Информатика_Гуда

Глава 1. Предмет и задачи информатики

2) представления чисел с фиксированной точкой.

Формой представления чисел с фиксированной точкой называется запись числа в виде последовательности цифр, входящих в изображение данного числа, где в качестве разделителя целой и дробной части используется точка (запятая).

Примеры:

11.994310; 111.010012.

Формой представления чисел с плавающей точкой представление числа в виде двух множителей N = M × B p , где M — мантисса числа; B — основание системы счисления; р — порядок, записываемый в выбранной системе счисления.

Если M удовлетворяет неравенству 1B ≤ M < 1 , то число N и само представление нормализованное. В любой системе счисления это неравенство означает, что мантисса числа меньше 1, и ее первая цифра после запятой отлична от нуля. При этом порядок числа может быть как положительным, так и отрицательным. Порядок указывает, на какое количе- ство позиций и в каком направлении должна «переплыть», т. е. сместиться десятичная точка в мантиссе. Отсюда название «плавающая точка».

Пример:

Десятичные числа 0.00379; 0.0379; 0.379; 3.79; 37.9 в нормализованном виде записываются соответственно: 0.379 10-2; 0.379 10-1; 0.379; 0.379 101; 0.379 102.

Âсовременных компьютерах используются обе формы представления чисел.

Число бит для хранения мантиссы и порядка зависит от типа данных

ñплавающей точкой.

Âотличие от целых чисел, которые всегда представляются в памяти ЭВМ абсолютно точно, значения вещественных данных определяют числа лишь с некоторой конечной точностью, зависящей от внутреннего представления числа.

Алгоритм представления числа с плавающей запятой

1) перевести число из p-ичной системы счисления в двоичную;

2) представить двоичное число в нормализованной экспоненциальной форме;

3) рассчитать смещ¸нный порядок числа;

4) разместить знак, порядок и мантиссу в соответствующие разряды сетки.

Пример:

Представить число — 25,625 в машинном виде с использованием 4- байтового представления (где 1 бит отводится под знак числа, 8 бит — под смещ¸нный порядок, остальные биты — под мантиссу).

21

Информатика

2510=1000112

0,62510=0,1012 –25,62510= –100011,1012

–100011,1012 = –1,000111012 · 24

В разряд S записывается 12. В разряды порядка P записывается кодовая комбинация 100002 (24). В разряды мантиссы М записывается кодовая комбинация 000111012.

Представление графической информации

Существует два способа представления графической информации: растровая и векторная графика.

Растровое изображение состоит из множества маленьких точек, у каждой из которых может быть свой цвет и яркость. Точки выстроены как в таблице: по строкам и столбцам. Из них получается изображение (рис. 1.1). Благодаря маленькому размеру, отдельные точки не видны (или малозаметны), и созда¸тся впечатление однородной картины. Минимальный элемент, из которого состоит растровое изображение, называется пикселем (от англ. picture element).

Для хранения растрового изображения в памяти компьютера необходимо хранить информацию о цвете каждого пикселя.

Растровый способ представления изображений прекрасно подходит для хранения фотографий и видеофрагментов.

Редактирование растровой графики заключается в изменении цветов пикселей. Это удобно в том случае, когда нужно изменить мелкие детали изображения или применить какой-либо визуальный эффект (например, эффект «размытия» изображения).

Однако изображение, представлен-
ное в растровом виде, не хранит ника-
койинформацииоформеобъектов.Фор-
ма получается в мозгу человека за сч¸т
разницы цветов соседних пикселей. По-
этому редактировать форму объектов,
представленных растровым способом,
достаточно сложно.
Другой способ представления графи-
ческой информации — векторная гра-
фика. Основными элементами вектор-
ной графики являются простые геомет-	Рис. 1.1

22

Глава 1. Предмет и задачи информатики

рические фигуры, которые хранятся в памяти компьютера в виде математических формул и числовых параметров. Например, отрезок зада¸т- ся координатами первой и второй точки, а окружность — координатами центра и радиусом. Из простейших фигур складываются более сложные. Каждая фигура может иметь собственный цвет. Область, ограни- ченная несколькими линиями, может быть закрашена определенным цветом или особым способом (например, заштрихована). Простейшие элементы, из которых состоит векторное изображение, называются примитивами.

Обычнопримитивамиявляютсясамыебазовыегеометрическиеобъекты: точки и отрезки. Иногда к примитивам относят и другие фигуры: квадрат, окружность, прямоугольник, эллипс и т. д. Отрезок может быть как прямым, так и кривым (рис. 1.2). Прямые отрезки задаются координатами крайних точек, а для кривых отрезков задаются дополнительные параметры, которые определяют степень и форму кривизны. Отрезки могут иметь и другие параметры, например,цветитолщину.Изотрезковможнополучитьразличныефигуры,втомчисле и замкнутые. Замкнутые фигуры могут иметь определ¸нный цвет или стиль внутренней закраски. Совокупность фигур и

отрезков может изображать какой-то	Рис. 1.2

объект, который тоже может иметь определ¸нные параметры, например, название, размер, угол наклона.

Таким образом, для хранения векторного изображения необходимо хранить координаты и дополнительные параметры примитивов, фигур и объектов и взаимосвязи между ними.

Представление звуковой информации

При¸мы и методы работы со звуковой информацией пришли в вычислительную технику наиболее поздно. К тому же, в отличие от числовых, текстовых и графических данных, у звукозаписей не было столь же длительной и проверенной истории кодирования. В итоге методы кодирования звуковой информации двоичным кодом далеки от стандартизации. Множество отдельных компаний разработали свои корпоративные стандарты, но среди них можно выделить два основных направления.

Метод FM (Frequency Modulation) основан та том, что, теоретически, любой сложный звук можно разложить на последовательность про-

23

Информатика

стейших гармонических сигналов разных частот, каждый из которых представляет собой правильную синусоиду, а следовательно, может быть описан числовыми параметрами, то есть кодом. В природе звуковые сигналы имеют непрерывный спектр (являются аналоговыми). При таких преобразованиях неизбежны потери информации, связанные с методом кодирования, поэтому качество звукозаписи обычно получается не вполне удовлетворительным и соответствует качеству звучания простейших электромузыкальных инструментов с окрасом, характерным для электронной музыки. В то же время данный метод кодирования обеспечивает весьма компактный код, поэтому он наш¸л применение ещ¸ в те годы, когда ресурсы средств вычислительной техники были явно недостаточны.

Метод таблично волнового (Wave-Table) синтеза лучше соответствует современному уровню развития техники. В заранее подготовленных таблицах хранятся образцы звуков множества различных музыкальных инструментов. В технике такие образцы называют сэмплами. Числовые коды выражают тип инструмента, номер его модели, высоту тона, продолжительность и интенсивность звука, динамику его изменения, некоторые параметры среды, в которой происходит звучание, а также про- чие параметры, характеризующие особенности звучания. Поскольку в качестве образцов используются реальные звуки, то его качество полу- чается очень высоким и приближается к качеству звучания реальных музыкальных инструментов.

24

ГЛАВА 2 Глава 2. Устройство персонального компьютера

УСТРОЙСТВО ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА

2.1. Принципы функционирования компьютера

2.1.1. Общие принципы

КлассическиепринципыпостроенияифункционированияЭВМизвестны как принципы Джона фон Неймана. Согласно им, во-первых, для представленияданныхдолжнабытьиспользованадвоичнаясистемасчисления. Во-вторых, программа также должна храниться в виде последовательности нулей и единиц, причем в той же самой памяти, что и данные, которые ею обрабатываются. Третий принцип — последовательное выполнение команд программы, а также адресация ячеек памяти, для того, чтобы возможен был непосредственный переход к любой из них (адрес — номер ячейки памяти, по которому осуществляется доступ к ней). И последний принцип заключается в равноправии ячеек памяти, хранящих как командыпрограммы, такиданные, поэтомунадлюбымиячейкамипамяти ЭВМ можно производить одинаковые действия.

Структуру ЭВМ Дж. фон Нейман представлял четырьмя основными блоками:

■АЛУ — устройство, выполняющее арифметические и логические операции;

■УУ — устройство управления для организации выполнения программ;

■ЗУ — память для хранения программ и данных;

■ВУ — внешние устройства для ввода/вывода информации.

УУ управляет процессом обработки информации и содержит:

■генератор тактов;

■информацию о состоянии процесса (в специальных регистрах: операций, адресов, индексном, счетчике команд);

■оборудование для выработки управляющих сигналов для выполнения отдельных команд;

■усилители мощности (необходимы, т. к. нагрузка на шину данных не может быть большой, а к внешней шине может быть подключе- но множество физических устройств).

25

Информатика

Собственно шаги преобразования информации, представленной в виде двоичных слов, реализует АЛУ. В нем выполняется весь перечень простейших команд (сдвиги, сложение, инверсия и др.) и хранение временных результатов. АЛУ содержит схемы выполнения арифметических и логических команд и регистры общего назначения. АЛУ выполняет все операции под воздействием сигналов УУ, то есть является исполнительным устройством. В результате работы АЛУ всегда вырабатываются «флаги» (например, был ли перенос в старший разряд, равен или не равен результат нулю, является ли результат отрицательным и т.д.).

Память компьютера должна состоять из некоторого количества пронумерованных ячеек, в каждой из которых могут находиться или обрабатываемые данные, или инструкции программ. Все ячейки памяти должны быть одинаково доступны для других устройств компьютера. На рис. 2.1 показаны связи между устройствами компьютера.

Рис. 2.1

Основные принципы работы компьютера следующие. В память компьютера из внешнего устройства считывается программа и располагается последовательно, согласно адресам загрузки. УУ считывает содержимое ячейки памяти, где находится первая инструкция (команда) программы, и организует ее выполнение. Эта команда может задавать выполнение арифметических или логических операций, чтение из памяти данных или запись результатов операций в память, ввод данных из внешнего устройства в память или вывод данных из памяти на внешнее устройство. Далее УУ может как выполнить команду из следующей ячейки памяти, так и перейти к другой ячейке, например, при выполнении некоторых условий. УУ может обмениваться информацией с оперативной памятью и внешними устройствами компьютера, а также приостанавливать выполнение программы.

26

Глава 2. Устройство персонального компьютера

Процесс выполнения программ обычно является непрерывным, но может прерываться для выполнения других срочных действий — в ответ на сигналы от внешних устройств, называемые прерываниями.

Âсовременных компьютерах АЛУ и УУ объединены в один блок, называемый центральным процессором, либо микропроцессором (МП).

KПроцессор (Central Processing Unit — CPU) является основой компьютера. Именно в нем производятся основные процессы вычислений и других преобразований информации. Одновременно с этим МП управляет ходом процесса вычислений.

Процессор, таким образом, является инструментальным средством, аппаратурой (hardware — «жесткое оборудование»), которое автономно управляет ходом вычислений и выполняет предусмотренные в компьютере операции преобразования данных. Степень интеграции определяется размером кристалла и количеством реализованных в нем транзисторов.

KВажнейшей характеристикой процессора является тактовая частота — величина, показывающая количество импульсов синхронизации начала тактов команд микропроцессора за секунду (каждая машинная команда микропроцессора может выполняться за определенное число тактов). В современных микропроцессорах она измеряется в гигагерцах (ГГц = 1 млрд. тактовых импульсов в 1 с) и определяет быстродействие компьютера.

K Разрядность процессоров определяется количеством двоичных разрядов, которое может обрабатываться процессором за 1 такт.

Âпроцессоре всегда имеется определенное число внешних входных

èвыходных сигналов. Эти сигналы интерпретирует и генерирует УУ, связывая внутренние шины, регистры и прочие устройства МП с внешними устройствами (памятью и устройствами ввода/вывода). УУ вырабатывает также управляющие сигналы для АЛУ и переключателя устройств передачи данных.

KРегистры — запоминающие ячейки с очень малым временем доступа (то есть высоким быстродействием), которые служат для хранения значений и переработки информации.

Âпринципе, процессор может осуществлять все операции и непосредственно через память, но так как его быстродействие всегда гораздо выше, чем у памяти, такая работа МП была бы неэффективной. Поэтому процессору нужна своя, «внутренняя» память. Регистры — это временная, промежуточная память ограниченного объема. Если какие-то данные нужны для длительного хранения или дальнейшего использования, они могут быть вынесены, например, во внешнюю память. Каждый

27

Информатика

из регистров имеет свой внутренний адрес, по которому осуществляется доступ к его содержимому. Содержимое регистров может быть произвольно (как команды, так и данные).

KШины — служат для обмена сигналами между устройствами процессора.

В современных ПК принята классическая трехшинная архитектура, включающая:

•шину данных (двунаправленная) — по ней передаются данные. Таких шин может быть несколько (локальные шины от различ- ных устройств). И УУ может обращаться одновременно к нескольким блокам за информацией;

•шину адреса (однонаправленная) — по ней процессор выставляет адрес памяти или устройств ввода/вывода;

•шину управления (имеются входные, выходные и реверсивные сигналы), которая позволяет процессору «разобраться» с данными и адресами. Это своеобразный указатель процессору, как действовать. И, наоборот, через шину управления сам процессор может указать, как действовать.

1.1.2. Начальная загрузка персонального компьютера

Устройство МП не позволяет в начальный момент времени выявить из потока, какая имеется информация: команда или данное. Для того чтобы система начала работу, необходимо какое-то оговоренное исходное ее состояние. При нажатии кнопки включения питания на системном блоке ПК его МП получает сигнал сброса RESET (возможно также нажатие кнопки RESET), все элементы памяти устанавливаются в логический «0», и первой всегда является команда чтения памяти по определенному адресу. Для «оживления» системы служит внешнее постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), в котором содержатся первич- ные программы управления устройствами — BIOS (Base Input Output System — базовая система ввода-вывода). Таким образом, BIOS — это постоянная память, которая позволяет процессору инициализировать дисководы, клавиатуру и видеосистему. В функции BIOS также входит тестирование оперативной памяти (ОП) и других устройств, определение аппаратного состава компьютера и загрузка операционной системы. Далее загружается операционная система с дисковых устройств в ОП ПК. И только после этого машина готова к общению с пользователем.

28

Глава 2. Устройство персонального компьютера

1.1.3. Логическая структура ПК

Логическая структура ПК, дающая общее представление о входящих в состав компьютера устройствах и функциональных взаимосвязях между ними, изображена на рис. 2.2. Главная отличительная черта архитектуры ПК состоит в наличии системной шины (шины ввода-выво- да), посредством которой микропроцессор взаимодействует и обменивается информацией с периферийными устройствами.

Архитектура с общей системной шиной обеспечивает простоту и дешевизну ПК, а также унифицирует алгоритмы взаимодействия устройств, облегчая программирование. С другой стороны, общая системная шина является узким местом ПК, потенциально ограничивая его производительность. Это объясняется, прежде всего, тем, что в каждый момент времени посредством системной шины могут обмениваться информацией только два устройства, остальные же вынуждены простаивать.

KОсновная память ПК — совокупность постоянной или полупостоянной (содержащей BIOS) и оперативной памяти (ОЗУ, хранящей выполняемые программы и данные, непосредственно участвующие в операциях).

Это единственные устройства, к которым МП способен обращаться непосредственно, без использования системной шины как тракта передачи данных. Обмен информацией между микропроцессором и всеми другими — периферийными — устройствами производится через системную шину.

K Под периферийным устройством понимают любое устройство, конструктивно отдел¸нное от его центральной части (МП и основной памяти), имеющее собственное управление и выполняющее запросы микропроцессора без его непосредственного вмешательства.

Таким образом, МП осуществляет только общее управление процессом обмена данными, а всю черновую работу выполняет периферийное устройство. Однако непосредственная организация обмена информацией между ОЗУ и периферийными устройствами выполняется МП. Именно через него перекачиваются все данные из ОЗУ в периферийное устройство и обратно. Поэтому МП во время обмена не способен выполнять никакую другую работу. В то же время в ПК имеется система прямого доступа к памяти, отчасти решающая эту проблему в отношении быстродействующих периферийных устройств — прежде всего дисковых накопителей, увеличивая к тому же скорость обмена (МП способен обмениваться только небольшими порциями данных, а система прямого

29

Информатика

Микро-

ÊÝØ

Основная

процессор

память

Система портов ввода-вывода

Адаптеры и контроллеры устройств

Коммуникационные порты

Основные периферийные устройства

Дополнительные устройства

Рис. 2.2

доступа к памяти — целыми блоками). Если обмен происходит с использованием этой системы, МП только инициирует операцию обмена, после чего может перейти к другой работе.

По функциональному признаку периферийные устройства делятся на две основные группы — внешние запоминающие устройства и устройства ввода-вывода. По степени важности периферийные устройства можно разделить на основные (неотъемлемая часть любого ПК — монитор, клавиатура, хотя бы одно внешнее запоминающее устройство) и дополнительные.

Периферийныеустройстваприсоединяютсяксистемнойшинененапрямую. Основные периферийные устройства подключаются через цепочку адаптер (контроллер) периферийного устройства — порт ввода-вывода.

K Порт ввода-вывода представляет собой программное, а зачастую и аппаратное устройство, предназначенное для обмена данными с периферийным устройством и для управления им.

Порт ввода-вывода играет роль «точки» на системной шине, к которой подключается адаптер (контроллер) периферийного устройства. Каждый порт имеет свой адрес, аналогичный адресу в ОЗУ, но содержащийся в другом адресном пространстве. Одному периферийному устройству может быть приписано несколько портов ввода-вывода, каждый из которых имеет сво¸ назначение.

K В функции адаптера (контроллера) периферийного устройства входят:

1. Непосредственное управление периферийным устройством по запросам от микропроцессора.

30