Основы информатики

1. Классификация компьютеров и вычислительных систем

ЭВМ - это комплекс технических и программных средств, объединенных общим управлением и предназначенных для преобразования инф. по любому из заданных алгоритмов.

ЭВМ - это электронная система для сбора, преобразования, хранения и выдачи инф.

ЭВМ классифицируются по следующим признакам:

по виду обрабатываемой инф.

по способу представления инф.

по назначению

по способу передачи кодов

по производительности

по способу представления инф.

аналоговые (АВМ)

цифровые (ЦВМ)

В АВМ инф. представляется с помощью непрерывных (аналоговых) сигналов, В ЦВМ - с помощью дискретных сигналов.

АВМ содержит операционных усилителей и компонентов с помощью которых можно было бы моделировать различные мат. функции и операции.

Решение мат. уравнений на АВМ сводилось к набору на наборном поле машины эл. схемы, соотв. данному решаемому уравнению, а решение получалось на экране осциллографа как ф-ция, аргументом к-рой явл. время.

В современной ЭВМ для представления инф. используются двоичные числа. Для представления их исп. 0 и 1, кот в ЭВМ отображаются с помощью двух зон напряжений.

По назначению.

ЭВМ общего назначения

специализированные ЭВМ

Общего назначения имеют широкий набор команд, позволяющий на данной ЭВМ реализовать любой алгоритм.

Спец. ЭВМ имеют огр. набор команд и предназначены для реализации узкого круга алгоритмов, бывают счетные, информационные, управляющие.

По способу передачи и обработки кодов.

параллельные

последовательные

В парал. коды обрабатываются и передаются одновременно во всех разрядах. В посл. побитно и раздельно во времени. Все совр. ЭВМ относятся к ЭВМ параллельного действия. Их достоинством явл. высокое быстродействие, недостатком - большие аппаратные затраты.

По быстродействию.

Малой, средней, высокой, сверхвысокой, супер-ЭВМ.

На базе ЭВМ и процессоров создаются многопроцессорные и многомашинные вычисл. системы (комплексы).

Многомашинный выч. комплекс - это совокупность ЭВМ, объединенных линиями связи и управления с помощью коммутаторов. Основное назначение - повышение надежности выч. систем. Такие комплексы предполагают использование ЭВМ в качестве резервной. Многопроцессорный комплекс - это совокупность процессоров, связанных между собой через общую ОП и функционирующих под единой ОС. Основное назначение - повышение производительности.

2.Параметры компьютеров

К основным параметрам ЭВМ относятся:

производительность

разрядность машинного слова

ёмкость оперативной памяти

скорость обмена инф. между ЦП и ОП

скорость обмена инф. между ЦП и ОП и внешними устройствами

надежность

потребляемая мощность

Производительность.

Определяется средним количеством операций, выполняемых за единицу времени при решении широкого класса задач. Измеряется в опер/с - MIPS ( Millen Instructions Per Second). Производительность конкретной ЭВМ определяется используемой в ней элементной базой и архитектурой.

Разрядность машинного слова.

Определяется количеством разрядов, используемых в данной ЭВМ для представления данных и машинных кодов. Определяет максимальное число, которое можно представить в ЭВМ - диапазон представимых чисел в ЭВМ, точность представимых чисел, и обьем адресуемой памяти.

Ёмкость оперативной памяти.

Определяется количеством адресуемых ячеек памяти наименьшей длины - байта.

Скорость обмена инф. между ЦП и ОП и внешними устройствами.

Определяется количеством инф., передаваемой в единицу времени между устройствами. Измеряется в Мбайт/с.

Надёжность.

Характеризуется тремя параметрами:

интенсивность отказов

Nот - количество отказов в партии из N изделий за время испытаний tи.

наработка на отказ

вероятность безотказной работы за время t.

3. Структура ЭВМ. Основные устройства и их назначение

ЭВМ строится по модульному принципу. модули ЭВМ предст собой функц-но законченные устр-ва с типовым напряжением. Устр-ва, сходящие в состав ЭВМ, делятся на центральные (ОП, проц-р) и внешние(перефер - устр-ва в/в и внешн запомин устр-ва).

Схема ЭВМ:

Проц-р предназн для выполнения арифм и логич операций управления вычисл процессом и организации взаимодействия между устр-ми ЭВМ. Проц-р сост из 2-х основных устройств:

- АЛУ Предназн для выполн-я арифм операций над числами, представл-ми в форме с фиксиров, плавающ точкой и в десятичном формате. Предназн для выполн-я арифм операции (+,-,*,/), а также для логич операций над многоразрядными двоичными кодами и формир-я признаков рез-та операции. АЛУ строится на сумматорах, регистрах и др.

- УУ Предназн для управл-я вычисл-ым процессом. УУ дешифрирует коды команд, вырабатывает управляющие сигналы в соответствии с этими кодами для АЛУ и др устройств ЭВМ. В процессе работы на УУ поступают признаки рез-ов и сигналы запросов прерыв-ий, с учетом к-ых, если необходимо, УУ корректирует вычислительный процесс, вызывает программы прерываний и выполняет некоторые др действия.

ОП предназн для временного хранения программ, данных, обрабатываемых в программе, исходных, промежут и конечных рез-ов вычислений.

Внешние устр-ва предназн для организации взаимодействия пользователя с центр-ми устр-ми (ЦУ). Делятся на:

- устр-ва ввода (Увв)

- устр-ва вывода (Увы)

- внешние запоминающие устр-ва (ВЗУ)

Увв предназн для ввода информации в ЭВМ. Преобразует инф-ю, представленную на внешних носителях, в электрич сигналы, используемые для представления инф-ции в ЦУ ЭВМ.

Увы выполн функуию, обратную Увв, т.е. преобразует электр сигналы, с помощью к-ых инф-я представлена в ЭВМ, в форму, удобную для восприятия человеком, либо в форму, используемую для представления инф-ции на внешних носителях.

ВЗУ использ для хранения больших массивов инф-ции, к-ые не помещаются в ОП ЭВМ.

Интерфейсный блок предст собой совокупность аппаратных и программных средств, предназн-ых для сопряжения внешних устройств с ЦУ ЭВМ.

Шина - совокупность линий, по каждой из которых в любой заданный момент времени передается 1 бит инф-ции. Различают

- управляющая шина (ШУ)

- шина адреса (ША)

- шина данных (ШД)

ША однонаправлена. Используется для передачи от проц-ра кодов адресов ячеек ОП, внешних устройств, ячеек ПЗУ.

ШД двунаправлена. Использ для передачи кодов данных между ЦУ и внешними устр-ми ЭВМ.

ШУ двунаправлена. Использ для передачи сигналов синхронизации от проц-ра к ОП и наоборот, от проц-ра к внешн устр-ам и наоборот.

Сигнала синхронизации привязаны к границам тактов, к-ые задаются с помощью тактового генератора.

Разрядность шин опред-ся разрядностью машинного слова, используемой в данной ЭВМ. в соврем ЭВМ исп 32-битовая ША (4 Мб), 64-битовая ШД.

4. Прямой, обратный, дополнительный код

Набор цифр для двоичной системы счисления:

{0,1}, основание р=2

Эквивалент некоторого целого n-значного двоичного числа вычисляется согласно формуле:

Прямой код, обратный, дополнительныйиспользуються для представления целых и вещественых чисел(двоичная запись).

В прямом коде цифровые биты для отрицательных и положительных чисел выглядят одинаково.

Недостатки прямого кода: неудобство выполнения операций в АЛУ - действия над цифровыми и знаковыми битами нада выполнять раздельно. Исп ользуется в АЛУ при умножении и делении.

Недостаток: +0<>-0.

Достоинства: возможность свести операцию вычитания к операции сложения.

Обратный код (все биты инвертированы).

Недостатки: +0=0..0, -0=1..1.

Достоинство: можно свести операцию вычитания к операции сложения.

Дополнительный код(обратный +1).

Достоинство: +0=-0=0..0.

5. Форматы чисел с фиксированной точкой

Используются для представления целых и дробных чисел. положение двоичной точки в этих форматах никак специально не фиксируется, но строго предполагается, что двоичная точка для целых чисел располагается за младшим цифровым битом, для дробных - перед старшим цифровым битом.

Форматы целых и дробных чисел имеют след представление:

Формат числа определяет разрядную сетку ЭВМ, т.е. диапазон чисел, к-ые могут обрабатываться в данной ЭВМ, а также точность представления чисел.

Числа с фиксиров точкой в памяти ЭВМ представляются в дополн коде. Разрядность формата определяет диапазон чисел с фиксированной точкой, представимой в данной ЭВМ. Если для представления числа используется n разрядов, то диапазон чисел с фиксированной точкой определяется: -2n-1<=x<=2n-1-1

В ЭВМ для представления чисел с фиксированной точкой используется также беззнаковый формат, т.е. знаковый бит используется в качестве цифрового. В таком формате: 0<=|x|<=2n-1-1

В ЭВМ на основе 32-битовых МП-ов используются следующие форматы с фиксированной точкой

Однобайтовый формат

Формат слова

Формат двойного слова

АЛУ современных ЭВМ благодаря использованию 64-битового устройства для операций с плавающей точкой поддерживают также 64-битовый формат чисел с фиксированной точкой. (рис)

6. Форматы чисел с плавающей точкой

Используется для расширения диапазона чисел, представимых в ЭВМ и для увеличения точности их представления. Основан на форме записи дв. чисел: Мх 2Рх.

Где Мх - мантисса, Рх - порядок. В ЭВМ исп. формализованная форма представления чисел с плавающей точкой. 1>Мх>=1/2. Мантисса всегда дробное число, причем первая цифра всегда 1.Порядок представляется в виде целого числа. Знак числа отображается в старшем бите. Для представления порядка и его знака отводится поле из m бит, в кот. размещается код смещенного порядка: Рсм=Рх + 2m-1-1.

Для отображения смещенного порядка исп. коды 000…000 (m) до 111...10 (m). Код с единицами во всех битах зарезервирован для случая возникновения выч. ситуаций переполнения порядка и потери значимости мантиссы (стала равной 0). Мантисса отображается в формате с плавающей точкой в прямом коде. Структура формата такая (32 бита): 31 - S - знак, 23 - 31 - смещенный порядок(m=8), 0 - 23 - мантисса.

Наряду с двоичным словом исп. учетверенное слово (64 бита) и его 80 - битовый формат, тогда под порядок отводится 11 бит и 15 бит соответственно. Длина полей, отводимых для порядка и мантиссы в формате с плавающей точкой, определяет диапазон допустимых чисел. Допустимый диапазон порядка: -(2m-1-1)0; 12m-1-1.

7. Форматы для представления десятичных чисел, алфавитно-цифровой информации и логических значений

Наиболее широко используется при обработке статистической и экономической информации. Для представления десятичных чисел в ЭВМ используются поля переменной длины, в отличие от форматов чисел с фиксированной и плавающей запятой. Это связано с тем, что при использовании полей фиксированной длины в случае обработки десятичных чисел увеличивается расход памяти и снижается быстродействие.

Для представления десятичных чисел используется двоично-кодируемый десятичный код в котором каждая десятичная цифра представляется в виде тетрады. Тетрады (10101111) используются для представления знаков чисел и специальных символов применяемых в этих формах.

Варианты представления десятичных чисел:

Распакованный

Для представления одной цифры используется один байт. Тетрада, отображающая цифру, размещается в младшем полубайте этого байта. Старший полубайт может содержать любую информацию. Знак числа в дес. форматах также как и цифры задается 4-х битовым кодом, который размещается в мл. полубайте мл. байта. В старшем полубайте мл. байта размещается цифра мл. разряда дес. числа.

Упакованный формат

Цифры располагаются по две в одном байте.

Для представления десятичных чисел в таком формате всегда отводиться четное количество полубайт. Если при этом старший полубайт этого байта оказывается лишним, он заполняется нулями.

В IBM PC упакованные десятичные форматы используются для представления операндов в десятичных АЛУ. В этом случае используется 80-битовый формат, который позволяет представить любые десятичные числа длиной от 1 до 19 разрядов.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8