофициальные» (не от Intel) расширенные наборы команд: EMMX, 3DNow! и Extended 3DNow! — их разработала компания AMD. Впрочем, «официальность» и «неофициальность» в данном случае понятие относительное — де-факто все сводится к тому, что некоторые расширения набора команд Intel как разработчик изначального набора признает, а некоторые — нет, разработчики же программного обеспечения используют то, что им лучше всего подходит. В отношении расширенных наборов команд существует одно простое правило хорошего тона: прежде чем их использовать, программа должна проверить, поддерживает ли их процессор. Иногда отступления от этого правила встречаются (и могут приводить к неправильному функционированию программ), но объективно это является проблемой некорректно написанного программного обеспечения, а не процессора. Для чего предназначены дополнительные наборы команд? В первую очередь — для увеличения быстродействия при выполнении некоторых операций. Одна команда из дополнительного набора, как правило, выполняет действие, для которого понадобилась бы небольшая программа, состоящая из команд основного набора. Опять-таки, как правило, одна команда выполняется процессором быстрее, чем заменяющая ее последовательность. Однако в 99% случаев, ничего такого, чего нельзя было бы сделать с помощью основных команд, с помощью команд из дополнительного набора сделать нельзя. Таким образом, упомянутая выше проверка программой поддержки дополнительных наборов команд процессором, должна выполнять очень простую функцию: если, например, процессор поддерживает SSE — значит, считать будем быстро и с помощью команд из набора SSE. Если нет — будем считать медленнее, с помощью команд из основного набора. Корректно написанная программа обязана действовать именно так. Впрочем, сейчас практически никто не проверяет у процессора наличие поддержки MMX, так как все CPU, вышедшие за последние 5 лет, этот набор поддерживают гарантированно. Для справки приведем табличку, на которой обобщена информация о поддержке различных расширенных наборов команд различными десктопными (предназначенными для настольных ПК) процессорами. На данный момент всё популярное десктопное программное обеспечение (операционные системы Windows и Linux, офисные пакеты, компьютерные игры, и прочее) разрабатывается именно для x86-процессоров. Оно выполняется (за исключением «дурно воспитанных» программ) на любом x86-процессоре, независимо от того, кто его произвел. Поэтому вместо ориентированных на разработчика изначальной архитектуры терминов «Intel-совместимый» или «Pentium-совместимый», стали употреблять нейтральное название: «x86-совместимый процессор», «процессор с архитектурой x86». В данном случае под «архитектурой» понимается совместимость с определённым набором команд, то есть, можно сказать, «архитектура процессора с точки зрения программиста». Есть и другая трактовка того же термина.