Лекции по информатике
Лекции по информатике
Определения: Информатика — наука, изучающая законы и методы накопления и переработки… Информатика — родовое понятие, охватывающее все виды человеческой деятельности, связанные с применением ЭВМ.Представление информации
В электронно-вычислительной аппаратуре
Количественные оценки величины информации основаны на том, что данные, предназначенные для обработки хранения и восприятия, не известны заранее с… Информация в технических средствах передается с помощью сообщений кодируются с… В большинстве реальных процессов сигналы являются функцией времени, то есть являются аналоговыми сигналами.Некоторые сведения об арифметических операциях
Над двоичными числами
Как правило, над двоичными числами выполняются две операции — сложение и умножение.
0 +0 = 0
0 + 1 = 1
1 + 0 = 1
1 + 1 =10
Прямой, обратный и дополнительный коды
Для выполнения арифметических операций применяются специальные коды, что особенно необходимо при сложении и вычитании чисел, имеющих разные знаки. Для обозначения знака двоичного числа используются дополнительный разряд или число, кодирующиеся либо «−», либо «+». Как правило, 0 — это «+» и 1 — «−». Обратный код представляет собой двоичное число, дополняющее число, записанное в прямом коде, до его максимального значения.
1010 — прямой код
0101 — обратный код (нужен, напр., для вычитания)
Форма представления чисел
С фиксированной и плавающей точкой
Для представления информации в ЭВМ есть две формы: с фиксированной и плавающей точкой. Запись с плавающей точкой используется в больших массивах чисел и с числами, имеющими большое число позиций.
5 ∙ 106 = 5 000 000
Запись с фиксированной точкой используется в небольших электронно-вычислительных устройствах: при измерении информации с помощью датчиков, работе в реальном масштабе времени.
Способы физического представления двоичных чисел
Для передачи двоичных чисел по реальным физическим каналам используются 3 основных способа:
1. Последовательный (информация перелается по битам). Применяется для больших расстояний (больше 50 м) и является самым медленным. Все компьютерные сети с последовательной передачей цифр.
2. Последовательно-параллельный. Информация передается параллельно по битам и последовательно по байтам. Передаются 8 разрядов и знак.
3. Параллельный. Расстояние до 1 метра. Используется внутри компьютера.
Коды, используемые для передачи двоичных сообщений
Униполярный код — такой, у которого 0 и 1 передаются сигналами одной полярности.Понятие об архитектуре компьютера
Архитектура — это организация процесса хранения и обработки информации и условие совместного функционирования аппаратных и программных средств.…Функции устройств
АЛУ осуществляет арифметические и логические операции над вводимыми в него машинными словами.
УУ автоматически, без участия человека, управляет вычислительными процессами, посылая всем другим устройствам сигналы, предполагающие те или иные действия.
ОП — внутренняя память вычислительного устройства, к которой постоянно обращается процессор для получения команд и данных.
ПЗУ позволяет прочитать только то, что в ней записано.
Внешняя память — магнитные ленты, диски и т.д.
Основные параметры вычислительных устройств
1. Общий коэффициент производительности — отношение производительности к сумме двух слагаемых: стоимости вычислительного устройства и стоимости эксплуатации.
2. Производительность, вычисляемая по формуле:
Кs — вес (сложность) какой-либо команды.
Ts — время выполнения команды.
3. Быстродействие — время, затраченное на выполнение какой-либо операции.
Время передачи из регистра в регистр — простейшая операция, относительно которой измеряется быстродействие.
Частотные характеристики
1. Число разрядов в машинном слое.
2. Скорость выполнения основных видов команд.
3. Емкость оперативной памяти.
4. Скорость обмена между ядром и периферией.
5. Тактовая частота кварцевого генератора.
Исторические аспекты
Идея программного выполнения арифметических действий родилась в 1833 году у Ч. Бэббиджа. Впервые идея реализована в 1942 году в США и Германии на электромагнитных реле. Дальнейшее развитие — в 1945 году две модели реализации.
Гарвардская модель — предполагалось использовать для команд и данных два отдельных компьютера и два раздела в оперативной памяти.
Фон Шейнен — данные и команды передаются по общей шине.
Элементная база и простота общения машины и человека
Элементная база:
Машины для сложных научных экспериментов.
2-я половина 60-х годов — полупроводниковые диоды и транзисторы.
ПВМ 360 — интегрированные схемы низкого уровня интеграции.
Интегрированные схемы высокого уровня интеграции.
Основные направления технического развития
Средств вычислительной техники
Сверхпроизводительные ЭВМ, в которых быстродействие увеличивалось за счет создания мультипроцессорных систем.
Персональные ЭВМ.
Микро-ЭВМ — микропроцессоры.
Логические элементы электронно-вычислительной аппаратуры
Любая операция в компьютере в своей основе определяется реакцией на воздействие двух цифр — 0 и 1.
Если логические состояния на входе логической системы и на ее выходе однозначно связаны, то она называется комбинационной схемой.
Если состояние логической схемы может меняться, и внутри нее заложено некоторое запоминающее устройство, позволяющее изменять при необходимости (программировать) реакцию выхода, то такая схема называется цифровым автоматом.
Комбинационная схема
Задается функцией y = f(x), где y — отклик, а х — комбинации воздействия.
Первый способ задания функции — с помощью таблиц истины.
| x1 | x2 | xn | y |
Основные операции — логического сложения, умножения, инверсии (AND, OR, NOT).
| 
|
Основные операции булевой алгебры
Булева функция представляет собой зависимость y = f(x1 … xn), где x = [0; 1], y = [0; 1]
1. Логическое сложение (OR).
Обозначение:
Таблица истинности:
0 + 0 = 0
0 + 1 = 1
1 + 0 = 1
1 + 1 = 1
Схема на диодах:
2. Конъюнкция, логическое умножение.
Таблица истинности:
0 • 0 = 1
1 • 0 = 0
0 • 1 = 0
1 • 1 = 0
3. Инверсия (NOT).
Некоторые правила булевой алгебры
Принцип сложения с 0 и 1
X + 0 = X
X + 1 = X
X +X = X
Умножение переменной на 0 и 1
X • 0 = 0
X • X = X
X • 1 = X
Принцип сочетания:
X1 + X2 + X3 = (X1 + X2) + X3 = X1 + (X2 + X3)
Построение логической комбинационной схемы
По заданной функции
Логических схем И, ИЛИ, НЕ достаточно для построения любых комбинационных схем, и эта комбинация является функционально полной. Однако с точки зрения технологии эта система является избыточной, и, используя правило Де-Моргана, можно построить любую комбинацию схем из однотипных элементов И-НЕ, ИЛИ-НЕ.
Функция И-НЕ — функция Шеффера.
Функция Пирса — ИЛИ-НЕ
Построение комбинационно-логической системы
По заданной функции
Основные функциональные элементы,
Реализуемые в логических схемах
Инвертор
Функция запрета
Правило минимизации логических функций
Прибавление однотипных членов
Х + Х = Х
2. Умножениеотдельных членов на функцию вида
3. Выделение слагаемых типа
Генераторы и триггеры
Основа генератора, как и любой логической системы, используемой в вычислительной технике, является транзисторно-транзисторная логика и… Все генераторы делятся на три типа:Статический триггер
О — прямой выход
Р — инверсный выход
S — сет (Set), установка
R — Reset
Не воспринимает единицу на двух своих входах.
| S = 1 | Q = 1 | P = 0 |
| R = 1 | Q = 0 | P = 1 |
Основным недостатком таких триггеров является то, что в них возможен эффект состязания. Смысл эффекта в том, что возможен запрос на считывание тогда, когда информация еще не записалась.
Для того, чтобы этого эффекта избежать, используется синхронизация, и дополнительный вход в триггерах — вход синхронизирующий, не позволяющий совершить последующие действия до завершения предыдущей.
Логическая схема RS-триггера
Логическая схема RS-триггеров, которые являются основой для построения, содержат в своей основе логические схемы ИЛИ-НЕ (логическое сложение и инверсию).
Память работает только при выключенном питании.
Для того, чтобы обеспечить режим синхронизации, используются дополнительные элементы, разрешающие переключение триггера только в момент прихода синхросигнала. Для этого перед входом RS-триггера ставятся дополнительные элементы И.
Синхронный RS-триггер
Разновидности триггеров
D-триггеры называются триггерами задержки. Они отличаются тем, что информация на входе в n-ном такте соответствует информации, записанной в n−1-ном такте.
JK-триггеры
Особенность их в том, что триггер меняет состояние на выходе при реализации неопределенности типа S = 1, R = 1.
Число импульсов на выходе в два раза меньше, чем на входе.
Функциональные узлы
1. Регистры являются основными элементами оперативной памяти и вспомогательных операций над двоичными числами. Основным элементом регистра является… 1. Сброс регистра (обнуление всех ячеек памяти). 2. Запись информации в регистр.Функциональные узлы вычислительных устройств
Память ЭВМ
Память делится на внутреннюю и внешнюю. Внутренняя память входит в ядро процессора и, как правило, является адресной. Основными параметрами,… 1. Емкость памяти — максимальное количество данных, которые могут храниться в… 2. Удельная емкость памяти — отношение емкости памяти к ее физическому размеру.Периферийные устройства
К периферийным устройствам относятся внешняя память (НЖМД, CD-ROM), элемент управления (мышь), клавиатура, дисплей, печатающее устройство, устройство связи.
Интерфейс
Системный элемент, который позволяет обмениваться информацией между элементами, входящими в систему. Состоит из: 1. Модуль управления процессом обмена информацией. 2. Шинная система.Типы протоколов обмена информацией в сетях
Протокол — правило, по которому происходит обмен информацией.
Различают протокол установки связи и протокол обмена.
Возможны следующие основные типы протоколов: дуплексные (данные от источника к приемнику передаются в двух направлениях), полудуплексные (данные передаются в любом направлении, но по очереди) и симплексные (данные передаются только в одном направлении).
По способам разделения информационных каналов во времени можно обозначить два способа: синхронный и асинхронный. Синхронная передача отличается большой скоростью, так как передаваемая информация пересылается большими информационными блоками, и отдельные фрагменты выделяются специальными символами. Асинхронная передача подразумевает передачу каждого байта информации, снабженного стартовыми и стоповыми битами.