Материал: Tannenbaum

Краткое содержание главы

 133

Затем идут символы для китайского, японского и корейского языков. Сначала

идут

 1024

 фонетических символа (например, катакана и бопомофо), затем иеро-

глифы, используемые в китайском и японском языках (20 992), а затем слоги ко-

рейского языка (11 156).

Чтобы пользователи могли создавать новые символы для особых целей, суще-

ствует еще 6400 кодов.

Хотя UNICODE разрешил многие проблемы, связанные с интернационализа-

цией, он все же не мог разрешить абсолютно все проблемы. Например, латинский
алфавит упорядочен, а иероглифы — нет, поэтому программа для английского языка
может расположить слова «cat? и «dog» по алфавиту, сравнив значение кодов пер-
вых букв, а программе для японского языка нужны дополнительные таблицы, что-
бы можно было вычислять, в каком порядке расположены символы в словаре.

Еще одна проблема состоит в том, что постоянно появляются новые слова. 50 лет

назад никто не говорил об апплетах, киберпространстве, гигабайтах, лазерах, мо-
демах, «смайликах» или видеопленках. С появлением новых слов в английском
языке новые коды не нужны. А вот в японском нужны. Кроме новых терминов,

необходимо также добавить по крайней мере 20 000 новых имен собственных и гео-

графических названий (в основном китайских). Шрифт Брайля, которым пользу-
ются слепые, вероятно, тоже должен быть задействован. Представители различ-
ных профессиональных кругов также заинтересованы в наличии каких-либо особых
символов. Консорциум по созданию UNICODE рассматривает все новые предло-
жения и выносит по ним решения.

UNICODE использует один и тот же код для символов, которые выглядят по-

чти одинаково, но имеют несколько значений или пишутся немного по-разному
в китайском и японском языках (как если бы английские текстовые процессоры
всегда писали слово «blue» как «blew», потому что они произносятся одинаково).

Одни считают такой подход оптимальным для экономии скудного запаса кодов,

другие рассматривают его как англо-саксонский культурный империализм (а вы

думали, что приписывание символам 16-битных значений не носит политическо-
го характера?). Дело усложняется тем, что полный японский словарь содержит
50 000 иероглифических знаков (не считая собственных имен), поэтому при нали-

чии 20 992 кодов приходится делать выбор и чем-то жертвовать. Далеко не все

японцы считают, что консорциум компьютерных компаний, даже если некоторые

из них японские, является идеальным форумом, чтобы принимать решения, чем

именно нужно жертвовать.

Краткое содержание главы

Компьютерные системы состоят из трех типов компонентов: процессоров, памяти
и устройств ввода-вывода. Задача процессора заключается в том, чтобы после-

довательно вызывать команды из памяти, декодировать и выполнять их. Цикл

вызов—декодирование—выполнение всегда можно представить в виде алгоритма.

Вызов, декодирование и выполнение команд определенной программы иногда вы-
полняются программой-интерпретатором, работающей на более низком уровне.

Для повышения скорости работы во многих компьютерах имеется один или не-

134 Глава 2. Организация компьютерных систем

сколько конвейеров или суперскалярная архитектура с нескольким функциональ-
ными блоками, которые действуют параллельно.

Широко распространены системы с несколькими процессорами. Компьютеры

с параллельной обработкой включают векторные процессоры, в которых одна и та

же операция выполняется одновременно над разными наборами данных, мульти-

процессоры, в которых несколько процессоров разделяют общую память, и муль-

тикомпьютеры, в которых у каждого компьютера есть своя собственная память, но
при этом компьютеры связаны между собой и пересылают друг другу сообщения.

Память можно разделить на основную и вспомогательную. Основная память

используется для хранения программ, которые выполняются в данный момент.

Время доступа невелико (максимум несколько десятков наносекунд) и не зависит

от адреса, к которому происходит обращение Кэш-память еще больше сокращает
время доступа. Память может быть оснащена кодом с исправлением ошибок для
повышения надежности.

Время доступа к вспомогательной памяти, напротив, гораздо больше (от не-

скольких миллисекунд и более) и зависит от расположения считываемых и запи-

сываемых данных. Наиболее распространенные виды вспомогательной памяти —

магнитные ленты, магнитные диски и оптические диски. Магнитные диски су-
ществуют в нескольких вариантах: дискеты, винчестеры, IDE-диски, SCSI-диски

и RAID-массивы. Среди оптических дисков можно назвать компакт-диски, диски

CD-R и DVD.

Устройства ввода-вывода используются для передачи информации в компью-

тер и из компьютера Они связаны с процессором и памятью одной или несколь-
кими шинами В качестве примеров можно назвать терминалы, мыши, принтеры
и модемы. Большинство устройств ввода-вывода используют код ASCII, хотя

UNICODE уже стремительно распространяется по всему миру.

Вопросы и задания

1. Рассмотрим машину с трактом данных, который изображен на рис. 2.2. Пред-

положим, что загрузка регистров АЛУ занимает 5 не, работа АЛУ — 10 не,
а помещение результата обратно в регистр — 5 не Какое максимальное чис-

ло миллионов команд в секунду способна выполнять эта машина при отсут-

ствии конвейера?

2. Зачем нужен шаг 2 в списке шагов, приведенном в разделе «Выполнение

команд»? Что произойдет, если этот шаг пропустить?

3. На компьютере 1 выполнение каждой команды занимает 10 не, а на компью-

тере  2 - 5 не. Можете ли вы с уверенностью сказать, что компьютер 2 работа-

ет быстрее? Аргументируйте ответ.

4. Предположим, что вы разрабатываете компьютер на одной микросхеме для

использования во встроенных системах. Вся память находится на микро-

схеме и работает с той же скоростью, что и центральный процессор. Рас-

смотрите принципы, изложенные в разделе «Принципы разработки совре-

менных компьютеров», и скажите, важны ли они в данном случае (высокая
производительность желательна).

Вопросы и задания 135

5 Можно ли добавить кэш-память к процессорам, изображенным на рис. 2.7,

 б?

Если можно, то какую проблему нужно будет решить в первую очередь?

6. В некотором вычислении каждый последующий шаг зависит от предыду-

щего Что в данном случае более уместно: векторный процессор или конвей-
ер? Объясните, почему.

7. Чтобы конкурировать с недавно изобретенным печатным станком, один сред-

невековый монастырь решил наладить массовое производство рукописных

книг. Для этого в большом зале собралось огромное количество писцов. На-
стоятель монастыря называл первое слово книги, и все писцы записывали

его. Затем настоятель называл второе слово, и все писцы записывали его.

Этот процесс повторялся до тех пор, пока не была прочитана вслух и пере-

писана вся книга. На какую из систем параллельной обработки информа-
ции (см. раздел «Параллелизм на уровне процессоров») эта система больше
всего похожа?

8. При продвижении сверху вниз по пятиуровневой иерархической структуре

памяти время доступа возрастает. Каково отношение к времени доступа

оптического диска и к регистровой памяти? (Предполагается, что диск уже

вставлен.)

9. Сосчитайте скорость передачи данных в человеческом глазу, используя сле-

дующую информацию. Поле зрения состоит приблизительно из 10

6

 элемен-

тов (пикселов). Каждый пиксел может сводиться к наложению трех основ-
ных цветов, каждый из которых имеет 64 степени интенсивности. Временное
разрешение 100 миллисекунд.

10. Генетическая информация у всех живых существ кодируется в молекулах

ДНК. Молекула ДНК представляет собой линейную последовательность
четырех основных нуклеотидов: А, С, G и Т. Геном человека содержит при-

близительно Зх10

9

нуклеотидов в форме 100 000 генов. Какова общая ин-

формационная емкость человеческого генома (в битах)? Какова средняя ин-
формационная емкость гена (в битах)?

11. Какие из перечисленных ниже видов памяти возможны? Какие из них при-

емлемы? Объясните, почему.

1) 10-битный адрес, 1024 ячейки, размер ячейки 8 битов;

2) 10-битный адрес, 1024 ячейки, размер ячейки 12 битов;
3) 9-битный адрес, 1024 ячейки, размер ячейки 10 битов;

4) 11-битный адрес, 1024 ячейки, размер ячейки 10 битов;

5) 10-битный адрес, 10 ячеек, размер ячейки 1024 бита;
6) 1024-битный адрес, 10 ячеек, размер ячейки 10 битов.

12. Социологи могут получить 3 возможных ответа на вопрос «Верите ли вы в

фей?»: да, нет, не знаю. Учитывая это, одна компьютерная компания решила

создать машину для обработки данных социологических опросов. Этот ком-
пьютер имеет тринарную память, то есть каждый байт (или трайт?) состоит
из 8 тритов, а каждый трит может принимать значение 0, 1 или 2. Сколько

1 3 6 Глава 2. Организация компьютерных систем

нужно тритов для хранения 6-битного числа? Напишите выражение для

числа тритов, необходимых для хранения п битов.

13. Компьютер может содержать 268 435 456 байтов памяти. Почему разработ-

чики выбрали такое странное число вместо какого-нибудь хорошо запоми-
нающегося, например 250 000 000?

14. Придумайте код Хэмминга для разрядов от 0 до 9.
15. Придумайте код для разрядов от 0 до 9 с интервалом Хэмминга 2.
16. В коде Хэмминга некоторые биты «пустые» в том смысле, что они использу-

ются для проверки и не несут никакой информации. Какой процент пустых

битов содержится в посланиях, полная длина которых (данные + биты про-

верки) 2"-1? Сосчитайте значение этого выражения при п от 3 до 10.

17. Ошибки при передаче данных по телефонной линии часто происходят

«вспышками» (искажается сразу много последовательных битов). Посколь-

ку код Хэмминга может исправлять только одиночные ошибки в символе,
в данном случае он не подходит, так как шум может исказить п последо-
вательных битов. Придумайте метод передачи текста в коде ASCII no те-

лефонной линии, где шум может исказить 100 последовательных битов.

Предполагается, что минимальный интервал между двумя искажениями со-

ставляет тысячи символов.

 Подсказка:

 подумайте о порядке передачи битов.

18. Сколько времени занимает считывание диска с 800 цилиндрами, каждый из

которых содержит 5 дорожек по 32 сектора? Сначала считываются все сек-

тора дорожки 0, начиная с сектора 0, затем все сектора дорожки 1, начиная
с сектора 0

т

 и т. д. Оборот совершается за 20 мс, поиск между соседними

цилиндрами занимает 10 мс, а в случае расположения считываемых дан-

ных в разных частях диска — до 50 мс. Переход от одной дорожки цилиндра
к другой происходит мгновенно.

19. Диск, изображенный на рис. 2.16, имеет 64 сектора на дорожке и скорость

вращения 7200 оборотов в минуту. Какова скорость передачи данных на од-
ной дорожке?

20. Компьютер содержит шину с временем цикла 25 не. За 1 цикл он может счи-

тывать из памяти или записывать в память 32-битное слово. Компьютер

имеет диск Ultra-SCSI, который использует шину и передает информацию

со скоростью 40 Мбайт/с. Центральный процессор обычно вызывает из па-
мяти и выполняет одну 32-битную команду каждые 25 не. Насколько диск

замедляет работу процессора?

21. Представьте, что вы записываете часть операционной системы, отвечающую

за управление диском. Логически вы представляете себе диск как последо-

вательность блоков от 0 на внутренней стороне до какого-либо максимума
снаружи. Когда создаются файлы, вам приходится размещать свободные

сектора. Вы можете двигаться от наружного края внутрь или наоборот. Имеет
ли значение, какую стратегию выбрать? Поясните свой ответ.

22. Система адресации LBA использует 24 бита для обращения к сектору. Каков

максимальный объем диска, с которым она может работать?

Вопросы и задания 137

23. RAID третьего уровня может исправлять единичные битовые ошибки, ис-

пользуя только i диск четности. А что происходит в RAID-массиве второго

уровня? Он ведь тоже может исправлять единичные ошибки, но использует

при этом несколько дисков.

24. Какова точная емкость (в байтах) компакт-диска второго типа, содержаще-

го данные на 74 минуты?

25. Чтобы прожигать отверстия в диске CD-R, лазер должен включаться и вы-

ключаться очень быстро. Какова длительность одного состояния (включе-

ния или выключения) в наносекундах, если компакт-диск первого типа про-
кручивается со скоростью 4х?

26. Чтобы вместить фильм длительностью 133 минуты на односторонний DVD

с одним слоем, требуется небольшая компрессия. Вычислите, насколько
нужно сжать фильм. Предполагается, что для записи дорожки изображения
нужно 3,5 Гбайт, разрешающая способность изображения 720x480 пикселов
с 24-битным цветом и в секунду меняется 30 кадров.

27. Скорость передачи данных между центральным процессором и связанной

с ним памятью на несколько порядков выше, чем скорость передачи данных
с механических устройств ввода-вывода. Каким образом это несоответствие

может вызвать снижение производительности? Как можно смягчить такое
снижение производительности?

28. Графический терминал имеет монитор 1024x768. Изображение на монито-

ре меняется 75 раз в секунду. Как часто меняется отдельный пиксел?

29. Производитель говорит, что его цветной графический терминал может вос-

производить 2

24

 различных цветов. Однако аппаратное обеспечение имеет

только 1 байт для каждого пиксела. Каким же образом получается столько
цветов?

30. Монохромный лазерный принтер может печатать на одном листе 50 строк

по 80 символов в определенном шрифте. Символ в среднем занимает про-
странство 2x2 мм, причем тонер занимает 25% этого пространства, а ос-

тавшаяся часть остается белой. Толщина слоя тонера составляет 25 микрон.

Картридж с тонером имеет размер 25x8x2 см. На сколько страниц хватит

картриджа?

31. Когда текст в ASCII-коде с проверкой на четность передается асинхронно

со скоростью 2880 символов/с через модем, передающий информацию со

скоростью 28 800 бит/с, сколько процентов битов от всех полученных со-

держат данные?

32. Компания, выпускающая модемы, разработала новый модем с частотной

модуляцией, который использует 16 частот вместо 2. Каждая секунда де-

лится на п равных временных отрезков, каждый из которых содержит один

из 16 возможных тонов. Сколько битов в секунду может передавать этот
модем при использовании синхронной передачи?

33. Оцените, сколько символов (включая пробелы) содержит обычная книга

по информатике. Сколько битов нужно для того, чтобы закодировать книгу