Система счисления и кодирование

Лекция №2

План

• Системы счисления. Классификация

• Арифметика в двоичной системе счисления

• Представление чисел в памяти компьютера

Система счисления

Алфавит Х из р символов и правила записи и обработки чисел с помощью символов этого алфавита называются системой счисления (нумерацией) с основанием р.

Число х в системе счисления с основанием р обозначается как (х)_р или х_р.

Система счисления и кодирование

Любая система счисления – это система кодирования числовых величин, позволяющая выполнять операции кодирования и декодирования.

По любой количественной величине можно однозначно найти ее кодовое представление и по любой кодовой записи – восстановить соответствующую ей числовую величину.

Классификация СС

Непозиционные СС

I = 1

V = 5

Х = 10

L = 50

С = 100

D = 500

М = 1000

Непозиционные СС

Все позиционные системы счисления строятся по общему принципу: определяется величина q – основание системы, а любое число «a» записывается в виде комбинации степеней веса р от 0-й степени до степени s.

Позиционные СС

Пусть q - натуральное число большее 1 и M={0, 1, …, q-1}.

Говорят, что натуральное число “a” записано в позиционной системе с основанием q, если

где s - целое неотрицательное, а₀, …, a_s ÎM и a_s≠0.

Если каждое число множества M={0, 1, …, q-1} обозначено специальным символом, то эти символы называются цифрами q-ичной позиционной системы.

Запись числа в q-ичной позиционной системе счисления выглядит так:

a=(a_sa_s-1a_s-2…a₁)_q

Принятая система записи числа основана на том, что q единиц каждого разряда объединяются в одну единицу соседнего, более старшего разряда.

Это дает возможность проводить арифметические действия в любой позиционной системе счисления по тем же правилам, что в десятичной системе счисления.

Наиболее используемые в информатике системы счисления:

двоичная, над алфавитом Х = {0,1};

восьмеричная, над Х = {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7};

шестнадцатеричная, над Х = {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, А, В, С, D, Е, F}, где символы А, В, С, D, Е, F имеют десятичные веса 10, 11, 12, 13, 14, 15.

Примеры:

1101₂ = 1*2³ + 1*2² + 0*2¹ + 1*2⁰

157₈ = 1*8² + 5*8¹ + 7*8⁰

A6F₁₆ = А*16² + 6*16¹ + F*16⁰

110,01₂ = 1*2² + 1*2¹ + 0*2⁰ + 0*2^-1 + 1*2^-2

A,B₁₆ = A*16⁰ + B*16^-1

Перевод чисел

Общая задача перевода чисел из одной системы счисления в другую:

Дано:

x=(p_np_n-1…p₀p_-1p_-2…)_P

p_i – цифры p-ичной системы.

Найти:

x=(q_sq_s-1…q₀q_-1q_-2…)_q

q_j – искомые цифры q-ичной системы.

Перевод Q->P

Запись и вычисление значения полинома

X=x_nqⁿ+x_n-1q^n-1+…+x₁q¹+x₀q⁰+x_-1q^-1+…+x_-mq^-m

где все цифры x_i и число q заменяются их p-ичными изображениями и все требуемые операции выполняются в p-ичной системе счисления.

Пример:

Перевести (371)₈ в Х₁₀

Перевести (AF,4)₁₆ в Х₁₀

Перевод целой части числа

Перевод дробной части числа (его мантиссы)

N – целое число в p-ичной системе счисления.

N=(q_sq_s-1…q₁q₀)_Q, где искомые цифры определяются по следующим рекуррентным формулам:

q_i=Q - остаток от деления N на Q

N_i+1= - целая часть от деления N на Q

i=0,1,2,…; N₀=N и процесс продолжается до тех пор, пока не станет N_i+1=0.

Пример:

Перевести N=(3060)₁₀ в X₁₆

Пусть х - правильная дробь (0<х<1), заданная в p-ичной системе счисления.

Тогда х=(0,q_-1q_-2…q_-m)_Q, где искомые цифры определяются по следующим рекурентным формулам:

q_-(i+1)=[x_i·Q], x_i+1={x_i·Q}, i=0, 1, 2, …; x₀=x

и процесс продолжается до тех пор, пока не будет получено х_i+1=0 либо не будет достигнута требуемая точность изображения числа.

Пример:

Перевести N=(0,2)₁₀ в X₂

Пусть х>1 – произвольное число, заданное своим изображением в системе счисления с основанием Р.

Подберем число M=Q^k, чтобы число X/M<1.

Обратный код числа

Обратным кодом числа в системе с основанием р называется число в этой системе, получаемое заменой цифры, символа в каждом разряде числа на его дополнение до максимальной цифры в системе (то есть до р – 1).

Пример:

Двоичное число:

Обратный код:

Дополнительный код числа

Дополнительный код

=

Обратный код

+

Единица в младшем разряде

Пример:

Двоичное число:

Обратный код:

Дополнительный код:

+ 1

--------

Представление чисел

При проектировании ЭВМ, создании инструментального и прикладного программного обеспечения разработчикам приходится решать вопрос о представлении в ЭВМ числовых данных. Для решения большинства прикладных задач обычно достаточно использовать целые и вещественные числа.

Представление чисел

Представление чисел

Для вещественных данных обычно используются две формы записи:

• число с фиксированной точкой

• число с плавающей точкой

Фиксированная точка

Фиксированная точка

Фиксированная точка

Плавающая точка

Плавающая точка

Пример:

Плавающая точка

Плавающая точка

Плавающая точка

Плавающая точка

Пример:

Плавающая точка

Плавающая точка

Вопросы для самостоятельного изучения

 

vПринципы построения и архитектура ЭВМ

v Лекция №3

v План

v Устройство ЭВМ

v Классификация ЭВМ

v Уровни организации ЭВМ, основные устройства ЭВМ

 

v ПК и ЭВМ

v Компьютер – программируемое электронное устройство, способное обрабатывать данные и производить вычисления, а также выполнять другие задачи манипулирования символами.

 

v Электронная вычислительная машина – комплекс технических и программных средств, предназначенный для автоматизации подготовки и решения задач пользователей.

v Устройство ЭВМ

v Основные блоки ЭВМ

v ЦП – центральный процессор

v ОП – оперативная память

v ВУ – внешние устройства

v ЗУ – запоминающее устройство

v УВВ – устройство вводы - вывода

v СВ/В – система ввода/вывода

v УУ – устройства управления

v УР – управляющие регистры

v АЛУ – арифметико-логическое устройство

v РП – регистровая память

v ИБ – интерфейсный блок

v БКФ – блок контроля и диагностики

v РОН – регистры общего назначения

v ПЗУ – постоянное запоминающее устройство

v ОЗУ – оперативное запоминающее устройство

v Пользователь

Человек, в интересах которого проводится обработка данных на ЭВМ.

v Пользователь

Время подготовки задач >>> время их решения

 

Требования пользователей к выполнению вычислительных работ удовлетворяются специальным подбором и настройкой технических и программных средств.

 

Обычно эти средства взаимосвязаны и объединяются в одну структуру.

v Устройства компьютера

v Структура компьютера

– это совокупность его функциональных элементов и связей между ними.

 

Элементы:

От основных логических узлов компьютера до простейших схем.

 

Графическое представление:

Структурные схемы, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации.

v Структура компьютера

 

v Различают структуры технических, программных и аппаратурно-программных средств.

 

v Выбирая ЭВМ для решения своих задач, пользователь интересуется функциональными возможностями технических и программных модулей.

 

v Характеристики ЭВМ, определяющие ее структуру

Технические и эксплуатационные характеристики ЭВМ:

 

§ быстродействие и производительность,

§ показатели надежности, достоверности, точности,

§ емкость оперативной и внешней памяти,

§ габаритные размеры,

§ стоимость технических и программных средств,

§ особенности эксплуатации и др.

v Характеристики ЭВМ, определяющие ее структуру

Характеристики и состав функциональных модулей базовой конфигурации ЭВМ:

 

§ Возможность расширения состава технических и программных средств

§ Возможность изменения структуры

 

Состав программного обеспечения ЭВМ и сервисных услуг:

 

§ операционная система или среда

§ пакеты прикладных программ

§ средства автоматизации программирования

vБыстродействие

… ЭВМ - характеристика, определяемая:

§ скоростью работы процессора

§ пропускной способностью шины данных или скоростью обмена с внешними накопителями

§ частотой смены изображения на экране дисплея

… процессора -скорость выполнения операций процессором.

vБыстродействие

Быстродействие процессора измеряется:

v скоростью выполнения команд над числами с плавающей запятой (в флопсах);

v скоростью выполнения команд "регистр-регистр";

v тактовой частотой процессора.

vБыстродействие

Флопс (FL oating-point O peration P er S econd (FLOPS)) – единица измерения быстродействия компьютера.

 

1 флопс = количество производимых процессором операций с плавающей точкой в секунду.

vПроизводительность ЭВМ

 

Быстродействие ЭВМ тесно связано с производительностью ЭВМ.

Производительность ЭВМ характеризует объем работ (операций, программ), выполняемый ЭВМ в единицу времени.

 

 

vНадежность ЭВМ

– это свойство ЭВМ выполнять возложенные на нее функции в течение заданного промежутка времени, необходимого для решения поставленной задачи.

 

vОтказы

В процессе функционирования ЭВМ возникают отказы, связанные с неисправностью отдельных элементов, либо соединений между ними.

vОтказы

vТочность ЭВМ

– это возможность различать почти равные значения.

 

Точность получения результатов обработки в основном определяется разрядностью ЭВМ, которая в зависимости от класса ЭВМ может составлять 32, 64 и 128 двоичных разрядов.

vТочность ЭВМ

vТочность ЭВМ

Программными способами диапазон представления и обработки данных может быть увеличен в несколько раз, что позволяет достигать очень высокой точности.

 

 

vДостоверность ЭВМ

 

– это свойство информации быть правильно воспринятой.

 

Характеризуется:

вероятностью получения безошибочных результатов.

 

Заданный уровень обеспечивается:

аппаратно-программными средствами контроля самой ЭВМ

vДостоверность ЭВМ

 

Возможные методы контроля достоверности:

• Решение эталонных задач

• Повторные расчеты

• Контрольные решения на других ЭВМ и сравнение результатов.

 

 

v Емкость запоминающих устройств ЭВМ

Измеряется:

количеством структурных единиц информации, которые одновременно можно разместить в памяти.

 

Позволяет определить:

какой набор программ и данных может быть одновременно размещен в памяти.

 

Отдельно характеризуют емкость оперативной памяти и емкость внешней памяти.

v Архитектура ЭВМ

– это многоуровневая иерархия аппаратурно-программных средств, из которых строится ЭВМ.

 

Каждый из уровней допускает многовариантное построение и применение.

 

Конкретная реализация уровней определяет особенности структурного построения ЭВМ.

v Архитектурные решения

Большинство вычислительных машин построено на принципах фон Неймана.

v Однопроцессорный компьютер

Все функциональные блоки связаны между собой общей шиной, называемой также системной магистралью.

v Многопроцессорная архитектура

Наличие в компьютере нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и много потоков команд. Таким образом, параллельно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи.

v Многомашинная вычислительная система

Несколько процессоров, входящих в вычислительную систему, не имеют общей оперативной памяти, а имеют каждый свою (локальную).

 

Каждый компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру, и такая система применяется достаточно широко.

v Принципы Джона фон Неймана

v Принцип программного управления

программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности

v Принцип однородности памяти

программы и данные хранятся в одной и той же памяти

v Принцип адресности

основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка

v Машина Джона фон Неймана

– это вычислительная система, построенная на следующих принципах:

 

Основные блоки:

АЛУ, УУ, ЗУ, УВВ

 

Программы и данные:

хранятся в одной и той же памяти

 

ЦП = АЛУ + УУ

 

Внутренний код машины: двоичный

v Архитектура вычислительной машины фон Неймана

vЭВМ первых поколений 1948 — 1958 гг.

vЭВМ первых поколений 1948 — 1958 гг.

v ЭВМ I поколения

Элементная база:

электронные лампы.

Отличия:

• невысокая надежность

• требовали системы охлаждения

• значительные габариты

v ЭВМ I поколения

Процесс программирования:

• искусство (программисты – математики и физики)

• хорошее знание архитектуры ЭВМ и ее программных возможностей.

 

Этапы программирования:

• в кодах ЭВМ (машинный код),

• автокоды и ассемблеры, в определенной мере автоматизирующие процесс программирования задач.

v ЭВМ I поколения

Результат развития EDSAC-проекта – создание серии:

v ЭВМ LEO (1951 г.),

v DEDUCE (1954 г., Англия),

v ENIAC (1950),

v БЭСМ (1952),

v Минск-1,

v Урал-2,

v М-20 (СССР) и др.

v ЭВМ I поколения

v Для увеличения производительности широко применялось совмещение операций. При этом последовательные фазы выполнения отдельных команд программы (формирование адресов операндов, выборка операндов, выполнение операции, отсылка результата) выполнялись отдельными функциональными блоками.

v В своей работе они образовывали своеобразный конвейер, а их параллельная работа позволяла обрабатывать различные фазы целого блока команд. Этот принцип получил дальнейшее развитие в ЭВМ следующих поколений.

Первые ЭВМ:

• очень сильная централизация управления

• единые стандарты форматов команд и данных

• “жесткое” построение циклов выполнения отдельных операций

 

Причина:

ограниченные возможности используемой элементной базы.

Центральное УУ обслуживало не только вычислительные операции, но и операции ввода-вывода, пересылок данных между ЗУ и др.

 

Все это позволяло в какой-то степени упростить аппаратуру ЭВМ, но сильно сдерживало рост производительности.

v Обобщенная структурная схема ЭВМ I поколения

v ЭВМ II поколения
1959 - 1967 гг.

v ЭВМ II поколения

Элементная база:

полупроводниковые приборы.

Отличия:

• Существенно увеличенная емкость оперативной памяти.

• Надежность и быстродействие.

• Меньшие размеры, масса и потребляемая мощность.

• Расширенная сфера использования электронной вычислительной техники.

• Появление специализированных ЭВМ для решения экономических задач, управления производственными процессами, системами передачи информации и т.д.

v БЭСМ-6 – быстродействие ≈ миллиону операций в секунду; емкость оперативной памяти от 32Кб до 128Кб.

v Создание системного ПО, компиляторов и средств ввода-вывода.

v В конце периода появились универсальные и достаточно эффективные компиляторы для Кобола, Фортрана и других ЯП.

v Возникла профессия специалиста по информатике, и многие университеты стали предоставлять возможность получения образования в этой области.

v ЭВМ III поколения
1968 - 1973 гг.

v ЭВМ III поколения

Элементная база:

малые интегральные схемы.

Отличия:

• Широкое использование в различных областях науки и техники (проведение расчетов, управление производством, подвижными объектами и др.). Больший объем оперативной памяти

• Увеличенное быстродействие

• Повышение надежности

• Снижение потребляемой мощности, занимаемой площади и массы.

v ЭВМ III поколения

В СССР разрабатываются универсальные ЭВМ третьего поколения ЕС, совместимые как между собой (машины средней и высокой производительности ЕС ЭВМ), так и с зарубежными ЭВМ третьего поколения (IBM-360 и др. - США).

v Структурная схема ЭВМ III поколения

v Сильносвязанные устройства АЛУ и УУ получили название процессор, т.е. устройство, предназначенное для обработки данных.

 

v В схеме ЭВМ появились также дополнительные устройства, которые имели названия: процессоры ввода-вывода, устройства управления обменом информацией, каналы ввода-вывода (КВВ).

КВВ получили наибольшее распространение применительно к большим ЭВМ (наметилась тенденция к децентрализации управления и параллельной работе отдельных устройств, что позволило резко повысить быстродействие ЭВМ в целом).

v ЭВМ IV поколения
1974 - … гг.

v ЭВМ IV поколения

Элементная база:

большие интегральные схемы.

Отличия:

• Предназначены для резкого повышения производительности труда в науке, производстве, управлении, здравоохранении, обслуживании и быту.

• Увеличение плотности компоновки электронной аппаратуры

• Повышение надежности

• Увеличение быстродействия

• Снижение стоимости

v ЭВМ IV поколения

Более тесной становится связь структуры машины и ее программного обеспечения, особенно операционной системы (или монитора) - набора программ, которые организуют непрерывную работу машины без вмешательства человека.

v Структурная схема ЭВМ IV поколения

v Соединение всех устройств в единую машину обеспечивается с помощью общей шины, представляющей собой линии передачи данных, адресов, сигналов управления и питания.

v Единая система аппаратных соединений значительно упростила структуру, сделав ее еще более децентрализованной.

v Все передачи данных по шине осуществляются под управлением сервисных программ.

v Системная магистраль

v Физически магистраль представляет собой многопроводную линию с гнездами для подключения электронных схем. Совокупность проводов магистрали разделяется на отдельные группы: шину адреса, шину данных и шину управления.

v Периферийные устройства (принтер и др.) подключаются к аппаратуре компьютера через специальные контроллеры — устройства управления периферийными устройствами.

v Контроллер

v Контроллер – устройство, которое связывает периферийное оборудование или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредственного управления функционированием данного оборудования.

Ядро ЭВМ

=

Процессор

+

Основная память

Основная память

=

Оперативная память

+

ПЗУ

ПЗУ предназначается для записи и постоянного хранения наиболее часто используемых программ управления.

Подключение всех внешних устройств обеспечивается через соответствующие адаптеры - согласователи скоростей работы сопрягаемых устройств или контроллеры - специальные устройства управления периферийной аппаратурой.

Контроллеры в ЭВМ играют роль каналов ввода-вывода. В качестве особых устройств следует выделить таймер - устройство измерения времени и контроллер прямого доступа к памяти (КПД) - устройство, обеспечивающее доступ к ОП, минуя процессор.

v Персональный компьютер

Распространенный тип компьютера – ПК.

 

ПК:

• Малая стоимость

• Малые размеры

• Малое энергопотребление

• Высокая надежность

• Высокий уровень интеграции компонентов

• Адаптируемость к разнообразным применениям

v ЭВМ V поколения или Суперкомпьютеры

v ЭВМ V поколения

v Переход к ЭВМ пятого поколения предполагал переход к новым архитектурам, ориентированным на создание искусственного интеллекта.

v Считалось, что архитектура компьютеров пятого поколения будет содержать два основных блока. Один из них - собственно компьютер, в котором связь с пользователем осуществляет блок, называемый "интеллектуальным интерфейсом". Задача интерфейса - понять текст, написанный на естественном языке или речь, и изложенное таким образом условие задачи перевести в работающую программу.

v ЭВМ V поколения

Основные требования к ЭВМ V поколения:

• Создание развитого человеко-машинного интерфейса (распознавание речи, образов);

• Развитие логического программирования для создания баз знаний и систем искусственного интеллекта;

• Создание новых технологий в производстве вычислительной техники;

• Создание новых архитектур компьютеров и вычислительных комплексов.

v ЭВМ пятого поколения

v Классификация ЭВМ

v Мощные машины и вычислительные системы

предназначаются для обслуживания крупных сетевых банков данных и банков знаний (суперкомпьютеры).

 

v Кластерные структуры

Кластер – это группа из двух или более серверов, действующих совместно для обеспечения безотказной работы набора приложений или служб и воспринимаемых клиентом как единый элемент.

 

Узлы кластера объединяются между собой с помощью аппаратных сетевых средств, совместно используемых разделяемых ресурсов и серверного программного обеспечения.

v Кластерные структуры

Основное преимущество при организации внутренней сети на основе кластера заключается в том, что если происходит сбой службы или приложения на каком-то узле кластера, настроенного на совместную работу в кластере, кластерное программное обеспечение позволяет перезапустить это приложение на другом узле. Пользователи при этом ощутят кратковременную задержку при проведении какой-то операции либо вообще не заметят серверного сбоя.

v Классификация ЭВМ

 

v Серверы

v Серверы

Файловый сервер – выделенный сервер, оптимизированный для выполнения файловых операций ввода-вывода.

 

Предназначен для хранения файлов любого типа. Как правило, обладает большим объемом дискового пространства.

v Серверы

Функции сервера:

Хранение данных и кода программы.

Обслуживание сети и предоставление собственных ресурсов всей сети.

 

Функции клиента:

Обработка данных происходит исключительно на стороне клиента. Количество клиентов ограничено десятками.

v Серверы

Плюсы:

• низкая стоимость разработки;

• невысокая стоимость обновления и изменения ПО.

Минусы:

• низкая производительность (зависит от производительности сети, сервера, клиента);

• плохая возможность подключения новых клиентов.

v Web-сервер

Программное обеспечение, осуществляющее взаимодействие по HTTP протоколу с браузерами:

• прием запросов

• поиск указанных файлов и передача их содержимого

• запуск CGI-приложений и передача клиенту результатов их выполнения

v Серверы электронной почты

v Позволяют пользователю передавать и получать сообщения.

 

v Работают по протоколу SMTP.

 

v SMTP-сервер принимает сообщение и доставляет его в локальный почтовый ящик пользователя или на другой SMTP-сервер (сервер назначения или промежуточный).

v Рабочая станция

v Как место работы специалиста представляет собой компьютер с соответствующим ПО.

 

v Также обозначают компьютер в составе локальной вычислительной сети (ЛВС) по отношению к серверу.

 

v На рабочих станциях пользователи решают прикладные задачи.

v Сетевые компьютеры

 

Упрощенные персональные компьютеры, вплоть до карманных ПК.

 

Основное назначение: обеспечение доступа к сетевым информационным ресурсам.

 

v Уровни организации ЭВМ

Аппаратные средства любой ЭВМ способны выполнять только ограниченный набор сравнительно простых команд. Эти примитивные команды составляют так называемый машинный язык машины. Говоря о сложности аппаратуры компьютера, машинные команды целесообразно делать как можно проще, но примитивность большинства машинных команд делают их использование неудобным и трудным. Вследствие чего разработчики вводят другой набор команд более удобный для человеческого общения (языки более высокого уровня).

v Уровни организации ЭВМ

vПамять ЭВМ

Памятью ЭВМ называется совокупность устройств, служащих для запоминания, хранения и выдачи информации.

 

Отдельные устройства, входящие в эту совокупность, называются запоминающими устройствами (ЗУ) того или иного типа.

vПамять ЭВМ

По некоторым оценкам производительность компьютера на разных классах задач на 40-50% определяется характеристиками ЗУ различных типов, входящих в его состав.

 

К основным параметрам, характеризующим запоминающие устройства, относятся емкость и быстродействие.

vЕмкость

Емкость памяти - это максимальное количество данных, которое в ней может храниться.

 

Емкость запоминающего устройства измеряется количеством адресуемых элементов (ячеек) ЗУ и длиной ячейки в битах.

 

vЕмкость

В настоящее время практически все запоминающие устройства в качестве минимально адресуемого элемента используют 1 байт

 

1 байт = 8 двоичных разрядов (бит).

 

Емкость памяти обычно определяется в байтах, килобайтах, мегабайтах, гигабайтах и т.д.

vПамять ЭВМ

За одно обращение к запоминающему устройству производится считывание или запись некоторой единицы данных, называемой словом, различной для устройств разного типа.

 

Это определяет разную организацию памяти.

vПамять ЭВМ

Например, память объемом 1 мегабайт может быть организована как 1М слов по 1 байту, или 512К слов по 2 байта каждое, или 256К слов по 4 байта и т.д.

vПамять ЭВМ

В то же время, в каждой ЭВМ используется свое понятие машинного слова, которое применяется при определении архитектуры компьютера, в частности при его программировании, и не зависит от размерности слова памяти, используемой для построения данной ЭВМ.

 

Например, компьютеры с архитектурой IBM PC имеют машинное слово длиной 2 байта.

vБыстродействие

Определяется продолжительностью операции обращения:

v временем, затрачиваемым на поиск нужной информации в памяти и на ее считывание,

v временем на поиск места в памяти, предназначаемого для хранения данной информации.

v Классификация ЗУ

ЗУ первого типа используются в процессе работы процессора для хранения выполняемых программ, исходных данных, промежуточных и окончательных результатов.

 

В ПЗУ хранятся системные программы, необходимые для запуска компьютера в работу, а также константы.

 

В некоторых ЭВМ, предназначенных, например, для работы в системах управления по одним и тем же неизменяемым алгоритмам, все программное обеспечение может храниться в ПЗУ.

v Микросхема ПЗУ

Микросхема ПЗУ(BIOS) содержит:

 

v BIOS(Basic Input/Output System)

v POST

v программа первоначальной загрузки

v программа SetUp

v ЗУ с произвольным доступом

RAM - random access memory

Время доступа не зависит от места расположения участка памяти (например, ОЗУ).

 

Типы:

v SDRAM,

v DDR SDRAM

v DR DRAM

 

Аппаратная реализация:

v модули SIMM, DIMM

v ЗУ с прямым(циклическим) доступом

Благодаря непрерывному вращению, возможность обращения к некоторому участку носителя циклически повторяется.

v ЗУ с последовательным доступом

Последовательно просматриваются участки, пока нужный участок не займет некоторое нужное положение напротив головок чтения/записи

v Иерархическая организация памяти в современных ЭВМ

Идеальное ЗУ:

• бесконечно большая емкость

• бесконечно малое время обращения

 

На практике эти параметры находятся в противоречии друг другу: в рамках одного типа ЗУ улучшение одного из них ведет к ухудшению значения другого.

v Иерархическая организация памяти в современных ЭВМ

Иерархическая структура памяти позволяет экономически эффективно сочетать хранение больших объемов информации с быстрым доступом к информации в процессе ее обработки.

Регистровая память - набор регистров, входящих непосредственно в состав микропроцессора (CPU).

 

Регистры CPU программно доступны и хранят информацию наиболее часто используемую при выполнении программы: промежуточные результаты, составные части адресов, счетчики циклов и т.д.

Регистровая память имеет относительно небольшой объем (до нескольких десятков машинных слов).

 

РП работает на частоте процессора, поэтому время доступа к ней минимально.

 

Например, при частоте работы процессора 2 ГГц время обращения к его регистрам составит всего 0,5 нс.

Оперативная память - устройство, которое служит для хранения информации, непосредственно используемой в ходе выполнения программы в процессоре.

 

Оперативная память работает на частоте системной шины, например, при частоте работы системной шины 100 МГц время обращения к оперативной памяти составит несколько десятков наносекунд.

v более быстродействующая статическая оперативная память

v специальный механизм записи и считывания информации

v предназначена для хранения информации, наиболее часто используемой при работе программы

v программно недоступна. Для обращения ней используются аппаратные средства процессора и компьютера.

v Внешняя память

Магнитные и оптические диски, магнитные ленты.

Емкость дисковой памяти: 10-ки ГБ при времени обращения менее 1 мкс.

 

Магнитные ленты:

• малое быстродействие и большая емкость

• используются в настоящее время в основном как устройства резервного копирования данных, обращение к которым происходит редко, а может быть и никогда.

• Время обращения может достигать нескольких десятков секунд.

vПроцессор

Процессор – выращенный по специальной технологии кристалл кремния.

 

Содержит в себе многие миллионы отдельных элементов – транзисторов, которые в совокупности наделяют компьютер способностью «думать» – вычислять, производя определённые математические операции с числами, в которые преображается любая поступающая в компьютер информация.

v Характеристики процессора

v тип архитектуры (CISC, RISC)

v разрядность (бит): внутренняя (регистров) и внешняя (шины данных)

v наличие кэш-памяти

v тактовая частота (МГц)

v степень интеграции

Тактовая частота – величина, измеряемая в мегагерцах (МГц), показывает, сколько инструкций способен выполнить процессор в течение секунды.

 

Тактовая частота обознается цифрой в названии процессора:

Pentium 4-2400, т.е. процессор поколения Pentium 4 с тактовой частотой 2400 МГц или 2.4 ГГц

Тактовая частота – самый важный показатель скорости работы процессора.

 

Но далеко не единственный. Иначе как объяснить тот странный факт, что процессоры Celeron, Athlon и Pentium 4 на одной и той же частоте работают… с разной скоростью?

Аббревиатура CISC означает Complete Instruction Set Computer – компьютер со сложным (полным) набором команд.

 

CISC отличается малым количеством регистров общего назначения, большим количеством машинных команд. Это приводит к усложнению декодирования инструкций, что в свою очередь приводит к расходованию аппаратных ресурсов.

К CISC-процессорам относятся:

 

v Intel 80x86

v Pentium

v Motorola MC680x0

v DEC VAX

Особенности RISC -процессоров:

 

v удалены сложные и редко используемые инструкции;

v все инструкции имеют одинаковую длину, что позволяет уменьшить сложность управления процессором и увеличить скорость обработки команд;

v отсутствуют инструкции, работающие с памятью напрямую, все данные загружаются только из памяти в регистр и наоборот;

v большинство операций производятся за один такт микропроцессора.

Класс RISC-процессоров составляют:

v Alpha

v Sun

v Ultra SPARC

v MIPS

v PowerPC

v и некоторые другие

 

v Характеристика системных шин

vСистемная шина

v Функции контроллера клавиатуры

v сканирование состояния клавиш

v буферизацию до 20 отдельных кодов клавиш на время между двумя соседними опросами клавиатуры со стороны CPU

v преобразование кодов нажатия клавиш (scan-кодов) в коды ASCII с помощью хранящихся в ПЗУ программируемых системных таблиц драйвера клавиатуры

v тестирование клавиатуры при включении ПК

v Основные характеристики видеоконтроллера

v режимы работы (текстовый и графический)

v воспроизведение цветов (монохромный и цветной)

v число цветов в цветном или число полутонов в монохромном режиме

v разрешающая способность

v емкость буферной памяти

v разрядность шины данных

v Основные характеристики аудиоконтроллера

v Частота дискретизации – количество измерений входного сигнала за 1 секунду.

§ Возможные значения: 11кГц, 22кГц, 44,1 кГц,48 кГц

v Разрядность регистра – число бит в регистре аудиоадапт