virtuální paměť. Architektonická podpora pro virtuální paměť. Způsoby organizace paměti Asociativní počítačová paměť

Obecné informace a klasifikace paměťových zařízení

Přednáška 2. Organizace paměti počítače.

Minisuperpočítač a superminipočítač.

Malé a mikropočítače.

Existuje velké množství, relativně řečeno „malých“ aplikací počítačů, jako je automatizace řízení výroby výrobků, zpracování dat při experimentech, příjem a zpracování dat z komunikační linky, řízení technologických procesů, řízení obráběcích strojů a různé digitální terminály a malé problémy výpočetního inženýrství.

V současné době jsou malé a mikropočítače zabudovány do různých „chytrých“ zařízení (elektroměry, mikrovlnné trouby, pračky, modemy, senzory atd.).

Klasifikace postrádá jasné hranice mezi uvažovanými typy počítačů. V poslední době se rozlišují dva mezitypy.

Superminipočítače zahrnují vysoce výkonné počítače obsahující jeden nebo více volně propojených procesorů v kombinaci se společnou páteří (společná sběrnice). Pro superminipočítač je charakteristické, že rychlost provádění jeho aritmetických operací na číslech s plovoucí desetinnou čárkou je výrazně nižší než rychlost operace, určená směsí instrukcí odpovídajících informačně-logickým požadavkům. Tento typ zahrnuje šachový počítač IBM Deep Blue.

Minisuperpočítače jsou zjednodušené (zejména díky kratšímu slovu) víceprocesorové počítače, nejčastěji s nástroji pro vektorové a pipeline zpracování, s vysokou rychlostí provádění operací s čísly s pohyblivou řádovou čárkou. K tomuto typu lze přiřadit počítače s architekturou SMP (Symmetric multiprocessor).

Paměťová zařízení lze klasifikovat podle následujících kritérií: podle typu paměťových prvků podle funkčního účelu podle typu organizace oběhu podle charakteru čtení podle způsobu uložení podle způsobu organizace podle typu paměťových prvků Polovodičové Magnetické Optoelektronický kondenzátorový holografický kryogenní VROM ROM PROM

Podle způsobu organizace přístupu Se sekvenčním vyhledáváním S přímým přístupem S přímým přístupem nebo Address Associative Stack Store Podle povahy čtení Se zničením informací Bez zničení informací Způsobem uložení Statické Dynamické Podle způsobu organizace Jednosouřadnicové Dvě souřadnicové Tři-souřadnice Dva-tři-souřadnice

Paměť Počítač je soubor zařízení sloužících k ukládání, ukládání a vydávání informací. Jednotlivá zařízení obsažená v této kolekci jsou tzv úložná zařízení nebo paměť toho či onoho druhu.

Výkon a výpočetní možnosti počítače jsou do značné míry určeny složením a vlastnostmi jeho paměti. Jako součást počítače se současně používá několik typů paměti, které se liší principem činnosti, vlastnostmi a účelem.

Hlavní operace v paměti jsou vkládání informací do paměti - záznam a získávání informací z paměti - čtení. Obě tyto operace se nazývají přístup do paměti.

Při přístupu do paměti se čte nebo zapisuje určitá jednotka dat – u zařízení různých typů se liší. Takovou jednotkou může být například byte, strojové slovo nebo datový blok.

Nejdůležitějšími vlastnostmi jednotlivých paměťových zařízení (úložišť) jsou kapacita paměti, měrná kapacita, rychlost.

Paměťová kapacita určeno maximálním množstvím dat, které do něj lze uložit.

Specifická kapacita je poměr skladovací kapacity k jejímu fyzickému objemu.

Hustota záznamu je poměr skladovací kapacity k ploše nosiče. Například HDD s kapacitou až 10 GB má hustotu záznamu 2 Gb/sq. palec.

Výkon paměti je určena dobou trvání operace přístupu, tj. dobou strávenou hledáním požadované jednotky informace v paměti a jejím čtením ( přečíst dobu obratu), nebo čas na vyhledání místa v paměti určeného k uložení dané jednotky informace a zapsání do paměť (čas obrácení při zápisu).

Doba přístupu do paměti (doba cyklu paměti) při čtení

kde je doba přístupu, která je určena časovým intervalem mezi zahájením operace přístupu při čtení do okamžiku, kdy je umožněn přístup k této jednotce informací; - trvání fyzického procesu čtení, tj. procesu detekce a fixace stavů odpovídajících paměťových prvků nebo úseků povrchu informačního nosiče.

U některých paměťových zařízení je čtení informací doprovázeno jejich zničením (vymazáním). V tomto případě musí přístupový cyklus obsahovat operaci obnovení (regenerace) přečtené informace na stejném místě v paměti.

Doba obratu (doba cyklu) při psaní

kde je doba přístupu pro zápis, tj. doba od okamžiku zahájení přístupu pro zápis do okamžiku, kdy je umožněn přístup k paměťovým prvkům (nebo oblastem povrchu média), do kterých je záznam pořízen; - čas přípravy vynaložený na uvedení paměťových prvků nebo částí povrchu informačního nosiče do počátečního stavu pro záznam určité jednotky informace (například bajtu nebo slova); - čas zadávání informací, tj. změny stavu úložných prvků (úseků povrchu nosiče). Z větší části

Doba trvání cyklu přístupu do paměti se bere jako hodnota

V závislosti na přístupových operacích realizovaných v paměti existují: a) paměť s náhodným přístupem (lze do paměti číst a zapisovat data); b) paměť pouze pro čtení informací („trvalá“ nebo „jednostranná“). Záznam informací do trvalé paměti se provádí v procesu její výroby nebo konfigurace.

Tyto typy pamětí odpovídají pojmům RAM (paměť s náhodným přístupem) a ROM (paměť pouze pro čtení).

Podle způsobu organizace přístupu se paměťová zařízení rozlišují na přímý (libovolný), přímý (cyklický) a sekvenční přístup.

V paměti s přímý (libovolný) přístup, doba přístupu, a tedy přístupový cyklus, nezávisí na umístění oblasti paměti, ze které se provádí čtení nebo do které se informace zapisuje. Ve většině případů je přímý přístup realizován pomocí elektronické (polovodičové) paměti. U takových pamětí je přístupový cyklus obvykle 70 nanosekund nebo méně. Je volán počet bitů, které lze paralelně číst nebo zapisovat do paměti s okamžitým přístupem v jedné operaci přístupu šířka vzorku.

Další dva typy paměti využívají pomalejší elektromechanické procesy. V zařízeních paměť s přímým přístupem, mezi které patří disková zařízení, se díky nepřetržitému otáčení informačního nosiče cyklicky opakuje možnost přístupu k určitému úseku nosiče pro čtení nebo zápis. V takové paměti je doba přístupu obvykle od několika zlomků sekundy do několika desítek milisekund.

Na mysli se sériovým přístupem sekvenční prohlížení sekcí informačního nosiče se provádí, dokud požadovaný úsek nosiče nezaujme určitou počáteční polohu. Typickým příkladem je paměť na magnetických páskách, tzv. streamery ( stuha). Doba přístupu může v nepříznivých případech umístění informace dosáhnout několika minut.

Dobrým příkladem páskové jednotky je použití adaptéru ARVID s videorekordérem VHS. Kapacita tohoto disku je 4GB/180min.

Paměťová zařízení se také liší funkcemi vykonávanými v počítači, v závislosti zejména na umístění paměti ve struktuře počítače.

Požadavky na kapacitu paměti a rychlost jsou nekonzistentní. Čím vyšší rychlost, tím je její dosažení technicky obtížnější a zvýšení kapacity paměti dražší. Náklady na paměť tvoří významnou část celkových nákladů na počítače. Paměť počítače je proto organizována ve formě hierarchické struktury úložných zařízení s různou rychlostí a kapacitou. Obecně platí, že počítač obsahuje následující typy paměti v sestupném pořadí podle výkonu a se zvyšující se kapacitou.

Hierarchická struktura paměti umožňuje nákladově efektivně kombinovat ukládání velkého množství informací s rychlým přístupem k informacím během zpracování.

Tabulka 2.1.

RAM nebo hlavní paměť(OP) je zařízení, které slouží k ukládání informací (programových dat, mezivýsledků a konečných výsledků zpracování) přímo používaných v procesu provádění operací v aritmeticky logické jednotce (ALU) a řídicí jednotce (CU) procesoru.

V procesu zpracování informací dochází k úzké interakci mezi zpracovatelem a OP. Programové příkazy a operandy jsou přijímány z OP do procesoru, na kterém jsou prováděny operace zajišťované příkazem, a mezilehlé a konečné výsledky zpracování jsou odesílány z procesoru do OP k uložení.

Vlastnosti OP přímo ovlivňují hlavní ukazatele počítače a především rychlost jeho provozu. V současné době má RAM kapacitu několik MB až několik GB a dobu cyklu přibližně 60 ns nebo méně. OP paměťová zařízení jsou vyráběna na integrovaných obvodech s vysokým stupněm integrace (polovodičové paměti).

V poslední době řada firem oznámila zahájení sériové výroby dynamických paměťových čipů s kapacitou 1 GB. Uznávaným lídrem je Samsung. Za nejmasověji vyráběný produkt současnosti lze považovat 64 MB čipy. V nadcházejícím roce se očekává široké využití 128MB a 256MB čipů.

V některých případech je rychlost OP nedostatečná a stroj musí obsahovat SOP (vyrovnávací paměť nebo mezipaměť pro několik stovek nebo tisíců kilobajtů s přístupovým cyklem několik nanosekund. Takové SOP jsou prováděny na statických paměťových čipech. Rychlost cache by měla odpovídat rychlosti aritmeticko-logických a řídicích zařízení procesoru.spojení mezi vysokorychlostními logickými jednotkami procesoru a pomalejším OP.

Jako OP a SOP se používají vysokorychlostní paměti s náhodným přístupem a přímým přístupem.

Kapacita OP je obvykle nedostatečná pro uložení všech potřebných dat v počítači. Počítač tedy obsahuje několik pamětí s přímým přístupem na discích (kapacita jedné paměti na HDD discích je 1 - 30 GB) a několik pamětí se sekvenčním přístupem na magnetických páskách (kapacita jedné paměti je 4 - 35 GB).

RAM tvoří spolu s SOP a některými dalšími specializovanými procesorovými pamětmi vnitřní paměť počítač (obr. 4.1). Elektromechanická paměťová zařízení tvoří externí paměť počítače, proto se jim říká externí úložná zařízení(VZU).

Paměťové zařízení jakéhokoli typu se skládá z paměťového pole, které ukládá informace, a bloků, které slouží k vyhledávání v poli, zápisu a čtení (a v některých případech i k regeneraci) informací.

Paměť s náhodným přístupem zpravidla obsahuje množství identických paměťových prvků, které tvoří paměťové pole (SM). Pole je rozděleno na jednotlivé buňky; každý z nich je navržen pro uložení binárního kódu, jehož počet bitů je určen šířkou paměťového vzorku (zejména to může být jedno, polovina nebo několik strojových slov). Způsob, jakým je paměť organizována, závisí na metodách umístění a vyhledávání informací v poli úložiště. Na tomto základě se rozlišuje adresní, asociativní a zásobníková (store) paměť.

paměť adres. V paměti s organizací adres je umístění a vyhledávání informací v SM založeno na použití adresy uložení slova (čísla, příkazu atd.). Adresa je číslo buňky SM, ve které se toto slovo nachází.

Při zápisu (nebo čtení) slova do SM musí příkaz spouštějící tuto operaci udávat adresu (číslo buňky), na které se záznam (čtení) provádí.

Typická struktura adresové paměti obsahuje paměťové pole N-bitových buněk a jeho hardwarový rámec, včetně registru adres RgA mít k (k» log N) bitů, registr informací RGI, blok načítání adresy BAS, blok čtecích zesilovačů AUTOBUS, blok bitových zesilovačů-formátorů záznamových signálů BUZ a správu paměti BUP.

Podle kódu adresy RgA BAV generuje signály v odpovídající paměťové buňce, které umožňují čtení nebo zápis slova v buňce.

Cyklus přístupu do paměti je zahájen příchodem BUP mimo signál Odvolání. Obecná část oběhového cyklu zahrnuje příjem v RgA z adresní sběrnice USA adresy odvolání a příjmu v BUP a dekódování řídícího signálu Úkon A, které určuje typ požadované operace (čtení nebo zápis).

Další při čtení BAS dešifruje adresu, odešle čtecí signály do buňky SM určené adresou, zatímco kód slova zapsaného v buňce je čten čtecími zesilovači BUS a přenášen do RGI. Operace čtení je dokončena vydáním slova z RGI na výstupní informační sběrnici PWM.

Při zápisu je kromě provádění výše uvedené obecné části přístupového cyklu přijímáno zapisované slovo ze vstupní informační sběrnice SHIVx A RGI. Pak k vyvoleným BAS z buňky je napsáno slovo RGI.

Ovládací blok BUP generuje potřebné sekvence řídicích signálů, které iniciují činnost jednotlivých paměťových uzlů.

asociativní paměť. V paměti tohoto typu se hledání potřebných informací neprovádí podle adresy, ale podle jejího obsahu (pomocí asociativní funkce). V tomto případě probíhá vyhledávání podle asociativního atributu (nebo postupně podle jednotlivých číslic tohoto atributu) paralelně v čase pro všechny buňky pole úložiště. Asociativní vyhledávání může v mnoha případech výrazně zjednodušit a zrychlit zpracování dat. Toho je dosaženo díky skutečnosti, že u tohoto typu paměti je operace čtení informací kombinována s prováděním řady logických operací.

Typická struktura asociativní paměti je znázorněna na Obr. 4.3. Pole úložiště obsahuje N (n+1)bitových buněk. Obslužný n-tý bit slouží k indikaci obsazenosti buňky (0 - buňka je volná, 1 - slovo je zapsáno v buňce).

Rýže. 2.2. Struktura asociativní paměti

Na vstupní informační sběrnici SHIVx do registru asociativního atributu RGAP bity 0..n-1 přijímají n-bitový asociativní požadavek a registr masky RgM- kód vyhledávací masky s n-číslicemi RgM nastavte na 0. Asociativní vyhledávání se provádí pouze pro sadu číslic RGAP, které odpovídají 1 in RgM(odmaskované číslice RGAP). Pro slova, ve kterých se číslice v číslicích shodovaly s nezamaskovanými číslicemi RGAP, kombinační obvod KS nastaví odpovídající bity srovnávacího registru na 1 RgSv a 0 ke zbytku bitů. Takže hodnota j zařadit se RgSv je definován výrazem

РгСв(j)=

Kde RGAP[i], RgM[i] A ZM[j, i] - hodnoty i-té kategorie, resp RGAP, RGM A j- a buňky ZM.

Kombinační schéma pro generování výsledku asociativního volání FS tvary ze slova utvořeného v RgSv, signalizuje a 0 , a 1 , a 2 , což odpovídá absenci slov v ZM, splňující asociativní atribut a přítomnost jednoho (nebo více) takových slov.

Tvarování obsahu RgSv a signalizuje a 0 , a 1 , a 2 podle obsahu RGAP, RGM A ZM volal operace kontroly asociace. Tato operace je nedílnou součástí operací čtení a zápisu, i když má také nezávislou hodnotu.

Při čtení je asociace nejprve řízena asociativním prvkem v RGAP. Poté, když a 0 = 1, čtení je zrušeno kvůli nedostatku požadovaných informací; když a 1 = 1, je načteno do RGI nalezené slovo s 2 = 1 palec RGI slovo se čte z buňky s nejmenším číslem mezi buňkami označenými 1 y RgSv. Z RGIčtené slovo se vydává na PWM.

Při psaní se nejprve hledá volná buňka. K tomu se provede operace řízení přidružení, když RGAP= 111...10 a RgM= 00...01, zatímco volné buňky jsou označeny 1 in RgSv. Pro záznam se vybere volná buňka s nejmenším číslem. Obsahuje slovo přijaté od SHIVx PROTI RGI.

Pomocí operace řízení asociace je možné bez čtení slov z paměti určovat podle obsahu RgSv, kolik slov v paměti, která splňují asociativní atribut, například k realizaci dotazů, jako kolik studentů ve skupině má v této disciplíně výbornou známku. Při použití vhodných kombinačních obvodů lze v asociativní paměti provádět poměrně složité logické operace, jako je hledání většího (menšího) čísla, hledání slov uzavřených v určitých hranicích, hledání maximálního (minimálního) počtu atd. Asociativní paměť se používá např. v zařízení dynamické distribuce OP.

Všimněte si, že asociativní paměť vyžaduje úložné prvky, které lze číst, aniž by došlo ke zničení informací v nich zaznamenaných. To je způsobeno tím, že při asociativním vyhledávání je čtení prováděno v celém rozsahu ZM pro všechny nezamaskované bity a není kam uložit informace dočasně zničené čtením.

zásobníková paměť, stejně jako asociativní, je neadresný. Na zásobníkovou paměť lze nahlížet jako na soubor buněk, které tvoří jednorozměrné pole, ve kterém jsou sousední buňky navzájem spojeny bitovými řetězci přenosu slov. Nové slovo se zapíše do horní buňky (buňka 0), zatímco všechna dříve zaznamenaná slova (včetně slova, které bylo v buňce 0) se posunou dolů do sousedních buněk s čísly většími o 1. Čtení je možné pouze z horní (nulové) paměťové buňky, přičemž pokud se provádí čtení s mazáním, všechna ostatní slova v paměti jsou posunuta směrem nahoru do sousedních buněk s vyššími čísly. V této paměti se pořadí čtení slov řídí pravidlem: poslední dovnitř, první ven. V řadě zařízení uvažovaného typu je také zajištěna operace prostého čtení slova z nulové buňky (bez jeho mazání a přesouvání slova v paměti). Někdy je zásobníková paměť vybavena čítačem zásobníku MFST, ukazující počet zapamatovaných slov. Signál MFST= 0 odpovídá prázdnému zásobníku, MFST= N- 1 - plný zásobník.

Paměť zásobníku je obvykle organizována pomocí paměti adres. V tomto případě obvykle neexistuje žádné počítadlo zásobníku, protože počet slov v paměti lze určit z ukazatele zásobníku. Zásobníková paměť je široce používána při zpracování vnořených datových struktur, při provádění neadresných příkazů a přerušení.

Architektonická organizace procesoru počítače

Procesor zaujímá centrální místo v architektuře počítače, řídí interakci všech hlavních komponent, které tvoří počítač. Přímo zpracovává informace a softwarové řízení tohoto procesu dešifruje a provádí programové příkazy, organizuje přístup k paměti s náhodným přístupem ( RAM) a v případě potřeby spouští operace I/O a provoz periferních zařízení, vnímá a zpracovává požadavky přicházející jak z počítačových zařízení, tak z vnějšího prostředí (organizace systému přerušení). Provedení každého příkazu se skládá z provádění menších operací – mikropříkazů, které provádějí určité elementární akce. Sada mikroinstrukcí je určena příkazovým systémem a logickou strukturou konkrétního počítače. Každý počítačový příkaz je tedy realizován odpovídajícím mikroprogramem uloženým v paměti pouze pro čtení (ROM). V některých počítačích (především specializovaných) jsou všechny instrukce nebo jejich část implementovány hardwarově, což umožňuje zvýšit jejich produktivitu ztrátou určité části flexibility instrukčního systému stroje. Jeden i druhý způsob implementace počítačových příkazů má své klady i zápory.

Mikroprogramovací jazyk je určen k popisu digitálních zařízení, která pracují na úrovni registrů. Má jednoduché a názorné prostředky k popisu strojových slov, registrů, sběrnic a dalších základních prvků počítače. S ohledem na výše uvedené může být hierarchie jazyků pro popis výpočetního procesu na počítači reprezentována v obecném případě na čtyřech úrovních: (1) Booleovská operace (fungování kombinačního LS) => (2) mikroinstrukce (fungování počítačových uzlů) => (3) příkaz (fungování počítače) => (4) operátor HLL (popis algoritmu řešeného problému). Pro určení časového vztahu mezi mikroinstrukcemi se nastavuje časová jednotka (cyklus), během kterého se provede nejdelší mikroinstrukce. Proto provádění jednoho příkazu počítače hodinovými impulsy generovanými speciálním zařízením procesoru - generátorem hodin, hodinová frekvence (měřená v MHz) do značné míry určuje rychlost počítače. U jiných tříd počítačů je samozřejmě tento ukazatel jinak spojen s výkonem, určovaným takovými dalšími faktory, jako jsou např.

šířka přístupu do paměti,

vzorkovací čas,

bitová hloubka,

Architektura procesoru a jeho koprocesorů,

Na obrázku je zvětšené schéma centrální procesorové jednotky (CPU) některého formálního počítače, které ukazuje pouze její hlavní bloky - řídicí registry (UR), řídicí jednotka (CU), ROM, aritmetická logická jednotka (ALU), registr paměť (RP), vyrovnávací paměť a jednotka rozhraní (IB). Kromě výše uvedeného obsahuje CPU řadu dalších bloků (přerušení, ochrana OP, ovládání a diagnostika atd.), o jejichž struktuře a účelu zde není uvažováno. Řídicí jednotka generuje sekvenci řídicích signálů, které iniciují provádění odpovídající sekvence mikroinstrukcí (umístěných v paměti ROM), které implementují aktuální příkaz. Spolu s tím CU koordinuje fungování všech počítačových zařízení vysíláním řídicích signálů.<->OP, ukládání a zpracování informací, uživatelské rozhraní, testování a diagnostika atd. Proto je vhodné považovat CU za samostatnou CPU jednotku; v praxi je však většina řídicích obvodů rozmístěna po celém počítači. Jsou propojeny velkým počtem řídicích linek, které přenášejí signály pro synchronizaci provozu ve všech počítačových zařízeních a přijímají signály o jejich stavu. Blok UR je určen pro dočasné uložení řídicích informací a obsahuje registry a čítače zapojené spolu s CU do řízení výpočetního procesu, registr stavu CPU, programy (CSP), čítač příkazů (CK) je registr, který ukládá adresa prováděného příkazu v OP (během doby provádění aktuální instrukce se její obsah aktualizuje na adresu následující instrukce), registr instrukcí (RK) obsahuje prováděnou instrukci (její výstupy jsou připojeny na řídicí obvody, které generují časově rozložené signály potřebné pro provádění instrukcí)

Blok RP obsahuje registry superrychlé paměti (vyšší rychlost než OP) o malé velikosti, umožňující zvýšit rychlost a logické možnosti CPU. Tyto registry se používají v instrukcích zkráceným adresováním registrů (uvádí se pouze čísla registrů) a slouží k ukládání operandů, výsledků operací, jako základní a indexové registry, ukazatele zásobníku atd. U některých CPU jsou základní a indexové registry součástí blok UT se zpravidla RP provádí ve formě vysokorychlostních polovodičových integrovaných paměťových zařízení

Blok ALU slouží k provádění aritmetických a logických operací s daty přicházejícími z OP a uloženými v RP a pracuje pod kontrolou CU. ALU provádí aritmetické operace s binárními čísly s pevnou a plovoucí desetinnou čárkou, s desetinnými čísly, zpracovává znakové informace na slovech pevné a proměnné délky. Logické operace se provádějí s jednotlivými bity, skupinami bitů, bytů a jejich sekvencemi. Typ operace prováděné ALU je dán aktuální instrukcí právě běžícího programu, přesněji ALU slouží k provádění jakékoliv operace, kterou mu CU přiřadí. V obecném případě se informace zpracovávané počítačem skládají ze slov obsahujících pevný počet n bitů (například n = 8, 16, 32, 64, 128 bitů). V tomto případě by ALU měla být schopna provádět operace s n-bitovými slovy; operandy přicházejí z OP do registrů ALU a CU indikuje operaci, kterou je na nich třeba provést, výsledek každé aritmeticko-logické operace je uložena ve speciálním sčítacím registru, který je hlavním registrem pro aritmeticko-logické operace.

Sčítačka je připojena k obvodům hradla, aby provedla potřebné operace s jejím obsahem a obsahem dalších registrů. Některé počítače mají několik sčítaček, s číslem větším než 4 jsou přiřazeny do speciální skupiny obecných registrů (RON). Strukturálně je ALU vykonávána na jednom nebo několika LSI/VLSI, zatímco CPU může mít jednu univerzální ALU nebo několik specializovaných pro určité typy operací. V druhém případě se zvyšuje strukturální složitost CPU, ale zvyšuje se jeho rychlost díky specializaci a zjednodušení schémat pro výpočet jednotlivých operací. Tento přístup je široce používán v moderních počítačích pro všeobecné použití a superpočítačích ke zlepšení jejich výkonu.Navzdory různým třídám počítačů používají jejich ALU společné principy pro provádění aritmeticko-logických operací. Rozdíly se týkají obvodových řešení organizace ALU a zásad provádění provozu, které zajišťují urychlení jejich realizace.

Jednotka rozhraní (IB) zajišťuje výměnu informací mezi CPU a OP a ochranu sekcí OP před neoprávněným přístupem k aktuálnímu programu, stejně jako spojení CPU s periferními zařízeními a dalšími zařízeními, která jsou k němu externí ( CD), což mohou být další procesory a počítače. IB obsahuje zejména dva registry, které zajišťují komunikaci s OP - paměťový adresní registr (RAP) a paměťový datový registr (RDP). První registr slouží k uložení adresy OP buňky, se kterou se data vyměňují, a druhý obsahuje samotná data výměny. Řídicí a diagnostická jednotka (BCD) je určena k detekci poruch a poruch uzlů CPU, obnovení chodu aktuálního programu po poruchách a lokalizaci poruch v případě poruch.

S ohledem na to, co bylo řečeno, uveďme obecné schéma pro provádění programů procesorem. Provádění programu umístěného v OP začíná tím, že adresa jeho prvního příkazu je odeslána do SC, obsah SC je odeslán do RAP a čtecí řídicí signál je odeslán do OP. Po nějaké době (odpovídající času přístupu do OP) je z OP extrahováno adresované slovo (v tomto případě první instrukce programu) a nahráno do RDP, poté je obsah RDP odeslán do RDP. SC. V této fázi je příkaz připraven dekódovat svou CU a provést ji. Pokud instrukce obsahuje operaci, kterou musí provést ALU, pak je nutné získat požadované operandy. Pokud je operand v OP (a může být i v UR), musí být načten z paměti. K tomu je odeslána adresa operandu do RAP a začíná čtecí cyklus.Operand vybraný z paměti v RDP lze přenést do ALU. Výběrem jednoho nebo více operandů tímto způsobem může ALU provést požadovanou operaci a uložit její výsledek do jednoho z RON. Je-li potřeba uložit výsledek operace do OP, musí být odeslán do RDP Adresa buňky, do které má být výsledek umístěn, je odeslána do RAP a začíná cyklus zápisu. Mezitím je obsah SC inkrementován, což indikuje další příkaz, který má být proveden. Jakmile je tedy provádění aktuální instrukce dokončeno, může okamžitě začít výběr pro provedení další programové instrukce.

Kromě přenosu dat mezi OP a CPU je nutné zajistit výměnu dat s VU, která je prováděna strojovými instrukcemi, které řídí vstup/výstup. Při přijetí signálu přerušení může být narušeno přirozené pořadí provádění programů. Přerušení je požadavek na službu, který provádí CPU při provádění příslušné rutiny služby přerušení (ICP). Vzhledem k tomu, že přerušení a jeho zpracování může změnit vnitřní stav CPU, je uloženo v OP před spuštěním POP. Úspory stavu je dosaženo odesláním obsahu RK, UR a některých kontrolních informací do OP. Po ukončení POP se stav CPU obnoví, což umožní přerušenému programu pokračovat ve vykonávání.

Paměť s asociativním přístupem popř asociativní paměť se od ostatních typů paměti liší tím, že k jejím buňkám se nepřistupuje na konkrétní adrese, ale na obsah paměťové buňky. Ve skutečnosti asociativní paměť funguje jako vyhledávač, který dokáže najít informace o daném vzoru. Asociativní paměť je založena na asociativní úložná zařízení(AZU), které jsou stejně jako většina operačních pamětí volatilní a jsou implementovány ve formě polovodičových mikroobvodů (čipových sad).

Princip činnosti AZU je vysvětlen na schématu na Obr. 3.8 Paměťové pole se stejně jako u adresových pamětí dělí na m- bitové buňky, jejichž počet n. Složení AZU zpravidla zahrnuje:

úložné pole (SM);

Registr asociativních znaků (RgAP);

registr masky (RgM);

· Registr indikátoru adresy se srovnávacími obvody na vstupu.

V CAM mohou být další prvky, jejichž přítomnost a funkce jsou určeny způsobem použití CAM.

Rýže. 3.8. Asociativní úložné zařízení

Vzorkování informací z AZU probíhá následovně. Vzorek vyhledávání je přenesen z řídicího zařízení do registru asociativních znaků - kód atributu požadovaných informací(někdy nazývané srovnání). Kód může mít libovolný počet číslic - od 1 před m. Pokud je kód funkce použit celý, pak vstupuje do porovnávacího obvodu beze změny, ale pokud je nutné použít pouze část kódu, pak jsou zbytečné bity maskovány pomocí registru masky. Před zahájením vyhledávání informací v modulu CAM jsou všechny bity registru indikátoru adresy nastaveny do stavu 1 .Poté je dotazována první číslice všech buněk pole úložiště a obsah je porovnáván s první číslicí registru asociativních prvků. Pokud je obsah první číslice i-tá buňka neodpovídá obsahu první číslice RgAP, pak číslice registru indikátoru adresy odpovídající této buňce T i resetovat do stavu 0 , pokud se shoduje - vybití T i Zůstává 1 . Poté se tato operace opakuje s druhou, třetí a následující číslicí, dokud není provedeno srovnání se všemi úrovněmi RgAP. Po bitovém výslechu a srovnání ve státě 1 zůstanou ty bity registru indikátoru adresy, které odpovídají buňkám obsahujícím informace, které se shodují s informacemi zaznamenanými v registru asociativních znaků. Tyto informace lze číst v pořadí určeném řídicím zařízením.

Všimněte si, že doba vyhledávání informací v SM pomocí asociativního prvku závisí pouze na počtu číslic prvku a na rychlosti dotazování číslic, ale vůbec nezávisí na počtu buněk SM. To určuje hlavní výhodu AMS oproti adresovým pamětem: v adresových pamětech vyžaduje operace vyhledávání výčet všech buněk úložného pole. Kromě toho existují implementace CAM, které současně prohledávají všechny bity všech slov uložených v paměti, tzn. doba vyhledávání v takových zařízeních nepřekračuje dobu cyklu paměti.

Záznam nové informace do ZM se provádí bez uvedení čísla buňky. Obvykle se jedna z číslic každé buňky používá k označení jejího použití, tzn. pokud je buňka volná pro zápis, zapíše se tento bit 0 , a pokud je zaneprázdněn, - 1 . Poté, když jsou do modulu CAM zapsány nové informace, je nastaveno znaménko 0 v odpovídající číslici registru asociativních znaků a jsou určeny všechny buňky SM, které jsou volné pro zápis. Do jednoho z nich umístí řídicí zařízení nové informace.

Často jsou CAM stavěny tak, že je kromě asociativního umožněno i přímé adresování dat, což představuje určité vymoženosti při práci.

Je třeba poznamenat, že paměťové prvky CAM, na rozdíl od prvků adresovatelné paměti, musí nejen ukládat informace, ale také vykonávat určité logické funkce, takže vám umožňují vyhledávat nejen podle rovnosti buňky obsah k danému atributu, ale také jinými podmínkami: obsah buňky je větší než (menší než) porovnávaný a větší než nebo roven (menší než nebo rovný).

Výše uvedené vlastnosti CAM charakterizují výhody CAM pro zpracování informací. Vytvoření několika proudů identických informací pomocí CAM je rychlé a jednoduché a s velkým množstvím provozních prvků lze vytvářet vysoce výkonné systémy. Musíme také vzít v úvahu skutečnost, že na základě asociativní paměti je snadné realizovat změnu místa a pořadí informací. Z tohoto důvodu je CAM účinným prostředkem pro generování datových sad.

Studie ukazují, že řadu úloh, jako je zpracování radarových informací, rozpoznávání snímků, zpracování různých snímků a další úlohy s maticovou datovou strukturou, jsou efektivně řešeny pomocí asociativních systémů. Navíc programování takových úloh pro asociativní systémy je mnohem jednodušší než pro tradiční.

Bohužel, zařízení s asociativní pamětí mají vysokou výrobní složitost a náklady, které převyšují dynamické i statické RAM. Asociativní paměť je základem pro budování paralelních asociativních systémů, stejně jako pro letadla řízená tokem dat. Asociativní přístup je nejrozšířenější v subsystémech cache paměti.

Mezipaměti

Poprvé byla dvouúrovňová struktura paměti navržena M. Wilksem v roce 1965 při stavbě počítače Atlas. Podstatou přístupu bylo umístění vysokorychlostní vyrovnávací paměti malé velikosti mezi CPU a RAM. Během provozu počítače se do vyrovnávací paměti zkopírují ty části OP, ke kterým se přistupuje. Díky dodržení zásady referenční lokality je dosaženo významného zvýšení výkonu.

Nazývá se nový typ paměti mezipaměť(z angličtiny. mezipaměti- "úkryt, úkryt"), protože taková paměť je skrytá, "neviditelná" pro CPU, které k ní nemůže přímo přistupovat. Programátor si zase nemusí být vůbec vědom existence mezipaměti. V sériových počítačích byla vyrovnávací paměť poprvé použita v systémech Model 85 rodiny IBMS/360. Mezipaměť je dnes přítomna v jakékoli třídě počítačů a často má víceúrovňovou strukturu.

Všechny termíny, které byly definovány dříve, lze použít pro vyrovnávací paměť, ačkoli slovo " čára» ( čára) se často používá místo slova " blok» ( blok).

Mezipaměť je zpravidla postavena na základě ultrarychlé a drahé paměti RAM statického typu, přičemž její rychlost je 5–10krát vyšší než rychlost paměti RAM a její objem je 500–1000krát menší. Všimněte si, že nejen a ani ne tak vysoké náklady na statickou RAM brání nárůstu množství mezipaměti v poměru ke kapacitě RAM. Faktem je, že se zvýšením kapacity mezipaměti se zvyšuje složitost řídicích schémat, což zase vede k poklesu výkonu. Četné studie prokázaly, že uvedený poměr mezipaměti a RAM je optimální a bude zachován v procesu vývoje počítače se zvýšením rychlosti obou typů pamětí.

Jak již bylo zmíněno, CPU nemá přímý přístup k cache paměti. Za organizaci interakce CPU, OP a mezipaměti je zodpovědný speciální řadič. Celý OP je rozdělen do bloků pevné velikosti, přičemž určuje horní část adresy OP blokovat adresu a spodní část je adresa slova v bloku. Výměna informací mezi OP a vyrovnávací pamětí probíhá v blocích. Vyrovnávací paměť má také své vlastní vnitřní adresování a každý blok načtený z RAM je umístěn do mezipaměti podle určitého blokovat adresu v mezipaměti. Často se nazývají bloky mezipaměti linky nebo řádky mezipaměti.

Pokud je blok požadovaný CPU již v mezipaměti, jeho čtení je dokončeno při přístupu do mezipaměti. Při přístupu k adrese tedy musí řadič nejprve určit, zda existuje kopie bloku obsahujícího tuto adresu v paměti cache, a pokud ano, určit, na jaké adrese cache tento blok začíná. Regulátor přijímá tyto informace pomocí mechanismus překladu adres. Složitost tohoto mechanismu závisí na strategie umístění, který určuje, kam v mezipaměti má být každý blok RAM umístěn.

Neméně důležitá je otázka, kdy umístit kopii bloku z OP do cache paměti. Tento problém je vyřešen pomocí vzorkovací strategie.

Při zápisu do mezipaměti existuje několik metod pro nahrazení starých informací, které jsou určeny strategie obnovy hlavní paměti.

Často nastává situace, kdy i přes výběr potřebného bloku z RAM není v mezipaměti místo, kam jej umístit. V tomto případě musíte vybrat jednu z řádků mezipaměti a nahradit ji novým blokem. Způsob, jak určit řádek mezipaměti, který se má odstranit, se nazývá substituční strategie.

Strategie umístění

Existují následující způsoby, jak umístit data do mezipaměti:

přímá distribuce;

plně asociativní distribuce;

· částečně (vícenásobná) asociativní distribuce.

Řekněme šířku adresové sběrnice n, dále kapacita OP V OP = 2n slova. Bez ztráty obecnosti definujeme velikost řádku cache jako 256 slov, takže celý OP bude rozdělen na 2n-8 bloky. Na adresu OP senior n-8 bity určí adresu bloku a dolní bajt určí adresu slova v bloku. Nechte kapacitu mezipaměti V cache 1024x menší než je kapacita OP, tzn. V cache = 2n-10 slova nebo 2n-18 bloky (řádky mezipaměti).

přímá distribuce

Pokud má každý blok hlavní paměti pouze jedno pevné místo, kde se může objevit v mezipaměti, pak se taková mezipaměť zavolá cache přímého přidělení(přímá mapovaná cache). Jedná se o nejjednodušší organizaci vyrovnávací paměti, ve které jsou nejméně významné bity adresy bloku jednoduše použity k mapování adres OP bloků na adresy vyrovnávací paměti. Tedy všechny OP bloky, které mají ve své adrese stejné nejméně významné číslice, spadají do jednoho cache řádku, tzn.

(adresa řádku mezipaměti) = (adresa bloku RT) mod (počet bloků v mezipaměti)

V našem příkladu adresa řádku cache C bude junior n-18 bit adresy OP bloku (viz obrázek 3.9). Převod adresy bloku OD na adresu řádku mezipaměti se provádí načtením těchto nižších n-18 bit. Na této adrese řádku cache má kterýkoli z 1024 OP bloků stejnou n-18 nižší bity. Tyto bloky se mezi sebou budou lišit o nejvýznamnějších 10 bitů t, volal štítek. Pro zjištění, který konkrétní blok RAM je aktuálně uložen v mezipaměti, se používá jiná paměť – tzv paměť štítků (paměť štítků). Paměť tagu je adresována slovo po slovu, přičemž každé slovo má velikost rovnou velikosti tagu. Kapacita paměti tagu je součinem velikosti tagu a celkového počtu řádků mezipaměti, pro náš příklad to je 10 2 n-18 bit. Adresa paměti tagu je adresa řádku mezipaměti S. Na rozdíl od paměti tagů se nazývá paměť, která ukládá bloky uložené v mezipaměti datová paměť. Datová paměť je adresována slovo po slově, její adresa je tvořena z adresy řádku cache a adresy slova v bloku (řádek cache).

Rýže. 3.9. Struktura adres paměti v přímé alokaci

Rýže. 3.10. Organizace mezipaměti s přímou alokací

Při přístupu A-tá adresa OP (obr. 3.10) ml n-18 bit adresy bloku (pole C) obsahující tuto adresu se použijí jako adresa řádku mezipaměti. Tag se načte z paměti tagu na adrese řádku cache (pole t). Paralelně s tím se přistupuje do datové paměti pomocí n-10 nejméně významné bity adresy A(pole C A w). Pokud je načten tag a horních 10 bitů adresy A shodu, to znamená, že blok obsahující adresu A, existuje v datové paměti a zpřístupněné slovo ukládá kopii A adresa OP.

Pokud se značka liší od horních 10 bitů adresy A, pak je z hlavní paměti načten blok obsahující adresu A a řádek mezipaměti je odstraněn z mezipaměti, jejíž adresa je určena polem C(mladší n-18 bitů) adresy čteného bloku. Blok načtený z RAM je umístěn na místo vymazaného řádku mezipaměti a odpovídající tag v paměti tagu je aktualizován.

Výhodou přímé alokace je snadná implementace, nicméně vzhledem k tomu, že adresa linky cache je jednoznačně určena adresou bloku OP, je vysoká pravděpodobnost koncentrace blokových oblastí v některé části cache. K výměně bloků v této části dochází poměrně často, zatímco ostatní oblasti mezipaměti mohou být nečinné. V takové situaci je účinnost vyrovnávací paměti znatelně snížena.

Asociativní paměť

Říká se, že paměť spočívá na třech pilířích: asociace, otisk, opakování. Je ale nutné tento model dodržovat? Důvtipní čtenáři snadno uvidí analogii s dávnými představami o světovém řádu ao Zemi, která má rovný povrch. Je ale nutné tento model dodržovat? Dokud vám však bude starý model vyhovovat, můžete jej úspěšně používat v každodenní praxi.

Asociace jsou neviditelná vodítka, která pevně spojují to, co si již dobře pamatujeme, s tím, co je třeba zafixovat v paměti.

Asociativní paměť Umět A potřebovat rozvíjet a trénovat. S aplikací vědomého úsilí bude hledání asociací mnohem rychlejší a časem může dovednost přejít na nevědomou úroveň, asociace budou samy o sobě a zapamatování si informací bude snazší a snazší.

Ale dost teorie, je čas přejít přímo na jednoduchá a úplně snadná cvičení!

Přečetli jste tedy 50 slov, která představují odpovídající obrázky co nejživěji, v barvách a pohybu. Nyní se pokuste spojit všechna slova do jednoho dlouhého příběhu nebo několika krátkých: kočka, dům, auto, jablko ...

Klíč

Bílo-červená KOCOUR vstoupila do červeného cihlového DOMU, vešla do vestavěné garáže, nasedla do karmínového AUTA, vyjela na dálnici a levou tlapkou řídila volant a hlodala zelené JABLKO, které ho drželo. pravou tlapkou.

V této fázi vývoje paměti není potřeba si slova pamatovat. Uděláte to o něco později, snadno a bez námahy. Nyní nedoporučuji přetěžovat se komplexními cviky. Chcete dosáhnout velmi vysoké úrovně paměti? Pro většinu lidí je efektivnější pohybovat se postupným zvyšováním úrovně obtížnosti postupně, ale pravidelně.

Tento text je úvodní částí. Z knihy Psychologie inteligence a nadání autor Ushakov Dmitrij Viktorovič

Způsoby kreativního myšlení, asociativní síť a rozdělená pozornost Myšlenky mechanismů, které lze přirovnat k intuitivnímu pólu myšlení v moderní psychologii, sahají až do děl S. Medníka. Na počátku 60. let navrhl, že jednotlivec

autor Müller Stanislav

Část I: Jak zdvojnásobit paměť za čtyřicet pět minut aneb Úvod do holografické paměti Jak to všechno začalo… Před několika lety, po ukončení poslední hodiny paměti, si student stěžuje na výsledky.

Z knihy Unlock Your Memory: Remember Everything! autor Müller Stanislav

Asociativní paměť Říká se, že paměť spočívá na třech pilířích: asociace, otiskování, opakování. Je ale nutné se tohoto modelu držet? Chytří čtenáři mohou snadno vidět analogii s dávnými představami o světovém řádu ao Zemi, která má ploché

Z knihy Unlock Your Memory: Remember Everything! autor Müller Stanislav

Asociativní paměť Stejná hra (nebo cvičení, chcete-li) spojování slov dohromady, ale pouze za účasti dotykových vjemů. Vymyslete jeden příběh, který bude obsahovat všech padesát slov, nebo několik krátkých, které zprvu dokonce

Z knihy Unlock Your Memory: Remember Everything! autor Müller Stanislav

Asociativní paměť Stejná hra (nebo cvičení) na asociativní spojování slov, ale se zvuky a doteky. Vymyslete jeden nebo více příběhů, které obsahují padesát slov. Stejně tak vynecháváme obtížná slova. I když, pokud existuje touha a

Z knihy Unlock Your Memory: Remember Everything! autor Müller Stanislav

Asociativní paměť Vymyslete jeden příběh obsahující všech padesát slov nebo několik krátkých. Obtížná slova nyní nejsou přeskakována. Sestavení příběhu by pro vás již nemělo být obtížné. Pamatujte na slova nebo příběhy v této fázi vývoje asociativní

autor Müller Stanislav

Část I Jak zdvojnásobit paměť za 45 minut aneb úvod do holografické paměti „Na počátku slavných činů...“ Před několika lety, po dokončení poslední lekce o rozvoji paměti, si mi jeden ze studentů stěžoval: - Stanislave, lidé k vám chodí

Z knihy Pamatuj si všechno [Tajemství super paměti. tréninková kniha] autor Müller Stanislav

Asociativní paměť Říká se, že paměť spočívá na třech pilířích: asociace, otiskování, opakování. Je ale nutné tento model dodržovat? Důvtipní čtenáři snadno uvidí analogii s prastarými představami o světovém řádu ao Zemi, která má byt

Z knihy Začněme znovu aneb Jak vidět svůj zítřek autor Kozlov Nikolaj Ivanovič

Paměť minulosti a paměť budoucnosti Moji kolegové psychologové, výzkumníci paměti, naznačují, že naše paměťové rezervy jsou prakticky nevyčerpatelné. Naše hlava nám stačí na to, abychom si pamatovali všechno a vždy: ten náhodný rozhovor na ulici a kolébání každé větve toho

Z knihy Psychologie dospělosti autor Iljin Jevgenij Pavlovič

Asociativní metodika diagnostiky osobnostní zralosti Autoři: E. V. Kalyaeva, T. V. ProkofievaInstruction. Vaše pozornost je vyzvána k řadě slov. Zamyslete se nad tím, jaké asociace každé z těchto slov vyvolává, zapište je.Nabízí se 35 charakteristik, které koncept odhalují

Z knihy Vývojová psychologie [Metody výzkumu] od Millera Scotta

„Každodenní“ paměť a dlouhodobá paměť Zvažte další dvě otázky související s tématem „Paměť“. Doposud byl kladen důraz na standardní laboratorní metody, které se často používají při studiu paměti v jakémkoli věku. Poslední dva

Z knihy Obecná psychologie autor Dmitrieva N Yu

8. Asociativní psychologie V procesu formování psychologie začal převládat asociativní přístup k vnímání. Asociativní psychologie je jedním z hlavních směrů psychologie 17.–19. století. Hlavním vysvětlujícím principem duševního života byl pojem

Z knihy Všechno nejlepší, co si za peníze nekoupíte. Svět bez politiky, chudoby a válek autor Fresco Jacques

od Newberga Andrewa

Z knihy Tajemství Boha a věda o mozku [Neurobiologie víry a náboženské zkušenosti] od Newberga Andrewa

Z knihy Tajemství Boha a věda o mozku [Neurobiologie víry a náboženské zkušenosti] od Newberga Andrewa
Asociativní paměť je distribuovaná paměť, která se učí na základě asociací, podobně jako mozek živých bytostí. V informačních technologiích se k paměti nepřistupuje podle adresy, ale podle obsahu. Model, který implementuje asociativní paměť, musí rozpoznat požadovaný vzor a načíst jej.

Na rozdíl od konvenční strojové paměti, ve které uživatel specifikuje adresu paměti a RAM vrací datové slovo uložené na této adrese, je UA navržen tak, že uživatel specifikuje datové slovo a UA prohledává celou paměť, aby zjistil, zda je kde uloženo. cokoliv v něm. Pokud je nalezeno datové slovo, UA vrátí seznam jedné nebo více adres úložiště, kde bylo slovo nalezeno (a na některých architekturách také vrátí samotné datové slovo nebo další související části dat). AP je tedy hardwarovou implementací toho, co by se z hlediska programování nazývalo asociativní pole.

Autoasociativní paměť

Auto-asociativní paměť je paměť, která může dokončit nebo opravit obrázek, ale nemůže spojit výsledný obrázek s jiným obrázkem. Při řešení problému autoasociativní paměti si neuronová síť pamatuje obrázky (vektory), které jsou jí přenášeny. Poté jsou do této sítě postupně přiváděny neúplné popisy nebo zašuměné reprezentace původních obrázků uložených v paměti a je nastaven úkol rozpoznat konkrétní obrázek. Učení bez dozoru se používá k ladění neuronových sítí určených k řešení problémů s autoasociativní pamětí.

heteroasociativní paměť

Heteroasociativní paměť je paměť, ve které je libovolná sada vstupních obrazů (stimulů) spojena s jinou sadou výstupních derivačních signálů (odpovědí). V tomto případě se rozměr prostoru výstupních signálů může buď lišit od rozměru prostoru vstupních signálů, nebo se shodovat. Model řízeného učení se používá k ladění neuronových sítí určených k řešení problémů s heteroasociativní pamětí.

Popište dvě fáze fungování asociativní paměti

fáze paměti. Odpovídá procesu učení sítě v souladu se vzorcem , kde

- klíčový obrázek

-zapamatovaný vektorový vzor,

-počet snímků (kapacita). Klíčový obrázek působí nejen jako podnět, který určuje umístění zapamatovaného obrázku, ale obsahuje také klíč k jeho vyvolání.

fáze obnovy. Odpovídá procesu načítání uloženého obrazu v reakci na předložení hlučné nebo poškozené verze klíče do sítě.

Definujte proces rozpoznávání vzorů

Rozpoznávání vzorů je proces, při kterém musí být výsledný obrázek (signál) přiřazen do jedné z předdefinovaných tříd (kategorií). Aby byla neurální sada schopna řešit problémy s rozpoznáváním vzorů, musí být nejprve natrénována.

Popište dva typy strojů pro rozpoznávání vzorů.

1. typ stroje.

Systém se skládá ze dvou částí: sítě pro extrakci příznaků (bez dohledu) a sítě klasifikace (s dohledem). Obrázek - soubor
pozorování, každé pozorování lze považovat za bod v -rozměrném prostoru pozorování (dat). Extrakce rysů je popsána pomocí transformace, která se převádí na mezilehlý bod v -rozměrném prostoru rysů
. Na tuto transformaci lze nahlížet jako na operaci redukce rozměrů (komprese dat), která zjednodušuje klasifikaci. Klasifikace - transformace, která mapuje mezilehlý bod do jedné z tříd -dimenzionální prostor řešení ( - počet vybraných tříd).

2. typ stroje.

Systém je navržen jako jednovrstvá dopředná síť využívající jeden z dohlížených výukových algoritmů. S tímto přístupem je úloha extrahování funkcí prováděna výpočetními uzly skryté vrstvy sítě.

Popište způsob řešení problému identifikace systému.

Nechte vzorec

Popisuje vztah mezi vstupem a výstupem v neznámém systému s více vstupy a výstupy bez paměti (časová invariance systému). Pak lze sadu označených příkladů použít k trénování neuronové sítě představující model tohoto systému. Nechat - výstup neuronové sítě odpovídající vstupnímu vektoru . Signál chyby ( =(požadovaná odezva) - (síťový výstup)) se používá k úpravě volných parametrů sítě, aby se minimalizovala střední kvadratická chyba

Popište metodu konstrukce inverzního systému

Pravděpodobně existuje MIMO systém (s více vstupy a výstupy) bez paměti, pro který je transformace vstupního prostoru na výstupní prostor popsána vztahem . Je nutné zkonstruovat systém, který v reakci na vektor

generuje odpověď, specifikovanou jako vektor . Inverzní systém lze popsat takto:

vektorová funkce

-inverzní. Na základě mnoha označených příkladů (

) můžete vytvořit neuronovou síť, která aproximuje inverzní funkci pomocí schématu:

() - požadovaná odezva, () - vstupní signál (vektory , - se změnily). Vektor chybového signálu se rovná rozdílu mezi požadovaným vektorem a skutečným výstupem neuronové sítě, získaným v odezvě na poruchu. Zde je vektor chybového signálu použit k minimalizaci součtu čtvercových rozdílů mezi výstupy neznámého inverzního systému a neuronové sítě ve statickém smyslu (tj. počítáno přes celou sadu trénovacích příkladů).

Uveďte blokové schéma zpětnovazebního řídicího systému

Tento systém využívá jedinou zpětnou vazbu pokrývající celý řídicí objekt. Výstup řídicího objektu je tedy odečten od referenčního signálu () přijatého z externího zdroje. Takto získaný chybový signál (e) je přiveden do neurokontroléru k úpravě volných parametrů. Hlavním úkolem regulátoru je udržovat takový vstupní objektový vektor, pro který by výstupní signál (y) odpovídal referenční hodnotě (d). Jinými slovy, úkolem regulátoru je invertovat vstupně-výstupní mapování řídicího objektu.

Popište operace logického součtu a logického součinu na fuzzy množinách

Fuzzy množina je zobecněním obyčejných (jasných) množin. Tradičním způsobem reprezentace prvku množiny A je použití charakteristické funkce

, což je rovno 1, pokud prvek patří do množiny A, nebo rovno 0 v opačném případě. Ve fuzzy systémech může prvek částečně patřit do libovolné množiny. Stupeň příslušnosti k množině A, který je zobecněním charakteristické funkce, se nazývá funkce příslušnosti, a

, A

znamená, že x nepatří do množiny A, a

- plné vlastnictví. Konkrétní hodnota funkce příslušnosti se nazývá stupeň nebo koeficient příslušnosti.

Operace logického součtu:

Nechat
je nejmenší fuzzy podmnožina, která zahrnuje obojí tak s členskou funkcí:

Logická operace součinu na fuzzy množinách:

Nechat
- největší fuzzy podmnožina, která je obsažena současně v a v , pak má funkce členství tvar:

Popište operace negace množin a normalizace množin pro fuzzy množiny

Nastavit operaci negace:

Nechat - vše, co není , pak je prvek patřící do množiny určen podle funkce:

Normalizace fuzzy množin:

SUPERMUM: Sup - přesná horní hranice (maximální hodnota členství v sadě).

NORMALIZACE: Fuzzy množina je normální, pokud je supremum množiny roven jedné. Pro normalizaci si znovu přečtěte příslušnost prvků:

M "a (x) \u003d Ma (x) / (Sup Ma (x))

Popište operaci koncentrace a protahování pro fuzzy množiny

Koncentrační provoz:

Operace rozmazání:

Definujte lingvistickou proměnnou

Proměnná, jejíž hodnoty mohou být jak čísla, tak slova a jejich kombinace. Například jazyková proměnná „rychlost“ může mít hodnoty „vysoká“, „střední“, „velmi nízká“ atd. Fráze, jejichž hodnotu proměnná nabývá, jsou zase názvy fuzzy proměnné a jsou popsány fuzzy množina.

Matematická definice lingvistické proměnné:
, kde je název proměnné;
-sada názvů jazykových hodnot proměnné, z nichž každá je fuzzy proměnná v sadě
; - syntaktické pravidlo pro tvoření jmen hodnot;
sémantické pravidlo pro přiřazování každé velikosti hodnoty k jejímu pojmu.

Popište algebraické operace součinu pro fuzzy množiny

Operace algebraického součinu pro množinu a je popsána následující funkcí příslušnosti ve formě algebraického součinu: (agregace na úrovni implikace). Kde zase každé z členství funguje pro a má formu algebraického součinu:

(agregace premis).

Popište Jaegerovu míru charakterizující stupeň fuzzy množin

Pro určení stupně fuzzy množiny je zaveden koncept míry fuzzy, který je redukován na měření úrovně rozdílu mezi fuzzy množinou a její negací. Nejoblíbenější Jaegerovo opatření je:

počet prvků v ,
vzdálenost mezi sadami a v metrice (což se rovná 1 nebo 2). Hammingova metrika odpovídá hodnotě

Popište euklidovskou metriku charakterizující míru fuzzy množiny

Jaegerova míra na hodnotě metriky

se nazývá euklidovská metrika:

Popište míru entropie fuzziness Kosko množiny

Toto opatření navržené B. Koskem je založeno na kardinálních počtech souborů:

Nastavte kardinální číslo

součet koeficientů členství všech prvků této množiny, tzn.

Popište Mamdani-Zadeův fuzzy inferenční systém

Prvky teorie fuzzy množin, pravidla implikace a fuzzy usuzování tvoří systém fuzzy inference. Dá se rozlišit:

soubor použitých fuzzy pravidel;
databáze obsahující popisy funkcí členství;
mechanismus inference a agregace, který je tvořen aplikovanými pravidly implikace.

V případě technického provedení fungují měřené veličiny jako vstupní a výstupní signály, jednoznačně porovnávající vstupní hodnoty s odpovídajícími výstupními hodnotami.

Pro zajištění interakce těchto dvou typů se zavádí fuzzy systém s tzv. fuzzifierem (převaděč vstupních datových souborů na fuzzy množinu) na vstupu a dephasifier (převodník fuzzy množin na konkrétní hodnotu výstupní proměnná) na výstupu.

Výstupní signál výstupního modulu může být ve formě fuzzy množin, které určují rozsah změny výstupní proměnné. Defuzzifier převádí tento rozsah na jednu konkrétní hodnotu, která je brána jako výstup celého systému.

Mamdani-Zadehův inferenční model obsahuje následující operátory:

Obr 1. Příklad inferenčního systému Mamdani-Zadeh

Na Obr. 1 ukazuje metodu agregace pro dvě vstupní proměnné.

Charakterizujte fuzzifikátor

Transformuje ostrou množinu na fuzzy množinu charakterizovanou funkcí příslušnosti.

Popište pojem funkce členství

Funkce fuzzy příslušnosti je spojitá aproximace přesné funkce prahu příslušnosti.

Koeficient příslušnosti je hodnota z rozsahu, který charakterizuje stupeň příslušnosti prvku ve fuzzy množině.

Reálné číslo, které nabývá hodnoty v rozsahu (0,1), přičemž 1 znamená 100% (nepodmíněné) členství a v množině a 0 - absolutní nepřítomnost v . Hodnoty mezi 0 a 1 charakterizují fuzzy zahrnuté prvky.

Mapování sady prvků na sadu hodnot tvoří funkci členství.

Funkce může být definována explicitně ve formě například algebraického výrazu nebo v tabulkové (diskrétní) formě jako pole dvojic

Popište zobecněnou Gaussovu funkci členství

Gaussova funkce příslušnosti pro centrovanou proměnnou

a parametr šířka

vypadá jako:

Existuje také zobecněná Gaussova funkce:
parametr formuláře.

Rýže 3. Graf zobecněné Gaussovy funkce proc=1,

Zobecněná Gaussova funkce může být také v racionální formě:
.

Popište pojem defuzzifikace fuzzy množiny

Proces defuzzifikace je transformace fuzzy množiny dané funkcí příslušnosti na skalár.

Popište defuzzifikaci vzhledem ke střednímu středu

Defuzzifikace vzhledem ke středu středu:

Kde

centrum

-tá funkce samostatného členství účastnící se konečné agregované funkce.

Popište defuzzifikaci vzhledem ke středu regionu

Defuzzifikace vzhledem ke středu oblasti:

nebo v diskrétní formě

Uveďte blokové schéma fungování genetického algoritmu.

Genetický algoritmus je heuristická metoda používaná k řešení problémů optimalizace a modelování prostřednictvím sekvenčního výběru a kombinace požadovaných parametrů pomocí mechanismů připomínajících biologickou evoluci. Blokové schéma genetického algoritmu:

Popište pojmy celočíselné a reálné kódování.

Výběr metody kódování je jedním z nejdůležitějších kroků při použití evolučních algoritmů. Zejména musí být splněna následující podmínka: musí být možné zakódovat (s přijatelnou chybou) v chromozomu jakýkoli bod z uvažované oblasti vyhledávacího prostoru. Nedodržení této podmínky může vést jak k prodloužení evoluční doby hledání, tak k nemožnosti nalézt řešení problému.

Číselné parametry řešení jsou zpravidla zakódovány v chromozomu. K tomu je možné použít celočíselné a reálné kódování.

celočíselné kódování.

V klasickém genetickém algoritmu je chromozom bitový řetězec, který kóduje parametry pro řešení daného problému.

Skutečné kódování.

Často je výhodnější zakódovat do genu ne celé číslo, ale reálné číslo. To vám umožní zbavit se operací kódování a dekódování používaných při kódování celých čísel a zvýšit přesnost řešení.

Popište způsoby výběru.

Selekce (selekce) je nutná pro výběr přizpůsobenějších jedinců ke křížení. Možností výběru je mnoho, popíšeme si ty nejznámější z nich.

Výběr rulety. V této variantě výběru je pravděpodobnost, že se i-tý jedinec zúčastní křížení pí, úměrná hodnotě jeho fitness fi a rovná se .

Proces výběru jedinců pro křížení připomíná hru rulety.

Kruh rulety je rozdělen na sektory a plocha i-tého sektoru je úměrná hodnotě pí. Poté se ruleta „otočí“ nkrát, kde n je velikost populace, a jednotlivec vybraný ke křížení je určen sektorem, na kterém se ruleta zastaví.

Výběr zkrácením. Při výběru zkrácením se po výpočtu hodnot fitness pro křížení vybere Ln nejlepších jedinců, kde L je „mezní práh“, 0
Zpravidla volte L v rozsahu od 0,3 do 0,7.

Výběr turnaje. V případě použití turnajového výběru pro křížení je stejně jako u ruletového výběru vybráno n jednotlivců.

Za tímto účelem je z populace náhodně vybráno t jedinců a nejzdatnějšímu z nich je umožněno přejít. Říká se, že turnaj se tvoří z t jednotlivců, t je velikost turnaje. Tato operace se opakuje nkrát.

Čím větší je hodnota t, tím větší je selekční tlak. Varianta turnajového výběru, kdy t = 2, se nazývá binární turnaj. Typické hodnoty velikosti turnaje jsou t = 2, 3, 4, 5.
28. Popište princip fungování jednobodových, dvoubodových a homogenních crossover operátorů pro celočíselné kódování.

Pro celočíselné kódování se často používají operátory 1-tečka, 2-tečka a jednotné křížení.

Jednobodové křížení funguje podobně jako operace křížení chromozomů při křížení biologických organismů. K tomu je vybrán libovolný bod zlomu a části rodičovských chromozomů jsou vyměněny, aby se vytvořilo potomstvo.

Pro operátor 2-bodového křížení jsou vybrány 2 náhodné body zlomu, po kterých si rodičovské chromozomy vymění oblasti ležící mezi body zlomu, aby se vytvořilo potomstvo. Všimněte si, že pro operátor 2-bodového křížení je začátek a konec chromozomu považován za „slepený“, v důsledku čehož může jeden z bodů zlomu spadat na začátek/konec chromozomů, a v tomto případě výsledek 2-bodového přejezdu se bude shodovat s výsledkem 1-bodového přejezdu.

Při použití operátoru homogenního křížení se bity rodičovských chromozomů dědí nezávisle na sobě. K tomu určete pravděpodobnost p0, že i-tá číslice chromozomu 1. rodiče se dostane k prvnímu dítěti a 2. rodič - k druhému dítěti. Pravděpodobnost opačného jevu je (1 – p0). Každý bit rodičovských chromozomů je „přehrán“ v souladu s hodnotou p0 mezi chromozomy potomků. Ve většině případů je pravděpodobnost obou událostí stejná, tzn. p0 = 0,5.
29. Popište princip fungování dvoubodového křížení pro reálné kódování.

2-bodové křížení pro reálné kódování je v podstatě stejné jako 2-bodové křížení pro celočíselné kódování. Rozdíl je v tom, že bod zlomu nelze zvolit „uvnitř“ genu, ale musí spadat mezi geny.
30. Popište pojem destruktivní schopnosti crossoveru.

Crossover operátory se vyznačují schopností ničit rodičovské chromozomy.

Crossover pro celočíselné kódování je považován za destruktivnější, pokud je v důsledku jeho aplikace Hammingova vzdálenost mezi výslednými chromozomy potomka a chromozomy rodičů velká.

Jinými slovy, schopnost celočíselného křížení ničit závisí na tom, jak moc „smíchá“ (rekombinuje) obsah rodičovských chromozomů. 1-bodový crossover je tedy považován za slabě destruktivní, zatímco homogenní crossover je ve většině případů silně destruktivní operátor. V souladu s tím zaujímá 2-bodový přejezd střední polohu z hlediska destruktivní síly ve vztahu k 1-bodovým a homogenním přejezdům.

V případě křížení pro skutečné kódování je schopnost ničit určena tím, jak velká je vzdálenost ve vyhledávacím prostoru mezi body odpovídajícími chromozomům rodičů a potomků. Destruktivní účinek 2 bodového křížení tedy závisí na obsahu rodičovských chromozomů. Destruktivní schopnost aritmetického křížení závisí na hodnotě parametru l, např. pro l >> 1 a l >> 0 bude destruktivní schopnost nízká. U přechodu BLX-a závisí destruktivní schopnost jak na hodnotě a, tak na rozdílu hodnot odpovídajících genů rodičovských jedinců.

Všimněte si, že spolu se schopností ničit se mluví i o schopnosti tvořit (tvorba, stavba) křížením nových jedinců. Je tedy zdůrazněno, že zničením chromozomů rodičovských jedinců může crossover vytvořit zcela nové chromozomy, se kterými se v procesu evolučního hledání dříve nesetkali.
31. Popište kanonický genetický algoritmus.

Kanonický genetický algoritmus byl vyvinut Johnem Hollandem a popsán ve své knize Adaptation in Natural and Artificial Systems, 1975. Představuje jeden ze základních modelů evolučního hledání, podrobně studovaný v 70.-80. letech 20. století.

Kanonický GA má následující vlastnosti:

celočíselné kódování;

Všechny chromozomy v populaci jsou stejně dlouhé;

Konstantní velikost populace;

Výběr rulety;

Jednobodový křížový operátor;

Bitová mutace;

Nová generace se tvoří pouze z potomků (generační mezera T = 1).
32. Jaké znáte modely reprezentace znalostí?

Nejběžnější modely reprezentace znalostí v expertních systémech jsou:

model reprezentace znalostí pomocí logiky predikátů 1. řádu;

výrobní model;

model rámu;

model reprezentace znalostí ve formě sémantické sítě;

model reprezentace znalostí ve formě nástěnky;

model reprezentace znalostí ve formě scénáře;

model reprezentace znalostí založený na fuzzy logice;

model reprezentace znalostí neuronové sítě.

33. Co je to logický model poznání?

Logický model reprezentace znalostí je založen na logice predikátů. Predikát neboli logická funkce je funkcí libovolného počtu argumentů, které nabývají pravdivé nebo nepravdivé hodnoty. Argumenty funkce - hodnoty z libovolné, konečné nebo nekonečné množiny
s názvem předmětná oblast. Predikát od -argumenty se nazývá -místní predikát. Model reprezentace znalostí používá predikátovou logiku prvního řádu, na které je založen Prolog.
34. Z čeho se skládá výrobní systém?

Produkční systém je systém zpracování znalostí, který využívá reprezentace znalostí podle produkčních pravidel. Produkční pravidla jsou výrazy jako „Pokud (podmínka) pak (akce)“. „Podmínka“ – vzorová věta, pomocí které se provádí vyhledávání ve znalostní bázi; „akce“ je akce, která má být provedena, když je vyhledávání úspěšné. Závěr na takovéto znalostní bázi může být přímý (od dat k hledání cíle) a zpětný (od cíle k jeho potvrzení - k datům). Data jsou počáteční fakta uložená v databázi faktů, na jejichž základě je spuštěn inferenční engine nebo interpret pravidel, který třídí pravidla z produkční znalostní báze.

Produkční systém zahrnuje bázi pravidel, databázi a interpret pravidel. Báze pravidel je paměťová oblast, která obsahuje znalostní bázi - soubor znalostí prezentovaných ve formě pravidel ve tvaru POKUD ... POTOM; databáze je oblast paměti, která obsahuje aktuální data (fakta). Interpret je inferenční mechanismus, je to součást systému, která tvoří závěr pomocí báze pravidel a databáze.
35. Popište model reprezentace znalostí ve formě rámců

V systému rámců je jednotkou reprezentace znalostí objekt zvaný rámec. Rámec je forma znázornění určité situace, kterou lze popsat určitým souborem pojmů a entit. Rám je pojmenován jako identifikátor. Tento název musí být jedinečný v celém systému rámů. Rám má specifickou vnitřní strukturu, která se skládá z mnoha prvků nazývaných sloty, které jsou také pojmenovány. Každý slot je reprezentován specifickou datovou strukturou. Někdy slot obsahuje komponent zvaný faseta, který určuje rozsah nebo seznam jeho možných hodnot. Fazeta také určuje mezní hodnoty výplně slotu (například maximální povolený počet bratrů

36. Jak jsou znalosti reprezentovány v sémantickém webu?

Sémantická síť představuje znalosti ve formě grafu, jehož uzly odpovídají faktům nebo pojmům a oblouky vztahům mezi pojmy. Graf je množina vrcholů a množina oblouků spojujících některé dvojice vrcholů. Označený graf pro každý vrchol obsahuje deskriptory (návěsky), díky kterým se vrcholy grafu od sebe liší. Pro stavový graf identifikují deskriptory stavy v procesu řešení problému. Obloukové štítky v sémantických sítích se používají k definování pojmenovaných vztahů.
37. Popište architekturu expertních systémů

Skupina odborníků nebo jiný zdroj odborných znalostí zajišťuje, že fakta, pozorování a metody analýzy situací jsou načteny do znalostní báze. Uživatel se dotáže systému na konkrétní problémy prostřednictvím rozhraní, které umožňuje komunikaci pomocí normálních výrazů.

Informace obsažené ve znalostní bázi jsou zpracovávány inferenčním strojem, který používá empirické asociace nebo pravidla „Jestli... POTOM“ k vytvoření a testování možných řešení. Uživatelské rozhraní v přístupné podobě předává výsledky obsluze.

Ve výkonných inteligentních systémech existuje přirozené jazykové rozhraní, které vám umožňuje klást otázky a přijímat odpovědi v jednoduché angličtině nebo ruštině. V případě běžných inteligentních systémů je uživateli poskytnuto méně propracované, ale přesto „přátelské“ rozhraní.

38. Popište funkce výstupního stroje (mechanismu)

Hlavní věcí v ES je mechanismus, který prohledává znalostní bázi podle pravidel racionální logiky za účelem získání řešení. Tento mechanismus, nazývaný inferenční stroj, se aktivuje při přijetí požadavku uživatele a provádí následující úkoly:

porovnává informace obsažené v požadavku uživatele s informacemi ze znalostní báze;

hledá konkrétní cíle nebo kauzální vztahy;

vyhodnocuje relativní jistotu faktů na základě příslušných faktorů spolehlivosti spojených s každým faktem.

Jak jeho název napovídá, inferenční stroj je navržen tak, aby vyvozoval závěry. Jeho fungování je analogické s úvahami lidského experta, který vyhodnocuje problém a navrhuje hypotetická řešení. Při hledání cílů na základě navržených pravidel se inferenční stroj odvolává na KB, dokud nenajde pravděpodobnou cestu k přijatelnému výsledku.
39. Uveďte blokové schéma popisující fáze technologie vytváření expertních systémů

Ve fázi identifikace jsou určeny úkoly, které mají být řešeny, jsou identifikovány rozvojové cíle, zdroje, odborníci a kategorie uživatelů.

Ve fázi získávání znalostí se rozlišují tři strategie: získávání znalostí, extrakce znalostí a objevování znalostí. Získávání znalostí je chápáno jako metoda automatizovaného naplňování znalostní báze prostřednictvím dialogu odborníka a speciálního programu. Extrakce znalostí je postup interakce mezi znalostním inženýrem a zdrojem znalostí (odborníkem, odbornou literaturou atd.) bez použití výpočetní techniky. Pojem objevování znalostí je spojen s tvorbou počítačových systémů, které implementují metody automatického získávání znalostí. Nyní je tento směr nejslibnější. Zároveň se předpokládá, že systém sám bude schopen odhalit zákonitosti předmětné oblasti a na základě dostupného empirického materiálu formulovat potřebné poznatky.

Ve fázi konceptualizace je provedena analýza problémové oblasti, identifikovány použité pojmy a jejich vztahy a stanoveny metody řešení problémů.

Fáze formalizace určuje způsoby reprezentace všech typů znalostí, formalizuje základní pojmy, určuje způsoby interpretace znalostí a modeluje fungování systému. V této fázi se posuzuje přiměřenost cílů systému pevných pojmů, metod řešení, prostředků reprezentace a manipulace se znalostmi.

Ve fázi provádění je znalostní báze systému naplněna. Ve fázi testování expert (a znalostní inženýr) interaktivně pomocí interaktivních a vysvětlujících nástrojů kontroluje způsobilost ES. Proces testování pokračuje, dokud zkoušející nerozhodne, že systém dosáhl požadované úrovně způsobilosti.

Ve fázi zkušebního provozu je prověřena vhodnost ES pro koncové uživatele. Na základě výsledků této fáze, jakož i fáze testování, může být vyžadována významná úprava SE.

Proces vytváření ES není omezen na striktní sled kroků uvedených výše. Během vývoje se musíte opakovaně vracet do dřívějších fází a revidovat tam učiněná rozhodnutí.

Strana 1