1. Назовите основные компоненты вычислительного устройства. Согласны ли вы с тем, что полученный набор узлов логичен и обоснован?
Основные компоненты вычислительного устройства включают процессор (ЦП), оперативную память (ОЗУ), устройства ввода и вывода, постоянную память (жёсткий диск, SSD), и системную шину для обмена данными. Такой набор узлов логичен, так как обеспечивает обработку, хранение, ввод и вывод данных, а также взаимодействие всех частей устройства.
*2. Используя дополнительные источники, выясните, какие научные достижения связаны с именем Джона фон Неймана.
Джон фон Нейман связан с созданием архитектуры, ставшей основой для большинства современных компьютеров. Основные принципы включают использование единой памяти для хранения данных и команд, последовательное выполнение инструкций и применение двоичной системы счисления. Также его исследования охватывали квантовую механику, теорию игр и разработки атомной энергетики.
*3. Найдите материалы о троичной ЭВМ «Сетунь». Сравните двоичные и троичные ЭВМ. В чём достоинства и недостатки каждого типа?
Троичная ЭВМ «Сетунь», созданная в СССР в 1959 году, использовала троичную логику (-1, 0, +1), в отличие от двоичных машин (0, 1). Троичные ЭВМ были энергоэффективнее и экономичнее в использовании памяти, но сложнее в производстве и программировании, что затрудняло их массовое внедрение. Двоичные системы более просты и стандартизированы, но менее эффективны с точки зрения использования логики и некоторых ресурсов.
4. По какому алгоритму вводимые в компьютер десятичные числа можно перевести во внутреннее двоичное представление? Как перевести обратно результаты расчёта?
Для перевода десятичного числа в двоичное применяют алгоритм деления числа на 2 с записью остатков, начиная с последнего. Для обратного перевода используют правило умножения разрядов двоичного числа на степени двойки и сложения результатов.
5. Почему появилась байтовая память?
Байтовая память появилась для оптимизации работы процессоров, которые обрабатывают данные в группах битов (байтах). Это упрощает организацию данных и ускоряет вычисления, особенно при работе с текстами, изображениями и программами.
6. Можно ли заменить в ячейке памяти содержимое одного бита, не затрагивая значений соседних? Почему?
Изменение одного бита в памяти без затрагивания соседних возможно благодаря технологии адресуемых байтов и битовых масок. Каждый бит в памяти контролируется индивидуально за счёт логических операций в процессоре.
7. С какой целью в компьютерных системах используют иерархическую организацию памяти?
Иерархическая организация памяти используется для достижения баланса между скоростью и стоимостью. Быстрая память (кэш) хранит часто используемые данные, тогда как медленная, но ёмкая память (жёсткий диск или облачное хранилище) обеспечивает долговременное хранение. Такая организация увеличивает производительность и снижает затраты.
8. Почему большая по объёму память обычно работает медленнее, чем маленькая?
Большая память обычно работает медленнее из-за физических ограничений доступа к данным. Более крупные модули памяти требуют больше времени на выборку данных из-за большей длины линий связи и большего числа адресных ячеек. Кроме того, высокоскоростные технологии дорогостоящи и используются преимущественно в малых объёмах, например, в кэш-памяти.
9. Какие преимущества даёт принцип хранимой программы?
Принцип хранимой программы позволяет компьютеру хранить инструкции в памяти наряду с данными, что делает его универсальным. Это позволяет легко загружать и исполнять разные программы, обеспечивая гибкость и автоматизацию вычислений.
10. Можно ли выполнять арифметические операции с нечисловыми данными (символами, графическими и звуковыми данными)?
Арифметические операции могут применяться к нечисловым данным, если их представить в числовом виде. Например, символы преобразуются в коды (ASCII), графические данные — в пиксели с числовыми значениями цвета, а звуковые — в цифровые аудиосигналы. Это позволяет выполнять манипуляции с такими данными через математические операции.
11. Как вы понимаете фразу «любая обработка данных в вычи-слительной машине происходит по программе»? Чем компьютер в этом отношении отличается от простого калькулятора?
Фраза «любая обработка данных в вычислительной машине происходит по программе» подчёркивает, что компьютер выполняет инструкции, заложенные в программу. В отличие от калькулятора, который выполняет одну операцию за раз по заданию пользователя, компьютер может последовательно исполнять множество инструкций автоматически.
12. Что такое счётчик адреса команд и какова его роль в основном алгоритме работы процессора?
Счётчик адреса команд (программный счётчик) указывает на адрес следующей команды, которую процессор должен выполнить. Он автоматически увеличивается после каждой команды, обеспечивая последовательное выполнение программы.
13. Опишите, что происходит в момент включения компьютера с точки зрения принципа программного управления.
При включении компьютера запускается начальная программа (BIOS или UEFI), которая выполняет диагностику системы (POST), инициализирует оборудование и загружает операционную систему в оперативную память, следуя принципу программного управления.
14. Можно ли нарушить последовательность выполнения команд в программе? Для чего это может потребоваться?
Последовательность выполнения команд можно нарушить с помощью операций перехода, циклов или вызовов подпрограмм. Это нужно для реализации условных операторов, повторения задач или переключения между функциями.
15. Всегда ли в новом компьютере есть какая-либо программа?
В новом компьютере всегда есть программы, например, встроенные в микропрограммы BIOS или UEFI. Они обеспечивают базовые функции, такие как загрузка операционной системы.
16. Что такое конвейер и как он работает при выполнении програм-мы? Почему команды перехода нарушают работу конвейера?
Конвейер — это метод обработки команд, при котором несколько стадий выполнения команд (загрузка, декодирование, выполнение) происходят одновременно. Команды перехода нарушают работу конвейера, так как могут изменять последовательность выполнения, что приводит к сбросу и перезапуску конвейера.
17. Какие из принципов, предложенных фон Нейманом и его со-авторами, продолжают применяться в современных компьютерах без всяких изменений, а какие принципы сохранились, но в несколько изменённом виде? Объясните, почему потребовались эти изменения.
Принципы фон Неймана, такие как единая память для команд и данных, продолжают применяться. Однако для повышения производительности появились кэш-память и многоядерные процессоры, а параллелизм заменил строго последовательную обработку. Эти изменения были вызваны необходимостью ускорить вычисления и снизить энергопотребление.
18. Что такое архитектура? Какие детали устройства компьютера к ней не относятся?
Архитектура — это описание функциональных принципов работы компьютера, таких как структура процессора, памяти, шин и взаимодействия компонентов. Она не включает физические детали реализации, например, материалы корпуса или технологии изготовления.
19. В чём преимущества единой архитектуры семейств ЭВМ для пользователей и для производителей?
Единая архитектура семейства ЭВМ позволяет пользователям запускать программы на разных устройствах без их изменения, обеспечивая совместимость. Производителям это упрощает разработку оборудования и программного обеспечения, снижая затраты и увеличивая унификацию.