Главная Обратная связь

Дисциплины:






Напрям підготовки: 0923 – Зварювання 3 страница



 

 


Варіант 28

 

а) К среднеуглеродистым конструкционным сталям относят спокойные стали, в которых содержание углерода колеблется в пределах 0,26 – 0,45%.

Чтобы предотвратить образование малопластичных и хрупких структур при сварке среднеуглеродистых сталей, следует замедлять охлаждение металла, регулируя режим сварки, а если необходимо, предварительно подогревать изделие. В ряде случаев для обеспечения высокой деформационной способности сварного соединения и его равнопрочности с основным металлом после сварки назначают термическую обработку (закалку с отпуском, нормализацию). Использование среднеуглеродистых сталей для сварки не всегда целесообразно. По металлургической обработке различают стали спокойные, полуспокойные и кипящие. Для сварки лучше спокойные стали. По способу производства бывают стали мартеновские и бессемеровские (конверторные). Для сварки лучше применять мартеновские стали. В настоящее время в связи с коренными улучшениями производства конверторных сталей они могут считаться вполне пригодными для сварки.

 

 

б) К высокоуглеродистым конструкционным сталям относят стали, содержащие 0,46 – 0,7% С. Свариваемость их еще более затруднена по тем же причинам, что и свариваемость среднеуглеродистых сталей. Для преодоления трудностей рекомендуются те же способы. Высокоуглеродистые стали относят к трудносваривающимся.

Легированными называют такие стали, в состав которых входят легирующие элементы, отсутствующие в углеродистой стали, или те же кремний и марганец, но в повышенном по сравнению с углеродистой сталью количестве.

Легирующие элементы в такой стали взаимодействуют с железом и углеродом и тем самым изменяют механические и физико-химические свойства металла. Как правило, легированные стали характеризуются высокими механическими свойствами, рядом специальных свойств (жаростойкость, коррозионная стойкость и др.) и повышенной стойкостью против хрупкого разрушения. Отмеченные особенности этих сталей широко используют при изготовлении из них соответствующих конструкций.

Легирующие элементы – Mn, Si, Ni, Cr, Cu, Ti – растворяются в феррите, упрочняют его и измельчают перлит. Благодаря этому прочностные характеристики таких сталей повышаются и предел прочности доходит до 55 кГ/мм².


Варіант 29

 

 

а) К сварным соединениям из среднелегированных сталей предъявляют требования необходимой прочности в условиях эксплуатации и специальные требования (например, коррозионной стойкости). Выполнить их довольно трудно, поскольку с повышением легирования понижается свариваемость.

Следует отметить три основные причины, ухудшающие свариваемость среднелегированных сталей:



1) возможность возникновения холодных трещин в околошовной зоне (реже – в металле шва) из-за повышенного содержания углерода, легирующих элементов и под воздействием водорода;

2) пониженная стойкость металла шва к образованию кристаллизационных трещин, обусловленная повышенным содержанием углерода и легирующих элементов и воздействием серы;

3) трудность получения металла шва, околошовной зоны и сварного соединения в целом с механическими свойствами, одинаковыми с основным металлом или близкими к его свойствам.

 

б) Серьезной проблемой свариваемости среднелегированных сталей является пониженная сопротивляемость швов образованию горячих трещин. Это связано с необходимостью сохранения в шве повышенных концентраций углерода и других легирующих элементов для получения требуемых свойств металла шва.

Получение равнопрочных сварных соединений из высокопрочных среднелегированных сталей – не менее важная проблема их свариваемости. Трудность её решения обусловлена высокими механическими свойствами этих сталей, получаемых с применением новейшей металлургической технологии (например, электрошлакового переплава), обжатия слитков на прессах перед прокаткой и сложной термической обработки (отжиг, нормализация, закалка с отпуском), улучшающих структуру, физическую и химическую однородность металла. Сварные соединения аналогичным операциям не подвергают, поэтому литая столбчатая структура шва вместе с крупным зерном в околошовной зоне и участком разупрочнения оказываются неравноценными по свойствам основному металлу.

 


Варіант 30

 

 

а) Сварные соединения, подвергающиеся термической обработке после сварки. Если металл шва близок по химическому составу к основному, то все соединения целесообразно подвергнуть полной термической обработке – закалке с высоким отпуском. Этим достигается равноценность сварного соединения основному металлу по всему комплексу физико-химических свойств. Однако получить наплавленный металл того же химического состава, что и основной, очень трудно из-за низкой стойкости швов к образованию кристаллизационных трещин. Поэтому часто идут по пути некоторого снижения содержания в шве C и Si и замены их другими легирующими элементами, повышающими стойкость шва к образованию трещин.

Следует отметить, что химический состав наплавленного металла оказывает влияние на ход превращений аустенита не только в шве, но и околошовной зоне, так как изменяется распределение напряжений на границе «шов – основной металл».

б) Когда наплавленный металл по своему химическому составу несколько отличен от основного, используют режим термической обработки, установленный для свариваемой стали, но с корректировкой параметров применительно к сварным соединениям. Если, например, наплавленный металл содержит меньше углерода и легирующих элементов, чем основной, назначают нагрев под закалку до более высоких температур, благоприятно влияющих на изменение структуры околошовной зоны.

Иногда термическая обработка ограничивается лишь высоким отпуском – для получения более равновесных структур и полного снятия сварочных напряжений. Перекристаллизацию в наплавленном металле и в околошовной зоне высокий отпуск не обеспечивает. Поэтому с его помощью нельзя устранить грубую столбчатую структуру или крупнозернистость околошовной зоны. Достигнутое в результате высокого отпуска разупрочнение металла позволяет применить несколько повышенное легирование наплавленного металла, благоприятно сказывающееся на его механических свойствах.


1.8 Напрями підготовки: 0925 - Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології;

0804 - Комп’ютерні науки

Варіант 1

а) Термин "архитектура системы" часто употребляется как в узком, так и в широком смысле этого слова. В узком смысле под архитектурой понимается архитектура набора команд. Архитектура набора команд служит границей между аппаратурой и программным обеспечением и представляет ту часть системы, которая видна программисту или разработчику компиляторов. Следует отметить, что это наиболее частое употребление этого термина. В широком смысле архитектура охватывает понятие организации системы, включающее такие высокоуровневые аспекты разработки компьютера как систему памяти, структуру системной шины, организацию ввода/вывода и т.п. Двумя основными архитектурами набора команд, используемыми компьютерной промышленностью на современном этапе развития вычислительной техники, являются

архитектуры CISC и RISC.

 

 

б) Основоположником CISC-архитектуры можно считать

компанию IBM с ее базовой архитектурой /360, ядро которой используется с 1964 года, и дошло до наших дней, например, в таких современных мэйнфреймах как IBM ES/9000. Лидером в разработке микропроцессоров с полным набором команд считается компания Intel со своей серией x86 и Pentium. Эта архитектура является практическим стандартом для рынка микрокомпьютеров. Для CISC-процессоров характерно: сравнительно небольшое число регистров общего назначения; большое количество машинных команд, некоторые из которых нагружены семантически аналогично операторам высокоуровневых языков программирования и выполняются за много тактов; большое количество методов адресации; большое количество форматов команд различной разрядности; преобладание двухадресного формата команд; наличие команд обработки типа регистр-память.


Варіант 2

а) Основой архитектуры современных серверов является архитектура компьютера с сокращенным набором команд. Зачатки этой архитектуры уходят своими корнями к компьютерам CDC6600, разработчики которых осознали важность упрощения набора команд для построения быстрых вычислительных машин. Эту традицию упрощения архитектуры С. Крэй с успехом применил при создании серии суперкомпьютеров компании Cray Research. Однако окончательно понятие RISC сформировалось на базе трех исследовательских проектов компьютеров: процессора 801 компании IBM, процессора RISC университета Беркли и процессора MIPS Стенфордского университета. Разработка экспериментального проекта компании IBM началась еще в конце 70-х годов, но его результаты никогда не публиковались и компьютер на его основе в промышленных масштабах не изготавливался.

 

б) В 1980 году Д.Паттерсон со своими коллегами из Беркли начали свой проект и изготовили две машины, которые получили названия RISC-I и RISC-II. Главными идеями этих машин было отделение медленной памяти от высокоскоростных регистров и использование регистровых окон. В 1981 году Дж. Хеннесси со своими коллегами опубликовал описание стенфордской машины MIPS, основным аспектом разработки которой была эффективная реализация конвейерной обработки посредством тщательного планирования компилятором его загрузки. Эти три машины имели много общего. Все они придерживались архитектуры, отделяющей команды обработки от команд работы с памятью, и делали упор на эффективную конвейерную обработку. Система команд разрабатывалась таким образом, чтобы выполнение любой команды занимало небольшое количество машинных тактов.


Варіант 3

а) Сама логика выполнения команд с целью повышения производительности ориентировалась на аппаратную, а не на микропрограммную реализацию. Чтобы упростить логику декодирования команд использовались команды фиксированной длины и фиксированного формата. Среди других особенностей RISC-архитектур следует отметить наличие достаточно большого регистрового файла (в типовых RISC-процессорах реализуются 32 или большее число регистров по сравнению с 8 - 16 регистрами в CISC-архитектурах), что позволяет большему объему данных храниться в регистрах на процессорном кристалле большее время и упрощает работу компилятора по распределению регистров под переменные. Для обработки, как правило, используются трехадресные команды, что помимо упрощения дешифрации дает возможность сохранять большее число переменных в регистрах без их последующей перезагрузки.

 

 

б) Ко времени завершения университетских проектов обозначился также прорыв в технологии изготовления сверхбольших интегральных схем. Простота архитектуры и ее эффективность, подтвержденная этими проектами, вызвали большой интерес в компьютерной индустрии, и началась активная промышленная реализация архитектуры RISC. К настоящему времени эта архитектура прочно занимает лидирующие позиции на мировом компьютерном рынке рабочих станций и серверов. Развитие архитектуры RISC в значительной степени определялось прогрессом в области создания оптимизирующих компиляторов. Именно современная техника компиляции позволяет эффективно использовать преимущества большого регистрового файла, конвейерной организации и большей скорости выполнения команд. Современные компиляторы используют также преимущества другой оптимизационной техники.


Варіант 4

а) Разработчики архитектуры компьютеров издавна прибегали к методам проектирования, известным под общим названием "совмещение операций", при котором аппаратура компьютера в любой момент времени выполняет одновременно более одной базовой операции. Этот общий метод включает два понятия: параллелизм и конвейеризацию. Хотя у них много общего и их зачастую трудно различать на практике, эти термины отражают два совершенно различных подхода. При параллелизме совмещение операций достигается путем воспроизведения в нескольких копиях аппаратной структуры. Высокая производительность достигается за счет одновременной работы всех элементов структур, осуществляющих решение различных частей задачи. Конвейеризация (или конвейерная обработка) в общем случае основана на разделении подлежащей исполнению функции на более мелкие части.

 

 

б) Так обработку любой машинной команды можно разделить на несколько этапов (несколько ступеней), организовав передачу данных от одного этапа к следующему. При этом конвейерную обработку можно использовать для совмещения этапов выполнения разных команд. Производительность при этом возрастает благодаря тому, что одновременно на различных ступенях конвейера выполняются несколько команд. Конвейерная обработка такого рода широко применяется во всех современных быстродействующих процессорах. Для иллюстрации основных принципов построения процессоров мы будем использовать простейшую архитектуру, содержащую 32 целочисленных регистра общего назначения, 32 регистра плавающей точки и счетчик команд PC. . В арифметических командах используется трехадресный формат, а для обращения к памяти используются операции загрузки и записи регистров.


Варіант 5

а) Конвейеризация увеличивает пропускную способность процессора (количество команд, завершающихся в единицу времени), но она не сокращает время выполнения отдельной команды. В действительности, она даже несколько увеличивает время выполнения каждой команды из-за накладных расходов, связанных с управлением регистровыми станциями. Однако увеличение пропускной способности означает, что программа будет выполняться быстрее по сравнению с простой неконвейерной схемой. Тот факт, что время выполнения каждой команды в конвейере не уменьшается, накладывает некоторые ограничения на практическую длину конвейера. Кроме ограничений, связанных с задержкой конвейера, имеются также ограничения, возникающие в результате несбалансированности задержки на каждой его ступени и из-за накладных расходов на конвейеризацию.

 

 

б) Частота синхронизации не может быть выше, а, следовательно, такт синхронизации не может быть меньше, чем время, необходимое для работы наиболее медленной ступени конвейера. Накладные расходы на организацию конвейера возникают из-за задержки сигналов в конвейерных регистрах (защелках) и из-за перекосов сигналов синхронизации. Конвейерные регистры к длительности такта добавляют время установки и задержку распространения сигналов. В предельном случае длительность такта можно уменьшить до суммы накладных расходов и перекоса сигналов синхронизации, однако при этом в такте не останется времени для выполнения полезной работы по преобразованию информации. При реализации конвейерной обработки возникают ситуации, которые препятствуют выполнению очередной команды из потока команд в предназначенном для нее такте.


Варіант 6

а) Существуют три класса конфликтов:

1 Структурные конфликты, которые возникают из-за конфликтов по ресурсам, когда аппаратные средства не могут поддерживать все возможные комбинации команд в режиме одновременного выполнения с совмещением.

2 Конфликты по данным, возникающие в случае, когда выполнение одной команды зависит от результата выполнения предыдущей команды.

3 Конфликты по управлению, которые возникают при конвейеризации команд переходов и других команд, которые изменяют значение счетчика команд.

Конфликты в конвейере приводят к необходимости приостановки выполнения команд. Обычно в простейших конвейерах, если приостанавливается какая-либо команда, то все следующие за ней команды также приостанавливаются. Во время остановки не выбирается ни одна новая команда.

 

 

б) Структурные конфликты и способы их минимизации.

Совмещенный режим выполнения команд в общем случае требует конвейеризации функциональных устройств и дублирования ресурсов для разрешения всех возможных комбинаций команд в конвейере. Если какая-нибудь комбинация команд не может быть принята, то говорят, что в машине имеется структурный конфликт. Наиболее типичным примером машин, в которых возможно появление структурных конфликтов, являются машины с не полностью конвейерными функциональными устройствами. Время работы такого устройства может составлять несколько тактов синхронизации конвейера. В этом случае последовательные команды, которые используют данное функциональное устройство, не могут поступать в него в каждом такте. Другая возможность появления структурных конфликтов связана с недостаточным дублированием некоторых ресурсов.


Варіант 7

а) При всех прочих обстоятельствах, машина без структурных конфликтов будет всегда иметь более низкий CPI (среднее число машинных тактов на выдачу команды). Возникает вопрос: почему разработчики допускают наличие структурных конфликтов? Для этого имеются две причины: снижение стоимости и уменьшение задержки устройства. Конвейеризация всех функциональных устройств может оказаться слишком дорогой. Машины, допускающие два обращения к памяти в одном такте, должны иметь удвоенную пропускную способность памяти, например, путем организации раздельных кэшей для команд и данных. Аналогично, полностью конвейерное устройство деления с плавающей точкой требует огромного количества вентилей. Если структурные конфликты не будут возникать слишком часто, то, может быть, и не стоит платить за то, чтобы их обойти.

 

 

б) Одним из факторов, который оказывает существенное влияние на производительность конвейерных систем, являются межкомандные логические зависимости. Такие зависимости в большой степени ограничивают потенциальный параллелизм смежных операций, обеспечиваемый соответствующими аппаратными средствами обработки. Степень влияния этих зависимостей определяется, в первую очередь, как архитектурой процессора (в основном, структурой управления конвейером команд и параметрами функциональных устройств), так и характеристиками программ. Конфликты по данным возникают в том случае, когда применение конвейерной обработки может изменить порядок обращений за операндами так, что этот порядок будет отличаться от порядка, который наблюдается при последовательном выполнении команд на неконвейерной машине.


Варіант 8

а) В последовательности команд конвейера при ускоренной пересылке данных все команды, следующие за командой ADD, используют результат ее выполнения. Команда ADD записывает результат в регистр R1, а команда SUB читает это значение. Если не предпринять никаких мер для того, чтобы предотвратить этот конфликт, команда SUB прочитает неправильное значение и попытается его использовать. На самом деле значение, используемое командой SUB, является даже неопределенным: хотя логично предположить, что SUB всегда будет использовать значение R1, которое было присвоено какой-либо командой, предшествовавшей ADD, это не всегда так. Если произойдет прерывание между командами ADD и SUB, то команда ADD завершится, и значение R1 в этой точке будет соответствовать результату ADD. Такое непрогнозируемое поведение очевидно неприемлемо.

 

 

б) Проблема, поставленная в этом примере, может быть разрешена с помощью достаточно простой аппаратной техники, которая называется пересылкой или продвижением данных, обходом, иногда закороткой. Эта аппаратура работает следующим образом. Результат операции АЛУ с его выходного регистра всегда снова подается назад на входы АЛУ. Если аппаратура обнаруживает, что предыдущая операция АЛУ записывает результат в регистр, то логические схемы управления выбирают в качестве входа для АЛУ результат, поступающий по цепи "обхода", а не значение, прочитанное из регистрового файла. Эта техника "обходов" может быть обобщена для того, чтобы включить передачу результата прямо в то функциональное устройство, которое в нем нуждается: результат с выхода одного устройства "пересылается" на вход другого, а не с выхода некоторого устройства только на его вход.


Варіант 9

а) Последовательность команд с приостановкой конвейера. Этот случай отличается от последовательности команд АЛУ. Команда загрузки регистра R1 из памяти имеет задержку, которая не может быть устранена обычной "пересылкой". Вместо этого нам нужна дополнительная аппаратура, называемая аппаратурой внутренних блокировок конвейера, чтобы обеспечить корректное выполнение примера. Вообще такого рода аппаратура обнаруживает конфликты и приостанавливает конвейер до тех пор, пока существует конфликт. В этом случае эта аппаратура приостанавливает конвейер начиная с команды, которая хочет использовать данные в то время, когда предыдущая команда, результат которой является операндом для нашей, вырабатывает этот результат. Эта аппаратура вызывает приостановку конвейера или появление "пузыря" точно так же, как и в случае структурных конфликтов.

 

 

б) Очевидно, выполнение команды ADD должно быть приостановлено до тех пор, пока не станет доступным поступающий из памяти операнд C. Дополнительной задержки выполнения команды SW не произойдет в случае применения цепей обхода для пересылки результата операции АЛУ непосредственно в регистр данных памяти для последующей записи. Для данного простого примера компилятор никак не может улучшить ситуацию, однако в ряде более общих случаев он может реорганизовать последовательность команд так, чтобы избежать приостановок конвейера. Эта техника, называемая планированием загрузки конвейера или планированием потока команд, использовалась, начиная с 60-х годов, и стала особой областью интереса в 80-х годах, когда конвейерные машины стали более распространенными.


Варіант 10

а) В результате устранены обе блокировки. Имеется зависимость между операцией АЛУ и операцией записи в память, но структура конвейера допускает пересылку результата с помощью цепей "обхода". Заметим, что использование разных регистров для первого и второго операторов было достаточно важным для реализации такого правильного планирования. В частности, если переменная e была бы загружена в тот же самый регистр, что b или c, такое планирование не было бы корректным. В общем случае планирование конвейера может требовать увеличенного количества регистров. Такое увеличение может оказаться особенно существенным для машин, которые могут выдавать на выполнение несколько команд в одном такте. Многие современные компиляторы используют технику планирования команд для улучшения производительности конвейера.

 

 

б) В простейшем алгоритме компилятор просто планирует распределение команд в одном и том же базовом блоке. Базовый блок представляет собой линейный участок последовательности программного кода, в котором отсутствуют команды перехода, за исключением начала и конца участка. Планирование такой последовательности команд осуществляется достаточно просто, поскольку компилятор знает, что каждая команда в блоке будет выполняться, если выполняется первая из них, и можно просто построить граф зависимостей этих команд и упорядочить их так, чтобы минимизировать приостановки конвейера. Для простых конвейеров стратегия планирования на основе базовых блоков вполне удовлетворительна. Однако когда конвейеризация становится более интенсивной и действительные задержки конвейера растут, требуются более сложные алгоритмы планирования.


Варіант 11

а) Еще одним аппаратным методом минимизации конфликтов по данным является метод переименования. Он получил свое название от широко применяющегося в компиляторах метода переименования - метода размещения данных, способствующего сокращению числа зависимостей и тем самым увеличению производительности при отображении необходимых исходной программе объектов (например, переменных) на аппаратные ресурсы (например, ячейки памяти и регистры). При аппаратной реализации метода переименования регистров выделяются логические регистры, обращение к которым выполняется с помощью соответствующих полей команды, и физические регистры, которые размещаются в аппаратном регистровом файле процессора. Номера логических регистров динамически отображаются регистров посредством таблиц отображения, которые обновляются после декодирования каждой команды.

 

 

б) Каждый новый результат записывается в новый физический регистр. Однако предыдущее значение каждого логического регистра сохраняется и может быть восстановлено в случае, если выполнение команды должно быть прервано из-за возникновения исключительной ситуации или неправильного предсказания направления условного перехода. В процессе выполнения программы генерируется множество временных регистровых результатов. Эти временные значения записываются в регистровые файлы вместе с постоянными значениями. Временное значение становится новым постоянным значением, когда завершается выполнение команды. В свою очередь, завершение выполнения команды происходит, когда все предыдущие команды успешно завершились в заданном программой порядке. Программист имеет дело только с логическими регистрами.


Варіант 12

а) Как уже отмечалось, номера логических регистров ставятся в соответствие номерам физических регистров. Отображение реализуется с помощью таблиц отображения, которые обновляются после декодирования каждой команды. Каждый новый результат записывается в физический регистр. Однако до тех пор, пока не завершится выполнение команд, значение в этом физическом регистре рассматривается как временное. Метод переименования регистров упрощает контроль зависимостей по данным. В машине, которая может выполнять команды не в порядке их расположения в программе, номера логических регистров могут стать двусмысленными, поскольку один и тот же регистр может быть назначен последовательно для хранения различных значений. Но поскольку номера физических регистров уникально идентифицируют каждый результат,… осуществляется сокращение потерь на выполнение команд перехода и минимизация конфликтов по управлению.

 

 

б) Конфликты по управлению могут вызывать даже большие потери производительности конвейера, чем конфликты по данным. Когда выполняется команда условного перехода, она может либо изменить, либо не изменить значение счетчика команд. Если команда условного перехода заменяет счетчик команд значением адреса, вычисленного в команде, то переход называется выполняемым; в противном случае, он называется невыполняемым. Простейший метод работы с условными переходами заключается в приостановке конвейера как только обнаружена команда условного перехода до тех пор, пока она не достигнет ступени конвейера, которая вычисляет новое значение счетчика команд. Такие приостановки конвейера из-за конфликтов по управлению должны реализовываться иначе.


Варіант 13

а) Если используются механизмы задержанных переходов, состояние машины уже невозможно восстановить с помощью одного счетчика команд, поскольку в процессе восстановления команды в конвейере могут оказаться вовсе непоследовательными. В частности, если команда, вызвавшая прерывание, находилась в слоте задержки перехода и переход был выполненным, то необходимо заново повторить выполнение команд из слота задержки плюс команду, находящуюся по целевому адресу команды перехода. Сама команда перехода уже выполнилась и ее повторения не требуется. При этом адреса команд из слота задержки перехода и целевой адрес команды перехода естественно не являются последовательными. Поэтому необходимо сохранять и восстанавливать несколько счетчиков команд, число которых на единицу превышает длину слота задержки.

 

б) После обработки прерывания специальные команды осуществляют возврат из прерывания путем перезагрузки счетчиков команд и инициализации потока команд. Если конвейер может быть остановлен так, что команды, непосредственно предшествовавшие вызвавшей прерывание команде, завершаются, а следовавшие за ней могут быть заново запущены для выполнения, то говорят, что конвейер обеспечивает точное прерывание. В идеале команда должна менять состояние машины, и для корректной обработки некоторых типов прерываний требуется, чтобы команда, вызывающая прерывание, не имела никаких побочных эффектов. Для других типов прерываний, например, для прерываний по исключительным ситуациям плавающей точки, вызывающая прерывание команда на некоторых машинах записывает свои результаты еще до того момента, когда прерывание может быть обработано.





sdamzavas.net - 2017 год. Все права принадлежат их авторам! В случае нарушение авторского права, обращайтесь по форме обратной связи...