Теоретические основы информатики доцент кафедры Бизнес

Теоретические основы информатики доцент кафедры Бизнес - информатики Ямпольский Владимир Леонидович

Лекции 18 часов Семинары 18 часа Экзамен 2

Литература: 1. Теоретические основы информатики: учебное пособие для студ. высш. учеб. заведений /В. Л. Матросов, В. А. Горелик. , С. А. Жданов и др. – М. : «Академия» , 2009. – 352 с. 2. Стариченко Б. Е. Теоретические основы информатики: Учебное пособие для вузов. 2 -е изд. перераб. и доп. - М. : Горячая линия - Телеком, 2003. 2. Луковкин, С. Б. Теоретические основы информатики: учеб. пособие / С. Б. Луковкин – Мурманск: Изд-во МГТУ, 2008. - 125 с. 3

Темы: 1. Понятие информационного общества, информатики и информации. 2. Представление и обработка информации в компьютере 3. Архитектура ЭВМ 4. Схемотехнические принципы построения ЭВМ 5. Элементы теории алгоритмов 4

1. Понятие информационного общества, информации и информатики.

Роль и значение информационных революций Первая революция связана с изобретением письменности, что привело к гигантскому качественному скачку. Вторая ( середина XVI в. ) вызвана изобретением книгопечатанья, которое радикально изменило индустриальное общество. Третья ( конец XIX в. ) обусловлена изобретением электричества, благодаря которому появились телеграф, телефон, радио. Четвертая (70 -е гг. XX в. ) связана с изобретением микропроцессорной технологии и появлением персонального компьютера.

Информационное общество – общество, в котором большинство работающих занято производством, хранением, переработкой и реализацией информации, особенно высшей ее формы знаний.

Характерные черты информационного общества : решена проблема информационного кризиса; обеспечен приоритет информации по сравнению с другими ресурсами; главной формой развития станет информационная экономика; в основу общества будут заложены автоматизированные генерация, хранение, обработка и использование знаний; информационная технология приобретет глобальный характер, охватывая все сферы социальной деятельности человека; формируется информационное единство всей человеческой цивилизации; свободный доступ каждого человека к информационным ресурсам всей цивилизации;

Роль информатизации в развитии общества Информатизация общества -организованный социально -экономический и научно – технический процесс создания оптимальных условий для удовлетворения информационных потребностей и реализации прав граждан, органов государственной власти, органов местного самоуправления, организаций, общественных объединений на основе формирования и использования информационных ресурсов.

Информационная культура – умение целенаправленно работать с информацией и использовать для ее получения, обработки и передачи компьютерную информационную технологию, современные технические средства и методы.

Понятие информатика Термин информатика возник во Франции (60 -е гг) для названия области человеческой деятельности связанной с автоматизированной обработкой информации с помощью ЭВМ информатика = информация + автоматика ОПР. : Информатика - единство разнообразных отраслей науки, техники и производства, связанных с процессами передачи и обработки ИНФОРМАЦИИ (главным образом с помощью компьютеров и телекоммуникационных средств связи).

Структура ИНФОРМАТИКИ Информатику можно представить как состоящую из трех взаимосвязанных частей Технических средств (hardware) информатика = Программных средств (software) Алгоритмических средств (brainware)

ИНФОРМАТИКА Техническая информатика · Производство технических средств · Производство программных продуктов · Разработка технологий переработки информации Фундаментальная наука · Методология создания информационного обеспечения · Теория информационных систем и технологий Прикладная дисциплина (для конкретных областей) · Изучение закономерностей в информационных процессах · Создание информационных моделей коммуникаций · Разработка информационных систем и технологий. Рекомендации. 13

Понятие информация ОПР. : Информация - сведения об объектах и явлениях окружающего нас мира. Объект - часть окружающего нас мира, Примечание. На самом деле, понятие рассматриваемая как единое целое. информации более широкое и в дальнейшем мы будем рассматривать его более подробно.

Информация и данные Информация – сведения об объектах и явлениях окружающей среды, их параметрах, свойствах и состоянии, которые уменьшают имеющуюся о них степень неопределенности, неполноты знаний. Сообщение – это информация, зафиксированная в некоторой форме: речи, текста, изображения, цифровых данных, графиков, таблиц и т. п. Данные – описание любого явления (или идеи), которое представляется достаточно ценным для того, чтобы его сформулировать и точно зафиксировать. 15

Свойства информации n n n n n Репрезентативность Содержательность Достаточность (полнота) Доступность Актуальность Своевременность Точность Достоверность Устойчивость 16

Виды информации ЗНАНИЯ ФАКТЫ ТЕКУЩИЕ СВЕДЕНИЯ ПРАВИЛА 17

Виды информации По содержанию Научная Политическая Социальная Бытовая Экономическая По форме Вербальная Знаковая Текстовая Графическая Табличная Формальные языки 18

ДЕЙСТВИЯ С ИНФОРМАЦИЕЙ ПОИСК ПРИЕМ ОБРАБОТКА ПЕРЕДАЧА ХРАНЕНИЕ ЗАЩИТА 19

Прием и передача информации Источник Кодирующее устройство Канал связи Декодирующее устройство Сигнал - это изменение физической среды, отображающее сообщение. Среда, по которой передается сообщение, и способ передачи называется каналом связи между источником и потребителем. Потребитель 20

2. Представление и обработка информации в компьютере 21

МЕРЫ ИНФОРМАЦИИ 22

Меры информации n n количество информации I; объем данных Vд Количество информации - это величина, которая выражает, насколько конкретное сообщение пополняет знания конкретного человека. 23

Энтропия – мера неопределенности состояния системы. - предварительные (априорные) сведения о системе Н( ) – неопределенность состояния системы (энтропия) - некоторое сообщение - неопределенность состояния системы после сообщения - количество информации 24

Количество информации Н( ) > 0 полная неопределенность Н( ) = 0 полная ясность Единицей количества информации является бит bit – binary digit – двоичная цифра 1 бит информации - это количество информации, уменьшающее неопределенность знаний в 2 раза. 25

x = log 2 N x – энтропия системы Эта формула была выведена в 1928 г. американским инженером Р. Хартли и носит его имя. Она связывает количество равновероятных состояний (N) и количество информации в сообщении (X). При N равнозначных (равновероятных) событиях x бит информации x 2 =N 26

Это знаменитая формула К. Шеннона*, с работы которого «Математическая теория связи» (1948) принято начинать отсчет информатики, как самостоятельной науки. В нашей стране практически одновременно с Шенноном велись подобные исследования, в 1948 г. вышла работа А. Н. Колмогорова «Математическая теория передачи информации» . 27

28

Кодирование информации Алфавит - конечный упорядоченный набор знаков, используемых для передачи сообщений. Слово - последовательность символов алфавита. Код - правило отображения одного алфавита в другой, а сама процедура - перекодировкой сообщения (или системой кодирования). Двоичный алфавит – {0, 1}. Каждый символ двоичного алфавита называется битом. Последовательность из 0 и 1 называется двоичным кодом. 29

Объем данных Vд в сообщении измеряется количеством символов (разрядов) в этом сообщении. Единицы измерения объема данных 1 бит – 1 символ в двоичном коде, наименьшая единица объема данных 1 байт (Б) = 8 бит 1 килобайт (КБ) = 210 байт = 1024 байт; 1 мегабайт (МБ) = 1024 КБ 1 гигабайт (ГБ) = 1024 МБ. 30

Единицы обработки и хранения данных Машинное слово – целое число байт, которые хранятся и обрабатываются как одно целое. Запись - совокупность машинных слов, которая хранится и обрабатывается как единое целое. Файл - совокупность записей, имеющая имя и хранящаяся во внешней памяти. Папка – совокупность файлов и других папок, имеющая общее имя и хранящаяся во внешней памяти. 31

Формы представления информации в компьютере Вопросы: 1. Позиционные системы счисления. 2. Перевод чисел из одной системы счисления в другую. 3. Формы представления чисел в ЭВМ. 4. Специальное кодирование. Прямой, обратный и дополнительный коды.

Системой счисления называют совокупность приемов построения, обозначения и наименования чисел. Система счисления характеризуется: • • набором символов (цифр): {a 0, a 1, a 2, …, a n - 1} – для записи чисел, т. е. конечный алфавит; основанием системы «q» ; способом записи (изображения) чисел; способом чтения (наименования) чисел.

Каждой цифре в записи числа сопоставляется определенное количество, которое называют количественным эквивалентом ЦИФРЫ обозначают (а). Количественным эквивалентом ЧИСЛА называется значение числа в десятичной системе счисления.

СИСТЕМЫ СЧИСЛЕНИЯ • Позиционные системы счисления – это системы , в которых КЭ любой цифры зависит от её местоположения (позиции) в записи числа. Пример: А 10= 373; / З / = 300, / 7 / = 70, / 3 / = 3 • Непозиционными системами счисления называют системы, в которых КЭ любой цифры не зависит от её места в записи числа. Пример: A /pcc/ = XIX; / X / = 10, / I / = 1, / X / = 10 A /pcc/ = CLXXII ; / C/=100, /L/=50, /X/=10 / I / =1

Характеристики позиционных систем • При n разрядов целой части и m разрядов в дробной: A = a n – 1 a n – 2 … a 2 a 1 a 0 , a – 1 a – 2 …a – m где а i – цифра i – го разряда числа; i – номер разряда. • Позиции имеют номера и называются разрядами числа. Количество разрядов для представления чисел в конкретной ЭВМ ограничено и определяется разрядной сеткой.

Характеристики позиционных систем • Разрядная сетка - фиксированная совокупность пронумерованных разрядов, применяемая для представления числовой информации. n– 1 … 2 1 0 Целая часть – n , – 1 – 2 … –m Дробная часть – m • Основание системы (q) - равно количеству используемых в системе цифр: 0, 1, 2, … , q – 1.

Характеристики позиционных систем • Вес разряда В i = q i , где i – номер разряда. Например: Для разрядов в десятичной системе имеем следующие веса: В 0 = 10 0 – единицы, В 1 = 10 1 – десятки, В 2 = 10 2 – сотни и т. д. • Количественный эквивалент цифры (a i): ai=Вi×ai

Разложение числа по степеням основания A(q) = a n – 1 × q n – 1 +…+ a 1× q 1 + a 0 × q 0 + + a – 1 × q – 1 + a – m × q – m где а i – цифра i – го разряда; i – номер разряда; q – основание системы счисления. Пример: А (10) = 628, 74 А(10) = 6 × 102 + 2 × 101 + 8 × 100 + 7× 10 - 1 +4 × 10 -2

Свойства позиционных систем • Максимальное число: Amax = qn – q - m 1 … 1 1 1 Целая часть – n , 1 1 … 1 Дробная часть – m • Минимальное число: Amin = q -m • • Количество чисел: N = q n + m Число разрядов, необходимое для представления N различных чисел: k = ] log q N [

Двоичная система счисления • Двоичная система счисления имеет основание q = 2 и алфавит, состоящий из двух цифр 0 и 1. • Вес разряда вычисляется как Bi = 2 i , где i – номер разряда. • Веса разрядов для n = 5, m = -5 i 5 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4 -5 1/ Bi 32 16 8 4 2 1 1/2 1/4 1/8 16 1/ 32

Двоичная система счисления • • • Достоинства: совместимость со значением логических функций; надежность физического представления двоичных цифр; наиболее экономичная по затратам оборудования; простотой реализации операции над числами. Недостатки: необходимость и трудоемкость перевода из 10 -ой в 2 –ую СС; трудность восприятия человеком.

Восьмеричная система счисления имеет основание q = 8 и использует для представления чисел цифры: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 и 7. Веса разрядов восьмеричной системы: i 3 2 1 0 -1 -2 -3 Bi 512 64 8 1 1/8 1/64 1/512

Шестнадцатеричная система счисления • Основание q = 16; • Алфавит: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B , C, D, E , F. Веса разрядов шестнадцатеричной системы: i 3 2 1 0 Bi 4096 256 16 1 -1 -2 -3 1/16 1/256 1/4096

Примеры СС СС Десятичная Двоичная Восьмеричная Алфавит 0, 1, 2… 9 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 Основание 10 2 8 Шестнадцатеричная 0, 1, 2… 9, A, B, C, D, E, F 16 45

Методы перевода чисел из одной системы счисления в другую 1. Метод непосредственного замещения. 2. Метод последовательного деления (умножения) на основание новой системы счисления. 3. Поразрядный метод перевода.

Метод непосредственного замещения Для перевода числа из q – ичной системы в p – ичную СС необходимо: 1. Представить число в виде разложения по степеням основания в q–ичной системе (старой системе счисления). 2. Все числа формулы представить в p – ичной (новой) системе и выполнить действия. Результат вычисления дает исходное число в новой системе счисления.

Метод непосредственного замещения Пример 1. Дано: А(2) = 1011, 01 Найти: А (10) = ? 1 шаг: А(2)= 1× 1011 + 0× 1010 + 1× 1001 + + 1× 1000 + 0× 10 – 01 + 1× 10 – 10 2 шаг: А(10) = 1 × 2 3 + 0 × 2 2 + 1 × 2 1 + +1 × 2 0 + 0 × 2 – 1 + 1× 2 – 2 = = 8 + 0 + 2 + 1 + 0 +1/4 = 11 1/4

Метод непосредственного замещения Пример 2. Дано: А(10) = 22 Найти: А(2) = ? 1 шаг: А(10) = 2∙× 10 1 + 2∙× 10 0 ; 2 шаг: А(2)=10 × 1010 01 + 10 × 10100 = 10100 + 10 = 10110

Метод последовательного деления Перевод целых чисел 1. Последовательно, сначала исходное число, затем получающиеся частные делить на основание новой системы (действия производить в старой системе). 2. Деление продолжать до получения частного, меньшего основания новой системы. 3. Последнее частное и остатки от деления в каждом шаге записать в порядке, обратном их получения.

Метод последовательного деления _157 156 1 2 78 2 А(10)=157; А(2)=? 78 39 2 ОТВЕТ: 0 38 19 2 A(2)=10011101 1 18 9 2 1 8 4 2 1 4 2 2 0 2 1 0 а 7 а 6 а 5 а 4 а 3 а 2 а 1 а 0

Метод последовательного умножения Перевод дробных чисел 1. Сначала исходное число, затем дробные части, получающиеся в каждом шаге, произведения умножить на основание новой системы. 2. Целые части, получившихся произведений, записать цифрами новой системы счисления в порядке их получения. 3. Вычисления прекращаются, если достигнута точность вычислений. (получено значение разряда, вес которого не больше веса младшего разряда исходного числа).

Метод последовательного деления (умножения) А(10)=0, 789; А(2)=? 0, 789 0, 156 0, 624 0, 496 0, 984 2 2 2 а 1 1, 578 а 30, 312 а 51, 248 а 70, 992 а 91, 968 0, 578 0, 312 0, 248 0, 992 0, 968 2 2 2 а 2 1, 156 а 40, 624 а 6 0, 496 а 81, 984 а 101, 936 ОТВЕТ: А(2)= 0, 1100100111

Метод последовательного деления (умножения) Перевод смешанных дробей 1. Целую часть числа переводим методом последовательного деления на основание новой системы. 2. Перевод дробной части числа выполняется методом последовательного умножения на основание новой системы.

Поразрядный метод перевода Возможен в случае, когда основание одной системы (p) является целой степенью основания другой системы (q) : p=q k , где k – целое число.

Поразрядный метод перевода Для перевода двоичного числа в восьмеричную (шестнадцатеричную) систему достаточно разбить его вправо и влево от запятой на триады (тетрады) и заменить их цифрами восьмеричной (шестнадцатеричной) системы. Если при разбиении крайние группы окажутся неполными, их следует заполнить нулями.

Поразрядный метод перевода Из восьмеричной (шестнадцатеричной) системы в двоичную перевод выполняется заменой каждой восьмеричной (шестнадцатеричной) цифры двоичной триадой (тетрадой).

Восьмеричная и шестнадцатеричная СС 10 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 2 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 8 0 1 2 3 4 5 6 7 10 11 12 13 14 15 16 17 16 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F 58

Быстрый перевод из 2 -й в 8 -ю и 16 -ю СС 00100111011000001 1 1 4 7 3 0 1 0100111011000001 4 C E C 1 59

• Разрядная сетка - фиксированная совокупность пронумерованных разрядов, применяемая для представления числа. Зн n– 1 … 1 0 Целая часть – n , – 1 – 2 … –m Дробная часть – m • Основание системы (q) - равно количеству используемых в системе цифр: 0, 1, 2, … , q – 1.

Формы представления чисел • естественная форма или форма с фиксированной запятой; • нормальная форма или с плавающей запятой.

Естественная форма представления чисел (с фиксированной запятой) Целые числа: Зн an-1 an-2 an-3 an-4 ……. . a 0

Естественная форма представления чисел (с фиксированной запятой) Дробные числа : Зн, a-1 a-2 a-3 …. . . ……. a-m

Естественная форма представления чисел (с фиксированной запятой) Смешанная форма: Зн an-1 an-2 …. a 0 , a-1 a-2 a-3 . . a-m

Нормальная форма представлений чисел Число представленное в нормальной форме, записывается в следующем виде: А = ±Ма×q ±P, где m – мантисса числа; q – основание системы счисления; p – порядок числа.

Нормальная форма представлений чисел Число называется нормализованным, если модуль мантиссы больше нуля и меньше единицы: 0< |m|< 1 Пример: N 10 = 216, 32 в нормализованном виде: N 10 = 0, 21632 · 103 Числа в памяти ЭВМ обычно хранятся в нормализованном виде.

Нормальная форма представления чисел с нормализованной мантиссой Знак , Мантисса мантиссы числа Знак порядка Порядок числа Зн. М , М-1 М-2 … М- R Зн. П ПL-1 ПL- 2. . П 0 где R – разрядность мантиссы, L – разрядность порядка

Особенности и ограничения при представлении двоичных чисел в ЭВМ 1. Для знака в сетке выделяется специальный знаковый разряд: для «+» 0 для «-» 1 2. Вычитание чисел заменяется алгебраическим суммированием: A – B = A + (-B) 3. При сложении чисел обработка всех разрядов (в т. ч. и знаковых) осуществляется по единым формальным правилам.

ПРЯМОЙ КОД Прямой код [X]пк числа Х образуется добавлением к Х, взятому без знака, одного знакового разряда слева. X при X ≥ 0; знаковый = 0 [X]ПК= 1+|X| при X< 0; знаковый = 1 Пример. А = - 0, 1011 В = + 0, 0101 Тогда: [A]ПК = 1, 1011 [B]ПК = 0, 0101

Правила получения ОК ОК положительных чисел равен ПК и для дробных чисел совпадает с самим числом. • Для получения ОК отрицательных чисел необходимо проинвертировать все разряды числа, представленного в ПК, за исключением знакового (в знаковом разряде оставить 1). Пример: [A] ПК = 1, 1011 [A]ОК = 1, 0100 [B] ПК = 0, 1011 [B] ОК = 0, 1011 •

Правила получения ДК ДК положительных чисел равен прямому коду. • • Для получения ДК отрицательных чисел необходимо проинвертировать все разряды числа, представленного в ПК, за исключением знакового, и добавить единицу в младший разряд (в знаковом разряде оставить 1).

Правила получения ДК Пример: [А]ПК = 0. 1001 [А]ДК = 0. 1001 [А]ПК = 1. 1001 1. 0110 – инвертирование + 1 – в младший разряд добавляем 1 [А]ДК = 1. 0111

Кодирование символов 1 символ = 1 байт Американский стандартный код обмена информацией American Standard Code for Information Interchange ASCII 73

Таблица ASCII- кодов 74

Другие кодировки q CP 866 (DOS-альтернативная) q CP 1251 (RFC 1489) (Windows-1251) q KOI-8 R (ISO-IR-111; ГОСТ 19768 -74) q Macintosh Cyrillic q ISO-8859 q Unicode (двухбайтная кодировка) 75

Кодирование изображения Пиксел – маленькая цветная "точка" pixel – Picture Element, (элемент картинки) Разрешение – характеристика устройства вывода, показывающая плотность расположения пикселов dpi – Dot Per Inch (точек на дюйм) 76

Разрешение различных устройств монитор около 90 dpi; матричный принтер струйный принтер лазерный принтер фотонаборный аппарат, сканер около 150 dpi (в режиме повышенного качества); 300 dpi и более; 300 dpi, 600 dpi и более; 1200 dpi и более. 77

Кодирование цветовой палитры на мониторе Черно-белая 1 бит 256 цветов 1 байт True Color 3 байта Red-Green-Blue 2563=224 16 млн. оттен. 2 байта (по 5 бит/цвет) 216 = 32768 оттенков 1 байт High Color Indexed Color 78

Кодирование цветовой палитры на принтере 1 байт CMYK – Cyan-Magenta-Yellow-blac. K голубая сиреневая желтая черная 79

Два вида компьютерной графики Растровая – изображение строится из точек Векторная графика - изображение строится не из точек, а из графических примитивов: простейших геометрических фигур (линий, прямоугольников, окружностей, дуг и пр. ). В этом случае кодируется не сам рисунок, а правила его построения. 80

Сравнительная характеристика Растровая Векторная Построение Из пикселей (точек) Из графических примитивов Редактирование По пикселям Каждый объект в отдельности Качество изображения Возможны полутоно. Всегда существует вые переходы четкая граница между Изображение близко к объектами (искусственный вид) художественному 81

Сравнительная характеристика Растровая Векторная Масштабированиe Портит изображение Без потери качества Объем занимаемой памяти Много занимает места Существенно меньше Применение Художественная графика Чертежи, схемы, эмблемы 82

Кодирование звука АЦП – аналогово-цифровой преобразователь ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь 83

Теорема отсчетов, доказанная в 1933 г. В. А. Котельниковым Непрерывный сигнал можно полностью отобразить и точно воссоздать по последовательности измерений или отсчетов величины этого сигнала через одинаковые интервалы времени, меньшие или равные половине периода максимальной частоты, имеющейся в сигнале. 84

Кодирование звука Вид звука Отсчеты записи на компакт-диски 16 -битные Речь 8 -битные Телефонные линии Частота 44100 Гц 8000 Гц 3000 Гц 85

Кодирование звука MIDI (Musical Instrument Digital Interface цифровой интерфейс для музыкальных инструментов) – стандарт, определяющий систему кодов нотной записи, а также физические характеристики линий передачи, протоколы связи и пр. 86

Архитектура компьютера Архитектура определяет n принципы действия; n информационные связи; n взаимное соединение основных логических узлов компьютера 87

Классическая (неймановская) архитектура компьютера Джон Нейман (США) 1945 г. 88

Принципы классической (неймановской) архитектуры ЭВМ 1. Основные компоненты ЭВМ Устройство ввода (УВв) Устройство вывода (УВыв) Устройство управления (УУ) Запоминающее устройство (ЗУ) Арифметикологическое устройство (АЛУ) 89

Принципы классической (неймановской) архитектуры ЭВМ 2. Хранение данных и команд в памяти (реализован наличием ЗУ) n Адресность памяти – память состоит из пронумерованных ячеек, каждая из которых имеет уникальный адрес; n Для чтения и записи данных в память надо указать адрес; n Однородность памяти – данные и команды хранятся в памяти на равноправных началах. 90

Принципы классической (неймановской) архитектуры ЭВМ 3. Принцип программного управления Программа - совокупность команд определяющих последовательность действий компьютера Команда (машинная) – элементарная инструкция, выполняемая автоматически КОМАНДА КОП А 1 А 2 А 3 91

адрес первой команды Принципы классической (неймановской) архитектуры ЭВМ Функция устройства управления – • прочесть очередную команду; • расшифровать ее; • подключить необходимые цепи и устройства для ее выполнения. чтение формирование очередной адреса выполнение команды из памяти очередной команды и расшифровка команды ее содержания; 92

Принципы классической (неймановской) архитектуры ЭВМ Управляющие сигналы и потоки информации Устройство ввода Устройство вывода Устройство управления Запоминающее устройство Арифметикологическое устройство 93

Принципы классической (неймановской) архитектуры ЭВМ 4. Последовательное выполнение операций 5. Двоичное кодирование 6. Использование электронных элементов и электрических схем 94

Функциональная и структурная организация ЭВМ

Структура компьютера — это некоторая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия входящих в нее компонентов. Структура компьютера — это техническая реализация основных принципов классической архитектуры на конкретном историческом этапе развития информационно-коммуникационных технологий. 96

Структура современного ПК Центральная часть Процессор Внутренняя память АЛУ +УУ ОЗУ ПЗУ КЭШ Периферийная часть Внешняя память Устройства Ввода, вывода, обмена СИСТЕМНАЯ ШИНА 97

Central Структура системной платы Processing Unit Тактовый генератор Read-Only Memory ОЗУ (RAM) Назад Центральный процессор (CPU) Сопроцессор Слоты ПЗУ КЭШ(ROM) память Random Контроллеры ПУ Access Memory 98

Основные отличия современного ПК от классической архитектуры Внешняя память • Предназначена для долговременного хранения 1. Выделение центральной и периферийной информации независимо от частей того, работает ЭВМ или нет. 2. Объединение в одном функционально • Характеризуется она более законченном модуле (процессоре) двух низким быстродействием, устройств: устройства управления и • НО! Позволяет хранить арифметико-логического устройства. существенно больший объем 3. Разделение информации по сравнению с памяти на внутреннюю и внешнюю. оперативной памятью. 4. Реализация принципа открытой архитектуры. 99

Принципы построения и функционирования ЭВМ

Принцип открытой архитектуры Модульность - это построение компьютера на основе набора модулей. Модуль – конструктивно и функционально законченный электронный блок в стандартном исполнении. Это означает, что с помощью модуля может быть реализована какая-то функция либо самостоятельно, либо совместно с другими модулями. Конфигурация - набор модулей, из которых состоит конкретный компьютер. 101

Принцип открытой архитектуры n Регламентируются и стандартизируются только описание принципа действия компьютера и его конфигурация; n Компьютер легко расширяется за счет возможности подключения через слоты разнообразных устройств, удовлетворяющих заданному стандарту 102

ЭТАПЫ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ НА КОМПЬЮТЕРЕ

Понятие компьютер ОПР. : КОМПЬЮТЕР – это универсальное (многофункциональное) электронное автоматическое устройство, предназначенное для накопления, Компьютер обработки и передачи информации. современный инструмент работы с устройство информацией обработки информации. универсальное компьютер - это электронное автоматическое для накопление обработка передача

Этапы обработки информации на компьютере ПРЕОБРАЗОВАНИЕ моделирует процесс ДАННЫХ КОМПЬЮТЕР – обработки информации человеком ХРАНЕНИЕ (этапы обработки информации ДАННЫХ человеком совпадают с этапами обработки информации компьютером). ВЫВОД ВВОД ДАННЫХ Ввод данных ДАННЫХ Хранение данных Преобразование данных Пользователь Вывод данных

Аппаратное обеспечение компьютера Для выполнения этапов обработки информации компьютер использует различные устройства, которые составляют его аппаратное обеспечение. Аппаратное обеспечение персонального компьютера — устройства (оборудование), которые используются для обработки информации

Аппаратное обеспечение компьютера устройства ввода Устройства обработки и преобразования информации … … устройства вывода

0100011 У-ва ВВОДА Звуки, буквы, цифры, рисунки. . . Ч Устройства ввода - устройства преобразования информации, понятной человеку, в форму, доступную для обработки в компьютере.

ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТР-ВА ОЗУ ВЗУ Системная ШИНА Оперативная память, или Оперативное Запоминающее устройство (ОЗУ), !!! После выключения ПК вся У-ва предназначена для хранения информации, изменяющейся информация из ОЗУ СТИРАЕТСЯ !!! в ВВОДА ходе выполнения процессором операций по ее обработке. КРАТКОВРЕМЕННОЕ ХРАНЕНИЕ ИНФОМАЦИИ Ч

CPU ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТР-ВА ОЗУ ВЗУ Системная ШИНА CPU - Центральное устройство ПК, обеспечивающее: У-ва 1. Управление работой всех устройств ПК; 2. ВВОДА Преобразование информации (операндов); 3. Выполнение находящихся в ОЗУ команд программ, работающих на ПК. Ч

CPU ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТР-ВА ОЗУ ВЗУ Системная ШИНА У-ва ВВОДА Ч У-ва ВЫВОДА

CPU ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТР-ВА ОЗУ ПЗУ ВЗУ Системная ШИНА Постоянная память, или Постоянное Запоминающее Устройство (ПЗУ) У-ва – память только для чтения. У-ва чтения ВВОДА Ч ВЫВОДА !!! ПЗУ содержит программы начальной загрузки и тестирования узлов компьютера !!!

Обобщенный формат команды КОП СА Адресная часть Длина команды R K = R КОП + R СА + Σ R Ai

Четырехадресный формат команды Адрес 1 -ый 2 -ой КОП операнд Результат следующей команды Трехадресный формат команды 1 -ый 2 -ой КОП операнд Результат

Двухадресный формат команды КОП 1 -ый операнд 2 -ой операнд Одноадресный формат команды 1 -ый или 2 -ой КОП операнд Полутораадресный формат команды КОП Регистр 2 -ой операнд

Стандартный цикл команды Выборка команды Операнды Вычисление адреса команды Запись рез - та Выборка операндо в Декодирование кода операции Вычисление адреса операнда Результаты Операция с данными Вычисление адреса рез - та Строка или массив Следующая команда

Запоминающие устройства ПК

Виды запоминающих устройств Регистровая КЭШ-память Основная память Постоянная Оперативная Внешняя память

Регистровая Кэш-память системный блок Регистровая Кэш-память основная – буферная быстродействующая память, автоматически постоянная оперативная ГТИ используемая ПК для ускорения операций с информацией, хранящейся в более медленно КЭШКЭШЦПУ действующих ЗУ. Например, может быть системная шина память 2 1 использована для ускорения операций с ОП регистровая КЭШ память внутри МП (КЭШ Внешняя память 1 го уровня) или вне МП на материнской память плате (КЭШ память 2 го уровня) Кэш-память не доступна для пользователя

ОСНОВНАЯ ПАМЯТЬ Основная память содержит оперативное (RAM – Random Access Memory) и постоянное (ROM – Read Only Memory) запоминающие устройства.

ОПЕРАТИВНАЯ ПАМЯТЬ Оперативную память можно Оперативная память, или Оперативное представить как совокупность Запоминающее устройство (ОЗУ), ячеек памяти. В каждую ячейку предназначена для хранения слово. можно записать машинное информации, изменяющейся в ходе Машинное слово – фиксированная выполнения упорядоченная последовательность процессором операций по ее обработке. битов, рассматриваемая аппаратной частью компьютера как единое целое. В оперативной памяти в виде машинных слов хранятся как данные, так и программы.

Свойства ОЗУ Энерго. Дискретность Произвольный Адресуемость зависимость структуры доступ Адресуемость структурыячейка памяти имеет свой Произвольный доступ – обусловлена его Дискретность – каждая ОЗУ, это возможность как Энергозависимость – представление ОЗУ !!!совокупности ячееккпамяти. компьютера После который и структурой. памяти. номер, выключения памяти. обращения является ее адресом. физической ячейке объем информация из оперативной памяти стирается !!! Физически для построения ОЗУ используют микросхемы динамической и статической памяти, для которых сохранение бита информации означает сохранение электрического заряда.

ПОСТОЯННАЯ ПАМЯТЬ Постоянная память, или Постоянное Запоминающее Устройство (ПЗУ) – память только для чтения ПЗУ строится на основе установленных, на материнской плате модулей (кассет) и используется для хранения неизменяемых загрузочных программ ОС, программ тестирования устройств, некоторых драйверов базовой системы ввода/вывода (BIOS) и др. Из ПЗУ можно только считывать информацию, запись в ПЗУ осуществляется вне ПК в лабораторных условиях. Модули ПЗУ имеют емкость, как правило, не превышающую нескольких сот килобайт. ПЗУ – энергонезависимое ЗУ. .

Свойства ПЗУ Энерго. НЕзависимость Сохранение информации после выключения компьютера Возможность перепрограммирования только в лабораторных условиях

ВНЕШНЯЯ ПАМЯТЬ Внешняя память позволяет сохранить информацию после выключения компьютера.

Внешние ЗУ Дисковые Ленточные Бобинные Кассетные Магнитные Оптические Смешанные стриммеры СD ZIP Сменные Накопители на гибких магнитных дисках - ДИСКЕТЫ Несменные Накопители на жестких магнитных дисках - HDD

МИКРОПРОЦЕССОР (CPU) Микропроцессор – функционально Микропроцессор (Central Processing Unit законченное программно-управляемое устройство обработки информации, (СPU)) – ЦЕНТРАЛЬНОЕ устройство выполненное в виде одной или нескольких компьютера БИС (СБИС)

Назначение процессора Управление работой всех устройств компьютера Преобразование информации (операндов) = Обработка информации Внешняя память

Структура процессора Арифметико. Устройство Микропроцес. Логическое Интерфейсное Управления сорная память устройство (МПП) (УУ) (АЛУ) Выполнение процессором команды предусматривает: Блок Математический целочисленных сопроцессор • арифметические действия; L 1 -КЭШ операций (FPU) • логические операции; L 2 -КЭШ • передачу управления; • перемещение данных из одного места памяти в другое

ВНУТРИМАШИННЫЙ СИСТЕМНЫЙ ИНТЕРФЕЙС Для обеспечения работы компьютера, необходимо обеспечить взаимодействие между всеми его блоками

Варианты организации внутримашинного системного интерфейса Многосвязный внутримашинный системный интерфейс Односвязный внутримашинный системный интерфейс Все ПК связан с Каждый блоки ПК связаны друг с другом через прочими блоками своими системную шину локальными проводами (NOW) (RETRO)

СИСТЕМНАЯ ШИНА Системная шина – основная интерфейсная система современного ПК, обеспечи вающая сопряжение и связь всех его устройств между собой. Системная шина – это набор электронных линий, связывающих центральный процессор, основную память и периферийные устройства воедино относительно передачи данных, служебных сигналов и адресации памяти.

Структура системной шины Кодовая шина данных (КШД) Кодовая шина адреса инструкций (КША) (КШИ) Шина питания Содержит провода и схемы для подключения Провода и схемы сопряжения для параллельной передачиво все разрядовкода адреса параллельной ПК к системе энергопитания передачи инструкций всех разрядов числового блоков передачи всех блоки компьютера ячейки памяти или порта слова) операнда кода (машинного ввода-вывода внешнего устройства

НАПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ CPU ОП CPU ВУ ВУ ОП

Разрядность шины – количество бит информации, передаваемое по шине параллельно Разрядность ША характеризует Производительность системной максимально допустимый объем шины определяется ее пропускной адресуемой памяти способностью. Пропускная Разрядность ШД определяет размер способность системной шины = передаваемого машинного слова f (разрядности)

Понятие адаптер Присоединение внешних устройств к системной шине производится посредством контроллеров, часто называемых адаптерами (видеоадаптер, адаптер НЖМД, адаптер НГМД, адаптер принтера и т. д. ).

СИСТЕМНАЯ ПЛАТА Конструктивно составные части системного блока и системная шина расположены на системной плате Виды системных плат Одноплатная All-In-One Шиноориентированная содержит все устройства, необходимые для работы Материнская плата Дочерние платы компьютера ) (Motherboard (платы расширений)

Теоретические основы информатики доцент кафедры Бизнес — информатики