С последовательным приёмом и выдачей информации — сдвиговые регистры.

С параллельным приёмом и выдачей информации — параллельные регистры.

Сдвиговые регистры представляют собой последовательно соединённую цепочку триггеров. Основной режим работы — сдвиг разрядов кода от одного триггера к другому на каждый импульс тактового сигнала.

По назначению регистры различаются на:

аккумулятор — используется для хранения промежуточных результатов арифметических и логических операций и инструкций ввода-вывода;

флаговые — хранят признаки результатов арифметических и логических операций;

общего назначения — хранят операнды арифметических и логических выражений, индексы и адреса;

индексные — хранят индексы исходных и целевых элементов массива;

указательные — хранят указатели на специальные области памяти (указатель текущей операции, указатель базы, указатель стека);

сегментные — хранят адреса и селекторы сегментов памяти;

Адрес	Содержимое
	Данные или команда
	…
…	…
…	…
N	…

§ управляющие — хранят информацию, управляющую состоянием процессора, а также адреса системных таблиц.

2. АЧХ акустического тракта

АЧХ — амплитудно-частотная характеристика тракта. Это — частотная зависимость отношения нормированных амплитуд синусоидальных сигналов на выходе и входе тракта. Замечу, что АЧХ лишь косвенно характеризует свойства тракта при передаче несинусоидальных сигналов.
ФЧХ — фазо-частотная характеристика. Это — частотная зависимость разности фаз синусоидальных сигналов на выходе и входе тракта. АЧХ и ФЧХ однозначно связаны в большинстве электротехнических цепей преобразованием Гильберта: зная АЧХ, можно однозначно определить ФЧХ и наоборот. Цепи, для которых АЧХ и ФЧХ связаны однозначно, называются минимально-фазовыми. Большинство АС, и в том числе все многополосные, минимально-фазовыми не являются. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) — функция, показывающая зависимость модуля некоторой комплекснозначной функции от частоты. Также может рассматриваться АЧХ других комплекснозначных функций частоты, например, спектральной плотности мощности сигнала.

АЧХ в теории автоматического управления. АЧХ в теории линейных стационарных систем означает зависимость модуля передаточной функции системы от частоты. АЧХ показывает во сколько раз амплитуда сигнала на выходе системы отличается от амплитуды входного сигнала на всём диапазоне частот. На графике АЧХ по оси абсцисс откладывается частота, а по оси ординат отношение амплитуд выходного и входного сигналов системы. Обычно для частоты используетсялогарифмический масштаб, так как исследуемый диапазон частот может изменяться в достаточно широких пределах (от единиц до миллионов Гц или рад/с). В случае когда логарифмический масштаб используется и на оси ординат, АЧХ превращается в логарифмическую амплитудно-частотную характеристику. ЛАЧХ получила широкое распространение в теории автоматического управления в связи с простотой построения и наглядностью при исследовании систем управления. Амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) линейной цепи называют модуль ее комплексной частотной характеристики. Для четырехполюсного устройства это модуль коэффициента передачи. Из определения следует наиболее простой метод измерения АЧХ: снятие зависимости отношения амплитуд выходного и входного напряжений гармонического сигнала в отдельных частотных точках (“по точкам”) с последующей интерполяцией. На практике обычно снимают зависимость напряжения на выходе исследуемого устройства от частоты при постоянной амплитуде гармонического напряжения на входе. Описанный метод измерения АЧХ “по точкам” основан на использовании перестраиваемого генератора гармонических колебаний и вольтметра. Структурная схема измерительной установки представлена на рис. 1.1, а. Генератор последовательно настраивают на ряд выбранных частот, а напряжение на выходе исследуемого устройства измеряют вольтметром. При этом амплитуду напряжения генератора поддерживают постоянной. Зависимость UВЫХ(f), построенная по результатам измерений, представляет собой АЧХ исследуемой цепи (рис. 1.1, б). Данный способ обеспечивает достаточно высокую точность измерений. Основными источниками погрешностей являются:

Погрешность установки частоты генератора; 2) погрешность установки амплитуды напряжения на выходе генератора и его нестабильность в процессе измерения АЧХ;3) погрешность вольтметра, измеряющего напряжение на выходе цепи;4) искажения АЧХ, связанные с влиянием выходного сопротивления генератора и входного импеданса вольтметра на параметры исследуемой цепи.

Вклад первых трех источников в общую погрешность измерения может быть уменьшен использованием приборов более высокого класса точности. Влияние генератора снижают выбором способа подключения к измеряемой цепи. Вольтметр следует выбирать с большим входным сопротивлением и минимальной входной емкостью.

Билет 7

Память ЭВМ

Далее идет изложение работы практических устройств, а не чистых принципов, поэтому нужно оценивать устройства по определенным критериям. Они достаточно просты и понятны. Каждая машина, в том числе ЭВМ, выполняет определенную работу в единицу времени и характеризуется производительностью, она близка к быстродействию. Часто этот критерий является основным в конкуренции производителей ЭВМ. Однако реально нужно еще учитывать стоимость, тогда основным критерием становится производительность / стоимость (лучше, когда числитель больше, а знаменатель меньше). Это можно представить как производительность на рубль (доллар). Память ЭВМ выполняет одну из фундаментальных функций – хранение информации, то есть время изменяется, а информация остается неизменной. Запоминающих устройств великое множество даже в пределах одной ЭВМ, где они составляют целую иерархию, подчиненную центральному процессору. Конечно хотелось бы упростить структуру запоминающих устройств (ЗУ), но этого пока не удается сделать из-за противоречия их свойств, главным образом основных: объема и быстродействия. Чем выше быстродействие (лучше), тем меньше объем (хуже), поэтому приходится искать компромисс, обеспечивающий наилучшее соотношение производительность / стоимость. По быстродействию центральный процессор (ЦП - CPU) значительно превосходит ЗУ, хотя внутри самого ЦП уже существуют триггеры и регистры, которые также хранят информацию (рис.10), их быстродействие одинаково с ЦП. Есть программно доступные на языке ассемблера регистры ЦП - регистры общего назначения (РОН). Далее, следуя от регистров ЦП в порядке уменьшения быстродействия, но увеличения объема идут кэш (cache) уровня 1 (level 1), кэш уровня 2,… Далее оперативное запоминающее устройство – основное ЗУ по объему информации, работающее прямо с ЦП, благодаря выборке информации в произвольном порядке адресов равно и записи туда информации, называемое поэтому ЗУ с произвольной выборкой (ЗУПВ – RAM - Random Access Memory). ЦП и ОЗУ составляют минимально необходимую часть ЭВМ, которая уже может функционировать. Далее к ней добавляются различные устройства, называемые внешними или периферийными (не только накопители) в зависимости от решаемых на ЭВМ задач. Предполагается, что в выключенном состоянии в ОЗУ имеется программа работы, хотя бы начальная. Здесь уместно вспомнить о концепции хранимой в ОЗУ программы наряду с данными, впервые опубликованной в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом. Концепция означает, что в ОЗУ записывается программа, по которой работает ЭВМ, и поскольку эти программы легко менять и иметь несколько программ в ОЗУ, то ЭВМ становится универсальной по выполняемым задачам.

Каждую строку таблицы называют ячейкой, куда процессор записывает информацию по задаваемому программой адресу, а затем может много раз ее считывать. При этом взамен старой информации он может записывать новую, модифицируя таким образом содержимое ячейки, предполагается, что имя переменной величины однозначно соответствует адресу ОЗУ. Объем ОЗУ представляет один из важных параметров ЭВМ. Объем кэш значительно меньше, но он быстрее. Кэш можно рассматривать как буфер между ЦП и ОЗУ, введенный для повышения быстродействия ЭВМ. Он считается «прозрачным» с точки зрения прикладного программиста, то есть управление им недоступно. Его эффективность зависит от решаемой задачи и основывается на таких статистических данных, что 10-20% данных и команд необходимы в 80-90% случаев, они и хранятся в кэш. Предполагается, что в течение какого-то времени ЦП работает с небольшой частью ОЗУ, которую помещают на это время в кэш. Понятно, что кэш имеет произвольную выборку. Рассмотрим устройство ОЗУ, оно упрощенно представлено на рис.12 и состоит из матриц запоминающих элементов, дешифратора строк (raw decoder) DC-R и дешифратора столбцов (column decoder) DC-C. На пересечениях электрических линий строк и столбцов в матрице расположены запоминающие элементы, каждый из которых хранит один бит информации. Для того, чтобы выбрать нужный элемент, требуется подать сигнал на ту линию строки и столбца, на пересечении которых находится элемент. Это делается посредством дешифраторов. Следует отметить, что дешифраторы широко применяются в ЭВМ, например, в схеме синхронизации, где они выделяют линии отдельных тактов. Дешифратор работает следующим образом: на его вход подается номер выбираемой выходной линии. Здесь следует представлять, что число входных линий дешифратора гораздо меньше, чем выходных. Например, если число входов равно 4, то число выходов равно 16 по той же формуле 2n.

Адрес столбца

А2 Матрица

DC-R DD DC-C

запоминающих элементов

Адрес строки

А1

Рисунок 12. Схема запоминающего устройства с произвольной выборкой.

Предположим, что ЗУ имеет объем 256 МБ, то есть 228. Это определяет разрядность адреса 28. Если матрица квадратная (число строк равно числу столбцов), то А1 и А2 имеют по 14 разрядов, а число выходов каждого из дешифраторов составит 214. Число элементов матрицы будет равно 214 х 214 =228. В схеме синхронизации процессора используются значительно более простые дешифраторы с числом выходов не более нескольких десятков (по числу тактов в цикле) и поэтому они работают быстрее, кроме того сама матрица требует значительного времени, что может объяснить существенно большее быстродействие процессора относительно ЗУ. Следует также указать, что одна матрица обеспечивает только один разряд, то есть имеет объем 256 Мбит, а в байте 8 бит. Таким образом, потребуется 8 параллельных матриц запоминающих элементов на одних и тех же дешифраторах.

В ОЗУ используется два типа запоминающих элементов:

Конденсатор

Триггер.

Конденсатор может быть в двух состояниях: заряженном и незаряженном, в первом случае на нем электрическое напряжение значительно больше, чем во втором случае благодаря наличию заряда. Заряд сохраняется на конденсаторе некоторое время. Записать информацию в один бит означает зарядить конденсатор. Однако заряд из-за проводимости изоляции (утечки) постепенно исчезает, а информация самопроизвольно стирается, поэтому ранее заряженные конденсаторы приходится подзаряжать через определенное время. Этот процесс называется регенерацией памяти и выполняется обычно через несколько миллисекунд постоянно. Для регенерации ячейки достаточно к ней обратиться или выбрать ее строку, то есть регенерация выполняется сразу по строкам. Из-за регенерации память на конденсаторах получила название динамической. В отличие от нее, память на триггерах называется статической. Для триггеров не требуется регенерации, к тому же они работают значительно быстрее, чем конденсаторы. Однако конденсаторы значительно проще и занимают на кристалле меньше места, поэтому динамическая память оказывается дешевле статической. Быстродействие памяти оценивается временем выборки информации – временем от подачи адреса памяти до получения данных на выходе, время выборки статической памяти составляет около10 нс, динамической памяти – около 20 нс. Указанные значения постоянно стараются уменьшить, хотя здесь существуют технические трудности. Учет особенностей работы ОЗУ совместно с ЦП все же позволил ускорить работу ОЗУ в системе с помощью различных приемов: