Федеральное агентство по здравоохранению и социальному развитию гоу впо Кировская государственная медицинская академия Росздрава
Кафедра физики, информатики и медтехники
(заведующий кафедрой Кудрявцев В.А.)
Лекция (методическая разработка)
для студентов 1 курса факультета экспертизы и товароведения
ТЕМА: Представление информации в памяти ЭВМ
ЦЕЛЬ: способствовать формированию системы теоретических знаний о принципах представления информации.
ВРЕМЯ ЛЕКЦИИ: 2 часа
ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ:
Физическая интерпретация.
Логическая интерпретация.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ СТУДЕНТОВ.
Каковы физические принципы кодирования информации на магнитных, оптических носителях информации, в ОЗУ и ПЗУ, каналах связи?
Каковы логические способы кодирования числовой, символьной, звуковой и видео информации?
ЛИТЕРАТУРА
Информатика: Базовый курс/ С.В. Симонович и др. – СПб.: Питер, 2002
ЛЕКЦИЯ ПОДГОТОВЛЕНА преподавателем кафедры физики, информатики и медтехники Ситниковой О.С.
Методическая разработка утверждена на заседании кафедры №__от «______»
Физическая интерпретация
Принцип работы компьютера с использованием двоичного алфавита означает сравнительно простую физическую интерпретацию символов двухэлементного алфавита и кодирование информации. В этом случае возможно также проведение автоматической обработки информации на основе, как правило, двоичной системы счисления и законах алгебры логики
Представление (кодирование) информации с помощью двоичного алфавита позволило не только ввести единицы для измерения ее количества (объема). Двоичное кодирование информации стало одним из основных принципов работы современного компьютера (с английского языка "компьютер" переводится как "вычислитель", а по-русски еще говорят электронно-вычислительная машина - ЭВМ).
Действительно, информация, представленная последовательностью нулей и единиц, является дискретной, как, впрочем, каждое представление информации символами некоторого алфавита, отделенными в пространстве или во времени друг от друга. С другой стороны, любая обработка информации компьютером, включая ее ввод и хранение, оказалась возможной из-за естественного пребывания токопроводящих элементов компьютера только в одном из двух состояний, каждое из которых можно интерпретировать двоичными нулем или единицей: наличие напряжения электрического сигнала - 1, его отсутствие - 0.
Причем переход от значения "1" к значению "0" (то есть от наличия напряжения электрического сигнала к его отсутствию) происходит без каких бы то ни было промежуточных состояний. При изображении на графике этих скачков напряжения мы увидим, что в точках перехода от нуля к единице присутствует разрыв. Все это указывает на дискретный характер изменения во времени напряжения электрического тока на токопроводящих элементах компьютера.
Вся информация, обрабатываемая ЭВМ, хранится в ее памяти - внутренней или внешней и представляет собой определённым образом закодированные изменения физического состояния материального носителя. С точки зрения пользователя информация может быть различных видов: числа, текст, изображение, звук и т.д. В памяти же компьютера любой вид информации должен храниться неким единообразным (удобным для обработки процессором) способом.
Единицей количества информации является бит, имеющий два возможных состояния, условно обозначаемых 0 или 1. Принцип кодирования материального носителя выбирается из соображений высокой надёжности хранения и передачи бит информации, для чего необходимо добиться хорошо различимой разницы между различными состояниями бита в этой системе кодирования, а также использовать высокую степень избыточности кодирования. Второй ключевой задачей выбора технологии хранения информации является обеспечение высокого быстродействия устройства памяти.
В оперативной и постоянной памяти биты представляются с помощью наличия или отсутствия электрического заряда на микроскопических конденсаторах (фактически являющихся переходами транзисторов), интегрированных в микросхему ОЗУ или ПЗУ.
Таким образом получается ячейка памяти ёмкостью 1 бит. Для считывания информации и повышения её надежности хранения используются расположенные в этой же микросхеме усилители сигналов, избыточные ячейки (например, для проверки чётности), схемы периодического обновления информации (регенерации) в ОЗУ.
Однобитовые ячейки объединяются в матрицы по сотни миллионов штук на кристалле микросхемы памяти. Ёмкость современных микросхем оперативной памяти достигает 256 Мбит и более. Микросхемы объединяются в модули памяти по 8-16 штук в каждом, которые устанавливаются на системной плате.
Регистры процессора и ячейки кэш-памяти представляют собой триггеры (электронные устройства с двумя стабильными состояниями), собранные на транзисторах, интегрированных в микросхему процессора. Большая часть площади (и стоимости) современного процессора отводится именно кэш-памяти.
В каналах связи (системная шина, информационные кабели) биты передаются в виде прямоугольных электрических импульсов определённой амплитуды и длительности. От максимально возможной частоты импульсов и уровня помех в каналах связи зависит производительность вычислительной системы в целом. Частота сигналов системной шины современных ПК может превышать 500 МГц.
На магнитных дисках биты информации представляются в виде участков с различным направлением намагниченности рабочего слоя. При движении участков диска относительно магнитной головки, в последней индуцируются электрические импульсы, усиливаемые электроникой накопителя и передаваемые во внутреннюю память ПК. Запись производится подачей импульсов в обмотку записывающей магнитной головки, в результате чего меняется намагниченность участков диска, проходящих рядом с ней. Аналогично записывается информация на магнитные ленты.
В оптических дисках биты кодируются участками с различным коэффициентом отражения, поглощения или рассеивания света. Такие участки (питы, pits) формируются при штамповке дисков CD-ROM, освещении лазерным лучом (в CD-R и CD-RW) или одновременном действии света и магнитного поля головки (в магнитооптических дисках).
Независимо от физического способа записи информации любой её носитель на логическом уровне представляет собой массив бит, объединяемых затем в байты (и более крупные блоки), чем достигается универсальность работы процессора с любым видом памяти.
Рассмотрим теперь, как представляются в памяти компьютера различные (для пользователя) виды информации.