Вопросы по АПС для ИВТ/ПИН/ПМ
Процессоры. Определение, классификация, закономерности развития, области применения. Обобщенная структура микропроцессора. Общий алгоритм функционирования.
Арифметико-логические устройства. Определение, структура, подход к проектированию, основные уравнения работы АЛУ (пример синтеза выражения). Особенности знаковой и беззнаковой арифметики.
Арифметико-логические устройства. Определение, структура, подход к проектированию. Вариант АЛУ на основе мультиплексирования операций. Схема ускоренного переноса. Особенности знаковой и беззнаковой арифметики.
Особенности представления чисел в форматах с фиксированной и плавающей запятой. Особенности аппаратной реализации арифметических операций над числами в форматах с фиксированной и плавающей запятой.
Архитектура системы команд. Система команд и способы адресации операндов. Классификация архитектур по сложности кодирования инструкций (RISC, CISC). Уровни абстракции представления микропроцессора.
Компиляция программ с языков высокого уровня в машинные коды (представления условных операторов, циклов и вызова подпрограмм на примере языка ассемблера RISC-V). Трансляция, ассемблирование, компоновка.
Процессоры с однотактным, многотактным и конвейеризированным устройствами управления. Особенности построения. Достоинства и недостатки каждой из реализаций.
Устройство микропрограммного управления. Структура, способы формирования управляющих сигналов, адресация микрокоманд.
Подход к проектированию однотактного процессора на примере архитектуры RISC-V. Сравнение с другими подходами к реализации микроархитектуры.
Подход к проектированию многотактного процессора на примере архитектуры RISC-V. Сравнение с другими подходами к реализации микроархитектуры.
Подход к проектированию конвейерного процессора на примере архитектуры RISC-V. Сравнение с другими подходами к реализации микроархитектуры.
Структурные конфликты и способы их минимизации. Конфликты по данным, их классификация и примеры реализаций механизмов их обходов.
Сокращение потерь на выполнение команд перехода и методы минимизации конфликтов по управлению.
Методы повышения производительности процессоров: суперскалярность, суперконвейерность, гипертрейдинг, внеочередное исполнение команд, переименовывание регистров и т.п.
Основные режимы функционирования микропроцессорной системы: основная программа, подпрограмма, прерывания, ПДП. Обработка прерываний и исключений. Системы с циклическим опросом. Блок приоритетных прерываний.
Иерархия памяти: причины, зависимости, следствия. Статическое и динамическое ОЗУ. Организация систем памяти в микропроцессорных системах.
Принципы организации кэш-памяти. Способы отображения данных из ОЗУ в кэш-память. Варианты построения.
Виртуальная память. Принципы функционирования и способы организации виртуальной памяти. TLB.
Когерентность кэш. Примеры реализации когерентности кэш-памяти: VI, MSI, MESI.
Потоковобезопасное программирование. Семафоры. Примеры распределения и ограничения доступа к ресурсам на основе семафоров.
Механизм граничного сканирования регистров. JTAG. Области применения.
Обмен информацией между элементами в микропроцессорных системах. Организация шинного обмена. Виды и иерархии шин.
Арбитр магистрали. Алгоритмы и схемы арбитража. Методы повышения эффективности шин.
Организация систем ввода\вывода. Совмещенное и выделенное адресное пространство. Способы подключений периферийных устройств. Прямой доступ к памяти. Вычислительная машина с канальной системой ввода\вывода.
Классификация и описание архитектур по месту хранения операндов: аккумуляторная, стековая, мостовая, регистровая.
Классификация архитектур современных микропроцессоров. Архитектуры с полным и сокращенным набором команд, архитектура с длинным командным словом. Причины появления, достоинства и недостатки. Принстонская и гарвардская архитектуры. Фоннеймановские принципы построения компьютерных систем.
Микроконтроллеры. Определение, виды, характеристики, особенности построения и применения.
Процессоры общего назначения и методы повышения их производительности на примере реализации современной архитектуры x86 от Intel.
Классификации архитектур параллельных вычислительных систем: Флинна, по способу организации памяти. Нетрадиционные вычислители.
1. Процессоры. Определение, классификация, закономерности развития, области применения.
Обобщенная структура микропроцессора. Общий алгоритм функционирования.
Процессор — программно-управляемое устройство, выполненное на одной интегральной схеме и предназначенное для цифровой обработки информации и управления этим процессом.
Процессоры:
Процессоры встраиваемых систем (универсальные/с расширенными коммуникационными возможностями/с расширенными возможностями ввода-вывода/с расширенными возможностями обработки аналоговых сигналов)
Коммуникационные процессоры (сетевые/модемные)
Процессоры цифровой обработки сигналов
Медийные процессоры (с аппаратной поддержкой мультимедийной обработки/с мультимедийным расширением набора команд)
Co-процессоры (математические/ввода-вывода/нейропроцессоры/процессоры языков высокого уровня/узкоспециализированные(медицинские, военные, научно-исследовательские)) Транспьютеры (созданы с целью объединения их в большие массивы процессоров/объединение тысячи процессоров) Классификация по функциональному признаку:
Общий алгоритм функционирования
2. Арифметико-логические устройства. Определение, структура, подход к проектированию, основные уравнения работы алу (пример синтеза выражения). Особенности знаковой и беззнаковой арифметики.
АЛУ – это комбинационная схема, предназначенная для выполнения арифметических и поразрядных логических операций над многоразрядными словами.
Основные требования к АЛУ
выполнение арифметических и логических операций (разнообразие данных операций обеспечивает набор команд, которые сможет выполнять микропроцессор);
обеспечение межразрядного переноса при выполнении арифметических операций (от этого зависит быстродействие вычислительной системы);
обеспечение наращивания разрядности обрабатываемых слов однотипными секциями.
Особенности знаковой и беззнаковой арифметики
Особенностью цифровой арифметики является то, что она модульная, то есть ограничена некоторым максимальным числом, больше которого не существует. В данном случае модульная арифметика ограничена разрядностью цифрового устройства. Например, 3-битный сумматор не может выдать число, больше 111, то есть 7 в десятичной системе счисления. Можно сказать, что в такой арифметике не числовая прямая, а числовой круг. Операции сложения и вычитания — это движение по этому кругу в одну или в другую сторону. Благодаря особенностям такой арифметики можно выполнять вычитание используя операцию сложения. Выражение (A — B) эквивалентно выражению (A + ~B + 1). При этом к числам можно относиться либо как к беззнаковым (только положительным), либо как к знаковым (в таком случае старший бит числа указывает на знак, 1 — минус).
Уравнения АЛУ
S — управляющее слово, a, b — операнды, P — перенос, M — выключатель переноса, R - результат операции. Индексы внизу указывают на то, что выражение относится к отдельному i-ому биту результата.
Например, чтобы выполнить операцию A ИЛИ B, надо подать управляющие сигналы S = 0001, M = 0, тогда в выражении R сократятся импликанты с S3, S2, S1 и M, потому что они равны нулю, и останется только R = a | b.
Дополнительные пояснения к работе схемы:
АПС Л3. Цифровая арифметика. АЛУ (youtube.com)
Таймкод 1:15:20
3. Арифметико-логические устройства. Определение, структура, подход к проектированию. Вариант АЛУ на основе мультиплексирования операций. Схема ускоренного переноса. Особенности знаковой и беззнаковой арифметики.
АЛУ – это комбинационная схема, предназначенная для выполнения арифметических и поразрядно логических операций над многоразрядными словами.
Основные требования к АЛУ:
выполнение арифметических и логических операций (разнообразие данных операций обеспечивает набор команд, которые сможет выполнять микропроцессор);
обеспечение межразрядного переноса при выполнении арифметических операций
(от этого зависит быстродействие вычислительной системы);
обеспечение наращивания разрядности обрабатываемых слов однотипными секциями.
By AI:
Арифметико-логические устройства (АЛУ) представляют собой ключевую часть центрального процессора компьютера, ответственную за выполнение арифметических операций (сложение, вычитание, умножение, деление) и логических операций (И, ИЛИ, НЕ, сдвиги и т.д.).
Структура АЛУ включает в себя арифметический блок для выполнения операций с числами, логический блок для выполнения операций над битами и регистры для хранения данных и промежуточных результатов. АЛУ также содержит управляющие сигналы, которые определяют, какая операция будет выполнена.
При проектировании АЛУ учитываются требования к скорости выполнения операций, точности вычислений, набору поддерживаемых операций, а также возможности расширения функциональности. Проектирование включает выбор подходящих элементов (например, сумматоров, умножителей, логических элементов), определение структуры управления и оптимизацию для достижения наилучшей производительности при заданных ограничениях на мощность и площадь.
Общий подход к проектированию АЛУ включает в себя анализ требований к операциям, выбор подходящих алгоритмов и структур данных, оптимизацию производительности и проверку корректности работы на различных входных данных.
STOP AI
Вариант АЛУ на основе мультиплексирования операций: АЛУ (арифметико-логическое устройство) на основе мультиплексирования операций представляет собой конструкцию, в которой один блок управления выбирает тип операции (например, сложение, вычитание, умножение, деление) на основе внешних сигналов управления. Это позволяет сократить количество физических элементов и уменьшить потребление энергии.
Схема ускоренного переноса: Схема ускоренного переноса, также известная как алгоритм Carry Look-Ahead (CLA), является методом, используемым в цифровых схемах арифметики для ускорения вычислений переносов при операциях сложения и вычитания. Обычно при выполнении этих операций перенос от одного разряда к другому может вызвать задержку, тормозящую скорость операции. Однако с использованием схемы ускоренного переноса эта задержка уменьшается.
Этот метод основан на разбиении задачи управления переносами на обработку групп разрядов параллельными шагами. В отличие от обычного метода, где следующий перенос зависит от предыдущего, в схеме ускоренного переноса каждый разряд вычисляет переносы независимо от других.
Это достигается за счет предварительного вычисления "производных" переносов для каждой пары разрядов без учета их собственных значений. Это позволяет аппаратуре одновременно генерировать переносы для всех разрядов, независимо от значений самих разрядов, что значительно ускоряет процесс. Она эффективно обрабатывает переносы между разрядами, ускоряя выполнение арифметических операций.
Особенности знаковой и беззнаковой арифметики: В знаковой арифметике числа представлены со знаком, что позволяет учитывать положительные и отрицательные значения. В беззнаковой арифметике числа интерпретируются как исключительно положительные, и отсутствует возможность представления отрицательных чисел.