Ответы на билеты по экзамену ВМС и СТК в МЭСИ

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

[pic] 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).

|Тип |Емкост|t |

|памяти. |ь |обраще|

| |памяти|ния. |

| |. | |

|Сверх |10-16 |20-30(|

|оператив| |40) |

|ная | |н.с. |

|КЭШ | | |

|память | | |

|(память | | |

|блокнотн|8 кб. |100-20|

|ого |128-25|0 н. |

|типа) |6кб. |Сек |

|1-го |1-2 |200 н.|

|уровня |Мбайт.|Сек |

|2-го | |300-40|

|уровня | |0 н. |

|3-го | |сек |

|уровня | | |

|Оператив|4-256(|0,2 – |

|ная |и |2 мк. |

|память |более)|Сек. |

|НМД(нако|1-20 |Десятк|

|питель |Гбайт |и мк |

|на | |сек |

|магнитны| |(сотни|

|х дисках| |) |

|НМЛ(нако|Единиц|Минуты|

|питель |ы |(десят|

|на |Гбайт |ки) |

|магнитны| | |

|х | | |

|лентах) | | |

|Архивы |------|Десятк|

| |-//---|и |

| |----- |минут |

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

(Типовая структура запоминающего устройства.)

Любое запоминающее устройство может работать в двух режимах:

1. режим записи

2. режим чтения

Режим записи :

По команде записи РА (регистр адреса) принимает адрес ячейки , в которой

будет существовать запись, а РИ принимает те данные, которые подлежат

хранению. Дешифратор адреса (ДА) расшифровывает адрес и выбирает

определенную линию записи.

Режим чтения:

Меняет режим движения информации. Адрес рассматривается точно также, как и

при записи. Та шина, которая будет выбрана считывает информацию на РИ. Если

считывание переноситься со стиранием эталона, то возникает дополнительный

такт, т.е. последующей перезаписи в этот адрес.

В современных ПЭВМ используются емкие ЗУ, которые требуют периодического

восстановления информации.

№9 Системы адресации в современных ЭВМ.

Существует несколько типов адресации

- прямая

- непосредственная

- косвенная

- относительная

Прямая адресация:

Aисполнительный=Aчасти команд.

Сл. 0100, 0200,(0250

Достаточно проста, но имеет существенные недостатки.

1. Для выполнения каждой команды необходимы дополнительные обращения по

адресу каждого операнда.

2. Длина каждой команды, а следовательно длина всей программы и емкость

памяти под хранение программы зависит от емкости оперативной памяти.

rразрядность адреса= Log2En код

10 -------1кб 0100

20--------1Мб 0200

0250

Прямая адресация очень неэффективна при больших размерах памяти. По этому в

настоящее время прямая адресация используется только в памяти небольшого

размера (сверхоперативной, КЭШ I уровня).

Непосредственная адресация :

Частный вид адресации в современных ЭВМ . ИЗ всех команд ЭВМ только

небольшая часть команд допускает непосредственную адресацию

Непосредственная адресация предполагает запись в адресных частях команды

значений аргументов. Учитывая ограниченную длину адресной части команды

можно записывать только малоразрдные значения операндов. Т.е. определенные

const вычислительного процесса : число сдвига разрядов.

Основной недостаток - малая разрядность используемых операндов.

Преимущество - для выполнения каждой команды необходимо только одно

обращение к оперативной памяти для выборки самой команды.

Относительная адресация:

Самый употребляемый метод. В ПЭВМ эта адресация называется сегментно-

страничной

В относительной адресации есть две (три) части адреса: постоянная часть

адреса находится на одном или нескольких регистрах сверхоперативной памяти

За счет усложнения алгоритмов формирования адресов обеспечивается

преимущества:

Сокращение длины команд, длины программы, всей емкости памяти.

1) вместо полного адреса операнда в команде содержится лишь малоразрядное

смещение адресов.

2) Относительная адресация дает переместимость программы. Не требуется

загрузочный модуль программы настраивать по месту размещения самой

программы

Настройка программы обеспечивается загрузкой базового адреса. Это свойство

можно распространить на сложные программные структуры. Относительная

адресация позволяет сделать команды с переменными весами.

Косвенная адресация :

Является дальнейшим развитием относительной адресации.

Адресная часть команды может содержать любой из из предыдущих типов

адресов. Прочитав содержимое внутреннего адреса мы формируем исполнительный

адрес операнда.

Положительные стороны :

- позволяет формировать адрес сколь угодно большой оперативной памяти

- Используя исполнительный адрес как операнд можно складывать и вычитать

адреса.

Недостатки:

Дополнительное обращение к оперативной памяти за окончательным адресом

операнда.

№10. Особенности построения памяти ЭВМ.

Память ЭВМ строиться достаточно своеобразно, благодаря эволюционному

развитию этих вычилительных машин. Первоночально эти машины имели очень

малую память 64кб, 840кб,1мб и т.д

Считается что основной памятью с адреса 00000 да 10000 это 640 кб.

Первые 640 Кбайт адресуемого пространства в IBM РС-совместимых

компьютерах называют обычно стандартной памятью (conventional memory).

Оставшиеся 384 Кбайта зарезервированы для системного использования и носят

название памяти в верхних адресах (UMB, Upper Memory Blocks, High DOS

Memory или UM Area - UMA).Эта область памяти резервируется под размещение

системной ROM BIOS (Read Only Memory Basic Input Output System), под

видеопамять и ROM-память дополнительных адаптеров.

|Вектора |

|прерывания |

|Базовые |

|модули ДОС |

|Базовый |

|модуль |

|системы |

|ввода-вывода |

|Командный |

|процессор |

|Решение задач|

|ДОС |

| |

|Постоянно |

|запоминающее |

|устройство |

|БИОС |

Постоянно распределяемая память(дырявая) с адресами (А0000 – F0000).

Нумерация адресов - единая, сквозная. До 386 микропроцессора считалось,

что Еоп под ДОС 64кб.

Все что выше 1 Мб - расширенная память, на адресацию машины не были

расчитаны.

Расширенная память (extended) располагается выше области адресов 1Мбайт.

Для работы с расширенной памятью микропроцессор должен переходить из

реального в защищенный режим и обратно.

№11 Режимы работы ЭВМ и ВС. Однопрограммные режимы работы.

Каждое задание состоит из 3 фаз : ввод, решение, вывод.

Режим непосредственного доступа:

предполагает монопольное владение пользователя чсеми ресурсами системы.

Отличается очень низким КПД. Загрузка процессора 1-3%. Однако он является

основным для ПЭВМ, поскольку критерием работы ЭВМ является максимальные

удобства пользователя, а не загрузка оборудования.

Режим работы -это особенности планирования и распределения основных

ресурсов системы.

Режим работы с косвенным доступом:

Высокая эффективность непосредственного доступа заставила искать пути более

полной загрузки дорогих ресурсов ЭВМ.

КПД RISC

Intel => CISL

RISC структуры позволяют сократить время обращения к оперативной памяти до

2:1.

б) Появление ВМ с очень длинным командным словом VLIW. Поскольку машины

классической структуры сосредоточены вокруг оперативной памяти, то

целесообразно выбирать информации выбирать информационными блоками

используя свойство централизации. Выборка информации и ее записи в память

осуществляется более крупными объектами, чем используются в памяти.

№44.Основные структуры вычислительных систем в архитектурах ОКМД и МКОД.

1.МКОД. К этой системе относятся структуры типа «конвейер»

ОК- 1 OK-2

OK-n

ОД

t

to

tn

Преимущества конвейера ясны: при правильной работе конвейера после его

«разгона» через каждую единицу времени на выходе конвейера появляются

результаты следующего шага обработки.

Прообраз такой системы находится в каждом ПК при совмещении операций, когда

каждый функциональный блок машины выполняет строго определенные операции

при выполнении каждой команды.

При построении вычислительных систем функциональная ориентация процессоров

не может быть полной, потому что они все универсальны. Поэтому «длинных»

конвейеров в вычислительных системах не может быть найдено в стандартных

алгоритмах обработки. Однако в специальных системах и в супер ЭВМ, в

частности, подобные конвейеры используются. Например, подкачка команд и

данных через КЭШ памяти для процессоров.

По типу конвейера работают сети, реализующие архитектуру «клиент-сервер».

В архитектуре МКОД нет развитых систем с большим количеством процессоров.

Однако у последних Pentiumов есть блоки, обеспечивающие предсказания

разветвлений выч. процесса и блоки выполнения команд не связанных общими

данными. Это позволяет повысить конвейерную обработку команд.

2.ОКМД. ОК

ОД-1

ОД-2

ОД-n

Эта архитектура, в отличие от предыдущей, является векторной или

матричной. Она позволяет обрабатывать одной командой сразу группу из n

данных, что существенно ускоряет производительность.

Матрица процессоров обычно имеет связи по данным.

Регулярный характер связей обеспечивает эффективные решения соответственно

регулярных задач (задачи матричного исчисления, задачи теории поля, система

линейных и нелинейных уравнений и т.д.).

Все машины высокой производительности имеют встроенные сопроцессоры

Страницы: 1, 2, 3