авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |
-- [ Страница 1 ] --

МИНИСТЕРСТВО КУЛЬТУРЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО

ОБРАЗОВАНИЯ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ КИНО И ТЕЛЕВИДЕНИЯ

Кафедра математики и информатики

В.С. Степанов, Н.И. Васильева, Е.В. Ситникова, А.В. Меркушин

ИНФОРМАТИКА

Часть 1

Учебное пособие для студентов дневного, вечернего и заочного отделений ФАВТ, ФМА САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2011 УДК Авторы: проф. В.С. Степанов, ст. преп. Н.И. Васильева, ст. преп. Е.В. Ситникова, ст. преп. А.В. Меркушин.

Рецензент: профессор д. ф.-м. н. М.А. Нарбут заведующий кафедрой общей математики и информатики Санкт-Петербургского Государственного университета Рекомендовано к изданию в качестве учебного пособия «ИНФОРМАТИКА» часть 1 для студентов дневного и вечернего отделений ФАВТ и ФМА кафедрой математики и информатики.

Протокол №3 от 10.11.2010.

Одобрено к изданию Советом ФАВТ Протокол № 4 от 09.12.2010 г.

© Санкт-Петербургский государственный университет кино и телевидения, 2011.

Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И МЕТОДЫ ТЕОРИИ ИНФОРМАТИКИ И КОДИРОВАНИЯ §1. Информация и ее свойства Вся жизнь человека, так или иначе, связана с получением, накоплением и обработкой информации. Существует мнение, что в настоящее время специалист должен тратить около 80% своего рабочего времени, чтобы уследить за новыми печатными работами в его области деятельности.

Д. Мартин, один из крупнейших специалистов в области обработки информации, утверждает, что «к 1800 году общая сумма человеческих знаний удваивалась каждые лет, к 1950 году она удваивалась каждые 10 лет, а к 1970 – каждые 5 лет ». Некоторые аналитики, считают, что в настоящее время этот период составляет 2 – 3 года.

В современной науке и практике информация является одним из наиболее распространенных понятий, причем часто в разных дисциплинах это понятие трактуется по разному.

Слово информация произошло от латинского слова information, что означает разъяснение, изложение. Существование множества определений обусловлено сложностью, многообразием информации, а также подходов к ее толкованию.

Первый подход к определению понятия «информация» был количественно информационный подход, предложенный американским ученым К.Шенноном.

Информация – мера неопределенности (энтропия) события. Количество информации зависит от вероятности его наступления: чем более вероятным является событие, тем меньше информации содержится в нем. Этот подход послужил основой для измерения информации и ее оптимального кодирования в технике связи и вычислительной технике.

Другой подход рассматривает информацию как свойства материи. Утверждается, что информация содержит любые сообщения воспринимаемые человеком или приборами.

Сообщение – это форма представления информации в виде речи, текста, изображения, цифровых данных, графиков, таблиц и т.д. Информация как свойства материи создает представление о ней. Информация не может существовать вне материи, а значит, она существовала, и будет существовать вечно – ее можно накапливать, хранить и перерабатывать.

Третий подход логико-семантический. Информация – это знание, причем не любое знание, а та его часть, которая используется для активного действия, для управления и самоуправления. Иными словами – информация – это действующая, полезная, работающая часть знаний.

Для информатики как технической науки понятие информации не может основываться на таких понятиях, как знание, и не может опираться только на объективность фактов и свидетельств. Средства вычислительной техники обладают способностью обрабатывать информацию автоматически, без участия человека, и ни о каком знании или незнании здесь речь идти не может. Эти средства могут работать с искусственной, абстрактной и даже с ложной информацией, не име-ющей объективного отражения ни в природе, ни в обществе.

Информация возникает и существует в момент диалектического взаимодействия объективных данных и субъективных методов.

Информация – это продукт взаимодействия данных и адекватных им методов обработки.

Свойства информации С точки зрения информатики наиболее важными представляются следующие свойства:

• объективность и субъективность информации. Это связано с одной стороны информация отражает событие реального мира (объективные данные), а с другой стороны– объективные данные подвергаются обработке субъективными методами.

Например. Принято считать, что в результате наблюдения фотоснимка природного объекта или явления образуется более объективная информация, чем в результате наблюдения рисунка того же объекта, выполненного человеком;

• полнота информации характеризует качество информации и ее достаточность для принятия какого-либо решения. Неполный набор данных составляет долю неопределенности. Избыточный набор данных создает повышенный информационный шум и вызывает необходимость применения дополнительных методов (фильтрацию, сортировку и т.п.).

• достоверность информации – это степень соответствия информации реальному объекту с необходимой точностью. Например, проблема разделения полезного сигнала и шумов. При увеличении уровня шума достоверность информации снижается. В этом случае для передачи того же количества информации требуется использовать либо больше данных (например, несколько раз повторять одно и тоже сообщение), либо более сложные методы (например, использовать кодирование и декодирование данных кодом с исправлением множества ошибок);

• адекватность информации – это степень соответствия информации реальному событию. Неадекватная информация может образовываться при создании новой информации на основе неполных или недостоверных данных. Однако полные и достоверные данные могут приводить к созданию неадекватной информации в случае применения к ним неадекватных методов;

• доступность информации характеризует возможность ее получения. Информация будет доступна, если доступны данные и доступны методы их обработки. Например, не зная правила определения среднего значения, нельзя будет определить среднюю температуру воздуха за определенный период времени, даже если значения температуры за каждый день будут известны;

• актуальность информации – это степень соответствия информации текущему моменту времени. На практике ценность информации зависит от ее актуальности или другими словами своевременности ее получения.

§2. Предмет и задачи информатики Термин информатика возник в начале 60-х годов 20-го века. Во французском языке informatique. Слово информатика образовано из двух слов – информация и автоматика.

Смысл должен быть таким – автоматическая работа с информацией. В англоязычных странах этому термину соответствует computer science (наука о компьютерной технике).

Информатика – это техническая наука, систематизирующая приемы создания, хранения, воспроизведения, обработки и передачи данных, средствами вычислительной техники, а также принципы функционирования этих средств и методы управления ими.

Информатика очень близка к технологии, поэтому ее предмет нередко называют информационной технологией.

Предметом информатики являются:

• аппаратные средства вычислительной техники;

• программные средства вычислительной техники;

• средства взаимодействия аппаратного и программного обеспечения (аппаратно программный интерфейс);

• средства взаимодействия человека с аппаратными и программными средствами (пользовательский интерфейс).

Основной задачей информатики является систематизация приемов и методов работы с аппаратными и программными средствами вычислительной техники В составе основной задачи можно выделить следующие направления:

• архитектура вычислительных систем;

• интерфейсы вычислительных систем;

• программирование;

• преобразование данных;

• защита информации;

• автоматизация и т.д.

§3. Сигналы и данные Нас окружают либо физические тела, либо физические поля. Физические объекты находятся в состоянии непрерывного движения и изменения, которое сопровождается обменом энергией и ее переходом из одной формы в другую.

Все виды энергообмена сопровождаются появлением сигналов, то есть, все сигналы имеют в своей основе материальную энергетическую природу. При взаимодействии сигналов с физическими телами в последних возникают определенные изменения свойств – это явление называется регистрацией сигналов. Такие изменения можно наблюдать, измерять или фиксировать иными способами – при этом возникают и регистрируются новые сигналы, то есть образуются данные.

Данные – это зарегистрированные сигналы, составная часть информации.

В чем разница между данными и информацией. Данные могут рассматриваться как записанные наблюдения, которые по каким-то причинам не используются, а только хранятся. Информацией являются используемые данные. Например, числа 3156010, 3156029 – это данные. Если записать, что 3156010 – телефон деканата ФАВТ, а 3156029 – телефон деканата ФПСКТ, то это информация.

Физический метод регистрации может быть любым:

• механическое перемещение физических тел;

• изменение их формы или параметров качества поверхности;

• изменение электрических, магнитных, оптических характеристик;

• изменение химического состава и т.д.

В соответствии с методом регистрации данные могут храниться и транспортироваться на носителях различных видов.

§4. Носители данных 1. Бумага. На бумаге данные регистрируются путем изменения оптических характеристик ее поверхности.

2. CD, DVD диски. Регистрируются изменение оптических свойств. Запись лазерным лучом на пластмассовых носителях с отражающим покрытием.

3. Магнитные ленты и диски. Изменение магнитных свойств.

4. Фотография. Регистрация путем изменения химического состава поверхности веществ носителя.

Свойства информации тесно связаны со свойствами ее носителей.

Свойства носителя:

• количество данных записанных в принятой для носителя единице измерения;

• логарифмическим отношением интенсивности амплитуд максимального и минимального регистрируемого сигнала.

От этих свойств носителя зависят такие свойства информации, как полнота, доступность, достоверность.

Примеры:

1. Полнота информации. Базы данных на компакт-диске больше базы данных на ГМД.

2. Доступность. Доступность информации в книге заметно выше, чем той же информации на компакт-диске, поскольку не все потребители обладают необходимым оборудованием.

3. Достоверность. Визуальный эффект от просмотра слайда в проекторе намного больше чем просмотр иллюстрации напечатанной на бумаге. Диапазон яркостных сигналов в проходящем свете на два-три порядка больше, чем отраженном.

Задача преобразования данных с целью смены носителя относятся к одной из важнейших задач информатики.

§5. Операции с данными Обработка данных включает в себя множество различных операций. Основные операции:

• сбор данных – накопление информации с целью обеспечения достаточной полноты для принятия решений;

• формализация данных – приведение данных, поступающих из разных источников к одинаковой форме;

• фильтрация данных – отсеивание лишних данных, в которых нет необходимости для принятия решения (достоверность и адекватность возрастает);

• сортировка данных – упорядочение данных по заданному признаку с целью удобства использования (повышает доступность);

• архивация данных – организация хранения данных в удобной и легко доступной форме (снижение затрат, повышение надежности);

• транспортировка данных – прием и передача данных между удаленными участниками информационного процесса;

• преобразование данных – перевод данных из одной формы в другую или из одной структуры в другую (часто связано с изменением носителя).

§6. Кодирование данных Для автоматизации работы с данными, относящимися к различным типам, очень важно унифицировать их форму представления – для этого обычно используется кодирование. Код – набор условных обозначений для представления информации.

Кодирование – процесс представления информации в виде кода. Кодирование сводится к использованию совокупности символов по строго определенным правилам. В качестве источников информации может выступать человек, техническое устройство, предметы, объекты живой и неживой природы. Получателей сообщения может быть несколько или один.

В процессе обмена информацией мы совершаем две операции: кодирование и декодирование. При кодировании происходит переход от исходной формы представления информации в форму, удобную для хранения, передачи или обработки, а при декодировании - в обратном направлении.

Например. Человеческие языки – это не что иное, как системы кодирования понятий для выражения мыслей посредством речи.

Азбука – система кодирования компонентов языка с помощью графических символов.

В технике: телеграфная азбука, морская флажковая азбука, система Брайля для слепых.

Кодирование информации в двоичном коде Своя система существует и в вычислительной технике – она называется двоичным кодированием и основана на представлении данных последовательностью всего двух знаков и 1.Эти знаки называются двоичными цифрами (бит). Одним битом могут быть выражены два значения 0,1. Такой способ кодирования технически просто организовать: 1 - есть электрический сигнал, 0 - нет сигнала. Недостаток двоичного кодирования - длинные коды. Но в технике легче иметь дело с большим числом простых однотипных элементов, чем с небольшим числом сложных.

Двумя битами можно выразить четыре значения 00, 01, 10, 11, тремя – восемь и т.д.

Количество информации, которое вмещает один символ, определяется по формуле Хартли:

m = log2 N (или 2m = N), где m – разрядность двоичного кодирования, принятая в данной системе;

N – количество независимых кодируемых значений.

Используя формулу Хартли, достаточно просто определить, какое количество бит информации необходимо, чтобы закодировать 256 различных символов: I = log 2256 = 8 бит.

Для определения количества информации не всегда возможно использовать формулу Хартли. Её применяют, когда выбор любого элемента из множества, содержащего N элементов, равнозначен. Однако в действительности символы появляются с разной частотой.

Энтропия – мера внутренней неупорядоченности информационной системы.

Энтропия увеличивается при хаотическом распределении информационных ресурсов и уменьшается при их упорядочении.

Ральф Хартли Пусть мы имеем некоторый набор, 1888- состоящий из N символов, с частотной характеристикой p1, p2,..., pN, где pi вероятность появления i – го символа (все вероятности неотрицательны и их сумма равна 1).

Тогда средний информационный вес символа (количество информации, содержащееся в символе) такого набора выражается формулой Шеннона:

Клод Элвуд Шеннон 1916- H = p1 log2 (1/p1) + p2 log2 (1/p2) +... + pN log2 (1/pN) или n H = p i log 2 pi, где i= H – количество информации, N – количество возможных событий, pi – вероятность отдельных событий.

Полученная Шенноном формула позволила вывести единицы измерения количества информации.

Рассмотрим физическую систему с двумя равновероятными состояниями (т.е. р = 2 ).

Пусть число возможных состояний системы n=2.

Количество информации, равное единице, может быть получено следующим образом:

1 1 H = log 2 p1 log 2 p 2 = log 2 = log 2 2 = 1.

2 2 Следовательно, в данном случае единицей энтропии служит энтропия системы с двумя равновероятными состояниями, вычисленная с помощью логарифма с основанием два. Полученная единица количества информации, представляющая собой выбор из двух равновероятных событий, получила название двоичной единицы, или бита.

В информатике наиболее употребляемой единицей измерения количества информации является байт, причем 1 байт = 8 бит.

Компьютер оперирует числами не в десятичной, а в двоичной системе счисления, поэтому в кратных единицах измерения количества информации используется коэффициент 210 =1024.

Производные единицы измерения количества информации вводятся следующим образом:

1 Килобайт (Кбайт)= 1024 байт = 103 байт;

1 Мегабайт (Мбайт)=1024 Кбайт = 106 байт;

1 Гигабайт (Гбайт) =1024 Мбайт = 109 байт;

1 Терабайт (Тбайт) =1024 Гбайт = 1012 байт;

1 Петабайт (Пбайт) =1024 Тбайт = 1015 байт;

1 Экзабайт (Эбайт) =1024 Пбайт = 1018 байт;

1 Зеттабайт (Збайт) =1024 Эбайт = 1021 байт;

1 Йоттабайт (Йбайт) =1024 Збайт = 1024 байт;

Формы представления данных Формы представления данных определяется их конечным предназначением.

В зависимости от этого данные имеют внутреннее и внешнее представление (рис. 1).

Рис. 1. Формы представление данных.

Внутреннее представление данных – двоичная форма данных. Во внешнем представлении все данные хранятся в виде файлов.

Простейшими способами внешнего представления данных являются:

• последовательность символов (текст);

• вещественные и целые числа (числовые данные);

• изображения (графика, фотографии, рисунки, схемы);

• звук (речь, мелодия);

• видео (фильм, анимация).

Все эти данные должны быть преобразованы в формат внутреннего представления.

Представление числовых данных Система счисления — это способ наименования и представления чисел с помощью символов, имеющих определенные количественные значения.

В позиционных системах количественное значение каждой цифры зависит от места (позиции) в числе. Количество различных цифр (символов), используемых для изображения числа в позиционной системе, называется основанием системы счисления:

двоичная (0 и 1), восьмеричная (0,1,2,..,,7), десятичная (0..9), шестнадцатеричная (1..9,A,B,C,D,E,,F).

Перевод чисел из десятичной системы в двоичную Перевод чисел из десятичной системы в двоичную, восьмеричную и шестнадцатеричную более сложен. Рассмотрим алгоритм перевода числа из десятичной системы в двоичную.

Исходное десятичное число многократно (до тех пор, пока частное не станет равным нулю) делится на основание двоичной системы, т.е. на 2. Если при делении образуется остаток, то в соответствующий двоичный разряд записывается 1, если делится без остатка, то записывается 0. Запись остатков в двоичное число ведется слева направо, т.е.

от младшего разряда к старшему.

В качестве примера рассмотрим перевод десятичного числа 19 в двоичную систему В результате получаем двоичное число 100112.

Перевод числа из двоичной системы в десятичную Возьмем любое двоичное число, например 10112. Запишем его в полной форме и произведем вычисления:

10112= 1*23+0*22+1*2'+1*20=1*8 + 0*4+1*2+ 1*1 = Кодирование текстовых данных При нажатии клавиши клавиатуры сигнал посылается в компьютер в виде двоичного числа, которое хранится в кодовой таблице. Кодовая таблица - это внутреннее представление символов в компьютере. В качестве стандарта в мире принята таблица ASCII-код (American Standart Code for Information Interchange - Американский стандартный код для обмена информацией). Для хранения двоичного кода одного символа выделен 1 байт = 8бит. Так как 1 бит принимает значение 0 или 1, то с помощью одного байта можно закодировать 256 различных символов, т.к. именно столько различных кодовых комбинаций можно составить. Эти комбинации и составляют таблицу ASCII.

Например, буква S имеет код 01010011;

при нажатии ее на клавиатуре происходит декодирование двоичного кода и по нему строится изображение символа на экране монитора.

Стандарт ASCII определяет первые 128 символов: цифры, буквы латинского алфавита, управляющие символы. Вторая половина кодовой таблицы не определена американским стандартом и предназначена для национальных символов, псевдографических и некоторых нематематических символов. В разных странах могут использоваться различные варианты второй половины кодовой таблицы.

UNICODE – универсальная система кодирования текстовых данных. 16 разрядов на кодирование одного символа. 65536 различных символов – этого достаточно для размещения в одной таблице символов большинства языков планеты.

Кодирование графических данных Существуют два принципиально разных подходов к представлению (оцифровке) графических данных: растровый и векторный. Растр – метод кодирования графической информации (матрица точек – 640*480, 800*600, 1024*768, 1280*1024). Растровое кодирование позволяет использовать двоичный код (линейные координаты и яркость).

В настоящее время для представления черно-белых иллюстраций используют кодировку в виде комбинаций точек с 256 градациями серого цвета. Под каждую точку отводится определенное число бит, называемое битовой глубиной и используемый для кодировки цвета точки. Для кодировки яркости любой точки для черно-белых иллюстраций достаточно восьми двоичных разрядов.

Для кодирования цветных изображений используют специальные системы кодирования.

1. Система кодирования RGB. Три основных цвета: красный (Red), зеленый (Green), синий (Blue). Остальные цвета получаются механическим смешением этих цветов. На кодирование одной точки надо затратить 24 двоичных разряда, т.е. для кодирования яркости каждой из основных цветов используется 8 разрядов (256 значений). 224 – 16, млн. различных цветов (чувствительность глаза). Режим называется полноцветным (True Color). Например, белый цвет (255, 255, 255), черный (0,0,0), красный (255,0,0), желтый (255, 255,0).

2. Система кодирования CMYК (голубой (Cyan), пурпурный (Magenta), желтый (Yellow)).В полиграфии используется четвертый краска – черная (BlacK) CMYK. Цвет формируется в результате вычитания базовых цветов (красного, зеленого, синего) из белого цвета. Дополнительные цвета:

голубой = белый – красный = зеленый + синий;

пурпурный = белый – зеленый = красный + синий;

желтый = белый – синий = красный + зеленый.

Для представления цветной графики в CMYK надо иметь 32 двоичных разряда.

Любой цвет можно представить в виде суммы данных цветов. Режим полноцветный.

3. Индексное кодирование. 8 бит передает только 256 цветовых оттенков. Цвет указывается номером (индексом) и определяется таблицей (палитрой).

Недостаток растрового подхода:

• большой объем памяти. Например, 1024х768х24;

• трудности масштабирования (увеличения и уменьшения).

Применяется там, где графическое изображение имеет много полутонов и информация о цвете элементов, составляющих объект важнее, чем информация об их форме (фотография, полиграфическое изображение). Используются для обработки изображений, а не для создания изображений.

При векторном представлении графических данных задается и впоследствии сохраняется математическое описание каждого графического примитива – геометрического объекта (отрезка, окружность, прямоугольника и т.п.), из которых формируется изображение. Например, для окружности достаточно запомнить положение ее центра, радиус, толщину и цвет линии. Для хранения векторных графических данных требуется значительно меньше памяти. При масштабировании качество изображения не изменяется.

Недостаток векторной графики – невозможность работы с художественными высококачественными изображениями, фотографиями и фильмами. Применение – представление в электронном виде чертежей, схем, диаграмм и т.п.

Программы Paint, Photoshop –растровые редакторы, Corel Draw – векторный графический редактор.

Двоичное кодирование звуковой информации Звуковая волна, воспринимаемая человеком, представляет собой сложную функцию зависимости амплитуды волны от времени. Звуковой сигнал – это непрерывная волна с изменяющейся амплитудой и частотой. Чем больше амплитуда сигнала, тем он громче для человека, чем больше частота сигнала, тем выше тон.

Сложность этой функции не позволяет задать ее точно математическим выражением, поэтому звуковая волна представляется путем запоминания значений ее амплитуды в дискретные моменты времени.

Оцифровка сигнала включает в себя два процесса:

• процесс дискретизации (осуществление выборки);

• процесс квантования.

Процесс дискретизации – это процесс получения значений величин преобразуемого сигнала в определенные промежутки времени. Квантование – процесс замены реальных значений сигнала приближенными с определенной точностью.

Таким образом, оцифровка звука – это фиксация амплитуды сигнала через определенные промежутки времени и регистрация полученных значений амплитуды в виде округленных цифровых значений (так как значения амплитуды являются величиной непрерывной, нет возможности конечным числом записать точное значение амплитуды сигнала, именно поэтому прибегают к округлению). Записанные значения амплитуды сигнала называются отсчетами.

Чем чаще брать отсчеты амплитуды (то есть чем выше частота дискретизации) и чем меньше округлять полученные значения (то есть чем больше уровней квантования) тем более точным будет представление звукового сигнала.

Звуковая плата (карта) преобразует аналоговый сигнал в дискретную фонограмму и наоборот, «оцифрованный» звук – в аналоговый (непрерывный) сигнал, который поступает на вход динамика.

Современные звуковые карты обеспечивают кодирование 65536 различных уровней сигнала или состояний (16 битное кодирование звука). При каждой выборке значению амплитуды звукового сигнала присваивается 15-битный код. Количество выборок в секунду в диапазоне от 8000 до 48000, т.е. частота дискретизации аналогового звукового сигнала может принимать значения от 8 до 48 кГц. Объем моноаудиофайла длительностью звучания 1 сек. (16бит, 24кгц.) равен 16бит * 24000 = 384000бит =47кбайт.

Для преобразования дискретного (цифрового) сигнала в аналоговый вид служит цифроаналоговый преобразователь. Процесс преобразования представляет собой обратный процесс дискретизации: зная информацию о величине отсчетов (амплитуды сигнала) и используя определенное количество отсчетов в единицу времени, путем интерполирования происходит восстановление исходного сигнала.

Представление видеоданных Видеоданные представлены в цифровом виде как последовательность сменяющих друг друга кадров с определенной скоростью кадров. Например, размер кадра для DVD фильма в видеостандарте PAL/SECAM составляет 720х576 при 25 кадров в секунду и 640х480 при 30 кадрах в секунду в стандарте NTSC.

§7. Алгебра логики и логические основы компьютера Алгебра логики (булева алгебра) – это раздел математики, возникший в XIX веке благодаря усилиям английского математика Дж. Буля. Поначалу булева алгебра не имела никакого практического значения. Однако уже в XX веке ее положения нашли применение в описании функционирования и разработке различных электронных схем.

Законы и аппарат алгебры логики стал использоваться при проектировании различных частей компьютеров (память, процессор).

Что же собой представляет алгебра логики? Во-первых, она изучает методы установления истинности или ложности сложных логических высказываний с помощью алгебраических методов. Во-вторых, булева алгебра делает это таким образом, что сложное логическое высказывание описывается функцией, результатом вычисления которой может быть либо истина, либо ложь (1, либо 0). При этом аргументы функции (простые высказывания) также могут иметь только два значения: 0, либо 1.

Что такое простое логическое высказывание? Это фразы типа «два больше одного», «5.8 является целым числом». В первом случае мы имеем истину, а во втором ложь.

Алгебра логики не касается сути этих высказываний. Если кто-то решит, что высказывание «Земля квадратная» истинно, то алгебра логики это примет как факт. Дело в том, что булева алгебра занимается вычислениями результата сложных логических высказываний на основе заранее известных значений простых высказываний.

Логические операции.

Дизъюнкция, конъюнкция и отрицание Так как же связываются между собой простые логические высказывания, образуя сложные? В естественном языке мы используем различные союзы и другие части речи.

Например, «и», «или», «либо», «не», «если», «то», «тогда». Пример сложных высказываний: «у него есть знания и навыки», «она приедет во вторник, либо в среду», «я буду играть тогда, когда сделаю уроки», «5 не равно 6». Как мы решаем, что нам сказали правду или нет? Как-то логически, даже где-то неосознанно, исходя из предыдущего жизненного опыта, мы понимает, что правда при союзе «и» наступает в случае правдивости обоих простых высказываний. Стоит одному стать ложью и все сложное высказывание будет лживо. А вот, при связке «либо» должно быть правдой только одно простое высказывание, и тогда все выражение станет истинным.

Булева алгебра переложила этот жизненный опыт на аппарат математики, формализовала его, ввела жесткие правила получения однозначного результата. Союзы стали называться здесь логическими операциями.

Алгебра логики предусматривает множество логических операций. Однако три из них заслуживают особого внимания, т.к. с их помощью можно описать все остальные, и, следовательно, использовать меньше разнообразных устройств при конструировании схем. Такими операциями являются конъюнкция (И), дизъюнкция (ИЛИ) и отрицание (НЕ). Часто конъюнкцию обозначают &, дизъюнкцию - ||, а отрицание - чертой над переменной, обозначающей высказывание.

При конъюнкции истина сложного выражения возникает лишь в случае истинности всех простых выражений, из которых состоит сложное. Во всех остальных случаях сложное выражение будет ложно.

При дизъюнкции истина сложного выражения наступает при истинности хотя бы одного входящего в него простого выражения или двух сразу. Бывает, что сложное выражение состоит более чем из двух простых. В этом случае достаточно, чтобы одно простое было истинным и тогда все высказывание будет истинным.

Отрицание – это унарная операция, т.к. выполняется по отношению к одному простому выражению или по отношению к результату сложного. В результате отрицания получается новое высказывание, противоположное исходному.

Таблицы истинности Логические операции удобно описывать так называемыми таблицами истинности, в которых отражают результаты вычислений сложных высказываний при различных значениях исходных простых высказываний. Простые высказывания обозначаются переменными (например, A и B).

Таблица истинности A B AИB A ИЛИ B НЕ A 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 Логические основы компьютера Связь между булевой алгеброй и компьютерами лежит и в используемой в ЭВМ системе счисления. Как известно она двоичная. Поэтому в устройствах компьютера можно хранить и преобразовывать как числа, так и значения логических переменных Базовые логические элементы (вентили) реализуют три основные логические операции:

• логический элемент «И» - логическое умножение;

• логический элемент «ИЛИ» - логическое сложение;

• логический элемент «НЕ» - инверсию.

Поскольку любая логическая операция может быть представлена в виде комбинации трех основных, любые устройства компьютера, производящие обработку или хранение информации, могут быть собраны из базовых логических элементов как из кирпичиков.

Логические элементы компьютера оперируют с сигналами, представляющими собой электрические импульсы. Если импульс – логическое значение сигнала 1, нет импульса – значение 0. На вход логических элементов поступают сигналы-аргументы, на выходе появляется сигнал-функция.

Преобразование сигнала логическим элементом задается таблицей состояния, которая фактически является таблицей истинности, соответствующей логической функции.

Вентили или логические элементы ЭВМ Вентиль представляет собой логический элемент, который принимает одни двоичные значения и выдает другие в зависимости от своей реализации. Так, например, есть вентили, реализующие логическое умножение (конъюнкцию), сложение (дизъюнкцию) и отрицание.

Логический элемент «И»

На входы А и В логического элемента (рис. 2) последовательно подаются четыре пары сигналов различных значений, на выходе получается последовательность из четырех сигналов, значения которых определяются в соответствии с таблицей истинности операции логического умножения.

Рис. 2 Логический элемент «И»

Логический элемент «ИЛИ»

На входы А и В логического элемента (рис. 3) последовательно подаются четыре пары сигналов различных значений, на выходе получается последовательность из четырех сигналов, значения которых определяются в соответствии с таблицей истинности операции логического сложения Рис. 3. Логический элемент «ИЛИ»

Логический элемент «НЕ»

На вход А логического элемента (рис. 4) последовательно подаются два сигнала, на выходе получается последовательность из двух сигналов, значения которых определяются в соответствии с таблицей истинности логической инверсии Рис. 4. Логический элемент «НЕ»

Элемент памяти «триггер»

Триггер – элемент оперативной памяти компьютера, способный запомнить и сохранить один бит информации. Триггер был изобретен в 1918 г. М.А. Бонч-Бруевичем, руководителем Нижегородской лаборатории связи.

Триггер имеет два устойчивых состояния, в которые он поочередно переходит под воздействием входных сигналов при записи информации. Существует множество типов триггеров. Один из них, RS-триггер, построен на двух элементах ИЛИ-НЕ (рис. 5). RS триггер, или SR-триггер – триггер, который сохраняет своё предыдущее состояние при нулевых входах и меняет своё выходное состояние при подаче на один из его входов единицы В обычном состоянии на входы триггера подан сигнал «0». Для записи «1» на вход S (установочный) подается сигнал «1». Из прохождения сигнала по схеме видно, что триггер переходит в это состояние и будет устойчиво находиться в нем и после того, как сигнал на входе S исчезнет. Триггер запомнил «1». С выхода триггера Q можно в течение всего времени считать «1».

Для того чтобы сбросить информацию подается сигнал «1» на вход R (сброс), и триггер возвратится к исходному «нулевому» состоянию Рис. 5. Триггер Глава 2. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА РЕАЛИЗАЦИИ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ §1. История развития вычислительной техники 1. Механические первоисточники:

1.1. Леонардо да Винчи (1452 – 1519). Устройство для сложения 13 разрядных чисел на зубчатых колесах.

1.2. 1623г. – устройство для выполнения операции сложения на базе механических часов. Вильгельм Шикард из Германии описал в письмах к астроному Кеплеру;

1.3. 1642г. Француз Паскаль. Компактное суммирующее устройство, которое стало первым в мире механическим калькулятором, выпускающимся серийно. Калькулятор выполнял суммирование и вычитание десятичных чисел (6-8разрядов);

1.4. 1673г. Немецкий математик Лейбниц создал механический калькулятор, который мог выполнять операции умножения и деления путем многократного повторения операций сложения и вычитания десятичных 12-и разрядных чисел;

1.5. Идея программирования вычислительных операций пришла из часовой промышленности. Монастырские башенные часы включали механизм, связанный с системой колоколов в заданное время. Программирование было жестким — одни и те же операции выполнялись в одно и то же время. Гибкое программное механическое устройство на перфорированной бумажной ленте реализовано в ткацком станке Жаккарда в 1804 году;

1.6. Английский математик и изобретатель Чарльз Бэббидж в 1834 году создал аналитическую машину, в которой был впервые реализован принцип разделения информации на команды и данные. Программу для машины Бэббиджа записывали на перфокартах, Первым программистом для этой машины была дочь Байрона – Ада Ловлейс, в честь которой уже в наши дни был назван язык программирования Ada.

Впервые автоматически действующие вычислительные машины появились в середине ХХ века. Это стало возможным благодаря использованию электромеханических реле. Так появились релейные машины, которые могли выполнять несколько десятков операций в секунду. Однако эти машины были быстро вытеснены электронными, гораздо более производительными и надежными.

2. Математические первоисточники:

• двоичная система Лейбница (1666г.);

• математическая логика Джорджа Буля. Английский ученый первой половины века.

3. Электронные первоисточники:

Эдисон (1883г.) Открытие – прохождение электрического тока через вакуум. Первые электронные лампы. Флемминг в 1904г. создал диод, Форрест – в 1905 – триод. Затем появились тиратрон (газонаполненная электронная лампа) и пентод (пятиэлектродная вакуумная лампа). В 1918г. Бонч-Бруевич, Джордан создают устройство триггер. До 30-х годов лампы использовались только в радиотехнике. В 1931г. англичанин Вильямс построил электронный счетчик электрических импульсов.

В 1943г. Пенсильванский университет США. Заказ на построение электронной машины для расчета баллистических таблиц ENIAC (электронно-числовой интегратор и вычислитель). 10 инженеров, 200 техников под руководством американцев Моучли и Эккерта за 2,5 года построили машину в 1945г. Она имела 18000 ламп, 1500 реле, потребляла 150 кВт электроэнергии, весила 35 тонн и выполняла умножение за 0,0028сек, сложение за 0,0002сек.

Недостатки ENIAC: десятичная система счисления;

программа набиралась на наборном поле.

В 1946 году фон Нейманом и др. учеными Принстонского института перспективных исследований был представлен отчет «Предварительное обсуждение логического конструирования устройства», который содержал развернутое и детальное описание принципов построения цифровых электронных вычислительных машин.

Изложенные в отчете принципы сводились к следующему:

• машины на электронных элементах должны работать не в десятичной, а в двоичной системе исчисления;

• программа должна размещаться в одном из блоков машины – в запоминающем устройстве, обладающем достаточной емкостью и соответствующими скоростями выборки и записи команд программы;

• программа, так же как и числа, с которыми оперирует машина, записывается в двоичном коде, то есть по форме представления команды и числа однотипны;

• в машине используется параллельный принцип организации вычислительного процесса (операция над словами производится одновременно по всем разрядам).

Нельзя сказать, что перечисленные принципы построения ЭВМ были впервые высказаны Нейманом и остальными авторами. Их заслуга состоит в том, что они, обобщив накопленный опыт построения цифровых вычислительных машин, сумели перейти от схемных (технических) описаний машин к их обобщений, логически ясной структуре.

Принципы и структура ЭВМ, приведенные в отчете, получили название неймановских.

ЭВМ или компьютер – это электронное устройство, используемое для автоматизации процессов приема, хранения, обработки и передачи информации, которые осуществляются по заранее разработанным человеком алгоритмам (программам).

Алгоритм, записанный в Джон фон Нейман специальной, «понятной» машине 1903- форме, принято называть программой, а обрабаты ваему ю по этой программе информацию, также записанную в «понятной» компьютеру форме, принято называть данными.

Первая машина, построенная по неймановским принципам, была создана в Англии EDSAC в 1949г., в США EDBAC под руководством Фон Неймана – в 1950г. В СССР в 1951г. была создана под руководством академика С.А.Лебедева МЭСМ (малая электронно-счетная машина).

§2. Методы классификации ЭВМ Существует достаточно много систем классификации компьютеров.

Классификация по поколениям ЭВМ В истории вычислительной техники существует своеобразная периодизация ЭВМ по поколениям. В ее основу был положен физико-технологический принцип: машину относят к тому или иному поколению в зависимости от используемых в ней физических элементов или технологии их изготовления. Границы поколений во времени размыты, так как в одно и то же время выпускались машины совершенно разного уровня. Когда приводят, относящиеся к поколениям, то, скорее всего, имеют в виду период промышленного производства;

проектирование велось существенно раньше.

Указанные в верхней строчке даты в табл. 1 соответствуют первым годам выпуска ЭВМ.

Таблица 1. Поколения ЭВМ Классификация по назначению 1. Большие ЭВМ.

2. Мини – ЭВМ.

3. Микро-ЭВМ.

4. Персональные компьютеры:

• массовые (минимально необходимый набор аппаратных средств);

• деловые (минимум средств воспроизведения графики и звука);

• портативные (наличие средств коммуникации отдаленного доступа);

• развлекательные (ориентированы на высококачественное воспроизведения графики и звука);

• рабочие станции (повышенные требования к объему памяти устройств хранения данных).

§3. Программное управление ЭВМ Решение задач на ЭВМ реализуется программным способом, т.е. путем выполнения последовательно во времени отдельных операций над данными, предусмотренных алгоритмом решения задачи.

Алгоритм – это точно определенная последовательность действий, которые необходимо выполнить над исходной информацией, чтобы получить решение задачи.

Алгоритм решения задачи, заданный в виде последовательности команд на языке вычислительной машины (в кодах машины), называется машинной программой.

Команда машинной программы (иначе, машинная команда) – последовательность команд на языке вычислительной машины. Машинная команда – это элементарная инструкция машине, выполняемая ею автоматически без каких-либо дополнительных указаний и пояснений. Машинная команда состоит из двух частей: операционной и адресной. Операционная часть команды представляет код операции машине. Адресная часть команды (адреса операндов, т.е. чисел участвующих в операции) содержат коды адресов ячеек памяти машины.

Команды по числу адресов делятся на безадресные, одно-, двух-, трех-адресные.

Типовая структура трехадресной команды:

КОП А1 А2 А где КОП – код операции: А1 и А2 – адреса ячеек (регистров), где расположены соответственно первое и второе числа, участвующие в операции;

А3 – адрес ячейки (регистра), куда следует поместить число, полученное в результате выполнения операции.

Типовая структура трехадресной команды:

КОП А1 А где А1 – это обычно адрес ячейки (регистра), где хранится первое из чисел, участвующих в операции, и куда после завершения операции должен быть записан результат операции;

А2 – обычно адрес ячейки (регистра), где хранится второе участвующее в операции число.

Типовая структура трехадресной команды:

КОП А где: А1– в зависимости от модификации команды может обозначать либо адрес ячейки (регистра), где хранится одно из чисел, участвующих в операции, либо адрес ячейки (регистра), куда следует поместить число – результат операции.

Безадресная команда содержит только код операции, а информация для нее должна быть заранее помещена в определенные регистры машины (безадресные команды могут использоваться только совместно с командами другой адресности).

Приведем пример использования трехадресной команды для вычисления значения y:= (a – b +c)* d при различных значениях a, b, c, d. Закодируем операции: сложение – 01, вычитание – 02, умножение – 03. Разместим данные в ячейках памяти: a – в ячейке 11, b – 12, c – 13, d – 14. Результат в ячейках 21, 22, 23.

Адреса ячеек Номер Код команды операции 1 2 1 02 11 12 2 01 21 13 3 03 22 14 Значение y находится в памяти по адресу 23. Примечание. В кодах машины такие команды содержат только двоичные цифры записанных выше объектов.

Множество команд, которые может выполнять процессор над данными, образовывает систему команд процессора. Современные ЭВМ автоматически выполняют несколько сотен различных команд. Например, стандартный набор современных персональных компьютеров содержит около 240 машинных команд. Все машинные команды можно разделить на группы по видам выполняемых операций:

операции пересылки внутри ЭВМ;

арифметические и логические операции над информацией;

операции обращения к внешним устройствам ЭВМ;

операции передачи управления;

обслуживающие и вспомогательные операции.

Пояснения требуют операции передачи управления (иначе ветвления), которые служат для изменения естественного порядка выполнения команд. Бывают операции безусловной передачи управления и операции условной передачи управления.

Операции безусловной передачи управления требуют выполнения после данной команды, не следующей по порядку, а той, адрес которой в явном или неявном виде указан в адресной части.

Операции условной передачи управления требуют тоже передачи управления по адресу, указанной в адресной части команды, но только в том случае, если выполняется некоторое заранее оговоренное для этой команды условие. Это условие в явном или неявном виде указано в коде операции.

§4. Архитектура компьютера Архитектура – это описание сложной системы, состоящей из множества элементов, как единого целого. Архитектура ПК определяет состав, назначение, логическую организацию и порядок взаимодействия всех аппаратных и программных средств, объединенных в единую вычислительную систему. Одинаковая архитектура разных компьютеров обеспечивает их совместимость.

Логика Аппаратные взаимодействия Программные средства аппаратных и средства программных средств – структура – системное ПО – процессор ПК – система команд – – память – формат данных инструментальное – – система адресации – прикладноеПО периферийные устройства Рис. 6. Составляющие архитектуры ПК.

Структура определяет конкретный набор устройств, узлов, блоков, входящих в состав компьютера, тогда как архитектура определяет правила взаимодействия составных частей компьютера. Архитектура определяет не все связи, а только наиболее важные, которые должны быть известны для более эффективного использования данного компьютера.

Архитектура компьютера обычно определяется совокупностью ее свойств, существенных для пользователя.

В основу архитектуры современных ПК положен магистрально-модульный принцип.

Модульный принцип позволяет потребителю самому компоновать нужную ему конфигурацию ПК и производить при необходимости ее расширение и модификацию.

Модульная организация компьютера опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между модулями.

Состав вычислительной системы называется конфигурацией. Конфигурация компьютера определяется составом устройств, подключенных к нему.

Открытая архитектура. Компьютеры 1-го и 2-го поколений имели архитектуру закрытого типа с ограниченным набором внешнего оборудования. Процессор обеспечивал выполнение команд и управление всеми узлами системы.

Повышение быстродействия процессора привело к противоречию между высокой скоростью обработки информации внутри машины и медленной работой устройств ввода/вывода. Для решения этой проблемы центральный процессор стали освобождать от функций обмена, передавая эти функции специальным электронным схемам управления работой внешних устройств (контроллерам внешних устройств).

Контроллер – специализированный процессор, управляющий работой внешнего устройства по специальным встроенным программам обмена, причем без участия процессора. Контроллер подключается к шине специальным устройством — портом ввода/вывода. Каждый порт имеет свой номер, по которому происходит обращение.

Многопроцессорная архитектура. Наличие в компьютере нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и много потоков команд. Таким образом, параллельно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи. Структура такой машины, имеющей общую оперативную память и несколько процессоров, представлена на рис. 7.

Рис. 7. Архитектура многопроцессорного компьютера.

Многомашинная вычислительная система. Здесь несколько процессоров, входящих в вычислительную систему, не имеют общей оперативной памяти, а имеют каждый свою (локальную). Каждый компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру, и такая система применяется достаточно широко. Однако эффект от применения такой вычислительной системы может быть получен только при решении задач, имеющих очень специальную структуру: она должна разбиваться на столько слабо связанных подзадач, сколько компьютеров в системе.

Преимущество в быстродействии многопроцессорных и многомашинных вычислительных систем перед однопроцессорными очевидно.

Архитектура с параллельными процессорами. Здесь несколько АЛУ работают под управлением одного УУ. Это означает, что множество данных может обрабатываться по одной программе – то есть по одному потоку команд. Высокое быстродействие такой архитектуры можно получить только на задачах, в которых одинаковые вычислительные операции выполняются одновременно на различных однотипных наборах данных. Структура таких компьютеров представлена на рис. 8.

Рис. 8. Архитектура с параллельным процессором.

В современных машинах часто присутствуют элементы различных типов архитектурных решений. Существуют и такие архитектурные решения, которые радикально отличаются от рассмотренных выше.

§5. Аппаратные средства ПК Аппаратные средства ПК являются составной частью их архитектуры. Под аппаратными средствами ПК понимается набор электронных устройств, обеспечивающих его работу.

Минимальный набор аппаратных средств, без которых невозможен запуск и работа ПК, определяет его базовую конфигурацию. В базовую конфигурацию ПК входят:

системный блок;

монитор;

клавиатура;

мышь.

Состав системного блока ПК:

• системная (материнская) плата;

• блок питания;

• накопитель на жестком магнитном диске;

• контроллеры или адаптеры для подключения и управления внешними устройствами ПК (монитор и др.);


• внешние приводы для гибких магнитных дисков и оптических дисков;

• порты для подключения внешних устройств (принтер, сканер и др.).

Системная (материнская) плата.

Материнская плата – основная плата ПК. На ней размещаются:

• процессор – функционально законченное программно-управляемое устройство обработки информации, выполненное на одной или нескольких СБИС;

• микропроцессорный комплект (чипсет) – набор микросхем, управляющих работой внутренних устройств компьютера и определяющих основные функциональные возможности материнской платы;

• шины – наборы проводников, по которым происходит обмен сигналами между внутренними устройствами компьютера;

• оперативная память (ОЗУ), набор микросхем, предназначенного для временного хранения данных, когда компьютер включен;

• ПЗУ (постоянное ЗУ) — микросхема, предназначенная для длительного хранения данных, в том числе и когда компьютер выключен;

• разъемы для подключения дополнительных устройств;

• порты.

Структура персонального компьютера Рис. 9. Общая структура персонального компьютера с подсоединенными периферийными устройствами.

Центральный процессор (CPU, от англ. Central Processing Unit) — это основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера.

Центральный процессор в общем случае содержит в себе:

• арифметико-логическое устройство;

• шины данных и шины адресов;

• регистры;

• счетчики команд;

• кэш – очень быструю память малого объема (от 8 до 512 Кбайт);

• математический сопроцессор чисел с плавающей точкой.

Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров. Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему – тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора. Кристалл-пластинка обычно помещается в пластмассовый или керамический плоский корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к системной плате компьютера.

Микропроцессор Intel Pentium 4 — наиболее совершенный и мощный процессор выпуска 2001 г. с тактовой частотой до 2 Гигагерц, представлен на рисунке 2.5 примерно в натуральную величину. Он предназначен для работы приложений, требующих высокой производительности процессора, таких, как передача видео и звука по Интернет, создание видеоматериалов, распознавание речи, обработка трехмерной графики, игры.

В вычислительной системе может быть несколько параллельно работающих процессоров;

такие системы называются многопроцессорными.

Генератор тактовых импульсов. Он генерирует последовательность электрических импульсов;

частота генерируемых импульсов определяет тактовую частоту машины.

Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта работы или просто такт работы машины.

Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик персонального компьютера и во многом определяет скорость его работы, ибо каждая операция в машине выполняется за определенное количество тактов.

Системная шина. Это основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой.

Системная шина включает в себя:

• кодовую шину данных, содержащую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов числового кода (машинного слова) операнда;

• кодовую шину адреса, содержащую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода-вывода внешнего устройства:

• кодовую шину инструкций, содержащую провода и схемы сопряжения для передачи инструкций (управляющих сигналов, импульсов) во все блоки машины;

• шину питания, имеющую провода и схемы сопряжения для подключения блоков ПК к системе энергопитания.

Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:

1) между микропроцессором и основной памятью;

2) между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств;

3) между основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств (в режиме прямого доступа к памяти).

Все блоки, а точнее их порты ввода-вывода, через соответствующие унифицированные разъемы (стыки) подключаются к шине единообразно:

непосредственно или через контроллеры (адаптеры). Управление системной шиной осуществляется микропроцессором либо непосредственно, либо, что чаще, через дополнительную микросхему — контроллер шины, формирующий основные сигналы управления. Обмен информацией между внешними устройствами и системной шиной выполняется с использованием ASCII-кодов.

Внутренняя память предназначена для временного хранения программ и обрабатываемых в текущий момент данных (оперативная память, кэш-память), а также для долговременного хранения информации о конфигурации ПК (энергонезависимая память). Внутренняя память ПК расположена на системной плате.

Внешняя память — это память, реализованная в виде внешних, относительно материнской платы, устройств с разными принципами хранения информации и типами носителей, предназначенных для долговременного хранения данных. Устройства внешней памяти могут размещаться как в системном блоке компьютера, так и в отдельных корпусах.

Устройства ввода/вывода. Устройства ввода и вывода (ввода/вывода) являются непременным и обязательным элементом любой ЭВМ, начиная с самой первой и заканчивая современными ПК, поскольку именно эти устройства обеспечивают взаимодействие пользователя с вычислительной системой. Все устройства ввода/вывода ПК относятся к периферийным устройствам, то есть подключаемым к микропроцессору через системную шину и соответствующие контроллеры.

Источник питания. Это блок, содержащий системы автономного и сетевого энергопитания ПК.

Таймер. Это внутримашинные электронные часы, обеспечивающие при необходимости автоматический съем текущего момента времени (год, месяц, часы, минуты, секунды). Таймер подключается к автономного источнику питания — аккумулятору и при отключении машины от сети продолжает работать.

Как выполняется команда?

Выполнение команды можно проследить по рис.10:

Рис. 10. Общая схема компьютера.

Существует несколько типов регистров, отличающихся видом выполняемых операций.

Некоторые важные регистры имеют свои названия, например:

• сумматор — регистр АЛУ, участвующий в выполнении каждой операции;

• счетчик команд — регистр УУ, содержимое которого соответствует адресу очередной выполняемой команды;

служит для автоматической выборки программы из последовательных ячеек памяти;

• регистр команд — регистр УУ для хранения кода команды на период времени, необходимый для ее выполнения. Часть его разрядов используется для хранения кода операции, остальные — для хранения кодов адресов операндов.

Выполнение команды разбивается на следующие этапы:

• из ячейки памяти, адрес которой хранится в счетчике команд, выбирается очередная команда;

содержимое счетчика команд при этом увеличивается на длину команды;

• выбранная команда передается в устройство управления на регистр команд;

• устройство управления расшифровывает адресное поле команды;

• по сигналам УУ операнды считываются из памяти и записываются в АЛУ на специальные регистры операндов;

• УУ расшифровывает код операции и выдает в АЛУ сигнал выполнить соответствующую операцию над данными;

• результат операции либо остается в процессоре, либо отправляется в память, если в команде был указан адрес результата;

• все предыдущие этапы повторяются до достижения команды “стоп”.

Характеристики ПК 1. Быстродействие, производительность, тактовая частота. Под быстродействием ПК понимается способность ПК выполнять определенное количество операций в единицу времени.

Единицами измерения быстродействия служат:

• МИПС (MIPS) – миллион операций над числами с фиксированной запятой (точкой).

• МФЛОПС (MFLOPS) – миллион операций над числами с плавающей запятой (точкой).

Производительность – способность ПК выполнять определенный объем работы по обработке информации в единицу времени. Производительность оценивается с помощью тестовых программ. Например, пакет SPEC CPU 2000. Оценка производительности ПК всегда приблизительна, ибо при этом ориентируется на некоторые усредненные или, наоборот, на конкретные виды операций. Реально при решении различных задач используются и различные наборы операций. Поэтому для характеристики ПК вместо производительности обычно указывают тактовую частоту. Каждая операция требует для своего выполнения определенного количества тактов. Зная тактовую частоту, можно достаточно точно определить время выполнения любой машинной операции.

2. Разрядность машины и кодовых шин интерфейса Разрядность – это максимальное количество разрядов двоичного числа, над которым одновременно может выполняться машинная операция, чем больше разрядность, тем больше и производительность ПК. 32, 64 байт.

3. Емкость оперативной памяти 512 Мбайт и выше.

4. Емкость накопителя на жестких магнитных дисках 2 Гбайт и выше.

5. Тип и емкость накопителей на гибких магнитных дисках.

6. Виды и емкость КЭШ-памяти.

7. Тип дисплея.

8. Тип принтера.

9. Стоимость.

10. Габариты и масса и другие характеристики.

§6. Запоминающие устройства ПК Как устроена память?

Память компьютера построена из двоичных запоминающих элементов – битов, объединенных в группы по 8 битов, которые называются байтами. (Единицы измерения памяти совпадают с единицами измерения информации). Все байты пронумерованы.


Номер байта называется его адресом.

Байты могут объединяться в ячейки, которые называются также словами. Для каждого компьютера характерна определенная длина слова — два, четыре или восемь байтов. Это не исключает использования ячеек памяти другой длины (например, полуслово, двойное слово). Как правило, в одном машинном слове может быть представлено либо одно целое число, либо одна команда. Однако допускаются переменные форматы представления информации. Разбиение памяти на слова для четырехбайтовых компьютеров представлено в таблице:

Байт 0 Байт 1 Байт 2 Байт 3 Байт 4 Байт 5 Байт 6 Байт ПОЛУСЛОВО ПОЛУСЛОВО ПОЛУСЛОВО ПОЛУСЛОВО СЛОВО СЛОВО ДВОЙНОЕ СЛОВО Широко используются и более крупные производные единицы объема памяти:

Килобайт, Мегабайт, Гигабайт, а также, в последнее время, Терабайт и Петабайт.

Современные компьютеры имеют много разнообразных запоминающих устройств, которые сильно отличаются между собой по назначению, временным характеристикам, объёму хранимой информации и стоимости хранения одинакового объёма информации.

Различают два основных вида памяти – внутреннюю и внешнюю. Объем ОЗУ обычно составляет от 32 до 512 Мбайт. Для несложных административных задач бывает достаточно и 32 Мбайт ОЗУ, но сложные задачи компьютерного дизайна могут потребовать от 512 Мбайт до 2 Гбайт ОЗУ.

Оперативная память (RAM – память с произвольным доступом) Оперативная память (ОЗУ) называется устройство компьютера, предназначенное для хранения выполняющихся в текущий момент времени программы, а также данных, необходимых для их выполнения.

Из определения следует, что в ОЗУ на стадии выполнения могут находиться несколько программ. Кроме того, в ОЗУ могут находиться как обрабатываемые, так и уже обработанные программой данные. При отключении электропитания вся информация, которая хранилась в ОЗУ, безвозвратно теряется.

С точки зрения физического принципа действия различают динамическую память (DRAM) и статическую память (SRAM).

Ячейки DRAM можно представить в виде микроконденсаторов, способных накапливать заряд на своих обкладках. Если конденсатор заряжен, в ячейке записана 1;

если заряда нет – записан 0.

Основное преимущество: ячейки упакованы очень плотно, т.е. в небольшую микросхему можно упаковать много битов, а значит, на их основе можно построить память большой емкости.

Недостатки:

• при заряде и разряде конденсаторов неизбежны переходные процессы, т.е. запись происходит сравнительно медленно;

• заряды ячеек рассеиваются в пространстве. Необходима постоянная регенерация (подзарядка примерно 2 миллисекунды) ячеек, иначе электрические заряды в конденсаторах будет «стекать» и данные будут потеряны.

Регенерация отнимает время у процессора, каждый цикл регенерации по длительности занимает несколько циклов центрального процессора. Расходы на регенерацию составляют 1% (или меньше) процессорного времени.

В устройствах DRAM для хранения одного бита используется только один транзистор и пара конденсаторов. Имеются микросхемы 512 МБ и больше. Это означает, что подобные микросхемы содержат более 256 транзисторов. Дело в том, что микросхемы DRAM имеют очень простую, периодически повторяющую структуру. DRAM – недорогая микросхема плотно упакованная.

SRAM (статическая оперативная память) – электронные микроэлементы - триггеры, состоящие из нескольких транзисторов. В триггере хранится не заряд, а состояние включен/выключен, поэтому не требуется регенерация, нет переходных процессов и память имеет высокое быстродействие. Для хранения каждого бита используется кластер из 6 транзисторов, т.е. плотность ее гораздо ниже чем у DRAM, а цена довольно высока.

Более низкая плотность означает, что микросхема SRAM имеет большие габариты, хотя их информационная емкость намного меньше. Большое число транзисторов и их размещение повышает стоимость технологического процесса по сравнению с аналогичными параметрами для микросхемы DRAM. Например: DRAM – 64 Мб, и емкость SRAM того же размера – 2МБ, причем их стоимость будет одинаковая. Габариты SRAM в среднем в 30 раз превышает размер DRAM, то же самое можно сказать и о стоимости. Статическая память применяется в КЭШ памяти.

Запоминающие устройства характеризуются:

• емкостью памяти;

• методом доступа к данным;

• быстродействием;

• надежностью работы;

• стоимостью единицы памяти.

Большинство современных компьютеров комплектуются модулями типа DIMM (Dual In-line Memory Module – модуль памяти с двухрядным расположением микросхем). В компьютерных системах на самых современных процессорах используются высокоскоростные модули Rambus DRAM (RIMM) и DDR DRAM.

Модули памяти характеризуются такими параметрами, как объем —(16, 32, 64, 128, 256 или 512 Мбайт), число микросхем, паспортная частота(100 или 133 МГц), время доступа к данным (6 или 7 наносекунд) и число контактов (72, 168 или 184). В 2001 г.

начинается выпуск модулей памяти на 1 Гбайт и опытных образцов модулей на 2 Гбайта.

КЭШ–память Скорость работы центрального процессора отличается на порядок от скорости оперативной памяти, то для более интенсивного обмена данными между ними применяется КЭШ - память. Регистровая КЭШ–память – высокоскоростная память, являющаяся буфером между ОП и МП и, позволяющая увеличить скорость выполнения операций. Регистры КЭШ – памяти недоступны для пользователя, отсюда и название КЭШ (Cache), в переводе с английского означает «тайник».

В КЭШ–память хранятся данные, которые МП получил и будет использовать в ближайшие такты своей работы. Быстрый доступ к этим данным и позволяет сократить время выполнения очередных команд программы. Кэш-памятью управляет специальное устройство – контроллер, который, анализируя выполняемую программу, пытается предвидеть, какие данные и команды вероятнее всего понадобятся в ближайшее время процессору, и подкачивает их в кэш-память. При этом возможны как "попадания", так и "промахи". В случае попадания, то есть, если в кэш подкачаны нужные данные, извлечение их из памяти происходит без задержки. Если же требуемая информация в кэше отсутствует, то процессор считывает её непосредственно из оперативной памяти. Соотношение числа попаданий и промахов определяет эффективность кэширования.

Кэш-память реализуется на микросхемах статической памяти SRAM (Static RAM), более быстродействующих, дорогих и малоёмких, чем DRAM (SDRAM). Современные микропроцессоры имеют встроенную кэш-память, так называемый кэш первого уровня размером 8, 16 или 32 Кбайт. Кроме того, на системной плате компьютера может быть установлен кэш второго уровня ёмкостью 256, 512 Кбайт и выше.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) – энергонезависимая память для хранения программ управления работой и тестирования устройств ПК. Важнейшая микросхема ПЗУ – модуль BIOS (Basic Input/Output System – базовая система ввода/вывода), в котором хранятся программы автоматического тестирования устройств после включения компьютера и загрузки ОС в оперативную память. Это неразрушимая память, которая не изменяется при выключении питания.

CMOS RAM (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) - память с невысоким быстродействием и минимальным энергопотреблением от батарейки. Используется для хранения информации о конфигурации и составе оборудования компьютера, о режимах его работы. Содержимое изменяется программой, находящейся в BIOS.

Внешняя память Физической основой внутренней памяти являются электронные схемы (ПЗУ, ОЗУ), отличающиеся высоким быстродействием, но они не позволяют хранить большие объемы данных. Кроме этого, основная внутренняя память — оперативная, является энергозависимой, то есть при отключении ПК ее содержимое стирается. Вследствие этого возникает необходимость в средствах длительного хранения больших объемов данных. В ПК эта функция возложена на внешнюю память, которая по своим характеристикам в противоположность внутренней памяти является медленной, энергонезависимой и практически неограниченной.

Накопитель представляет собой совокупность носителя данных и соответствующего привода. Различают накопители со сменными и постоянными носителями.

Привод – это объединение механизма чтения-записи с соответствующими электронными схемами управления.

Носитель – это физическая среда хранения информации. По внешнему виду может быть дисковым или ленточным. По способу запоминания различают магнитные, оптические и магнитооптические носители. Ленточные носители могут быть только магнитными.

Накопители на гибких магнитных дисках (НГМД) НГМД – представляет собой устройство (дисковод) для чтения и записи гибких магнитных дисков (дискет). Магнитные диски являются съемными носителями, то есть дисковод может последовательно работать с множеством дискет. Дискеты представляют собой гибкий диск из тонкого пластика, на обе стороны которого нанесен магнитный слой. Диск заключен в плотный конверт (корпус) с отверстиями для магнитных головок.

Стандартная емкость дискет (3,5 дюйма) составляет 1,44 Мб. Маркировка дискеты 2HD 1.44Мб указывает на двухстороннюю высокую плотность записи и общую емкость диска 1,44 Мб.

Информация на дискету записывается по дорожкам-окружностям (трекам). На каждой стороне дискеты помещается 80 дорожек, в зависимости от формата дискеты. Каждая дорожка состоит из 18 секторов, в каждом из которых может быть записано 512 байт информации (рис.11).

Рис.11. Поверхность магнитного диска.

С учетом этого, емкость диска определяется по следующей формуле V = 2* t * s *rs = 2 * 80 * 512 = 1474560, где t – количество дорожек;

s – число секторов;

rs – емкость сектора.

Магнитный диск вращается с помощью привода (300 об/мин), для записи и считывания информации используются магнитные головки, расположенные на рычагах, жестко закрепленных на каретке. Каретка перемещается позиционирующим двигателем, смещая магнитные головки с одной дорожки диска на другую.

В последнее время появились трехдюймовые дискеты, которые могут хранить до Гбайт информации. Они изготавливаются по новой технологии Nano2 и требуют специального оборудования для чтения и записи.

Жесткий диск НЖМД (HDD) – устройство для чтения/записи с жестких магнитных дисков, установленных внутри накопителя. Жесткий магнитный диск получил название из-за жесткости магнитных дисковых пластин, носителей данных.

Состав НЖМД:

1.Пакет пластин на вращающейся оси (10 и несколько десятков).

2.Блок головок чтения/записи. Головки не касаются поверхности диска и расположены над диском на расстоянии 0,5 – 0,13 мкм. Запись осуществляется на обе поверхности каждой пластины (кроме крайних).

3.Позиционер.

4.Контроллер НЖМД в чипсете.

Рис.12. Винчестерский накопитель со снятой крышкой корпуса.

Жесткий диск герметично закрыт, потому что даже мельчайшие частицы пыли, попавшие между головкой и поверхностью диска, могут повредить его и привести к потере данных.

Поверхность каждого диска (пластины) разбивается на круги, которые называются дорожками (track). Каждая дорожка имеет свой номер. Дорожки с одинаковыми номерами, расположенные одна над другой, на разных дисках образуют цилиндр.

Дорожки на диске разбиты на секторы (нумерация начинается с единицы).

Размер диска вычисляется по формуле V = cyl * h * s * rs, где cyl – количество цилингдров;

h – число магнитных головок: s – количество секторов;

rs – размер сектора в байтах. Секторы и дорожки образуются во время форматирования диска. Форматирование выполняет пользователь с помощью специальных программ.

Наиболее важные характеристики НЖМД:

• скорость обращения дисков 7200об/мин до 10000 об/мин;

• объем ЖД – количество информации, которое он способен хранить (512 Гбайт и более);

• среднее время доступа (измеряется в миллисекундах) и обозначает то время, которое необходимо диску для доступа к любому выбранному участку. Зависит от скорости лиска. Средний показатель 7 – 9 мс;

• скорость чтения данных (50 Мбайт/с).

Запись и считывание данных с дисков ведется кластерами. Кластеры – 32, 64 и более секторов. Контроллер – отвечает за обработку данных, коррекцию возможных ошибок и управление механической частью. КЭШ память —2 – Мбайт.

Металлическая пластина (диск) покрыта с двух сторон магнитным материалом, на который и записываются данные. В любой момент времени все головки все головки находятся на дорожках с одинаковыми номерами, т.н. работают в пределах одного цилиндра.

При высоких скоростях вращения дисков в зазоре между головкой и поверхностью образуется аэродинамическая подушка. При изменении силы тока, протекающего через головку, происходит изменение напряженности динамического магнитного поля в зазоре, что вызывает изменение напряженности в стационарном магнитном поле ферромагнитных частиц, образующих покрытие диска. Так осуществляется запись данных на магнитный диск.

Операция считывания происходит в обратном порядке. Намагниченные частицы покрытия, проносящиеся на высокой скорости вблизи головки, наводят в ней ЭДС самоиндукции. Электромагнитные сигналы, возникающие при этом, усиливаются и передаются на обработку.

Компакт – диски Впервые компакт-диск СDROM (Read Only Memory) был предложен в 1982 году фирмами Philips и Soni для записи звуковой информации. СDROM память только для чтения. Производятся такие диски путем штамповки. Запись на них новой информации невозможна. Объем компакт диска составляет 600 – 700 Мбайт. Компакт-диски очень просты в обращении, их сложно испортить, легко перевозить с одного места на другое.

Дисковод СД позволяет прочитать самые разные форматы данных и музыкальные диски и программные и видео.

Компакт-диск изготовляют из прозрачного пластика диаметром 120мм и толщиной 1,2мм. На пластиковую поверхность наносится специальное покрытие, например, светоотражающий слой алюминия (напылением), защищенный от повреждения слоем прозрачного лака. Запись на СDROM производится в промышленных условиях путем выдавливания на поверхности дорожки углублений (пит – углубление, поверхность – лэнд).

Профиль дорожки CD-ROM.

Принцип действия состоит в считывании числовых данных с помощью лазерного луча, отражающего от поверхности диска (пит и лэнд имеют разную степень отражения луча). Большая плотность записи. Луч движется по спирали от центра. На каждом дюйме по радиусу диска размещается 16 тысяч витков спиральной дорожки. Длина такой дорожки 4 – 5км.

Важнейшая характеристика дисковода компакт диска – скорость передачи данных.

Самые первые дисководы были выпущены со скорость 150 кбайт в секунду, далее эта скорость стала считаться за единицу. Увеличение скорости передачи данных пошло кратно 150 кбайт, а множитель стали писать в характеристике дисковода. Например, восьмискоростной СDROM считает информацию со скоростью 8 * 150 =1,2 Мбайт в секунду. Сейчас выпускают СDROM со скоростью выше 50*.

Дисковоы и диски CD-R и CD-RW Дисковод CD-R обладает способностью читать любой компакт диск, а также писать данные на болванки (специальные диски CDR продаются пустые, без информации) но только один раз на одну болванку. В нем нет возможности удалить информацию с записанной болванки, но при наличии места можно информацию дописать. На многослойные специальные болванки типа CD-RW можно записывать/удалять информацию многократно.

Скорость в дисководе CDR пишут двумя цифрами, а в дисководе CDRW – тремя цифрами. Например, CDR 8*/ 24* запись со скоростью до 8 и читать со скоростью 24;

CDRW 8* /4* /24* скорость записи 8*, скорость перезаписи 4, читать любую болванку со скоростью 24.

Принцип работы CDRW. Под воздействием лазерного луча специальный материал изменяет свое состояние: находясь в кристаллическом состоянии, одни участки рассеивают свет, а другие – аморфные – пропускают через себя его на отражающую металлическую подложку. Используется красный лазер, длиной волны 650 нм (нанометров).

DVD (цифровой универсальный диск) Диски двухслойные двухсторонние. Запись производится на нескольких слоях, которые размещаются на одной и той же рабочей поверхности. Объем диска достигает Гбайт. За единицу скорости передачи данных принята 1,35 Мбайт в секунду. Дисковод DVD-ROM умеет читать информацию и с любой CD - болванки. DVD-RW – перезапись до 10000 раз.

Накопитель Flash памяти с USB интерфейсом Появился в 2991 году. Вытеснил накопители на гибких магнитных дисках. Имеет меньшие размеры, большой объем памяти, значительно большую скорость передачи данных, высокая надежность.

Для использования достаточно компьютер с ОС Windows и с USB – портом, к которому подключается накопитель. Внутри корпуса накопителя находится контроллер интерфейса USB. Объем накопителя 8 Гбайт и более.

USB – универсальная последовательная магистраль. Скорость передачи от 1,5 Мбит/с до 480 Мбит/с. К USB –порту можно подключать разнообразные устройства, начиная с мыши и заканчивая цифровой видеокамерой.

§7. Устройства ввода и вывода Устройства ввода. Клавиатура Клавиатура компьютера – устройство для ввода информации в компьютер и подачи управляющих сигналов. Содержит стандартный набор клавиш печатной машинки и некоторые дополнительные клавиши – управляющие и функциональные клавиши, клавиши управления курсором и малую цифровую клавиатуру.

Все символы, набираемые на клавиатуре, немедленно отображаются на мониторе в позиции курсора (курсор – светящийся символ на экране монитора, указывающий позицию, на которой будет отображаться следующий вводимый с клавиатуры знак).

В настоящее время клавиатуры подавляющего большинства персональных компьютеров унифицированы и выполнены в стандартах 101.102 или 108 клавишных клавиатур.

Клавиатура содержит встроенный микроконтроллер (местное устройство управления), который выполняет следующие функции:

• последовательно опрашивает клавиши, считывая введенный сигнал и вырабатывая двоичный скан-код клавиши;

• управляет световыми индикаторами клавиатуры;

• проводит внутреннюю диагностику неисправностей;

• осуществляет взаимодействие с центральным процессором через порт ввода вывода клавиатуры.

Клавиатура имеет встроенный буфер – промежуточную память малого размера, куда помещаются введённые символы. Работу клавиатуры поддерживают специальные программы, "зашитые" в BIOS, а также драйвер клавиатуры, который обеспечивает возможность ввода русских букв, управление скоростью работы клавиатуры и др.

Подключаются современные проводные (т.е. с проводом) клавиатуры к системному блоку. Встречаются и беспроводные клавиатуры, у таких устройств есть модуль приема сигнала, подключается этот модуль к разъему на системном блоке, передатчик же размещен в корпусе самой клавиатуры.

Сканеры Сканер – это устройство, которое, анализируя какой-либо объект (обычно изображение, текст), создает цифровую копию изображения объекта. Процесс получения этой копии называется сканированием.

Виды сканеров:

• планшетные;

• ручные;

• листопротяжные:

• барабанные;

• слайд-сканеры;

• сканеры штрих-кодов.

Принцип действия планшетных сканеров. Сканируемый объект кладется сканируемой поверхностью вниз. Под стеклом располагается подвижная лампа, движение которой регулируется шаговым двигателем. Свет, отражающий от объекта, через систему зеркал попадает на светочувствительную матрицу фотодиодов, далее на АЦП и передается в компьютер. За каждый шаг двигателя сканируется полоска объекта, которые потом объединяются программным обеспечением в общее изображение.

Характеристики сканеров.

Оптическое разрешение.



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.