Определение и измерение информации

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

по курсу “Информатика”

 

Москва, 2004

	Введение. 3 Лекция 1. 4 Информация и информационные технологии. Основные понятия. 4 Лекция 2.. 9 Арифметические основы компьютеров.. 9 Лекция 3. 17 Технические средства информационных технологий. 17 Лекция 4. 29 Программное обеспечение. 29 Лекция 5. 38 Лекция 6. 47 Язык программирования Microsoft Qbasic. 47 Лекция 7. 56 Управление ходом выполнения программы.. 56 Лекция 8. 63 Алгоритмы решения математических задач. 63 Лекция 9. 70 Описание и обработка массивов. 70 Лекция 10. 77 Описание и обработка матриц. 77 Лекция 11. 80 Алгоритмы компьютерной графики. 80 Лекция 13. 96 Работа с файлами. 96 Лекция 14. 103 Приемы модульного программирования. 103 Лекция 15. 111 Разработка сложных программ.. 111 Лекция 16. 116 Компьютерные сети. Архитектура построения. 116 Лекция 17. 123 Основные компоненты компьютерных сетей. 123 Литература. 127 Словарь понятий. 128

Введение

 

 

Конспект лекций по курсу «Информатика» включает разделы, рекомендованные в типовой программе изучения курса для высших учебных заведений. Эти разделы охватывают такие вопросы как технологии, вопросы представления данных в компьютере, представление звуковой, графической информации в цифровом виде. В курсе лекций рассмотрены и такие разделы как системы счисления, технические средства обработки информации, устройств персонального компьютера, программное обеспечения ЭВМ, операционные системы. Значительное место уделено вопросам алгоритмизации и программированию, видам вычислительных процессов, основам программированию на QBASIC, основным операторам и функциям языка.

Конспект лекций по курсу «Информатика» включает материал по 17 лекциям. В первую часть конспекта вошли 8 лекций. Оставшиеся лекции входят во вторую часть конспекта, где изложены остальные разделы курса.

Предлагаемый конспект лекций может быть полезным не только для студентов ИОАИТ, но также и для студентов других институтов МГУПП, для студентов вечерних и заочных отделений.

Лекция 1.

Информация и информационные технологии. Основные понятия.

Предмет информатики

Информатика – наука об информации и информационных технологиях.

В системе наук информатика является комплексной, междисциплинарной отраслью научных знаний. Такое положение обусловлено тем, что информатика, являясь фундаментальной естественной наукой, в то же время имеет многие признаки технической и даже гуманитарной наук.

Информатика является фундаментальной наукой, поскольку законы, определяющие свойства информации и протекание информационных процессов, являются базовыми для всех наук.

Информатика является естественной наукой, поскольку изучает информационные процессы, протекающие в природе – в физических, биологических, общественных средах.

Информатика имеет также много признаков технической науки, так как, например, изучает аппаратные средства сбора, хранения, передачи и обработки информации.

Информатика – молодая наука, находящаяся в стадии формирования границ своей сферы интересов.

Информатика имеет как теоретическую, так и прикладную части.

Теоретическая информатика состоит из таких математизированных дисциплин как математическая логика, дискретная математика, теория информации, теория алгоритмов, теория автоматов, теория формальных языков и грамматик и т.п.

Прикладная информатика состоит из системы технико-технологических знаний, благодаря развитию которых мы наблюдаем бурное развитие информационных технологий.

Информационная технология – это совокупность способов и программно-технических средств, применяемых для выполнения информационных процессов.

Информационный процесс – последовательность операций по поиску, сбору, хранению, обработке и передаче информации.

В развитых странах большинство видов человеческой деятельности, представляет собой выполнение тех или иных информационных процессов: научные исследования, обучение, создание произведений искусства, финансовая деятельность, торговля, управление производством, добычей сырья, работой транспорта, разработка военные операции, диагностика в медицине и т.д. Появление программно-технических средств выполнения информационных процессов и массовое внедрение современных информационных технологий оказало и оказывает сейчас радикальное влияние не только на производственную деятельность человека, но и на общественную среду и все сферы жизни человека.

Информация

Определение и измерение информации

Информация – сведения о лицах, предметах, фактах, явлениях и процессах, независимо от формы их представления, причем такие сведения, которые уменьшают степень имеющейся неопределенности или неполноты знаний.

Таким образом, информация - это сведения, расширяющие и углубляющие наши знания.

Формулировка информации как сведений, которые уменьшают неопределенность или неполноту знаний имеет мировоззренческое значение. Однако возникает проблема субъективности измерения информации, т.к. ее величина как бы связана с неким субъектом, у которого надо измерять снижение неопределенности сведений и пополнение знаний.

Эта проблема в точных науках снимается конкретизацией исходной постановки задачи. Например, в теории информации для решения задач анализа пропускной способности канала, разработки способов повышения скорости и помехоустойчивости сообщений в 1946 г. американским ученым К.Шенноном было предложено в качестве меры информации о событии Х, имеющего вероятность Р, принять величину Н(X):

Н(X) = log_a(1/P) = - log_a P(X) 1.1

Величина Н(X) получила название энтропии события Х.

Основание логарифма ‘а’ может быть любым. Чаще всего принимают а = 2. Тогда количество информации выражают в двоичных единицах - битах. А при а = е или а = 10 эти единицы, например, носят название соответственно нит и дит.

Пример. Отгадывание числа из возможного их М количества.

Так как в этом случае Р=1/М, то по формуле (1.1) для отгадывания достаточно задать только

Н = log₂M

вопросов. И, наоборот, с помощью Н вопросов можно отгадать число из возможных их М значений, где М определяется по формуле:

М = е^Н 1.2

Например, чтобы отгадать загаданное положительное число, не превышающее 128, достаточно задать 7 вопросов.

Энтропия как мера информации имеет недостатки. Например, она не характеризует и не измеряет «смысл» принимаемых сигналов. Эту меру иногда называют синтаксической мерой информации.

Имеются и другие подходы к измерению информации.

Свойства информации

К базовым свойствам информации относятся

- запоминаемость,

- передаваемость,

- преобразуемость (способность менять форму своего существования).

Реализуются эти свойства посредством материального носителя – чаще всего бумажного или магнитного носителя, электрического или электромагнитного сигнала, - на котором тем или иным способом записываются признаки, которые носят название - данные.

В качестве прагматических свойств информации можно отметить следующие. Она:

- имеет ценность, определяемую ее полезностью для владельца,

- имеет стоимость, определяемую затратами на ее получение,

- может быть предметом собственности,

- может быть предметом защиты от доступа к ней посторонних лиц.

Информация и данные

Данные - это записанные на материальном носителе признаки, обеспечивающие возможность хранения и передачи информации.

Данные не всегда соответствуют конкретным или действительным фактам. Они могут также описывать абстракции, идеи, а не реальную действительность.

Чаще всего данные описываются на естественном языке и фиксируются на бумаге. При этом данные и их интерпре­тация (семантика) фиксируются совместно, так как естественный язык достаточно гибок для представления того и другого. Приме­ром может служить утверждение «его рост 173 см». Здесь «173» — данное, а его семантика (смысловое содержание) — «рост в сантиметрах».

В определенных случаях данные и интерпретация разделены. Например, в таблице, которая представляет собой расписание авиарейсов, интерпретация данных приводится отдельно, в шапке таблицы.

Применение компьютеров для ведения и обработки данных приводит к еще большему разделению данных и интерпретации. Компьютеры имеют дело главным образом с даннымикак тако­выми. Большая часть интерпретирующей информации в компьютере в явной форме вообще не фиксируется.

Интерпретация данных часто закла­дывается в компьютерные программы, использующие данные. Однако в ряде случаев, например, когда одни и те же данные могут использовать различные программы, возникает необходимость составлять и хранить вместе с данными описание их смысла (семантики).

Лекция 2

Системы счисления

Системой счисления называют совокупность приемов составле­ния, обозначения и именования чисел.

Различают позиционные и непозиционные системы.

В позиционных системах счисления количество, определяемое цифрой числа, зависит от позиции этой цифры в записи чис­ла. Например, 535 = 500 + 30 + 5.

К непозиционным системам относят, например, римскую систему счисления. У нее количество, определяемое цифрой числа, не зависит от места этой цифры в записи числа. Например, XXV = 10+10+5.

Название и характеристики позиционной системы определяются ее основанием. Основание системы счисления – это объем ее алфавита.

Алфавит системы счисления – множество символов для обозначения цифр числа в этой системе счисления.

Пример алфавитов систем счисления с основанием р:

р = 10, алфавит: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9,

р = 2, алфавит: 0, 1,

р = 8, алфавит: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7

р = 16, алфавит: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, А, В, С, D, Е, F.

В табл. 2.1 представлены записи первых семнадцати чисел в этих системах счисления.

Двоичная система счисления используется для представления чисел в компьютере и выполнения арифметических действий с ними ввиду удобства аппаратной (микропроцессорной) реализации. Шестнадцатеричная и восьмеричная системы счисления используются для отображения компьютерных данных, т.к. такое их отображение легко читается профессионалами.

Таблица 2.1

Р = 10	р = 2	р = 8	р = 16
			А
			B
			C
			D
			E
			F

Двоичная арифметика

Арифметические действия с числами в любой позиционной системе аналогичны. В частности, для двоичной системы арифметические правила, учитывая объем двоичного алфавита, имеют вид:

- сложение: 0 + 0 = 0; 0 + 1 = 1; 1 + 0 = 1; 1 + 1 = 10

- вычитание: 0 – 0 = 0; 1 – 0 = 1; 10 – 1 = 1; 100 – 1 = 11; 1000 – 1 = 111 и т. д.

- умножение: 0 * 0 = 0; 1 * 0 = 0; 0 * 1 = 0; 1 * 1 = 1.

Примеры:
1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0

+ 1 0 1 0 - 1 0 1 0 х 1 0 1 0 - 1 0 1 0 1 0, 1

1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0

1 1 0 0 1 - 1 0 1 0

1 1 1 1 1 0 1 0 0

Целые числа без знака

Целые числа без знака обычно занимают в компьютере один, два или четыре байта

Таблица 2.1

Формат числа в байтах	Количество двоичных разрядов числа	Диапазон чисел
		0 ÷ 255
		0 ÷ 65 535
		0 ÷ 4 294 967 295

Целые числа со знаком

Целые числа со знаком также занимают один, два или четыре байта, при этом самый левый разряд отведен для кода знака числа: «0» - положительное число, «1» - отрицательное число. Поэтому разрядность и диапазон значений этих чисел меньше указанных в табл. 2.1.

Таблица 2.2

Формат числа в байтах	Количество двоичных разрядов числа	Диапазон чисел
		- 128 ÷ - 127
		- 32 768 ÷ 32 767
		- 2 147 483 648 ÷ 2 147 483 647

В компьютере применяется три формы кодов записи целых чисел со знаком: прямой код, обратный код и дополнительный код.

Положительное число имеет одинаковые прямой, обратный и дополнительный коды – двоичное число и цифра 0 в разряде для знака.

Пример. Запись числа 1100101 в однобайтовом формате:

0

знак числа «+»

Отрицательное число имеет разные прямой, обратный и дополнительный коды.

Прямой код отрицательного числа содержит цифру 1 (знак числа ‘-‘) и абсолютную величину двоичного числа.

Обратный код отрицательного числа содержит цифру 1 и инвертированные (замененные на 1 нули и замененные на 0 единицы) цифры прямого кода.

Дополнительный код - это обратный код с прибавленной единицей в младшем разряде.

Пример. Записать число – 11101 в прямом, обратном и дополнительном кодах однобайтового формата. Прямой код:

Обратный код:

Дополнительный код:

Представление в компьютере чисел в обратном и дополнительном кодах широко применяется, так как позволяет выполнять арифметические действия с числами только при помощи операций сложения и сдвига регистра. Это дает возможность упростить устройство центрального процессора компьютера.

Обычно отрицательные числа при вводе в компьютер автоматически преобразуются в обратный или дополнительный двоичный код и в таком виде хранятся, перемещаются и участвуют в операциях. При выводе таких чисел из компьютера происходит обратное преобразование в отрицательные десятичные числа.

Вещественные числа

Любое число N в системе счисления с основанием q можно записать в виде

N = M×q^P, 2.3

где Р – порядок числа,

М – мантисса, содержащая все цифры числа.

Запись числа в виде (2.3) называется представлением числа с плавающей точкой.

Если мантисса числа – правильная дробь (т.е. 0.1 £ М < 1), то число N называется нормализованным.

Пример. Десятичные числа: 312.41 = 0.31241×10³; - 0.0000723917 = 0.723917×10^-4. Двоичные числа: 0.000011 = 0.11× 2^-100; - 101.01 = 0.10101× 2¹¹.

Нормальная форма позволяет при одинаковой разрядности получать существенно больший диапазон представления чисел. Это приводит к уменьшению вероятности переполнения разряд­ной сетки в ячейках хранения числа.

Структура записи нормализованного числа в компьютере в формате с n разрядами имеет следующий вид:

n-1 n-2 3 2 1 0

…

…

Знак мантиссы

Смещенный порядок Абсолютная величина мантиссы

 

Смещенный порядок применяется для однообразного отображения положительных и отрицательных порядков. Например, порядок, принимающий значения в диапазоне – 32 ÷ + 31, представляется смещенным порядком, значения которого меняются от 0 до 64.

Сложение и вычитание нормализованных чисел производится путем сложения и вычитания их мантисс. Перед выполнением действия производится выравнивание порядков чисел.

Пример. 1.Сложить числа 0.10111×2^-1 и 0.11011×2¹⁰. Для выравнивания порядков мантисса первого числа сдвигается на три разряда вправо:

0.00010111 × 2¹⁰

+ 0.11011 × 2¹⁰

0.11101111 × 2¹⁰

2.Выполнить вычитание 0.10101×2¹⁰ – 0.11101×2¹. Для выравнивания порядков мантисса второго числа сдвигается на один разряд вправо:

0.10101 ×2¹⁰

- 0.011101 ×2¹⁰

0.001101 ×2¹⁰

 

Результат получен не нормализованный. Поэтому его нормализуют к виду 0.1101×2⁰.

При умножении нормализованных чисел их порядки складываются, а мантиссы перемножаются.

При делении нормализованных чисел из порядка делимого вычитается порядок делителя, а мантисса делимого делится на мантиссу делителя. Затем в случае необходимости полученный результат нормализуется.

При выводе из компьютера десятичных чисел для отображении их в нормализованном виде применяются записи вида:

- для чисел одинарной точности: МЕ ±Р

- для чисел двойной точности: МD±Р,

где М – мантисса числа, Р – порядок числа, а латинские буквы E и D означаю, что число имеет одинарную и соответственно двойную точность.

Пример. Число одинарной точности: 0.1234567Е + 16. Число двойной точности: 0.123456789012345D – 65.

Лекция 3

Классификация

Технические средства информационных технологий можно подразделить на следующие группы:

- оргтехника (копиры, сканеры, уничтожители бумаги, брошюровщики и т.д.),

- коммуникационная техника (телефоны, модемы, факсы, коммутаторы, маршрутизаторы, концентраторы и т.д.),

- устройства и оборудование, оснащенные микропроцессорами,

- компьютеры.

Компьютер – электронное устройство, способное автоматически выполнять заданную последовательность действий по приему, хранению, преобразованию и выдаче информации.

Компьютеры – в настоящее весьма обширный класс изделий, отличающихся по своим свойствам, видам исполнения и областям применения. Компьютеры можно подразделять, например, по таким свойствам (аспектам классификации):

- по производительности,

- по роли в вычислительной сети,

- по условиям эксплуатации,

- по назначению.

По производительности обычно различали: суперкомпьютеры, компьютеры большой, средней и малой мощности. Однако развитие компьютерной техники идет такими высокими темпами, что вчерашний компьютер большой мощности через несколько лет, по быстродействию, становится обычным компьютером. Поэтому классификация по этому признаку сейчас используется редко. Сохранилось лишь устойчивое понятие суперкомпьютера – компьютера, входящего в 500 самых высокопроизводительных компьютеров мира.

До конца 80-х годов развитие суперкомпьютеров определялось гонкой вооружений США и СССР, когда создание все более мощной элементной базы компьютеров финансировалось государствами. После окончания «холодной войны» развитие суперкомпьютеров идет по пути создания многопроцессорных систем, из процессоров обычного применения. Примером является, запущенный в августе 2001 года суперкомпьютер ASCI White, построенный корпорацией IBM по заказу Министерства энергетики США. Производительность этого вычислительного монстра достигает 12,3 *10¹⁴ оп/с. Объем оперативной памяти ASCI White составляет 6 Тб, а дисковой – 166 Тб. Масса ASCI White составляет 106 т, а занимаемое пространство равно по площади двум баскетбольным площадкам.

Сферой применения суперкомпьютеров является моделирование процессов, протекающих при инициировании ядерных зарядов и их старении, моделирование процессов физики земли, метеопрогнозы и т.п. Примерно половина суперкомпьютеров используется в коммерческих целях.

По роли в вычислительной сети компьютеры подразделяются на:

- майнфреймы,

- серверы,

- рабочие станции.

Майнфреймы – высокопроизводительные компьютеры, которые обеспечивают обработку информации с удаленных терминалов (дисплеев) многих пользователей.

Серверы – компьютеры обеспечивающие эффективное функционирование компьютерных сетей. Отличаются специфической комплектацией и повышенными требованиями к надежности функционирования. Можно сказать, что серверы – это компьютеры, которые обслуживают другие компьютеры сети – рабочие станции.

Рабочие станции – объединенные сетью компьютеры, которыми оборудуются рабочие места квалифицированного персонала для выполнения ими работ, требующих сложных видов обработки больших объемов информации.

В качестве условий эксплуатации, по которым классифицируют компьютеры, обычно рассматривают среду размещения компьютера и мобильность его использования.

По условиям размещения при эксплуатации компьютеры подразделяют на офисные и промышленные.

Офисные компьютеры – компьютеры, размещаемые в обычных помещениях предприятий, а также компьютеры для использования в домашних условиях.

Промышленные компьютеры – компьютеры в промышленном исполнении для применения в сложных условиях внешних воздействий – вибрации, влажности, перепада температур, наличия пыли в воздухе и т.п.

По условиям мобильности компьютеры подразделяются на настольные и носимые.

По назначению компьютеры подразделяются на компьютеры для коллективного использования (таковыми являются, например, майнфреймы, серверы) и персональные компьютеры.

Персональные компьютеры – широкий класс компьютеров для разнообразного производственного и домашнего использования в настольном или мобильном варианте исполнения.

Системный блок

Системный блок обычно состоит из следующих компонентов:

- корпуса,

- блока питания,

- материнской (системной) платы с установленными на ней центральным процессором, оперативной ОЗУ (RAM) и постоянной ПЗУ (ROM) памятью,

- жесткого диска (HDD, винчестера),

- дисковода для гибких дискет (обычно 3,5’),

- устройства чтения лазерных дисков CD-ROM.

Кроме того, там могут быть установлены такие устройства, как пишущий CD-RW, DVD-плеер (или пишущий DVD) и некоторые др.

 

Материнская плата

Материнская плата (МП) - важный компонент компьютера, т.к. общая производительность компьютера, его стабильность и надежность работы часто зависят от МП не менее, чем, например, от процессора и ОЗУ. Материнская плата реализует идею модульного построения компьютера, обеспечивая простоту его сборки и настройки.

Конструктивно МП - это пластина, на которой размещаются:

- центральный процессор (ЦП)

- оперативная память,

- постоянная память,

- интегральная схема CMOS, которая содержит параметры для программ ПЗУ,

- микропроцессоры (чипсет) и электронные схемы контроллеров - устройств для формирования обмена данными между компонентами компьютера,

- шины - линии передачи данных, команд и адресов,

- компоненты, которые регулируют распределение электроэнергии,

- сокеты, разъемы и просто контакты для подключения устройств, кабелей и проводов (среди них разъемы ЦП, слоты ОЗУ и карт расширения),

- переключатели (джеки) для настройки некоторых параметров МП,

- электронные часы,

- генератор тактовой частоты,

- батарейка.

Пластина МП обычно состоит из нескольких слоев. Простая МП имеет четыре слоя. Два слоя, которые находятся сверху и снизу, являются сигнальными слоями. Два слоя, которые находятся посередине, используются как заземление и пластина питания. Размещение слоев питания и заземления в центре пластины МП обеспечивает защиту (экранирование) сигналов.

Наличие большого многообразия комплектующих, монтируемых на МП и подключаемых к ней, а также относительно большого количества производителей чипов для МП и производителей МП привело к весьма большому разнообразию изготавливаемых плат. Это разнообразие, а также стремительное совершенствование элементной базы компьютеров, делает задачу выбора МП достаточно не тривиальной, поскольку этот выбор определяет не только возможности конкретной комплектации ПК, но и возможности его последующей модернизации.

Совершенствование МП идет по пути:

- интеграции функций, выполняемых их микропроцессорами (встраивание в них функций видеоадаптера, звукового адаптера и др.),

- расширения функций МП – на них монтируют сетевые карты, модули проверки и регулирования параметров работоспособности и т.п.,

- увеличения производительности контроллеров за счет, например, повышения быстродействия шин МП.

Центральный процессор

Функции центрального процессора (ЦП):

- обработка данных по командам программы,

- управление работой устройств компьютера.

Архитектура процессора

К обязательным компонентам ЦП относятся арифметико-логическое устройство (АЛУ) и устройство управления (УУ).

Все команды выполняются процессором поэтапно: выборка, декодирование, выполнение и запись результата. В ряде случаев, пока первая команда выполняется, вторая может декодироваться, а третья выбираться.

Физически процессор состоит из ячеек. Группы ячеек называются регистрами. Регистр выполняет функцию кратковременного хранения числа или команды. Основным элементом регистра является электронная схема, которая способна хранить одну двоичную цифру – один разряд.

У каждого типа процессоров свой состав регистров, и у каждого регистра свое назначение. Состав регистров процессора и их назначение называются архитектурой процессора. Чем сложнее процессор, тем сложнее его архитектура. В процессорах современных ПК несколько десятков регистров. Некоторые важные регистры имеют свои названия, например:

Рис. 2. Блок-схема центрального процессора

сумматор — регистр АЛУ, участвующий в выполнении каждой операции;

счетчик команд — регистр УУ, содержимое которого соответствует адресу очередной выполняемой команды; служит для выборки кодов программы из ячеек памяти;

регистр команд — регистр УУ для хранения кода команды на период времени, необходимого для ее выполнения.

Система команд процессора

Перечень команд (инструкций) для процессора называют его системой команд. Этот перечень для процессора современного ПК содержит более тысячи команд. У каждого типа процессора своя система команд. Системы команд стандартизированы международными стандартами.

У современных ПК центральный процессор - это сверхбольшая интегральная схема, реализованная в едином полупроводниковом кристалле кремния или германия площадью меньше 0,1 см², содержащего более 6 млн транзисторов (для процессоров типа Celeron, Pentium IV).

 

Процессоры различаются рядом важных характеристик:

- тактовой частотой обработки информации;

- разрядностью;

- интерфейсом с системной шиной;

- адресным пространством (адресацией памяти)

Тактовая частота обработки информации. Тактом называют интервал времени между передними фронтами двух последовательных импульсов электрического тока. Тактовая частота - это количество тактов в секунду, измеряется в герцах. Например, 1 млн. тактов/с =1млн. гц = 1МГц. Специальные потоки импульсов для всех электронных устройств ПК вырабатывает тактовый генератор, расположенный на материнской плате. Его главный элемент представляет собой кристалл кварца, обладающий высокой стабильностью резонансной частоты. Тактовая частота влияет на скорость работы, быстродействие ЦП. Процессор с большей тактовой частотой способен выполнять в секунду большее количество операций.

Благодаря преимуществам в архитектуре процессоры с меньшей тактовой частотой могут иметь большую производительность в обработке данных.

Для определения производительности ЦП в настоящее время рассматривают четыре аспекта - целочисленные вычисления, вычисления с плавающей запятой, графика, видео. При этом речь идет о производительности лишь самих процессоров, а не всей компьютерной системы в целом, которая зависит, помимо ЦП, от множества других факторов.

Разрядность процессора. Это число одновременно обрабатываемых процессором битов, то есть двоичных разрядов - важнейший фактор производительности ЦП. Вместе с быстродействием разрядность характеризует объем информации, перерабатываемый процессором компьютера за единицу времени. Процессоры бывают 8-, 6-, 32- и 64-разрядными. Процессоры современных ПК - 32-разрядные.

Интерфейс (сопряжение) с системной шиной. Разрядность ЦП может не совпадать с количеством его внешних выводов для линии данных. Например, 32-разрядный ЦП может иметь только 16 внешних линий данных. Это означает, что разрядность интерфейса с внешней шиной данных равна 16. Аналогичная ситуация может наблюдаться с другой частью системной шины - адресной шиной. Поскольку выполнение процессором команды предусматривает также перемещение данных из одного места памяти в другое, то важна не только разрядность внутренних шин процессора, но и его интерфейс с системной шиной.

Адресное пространство. Объем физически адресуемой процессором оперативной памяти называется его адресным пространством. Одна из функций процессора состоит в обмене данными с оперативной памятью и внешними устройствами. При этом процессор для ОЗУ формирует код адрес ячейки памяти, а для устройств - код устройства. Код адреса передается по адресной шине. Если разрядность адресной шины - N, тогда максимальное количество различных двоичных чисел для кода адреса может быть 2^N. Значит, 2^N -- это максимальное количество ячеек оперативной памяти к которым, используя адресную шину, может обратиться процессор. То есть 2^N - объем адресного пространства процессора. В частности, ЦП имеющий 32-разрядную шину адреса, имеет объем адресного пространства 2³² = 4 Гбайта.

Оперативная память

ОЗУ – интегральная микросхема, состоящая из большого числа ячеек. Каждая ячейка - это элемент памяти, при обращении к которому считывается несколько битов, имеющих один адрес. Адрес ячейки ОЗУ – ее порядковый номер.

Каждая ячейка ОЗУ состоит из физических ячеек, предназначенных для хранения одного бита данных.

По скорости записи-чтения данных и команд оперативную память подразделяют на кэш-память и собственно ОЗУ.

Кэш-память предназначена для хранения наиболее часто используемых данных. Время доступа к этой памяти в несколько раз меньше, чем к обычной памяти, она дороже, но, главное, что экспериментальное (т.е. в процессе работы ПК) выделение самых используемых данных обеспечивает значительное уменьшение времени доступа к оперативной памяти в целом.

Электронные схемы физических ячеек кэш-памяти не содержат конденсаторов и не требуют динамического обновления их зарядов для сохранения данных. Это память статического типа - SRAM (Static Random Access Memory).

Вначале кэш-память в виде соответствующей микросхемы устанавливали на материнской плате, вблизи центрального процессора. В настоящее время кэш-память обычно размещается в самом процессоре.

Принципы организации и исполнение ОЗУ постоянно совершенствуются. В настоящее время применяются (в порядке развития) три основные схемы ОЗУ:

- SDRAM (Synchronous Dynamic Random Access Memory) – синхронизированная динамическая память с произвольным порядком выборки; принятое обозначение – DIMM,

- DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM) –синхронизированная динамическая память с произвольным порядком выборки и удвоенной передачей данных; принятое обозначение – DDR DIMM,

- DRDRAM (Direct Rambus DRAM), — память (принятое обозначение – RIMM), принципы построения которой отличаются значительной новизной, позволяющая восьмикратно повысить пиковую пропускную способность в сравнении с памятью DIMM.

Отличительной особенностью ОЗУ типа SDRAM является синхронизация частоты ее работы с частотой центрального процессора.

Основное отличие ОЗУ типа DDR SDRAM от SDRAM заключается в том, что в ней за один цикл происходит два обращения к данным: по переднему фронту и срезу импульса тактового сигнала. То есть в ней чтение-запись происходит два раза за один такт.

Завершаются работы по созданию памяти DDR SDRAM с четырьмя циклами чтение-запись за один такт.

В настоящее время идет соперничество производителей памяти DDR DIMM и RIMM. Однако к началу 2003 года уже простые модули DDR SDRAM обеспечили производительность сравнимую с новыми модулями фирмы Rambus.

Постоянная память

Постоянная память, или постоянное запоминающее устройство - ПЗУ (ROM - Read Only Memory),- постоянная энергонезависимая память, - то есть память, в которой хранимые данные не пропадают при отключении компьютера от электропитания. Вначале ПЗУ предназначалась для хранения данных, которые никогда не потребуют изменения. Содержание памяти поэтому специальным образом “зашивалось” в устройстве при его изготовлении, чтобы из ПЗУ можно было только читать.

В ПЗУ размещают программы тестирования устройств компьютера, загрузочные программы операционной системы и некоторые другие программы.

По мере совершенствования ПК возникла необходимость обеспечить возможность модернизации программ, размещаемых в ПЗУ. В результате практически все современные материнские платы допускают изменение этих программ в ПЗУ.

Разновидность постоянного ЗУ — CMOS RAM. Это память с невысоким быстродействием и минимальным энергопотреблением от батарейки, размещенной на материнской плате. CMOS RAM используется для хранения информации о конфигурации и составе оборудования компьютера. Содержимое CMOS изменяется специальной программой Setup.

Чипсет

Чипсет – это набор микропроцессоров системной логики и контроллеров материнской платы.

Когда чипсета еще не существовало, материнские платы несли на себе до ста микросхем, которые занимались логической организацией работы устройств компьютера. Появление в 1986 году специальных микропроцессоров для выполнения указанных функций привело к революционным изменениям, так как укрепило модульный принцип построения ПК, позволило значительно расширить круг производителей комплектующих для ПК и, в итоге, увеличило темпы совершенствования ПК.

В настоящее время чипсет (набор системной логики) имеет двухуровневую архитектуру: «северный мост» (North Bridge) и «южный мост» (South Bridge). Северный мост содержит контроллеры шины оперативной памяти, интерфейс между шиной процессора и основной шиной материнской платы. Все это реализовано на одном кристалле. Частота работы этой микросхемы равна тактовой частоте системной шины материнской платы. Высокая тактовая частота этих микросхем и большая мощность привели к необходимости оборудовать их устройствами охлаждения.

Южный мост является более медленной микросхемой, т.к. обеспечивает работу шин, используемых для подключения относительно медленных устройств: клавиатуры, мыши, жесткого диска, дисковода гибких дискет и др. Один и тот же тип микросхемы Южного моста может использоваться и работать с несколькими типами Северного моста.