Основы информатики и компьютерных технологий (стр. 2 )

Перевод дробных чисел из одной системы счисления в другую производится на основании следующих соображений. Пусть X - правильная дробь, заданная в 10-чной системе счисления и требуется перевести ее в систему счисления с основанием Q, т. е. найти цифры bi для записи X=b-1*Q-1+b-2*Q-2+ ... +b-m*Q-m. Для определения bi умножим левую и правую части равенства на Q, причем в левой части умножение выполняется по правилам 10-чной арифметики. Имеем: X*Q=b-1+b-2Q-1+...+b-mQ-m+1. Представим левую часть равенства как сумму целой и дробной частей X*Q=[X*Q]+{X*Q}и приравняем их с целой и дробной частями правой части равенства: [X*Q]=b-1 и {X*Q}=b-2Q-1+...+b-mQ-m+1. Таким образом, цифра b-1 является целой частью от умножения X на Q. Далее положим X1=X*Q и повторим аналогичные действия для определения цифры b-2 и других цифр (Таблица 3)

Таблица 3 - Алгоритм перевода правильной десятичной дроби X в систему счисления с основанием Q 

Рекуррентные формулы	Пояснения
b-i-1=[Xi*Q]	1) X умножить на Q, записанное в 10-чной системе счисления
Xi+1={Xi*Q}	2) дробную часть полученного произведения снова умножить на Q
Процесс продолжать до тех пор, пока последнее полученное произведение не станет равным нулю Xi+1=0, либо не будет достигнута требуемая точность изображения числа. (требуемое количество цифр после запятой).
Представлением числа X будет последовательность целых частей полученных произведений, изображенных одной Q-чной цифрой и записанных в порядке их получения

Примеры: Перевести число 0,3610 в 2-чную систему счисления c 5 знаками после запятой. 0,36*2=0+0,72; 0,72*2=1+0,44; 0,44*2=0+0,88; 0,88*2=1+0,76; 0,76*2=1+0,52.

 Таким образом, 0,3610=0,010112.

Перевести число 0,3610 в 16-чную систему счисления c 2 знаками после запятой. 0,36*16=5+0,76; 0,76*16=12+0,16.

 Таким образом, 0,3610=0,5С16.

2.  Технические средства реализации информационных процессов

2.1.  История развития ЭВМ. Понятие и основные виды архитектуры ЭВМ

Несмотря на то, что современные ЭВМ внешне не имеют ничего общего с первыми моделями, основополагающие идеи, заложенные в них и связанные с понятием алгоритма, разработанным Аланом Тьюрингом, а также архитектурной реализацией, предложенной Джоном фон Нейманом, пока не претерпели коренных изменений. В соответствии с принципами американского математика Джона фон Неймана в состав ЭВМ входят следующие элементы: арифметико-логическое устройство (АЛУ), устройство управления (УУ), оперативная память (ЗУ), внешние устройства (УВВ, ПУ)(Рисунок 2). Принципы фон Неймана были сформулированы в 1928г., а воплощены в первом (созданном в 1949г.) компьютере, в котором числа и программы хранились в памяти компьютера. Возможность использования двоичных цифр для представления любых чисел принадлежит немецкому математику Лейбницу (1666г).

Вычислительный процесс должен быть предварительно представлен для ЭВМ в виде программы — последовательности инструкций (команд), записанных в порядке выполнения. В процессе выполнения программы ЭВМ выбирает очередную команду, расшифровывает ее, определяет, какие действия и над какими операндами следует выполнить. Эту функцию осуществляет УУ. Оно же помещает выбранные из ЗУ операнды в АЛУ, где они и обрабатываются. Само АЛУ работает под управлением УУ. Обрабатываемые данные и выполняемая программа должны находиться в ЗУ, куда они вводятся через устройство ввода УВВ. Емкость памяти измеряется в величинах, кратных байту. Память представляет собой сложную структуру, построенную по иерархическому принципу, и включает в себя запоминающие устройства различных типов. Функционально она делится на две части: внутреннюю и внешнюю.

Очевидно, что развитие электронно-вычислительной техни­ки непосредственно связано с основными этапами развития микроэлектроники и во многом определяется ее уровнем и до­стигнутыми результатами. Этапы создания и развития техноло­гии микроэлектроники находят отражение в смене поколений ЭВМ (

Таблица 4). В настоящее время наибольшее распространение получили персональные компьютеры (ПК). Львиную долю среди них занимают IBM PC-совместимые микрокомпьютеры (читается Ай-Би-Эм Пи-Си). В конце 1990-х годов IBM PC-совместимые микрокомпьютеры составляли более девяноста процентов мирового компьютерного парка.

IBM PC был создан американской фирмой Ай-Би-Эм (IBM) в августе 1981, при его создании был применен принцип открытой архитектуры, который означает применение в конструкции при сборке компьютера готовых блоков и устройств, а также стандартизацию способов соединения компьютерных устройств. Принцип открытой архитектуры способствовал широкому распространению IBM PC-совместимых микрокомпьютеров-клонов.

Их сборкой занялось множество фирм, которые в условиях свободной конкуренции снизили в несколько раз цены, энергично внедряли в производство новейшие технические достижения. Пользователи в свою очередь получили возможность самостоятельно модернизировать свои микрокомпьютеры и оснащать их дополнительными устройствами сотен различных производителей. Единственный из IBM PC-несовместимых микрокомпьютеров, получивший относительно широкое распространение, — компьютер Макинтош (Macintosh).

Таблица 4 – смена поколений компьютеров

Поколение и годы	Элементная база	Характеристики и типичные представители
I	50-е	Электронные вакуумные лампы	Большие габариты и энерго­пот­реб­ле­ние, низкие быстро­дей­ствие и на­деж­ность, про­г­рам­мирование в кодах. МЭСМ, БЭСМ.
II	60-е	Дискретные полупроводниковые приборы — транзисторы	Большие габариты и энерго­пот­реб­ле­ние, низкие быстро­дей­ствие и на­деж­ность. Минск 2, 22, 32, БЭСМ-6.
III	70-е	Полупроводниковые интегральные схемы (ИС) с малой и средней сте­пенью интеграции (сотни — тысячи транзисторов в одном корпусе)	Качественное улучшение всех па­ра­мет­ров, удаленный доступ ЕС-1022, ЕС-1035, ЕС-1066
IV	80-е	Микропроцессоры на БИС и СБИС — десятки тысяч — миллио­ны транзисторов в одном кристалле	Появление первых ПК. ДВК, IBM PC 286, 386, 486, Apple
V	90-е	Десятки параллельно работающих микропроцессоров.	Массовое при­менение ПК, ло­каль­ные и глобальные сети, внедрение элек­трон­но­го документооборота Pentium, Atlon
VI	2000-е и перспектива	Оптоэлектронные ЭВМ с нейрон­ной структурой, моделирующие структуру биологических систем	Микропроцессорная революция в технических и био­логи­чес­ких сис­темах, распределенная обработка данных, интеграция со­ци­аль­ной памяти на базе ком­пь­ю­терных сетей, медиа­тех­но­логий и сис­тем связи, безбу­маж­ная информатика, ис­поль­зование систем ис­кус­ст­вен­ного интеллекта, нано­тех­но­логии

Начиная с 1980-х годов микрокомпьютеры Макинтош американской фирмы Эпл (Apple) составляли достойную конкуренцию IBM PC-совместимым микрокомпьютерам, так как, несмотря на свою дороговизну, они обеспечивали пользователю наглядный графический интерфейс, были значительно проще в эксплуатации и обладали большими возможностями. Начиная с 1990-х годов разница между возможностями Макинтошей и IBM PC все более нивелируется. Последние были оснащены операционными системами с графическим интерфейсом (Windows, OS/2), многочисленными рассчитанными на них прикладными программами. В настоящее время Макинтоши удерживают лидирующие позиции лишь на рынке настольных издательских систем.

2.2.  Состав и назначение основных элементов персонального компьютера

Архитектура – состав устройств, включаемых в ПК, и организация их вза­и­мо­­действия. Основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой называется общей шиной. Иначе говоря, общая шина это интерфейс объединения модулей в вычислительную систему. А фактически Общая шина или системная магистраль (ОШ, СМ) – пучок проводов, к которому подключаются все блоки ПК. (интерфейс- стандарты свя­­зи и вза­и­мо­­дей­ст­вия устройств между собой).

Минимальная (базовая) конфигурация ПК включает в себя : 1)системный блок; 2)видео­мо­ни­тор (дисплей); 3)клавиатуру; 4) и как правило, ручной манипулятор (ча­­­ще всего мышь). При расширенной конфигурации к ПК могут подключаться и другие внешние устройства: принтер, модем, сканер, зву­ковые колонки и т. д.

ПК строятся на основе принципа открытой архитектуры: не единая, жест­кая конструкция, а возможность гибкого подключения разных устройств и за­ме­ны этих устройств на новые модификации (upgrade). Например, можно уста­нав­ли­­вать дополнительные блоки оперативной памяти и жесткие диски. В част­нос­ти, можно ис­поль­­­зо­вать блоки разных производителей (с едиными стандартами свя­­зи и вза­и­мо­­дей­ст­вия – интерфейсом).

Основной частью ПК является системный блок (

Рисунок 3). В системном блоке размещаются основные элементы: 1)системная (ма­те­­ринская) плата (СП); 2)жесткий диск (винчестер); 3)порты – разъемы для подключения внешних устройств; 4)дисководы; 5)блок питания с вен­ти­ля­то­ром (пре­­образует переменный ток в постоянный).

На системной (материнской) плате устанавливаются: 1)микропроцессор (МП); 2)основная (внутренняя) память (=ОЗУ+ПЗУ+Полупостоянная(CMOS)); 3)тай­­мер (с аккумулятором) ведущий отсчет времени (и при выключенном ПК); 4)ге­нератор тактовых импульсов(ГТИ); 5)контроллер прерываний; 6)пучки про­­­­водов (шины, информационные магистрали), обеспечивающие связь между этими бло­ками.

МП (центральный процессор ПК) – основа ПК – обеспечивает собственно об­­ра­ботку информации (данных, чисел). Состоит из управляющего устройства (что и в каком порядке делать) и арифметико-логического устройства, выпол­ня­ющего сами операции.

1)Все операции выполняются над машинными словами двоичными числами (из 0 и 1) расположенными в специ­аль­ных ячейках процессора – регистрах.

2)Из ОЗУ берется машинная команда. В трехадресной команде (бывают одно и двухадресные):

01	0205	3214	4671
Код операции (сложение)	Адрес 1-го операнда	Адрес 2-го операнда	Адрес результата

3)Операнд – число из ячейки ОЗУ (или, иногда, указанное в самой МК).

4)Операции – элементарные: сложение, умножение и т. п. двоичных чисел. Все возможности ЭВМ сводятся к ним.

5)В результате выполнения команды определяется по какому адресу ОЗУ брать следующую команду (подряд или БуП или УП).

Каждая операция выполняются за несколько шагов(тактов), которые производятся сра­зу над несколькими числами. Шаги должны быть синхронизированы.

Для синхронизации операций используется генератор тактовых импульсов (ГТИ) – специальная ми­­к­­ро­схема на СП, которая выдает строго определенное число импульсов в секунду – так­­товая частота процессора. Любая операция (например, ариф­­метическая) выполняется за 1 или несколько (3–4) тактов. У ГТИ – та же роль, что у маятника в механических ча­сах. Быстродействие МП, кроме тактовой частоты, зависит от разрядности про­­цес­сора – числа бит в регистрах, которые обрабатываются параллельно за 1 шаг (такт). Самые большие затраты времени МП получаются при обмене данными с ОЗУ, поэтому про­­цессор снаб­жают «промежуточной», сверхоперативной – кэш-па­мя­тью( действующим хранилищем копий блоков основной памяти, с которыми про­цессор работает в дан­ный момент). Это позволяет быстро обращаться к содержимому отдельных ячеек. Кэш-память первого уровня (самая маленькая и быстрая) в одном кристалле с МП, второго на отдельном кристалле в одном узле с МП, третьего – быс­тро­дей­ст­вующие микросхемы на СП вблизи МП.

Рисунок 3 – Структура системного блока персонального компьютера

Для ускорения работы к МП подключаются сопроцессоры – вспо­мо­га­тель­ные специализированные процессоры, которые могут выполнять только опе­ра­ции определенного типа, но очень быстро: математический, графический, вво­да-вывода. Например, математический сопроцессор реализует в виде специальных электрон­ных схем вычисление стандартных функций (логарифм, корень), каждую из которых иначе приш­лось бы считать большим количеством элементарных сложений, умножений и т. п.

Быстродействие процессора – число операций в секунду (флопсы) из­ме­ря­ет­ся на стандартных тестовых задачах. Величина условная, зависит от состава тес­­та – у од­них быстрее сложение, у других обмен с ОЗУ и т. п. У современных ПК составляет десятки – сотни Ме­гафлопс (миллионов оп/сек). На суперкомпьютерах достигнуты рекордные значения 50 Терафлопс – 50 триллионов оп/сек, планируется 10 Петафлопс – 10*1000 триллионов оп/сек.

Таким образом, быстродействие МП зависит от его характеристик:

1)Тактовая частота – сейчас до нескольких миллиардов тактов в сек (ГГц);

2)Разрядность процессора – обычно 32 или 64 бита;

3)Объемы кэш-памяти – сейчас 1 уровень десятки Кб, 2 – до 2 Мб, 3 – нес­коль­ко Мб. Считается, что кэш-память 256 КБ увеличивает производительность ПК на 20%.

Основные фирмы, которые производят центральные процессоры для ПК это Intel, AMD, IBM

ПК параллельно выполняет несколько задач (программ, процессов). В лю­бой момент может поступить сигнал от внешних устройств (принтер – кон­­­чи­лась бумага, клавиатура – прекратить расчет, переключиться в другое ок­но). Нужно выполнить прерывание – остановить одни задачи (за­пом­нив сос­то­я­ние и про­­межуточные результаты), запустить новые программы (вы­дать со­об­ще­ние о бу­маге на экран). Всё это координируется специальным уп­рав­­­ляющим уст­рой­ст­вом на СП – контроллером прерываний (КП).

Различные устройства подключаются к СП через специальные разъемы (гнезда или слоты). В них встав­ляются конкретные платы, называемые контроллером или адаптером, обес­пе­чи­вающие управление эти­ми устройствами (монитором, принтером, мышью, дис­ко­водами и т. д.). Конт­рол­лер клавиатуры обычно устанавливается не­посредственно на СП. (Cont­rol – уп­равление, а не только контроль.) Для управления каждым внешним устройством кроме контроллера нужна своя программа – драйвер, которая хранится либо в памяти ПК, либо в специальной па­мя­ти контроллера. Для обеспечения связи между устройствами на СП, а также их связи с под­ключенными через слоты и контроллеры другими устройствами могут использоваться: многосвязный интерфейс – каждая связь двух устройств отдельная линия или односвязный интерфейс – все устройства подключаются к единой линии.

СМ включает 4 основные линии (шины):

1)Шина данных для передачи операндов.

2)Шина адреса для передачи кодов ячеек памяти и портов.

3)Шина управления для передачи управляющих сигналов всем блокам.

4)Шина питания для передачи всем устройствам напряжения от блока питания.

Некоторые устройства осуществляют интенсивный обмен данными между собой (МП – Основная память, МП – Видеотерминал). Поэтому кро­ме СМ (ОШ) используют локальные шины, напрямую связывающие от­дель­ные устройства. Например, USB шина - интерфейсная шина системного уровня. Позволяет подключать до 256 внешних устройств к од­ному каналу. Обеспечивает «горячее» подключение и отключение устройств к работающему ком­пьютеру. Ско­рость передачи до 800 Мб/сек.

Применяют разные типы (конструкции, стандарты) шин, которые делят на:

1)Шины расширения – универсальные, можно подключать разные устройства.

2)Локальные шины, предназначенные для соединения конкретных типов уст­ройств.

Характеристики шин: 1)Рабочая частота – количество тактов передачи в секунду; 2)Скорость передачи данных (Мбайт/сек); 3)Разрядность шины данных–сколько бит может передаваться од­но­вре­мен­но; 4)Разрядность адресной шины, от которой зависит адресное пространство – с ка­­кой емкостью ОЗУ можно работать: а) 24 разряда –> 224 байт = 16 Мбайт; б) 32 разряда –> 232 байт = 4 Гбайт.

Наиболее распространенные типы (стандарты) шин:

1)  ISA (Industry Standard Architecture), использовалась в ранних ПК сейчас устарела. Ра­­бочая час­тота 8 МГц, скорость передачи 5,5 Мб/сек, шина данных 16 разрядов, адресная – 24.

2) EISA (Extended ISA) – усовершенствованный вариант. Ра­бочая частота 10–20 МГц, ско­рость передачи до 32 Мб/сек, шины данных и адресная по 32 разряда.

3) VLB (VESA Local Bus – локальная шина стандарта VESA – Video Elec­tro­nics Standards As­­sociation – Ассоциация стандартов видеооборудования) – ло­каль­ная шина для связи МП и ОП, к которой потом стали подключать монитор. Ра­бочая частота до 50 МГц, ско­рость передачи до 50 Мб/сек, есть варианты с 32 и с 64 разрядами обеих шин.

4) PCI (Peripherals Component Interconnect) – создана как ло­каль­ная, но возможности рас­ши­ре­ны и теперь можно подключать разные устройства, в т. ч. шины EISA. Ра­бочая частота до 66 МГц. Варианты: 33МГц – 264 Мб/сек – 32 разряда; 66МГц – 528 Мб/сек – 64 разряда.

5) AGP (Advanced Graphic Port) – ло­каль­ная для подключения монитора (видеоадаптера). Ра­­­бочие частоты 33 и 66 МГц, скорость передачи до 1066 Мб/сек.

6) USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная магистраль). Используется для подключения внешних устройств к СМ. Позволяет подключать до 256 внешних устройств к од­ному каналу. Обеспечивает «горячее» подключение и отключение устройств к работающему ком­пьютеру. Ско­рость передачи до 800 Мб/сек.

Основными характеристиками конкретного компьютера являются:

·  быстродействие;

·  емкость оперативной памяти;

·  емкость жесткого магнитного диска (ЖМД) – винчестера и др.

(Термин «винчестер» возник в 1973г. из жаргонного названия первой модели жесткого диска емкостью 16 Кбайт, имеющего 30 дорожек и 30 секторов – это совпало с калибром 30/30 охотничьего ружья «Винчестер».)

Важными характеристиками компьютера являются:

·  тип видеосистемы – монитора и видеоадаптера. На качество изображения мониторов влияют минимальный размер зерна, частота регенерации. Вредное воздействие на здоровье человека может оказать монитор, особенно старых конструкций. Однако следует соблюдать гигиенические нормы даже при работе с современным LCD монитором. Для специальных целей применяются сенсорные мониторы, которые реагируют на прикосновения пальцами.

·  тип принтера (матричный, струйный, лазерный; черно-белый или цветной);

·  аппаратная и программная совместимость с другими ПК;

·  совместимость программного обеспечения сверху вниз (каждый новый процессор «понимает» все команды своих предшественников;

·  открытая архитектура – возможность дополнения имеющихся аппаратных средств новыми компонентами без замены старых.

·  В состав мультимедиа-компьютера обязательно входит CD-ROM дисковод и звуковая плата.

Рассмотрим основные характеристики ПК подробно.

1. Быстродействие компьютера можно оценить, зная тактовую частоту и разрядность микропроцессора.

Тактовая частота определяется частотой генератора тактовых импульсов. Она равна количеству тактов в секунду и измеряется в мегагерцах (МГц). Частота в 1 МГц соответствует миллиону тактов в секунду. Процессоры ПК могут иметь частоты 266, 400, 700, 1000 МГц и более. Процессоры Pentium IV выпускаются с тактовой частотой более 2000 МГц.

Разрядность – это количество битов, которое воспринимается микропроцессором как единое целое (или максимальное количество разрядов двоичного числа, над которым может выполняться одна машинная операция) – 4, 8, 16, 32, 64, т. е. целая степень числа 2. Чем больше разрядность, тем больше производительность (скорость работы) компьютера.

2. Емкость оперативной памяти – измеряется в мегабайтах. При оперативной памяти менее 8 мегабайт, многие современные прикладные программы либо совсем не работают, либо работают очень медленно.

3. Емкость жесткого диска. Жесткий диск – это кружок из немагнитного материала (алюминий, стекло, керамика), на одну или обе поверхности нанесены тончайший магнитный слой. Запись и чтение информации осуществляется блоком магнитных головок. На диске имеется система не делимых сегментов информации – кластеров, входящих в магнитную дорожку – окружность. Совокупность таких дорожек с одним диаметром окружности на нескольких дисках образует цилиндр. Блок головок считывания/записи быстро устанавливается на нужный цилиндр, а переключением головок быстро выбирается нужная дорожка. Накопитель может содержать несколько сцепленных жестких дисков, постоянно вращающихся со скоростью до 10000 оборотов в минуту. Жесткие диски имеют следующие параметры:

·  диаметр диска в дюймах (5,25, 3,5, 2,5, 1,8 и т. д.);

·  число цилиндров;

·  число головок;

·  полная емкость диска (Гбайт и более);

·  время доступа (от 0,3 – до 0,5 мс);

·  скорость передачи информации (25-30 Мбайт/с и выше).

2.3.  Запоминающие устройства: классификация, принцип работы

ПК имеет внутреннюю (Таблица 5) и внешнюю (Таблица 6) память.

Внутренняя память компьютера подразделяется на:

·  микропроцессорную память (МПП или МП), память не большой емкости, но чрезвычайно высокого быстродействия (время обращения – наносекунды); Микропроцессорная память (МП) является составной частью микропроцессора.

·  регистровую кэш-память, предназначена для уменьшения количества обращений к ОП, она является буфером между микропроцессорной памятью и основной, наличие Кэш-памяти емкостью 256 Кбайт увеличивает производительность компьютера на 20%, регистры кэш-памяти недоступны для пользователя, отсюда название КЭШ - «тайник»;

·  основную память (ОП) включающую в себя ОЗУ и ПЗУ. ОЗУ – оперативное запоминающее устройство (RAM – память с произвольным доступом, это быстродействующая энергозависимая память, при отключении напряжения питания информация, записанная в оперативной памяти, пропадает). ПЗУ – постоянное запоминающее устройство (ROM) – это энергонезависимое запоминающее устройство, оно находится на материнской плате и содержит неизменяемую информацию (программы тестирования устройств при компьютера при первоначальной загрузки ЭВМ, драйверов базовой системы ввода-вывода BIOS) ПЗУ занимает 128 (редко) 256 Кбайт.

Таблица 5 - Типы внутренней памяти и емкость запоминающих устройств ПК

Тип памяти или накопителя	Емкость	Время доступа, tобр , мкс[1]
МПП	Десятки байт	0,001-0,004
КЭШ-память	Сотни Кбайт	0,002-0,005
Основная память
ОЗУ	Десятки – сотни Мбайт	0,07-0,1
ПЗУ	Сотни Кбайт	0,07-0,2

Внешняя память включает в себя:

а). Дисковые накопители:

·  накопители на жестких магнитных дисках – НЖМД – типа «винчестер» (рассмотрели отдельно);