textarchive.ru

Главная > Учебное пособие


МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ

ЭЛЕКТРОНИКИ И МАТЕМАТИКИ

Кафедра ЭВА

доцент, к.т.н.

Мартиросян С.Т.

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

ПО КУРСУ

«Организация ЭВМ, комплексов и сетей»

ЧАСТЬ I

ОРГАНИЗАЦИЯ ЭВМ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

МОСКВА – 2003

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Пособие предназначено для самостоятельной работы студента над курсом “Организация ЭВМ, комплексов и сетей” по первой части курса – Организация ЭВМ и систем. Пособие может служить и методическим руководство для преподавателя информационных технологий. Пособие разработано на кафедре ЭВА.

ГЛАВА I. Основы функционирования ЭВМ

1.1 Базовые понятия информации

Итак, мы начинаем первое знакомство с величайшим достижением нашей цивилизации, стоящем в одном ряду с изобретением книгопечатания и открытием электричества – компьютером. Сначала мы вспомним базовые понятия информатики, как науки, изучающей основные аспекты получения, хранения, преобразования и передачи информации. Затем мы раскроем сущность, принцип работы компьютера как технического устройства. Научимся использовать его как эффективный инструмент не только для получения знаний, но и для повседневной работы.

Самое главное, мы, изучая компьютер, всегда будем делать акцент на разделяемых ресурсах компьютера. Компьютер сегодня – это инструмент сетевых технологий, окно в необозримый мир Интернета.

Что такое информация?

В сотнях книг и учебниках это понятие трактуется по разному. А ведь все мы интуитивно понимаем, что это такое. Действительно, при слове «информация» мы прежде всего вспоминаем радио, телевидение и т.д. В чем здесь дело? А дело в том, что понятие информации стоит в одном ряду с такими фундаментальными понятиями как энергия, энтропия, вещество. Нам важно понять свойства информации, свойства которые делают ее абсолютно необходимой для организованных живых и искусственных систем.

Информационные процессы.

Мы понимаем под информацией все так или иначе оформленные сведения или сообщения о вещах и явлениях, которые уменьшают степень неопределенности, хаотичности знаний об этих вещах или явлениях. Информация не есть нечто статичное, неизменное. Как правило, с ней все время что-то происходит, т.е. осуществляются информационные процессы. Эти процессы можно разделить на четыре группы – сбор, хранение, обработка и передача информации.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ


КС КС КС КС

СБОР

ХРАНЕНИЕ

ОБРАБОТКА

ПЕРЕДАЧА

Канал Связи (параметр - пропускная способность)

СООБЩЕНИЕ

(отформатированные

данные, пересчет)

ДАННЫЕ

(зарегистрированные сигналы, датчик)

преобразователь)

Сигналы

КС

ОБЪЕКТ

Рис. 1.1 Информационные процессы

Информация, воплощенная и зафиксированная в некоторой материальной форме, способная сохраняться и передаваться называется сообщением. Материальная среда, определяющая взаимодействие между источником и приемником сообщения, называется каналом связи. Восприятие информации приемником – преобразователем осуществляется при помощи сигналов. Сигналы имеют различную физическую природу и являются продуктами энергообмена, имеющие в своей основе материальную природу. Технические средства, преобразующие сигналы в форму, удобную для восприятия (человеком, техническим средством) называются первичными преобразователями информации или датчиками.

Данные.

Данные– это зарегистрированные сигналы. Данные не тождественны информации.

Примеры: состязание бегунов, пловцов – регистрация начального и конечного положения стрелки механического секундомера – перемещение стрелки это регистрация данных (однако информации о времени преодоления дистанции пока нет) – метод пересчета одной физической величины в другую (четверть круга – 15 секунд) позволяет получить информацию о скорости перемещения бегуна. Другой пример – напишем последовательность нескольких телефонных номеров:

302 65 21;

145 44 75;

194 05 67 и т.д.

Непосвященный человек воспримет эти цифры как данные ему ни о чем не говорящие. Если теперь подписать рядом с числами название и имена абонентов – это уже данные с которыми можно работать, использовать - т.е. ИНФОРМАЦИЯ. Для получения информации необходим алгоритм обработки данных.

Основные структуры данных

Понятие ДАННЫЕ будет пронизывать весь курс, поэтому необходимо ознакомиться с основными структурами данных: линейная, иерархическая и табличная.

Пример: книга - разобрали на отдельные листы и смешали, набор данных есть, но подобрать адекватный метод получения информации трудно. Если же собрать все листы в правильной последовательности, мы получим простейшую структуру данных – ЛИНЕЙНУЮ. Однако читать придется с самого начала до конца, что не всегда удобно.

Для быстрого поиска требуемой информации применяется ИЕРАРХИЧЕСКАЯ структура. Оглавление – разделы – параграфы и т.д. Элементы структуры более низкого уровня обязательно входят в элементы более высокого уровня.

Теперь представьте, мы связали линейную и иерархическую структуры, то есть связали разделы, главы, параграфы с номерами страниц (содержание). Тем самым, мы создали НАВИГАТОРА, который еще более упростит поиск – ТАБЛИЧНАЯ структура.

Обработка данных

Обработка данных или преобразование данных включает следующие операции:

  • сбор данных;

  • формализация данных, приведение к единому формату;

  • фильтрация данных, уменьшение уровня «шума»;

  • сортировка данных, повышение доступности информации;

  • архивация данных, организация хранения;

  • защита данных;

  • транспортировка данных;

  • преобразование данных, важнейшая и наиболее дорогая задача информатики, как правило, связанная с изменением носителя.

Формы адекватности информации (при первом чтении можно опустить)

При оценке информации необходимо установить качественные характеристики (ценность, достоверность) и количественные (объем, поток, пропускная способность).

Что бы выяснить уровень соответствия информации образу реального объекта (адекватность) применяются три формы соответствия:

  • Синтаксическая адекватность – отображает формально-структурные характеристики информации, не затрагивая ее смыслового содержания.

Пример: сообщение в двоичном коде 10110110, объем данных V=8 бит, или слово бурбумбия – 45 бит, а где смысл этого и каков он?

  • Семантическая (смысловая адекватность) – определяет степень соответствия образа объекта самому объекту, предполагает учет смыслового содержания информации. Информация в виде документов, формул, таблиц, текста и т.п. называется семантической информацией, т.е. информацией, имеющей значение, смысл в некотором языке, понимание семантической информации может осуществить только человек и адресатом семантической информации может быть только человек.

Пример: слово Тезаурус, для непосвященного набор букв, для специалиста в области информатики – совокупность сведений, которыми располагает пользователь(например словари синонимов, антонимов и т.д.).

  • Прагматическая (потребительская) адекватность – отражает отношение информации и ее потребителя, соответствие информации цели управления. Ценность, полезность информации при выработке решения для достижения цели. Пример:

  • вчера в Москве было сумрачно и дождливо, температура +1, +3 градуса;

  • завтра в Москве будет сумрачно и дождливо, температура +1, +3 градуса.

Сообразите где больше информации, какая из них более ценная?

Как измерить количество информации ?

После того как мы ознакомились с рядом типичных примеров, раскрывающих то, что понимают под информацией и ее обработкой, необходимо вернуться к информации как к понятию в целом. Точнее раскрыть суть этого понятия позволит ответ на вопрос: какие задачи помогает решать информация (а не что она собой представляет).

Информация устраняет неопределенность, предоставляет человеку или техническому устройству возможность сделать выбор в пользу одного из нескольких равноправных вариантов.

Попробуем понять о какой неопределенности идет речь и какова единица измерения информации?

Допустим, вы бросаете монетку, загадывая, что выпадет: орел или решка ? Есть всего два варианта возможного результата и оба они равноправны, а следовательно, равновероятны. Так вот, в этом случае перед подбрасыванием монеты неопределенность знаний о результате равна двум. Игральный кубик с шестью гранями – неопределенность равна шести. Еще пример: спортсмены – лыжники перед забегом определяют свой порядковый номер путем жеребьевки, если общее число спортсменов 16, то и неопределенность каждого номера равна шестнадцати.

По-видимому, единица измерения информации должна уменьшать неопределенность в два раза – эта единица получила название «бит» от английского binary digit – двоичная цифра.

Бит – минимальная единица информации. В каждом бите может хранится 0 или 1.

А теперь такая задачка: школьник на экзамене может получить одну из четырех оценок – 5, 4, 3, 2. Вы волнуетесь за него, ждете результата экзамена. Наконец он пришел и на ваш вопрос : «Ну, что получил ? » - ответил: «Четверку».

Вопрос: сколько бит информации содержится в его ответе ?

Будем отгадывать оценку постепенно, задавая вопросы, на которые можно ответить «да» или «нет».

Первый вопрос:

  • оценка выше тройки?

  • Да!

После этого ответа число вариантов уменьшилось в два раза, остались только 4 и 5. Получен один бит информации.

Второй вопрос:

  • ты получил 5?

  • Нет!

Выбран один вариант из двух оставшихся: оценка – «четверка». Получен еще один бит информации. В сумме имеем 2 бита.

Американский математик Клод Шеннон в 1948 г. ввел численную меру неопределенности или неупорядоченности с которой посланное сообщение прибывает в пункт назначения. Попробуем вывести формулу Шеннона.

Обозначим буквой N количество возможных, равновероятных событий (неопределенность знаний). Буквой i обозначим количество информации в сообщении о том, что произошло одно из N событий.

В примере с монетой N = 2 i = 1;

В примере с оценками N = 4 i = 2;

В примере с лыжниками N = 16 i = 4.

Нетрудно заметить, что связь между этими величинами выражается формулой:

2 i = N.

Действительно: 2 1 = 2, 2 2 = 4, 2 4 = 16. Если величина N известна, а i – неизвестно, то формула становится показательным уравнением для определения i. Решение таких уравнений проводится с помощью логарифмической функции и таблиц логарифмов. Тогда уравнение Шеннона для количества информации будет:

I = Log 2 N.

Очевидно, что в данном случае речь идет о синтаксической мере информации.

Нетрудно заметить, что определение Шеннона не охватывает все стороны информации. Действительно, каждый знак русского текста несет информацию объемом в пять бит (Log 2 32) Следовательно, книга в 100 страниц по 2000 знаков на каждой содержит информацию в объеме 1 Мбит. Независимо от того, кто эту книгу набил на клавиатуре компьютера – человек или обезьяна.

Способы представления информации в ЭВМ

Первая форма представления информации называется аналоговой или непрерывной. Величины, представленные в такой форме, могут принимать любые значения, в каком – то диапазоне. Они могут быть сколь угодно близки друг к другу и изменяться в произвольные моменты времени.

Вторая форма представления информации называется цифровой или дискретной. Для дискретных сообщений характерно наличие фиксированного набора элементов, из которых в некоторые (вполне определенные) моменты времени формируются различные последовательности. В отличие от непрерывной величины количество значений дискретной величины всегда будет конечным.

Первая форма используется в аналоговых ВМ. Эти машины предназначены для решения задач, описываемых системами дифференциальных уравнений: исследования поведения подвижных объектов, моделирования ядерных реакторов, электромагнитных полей. Но АВМ не могут решать задачи, связанные с хранением и обработкой больших объемов информации, которые легко решаются при использовании цифровой формы представления информации, реализуемой цифровыми вычислительными машинами (ЭВМ).

Представление дискретной информации в ЭВМ.

За основу представления информации в ЭВМ была принята двоичная система счисления. Как и десятичная система счисления, двоичная система (в которой используются лишь цифры 0 или 1) является позиционной системой счисления, т.е. в ней значение каждой цифры числа зависит от положения (позиции) этой цифры в записи числа. Каждой позиции присваивается определенный вес. Например: число 371 можно записать в виде

3 х 102 +7 x 101 + 1 x 100 = 371 10

300 + 70 +1,

где цифры имеют вес 10i, или в двоичной системе счисления

1 x 28 + 0 x 27 + 1 x 26 + 1 x 25 + 1 x 24 + 0 x 23 + 0 x 22 + 1 x 21 + 1 x 20 =

1011100112 = 37110

где цифры имеют вес 2i.

Существуют специальные термины, широко используемые в вычислительной технике: бит, байт и слово.

Бит – это КВАНТ информации, самым важным сочетанием битов являются байты (8 бит).

Компьютеры работают в основном с байтами, которые являются основной операционной единицей компьютерных данных. Машинное слово (слово) технический термин, означающий 16 бит или 2 байта одновременно. Двойное слово – 4 байта, расширенное слово – 8 байт. Разрядность процессора (компьютера) – 16, 32- бита (или даже 64), означает число единиц данных, с которыми компьютер может оперировать одновременно.

Резюме

Все процессы в природе сопровождаются сигналами. Зарегистрированные сигналы образуют данные. Отформатированные данные – сообщения преобразуются, транспортируются и потребляются с помощью методов. При взаимодействии данных и адекватных им методов образуется информация. Информация – это динамический объект, образующийся в ходе информационного процесса. Информационный процесс состоит из:

сбора, хранения, обработки и передачи информации. Для удобства работы с данными их структурируют. Существуют следующие важнейшие структуры: линейная, табличная и иерархическая. В ЭВМ применяется универсальная система кодирования, называемая двоичным кодом. Элементарной единицей представления данных называется – бит, далее идут байт, слово, двойное слово.

Вопросы и задания

  1. Как вы понимаете термин «средства массовой информации»? Что это?

  2. Являются ли данные товаром? Могут ли методы быть товаром?

  3. Определите в каком из сообщений содержится больше информации:

  • Собака укусила мальчика;

  • Мальчик укусил собаку.

  1. Что происходит с информацией по окончании информационного процесса?

  2. Перечислите основные составляющие информационного процесса.

  3. Что такое позиционная система счисления? Дайте примеры таких систем.

  4. Какое число является основанием десятичной, двоичной системы счисления?

  5. Перевести число из одной системы счисления в другую:

  • 210 = Х2, 10112 = Х10, 1610 = Х2, 1011,1210

  1. Записать двоичное число, соответствующее десятичному числу 5 в однобайтовом формате.

Ваш следующий шаг

Вы представляете теперь что такое информация, как ее кодировать, как ее измерять и что с ней можно делать. Теперь мы можем приступить к интереснейшей задаче – что делает с информацией ЭВМ. Но прежде всего мы должны, хотя бы в общих чертах, понять что такое компьютер, его основные компоненты и как он функционирует.

Итак, нам предстоит первое знакомство с величайшим изобретением человечества – компьютером.

1.2 Основы функционирования и построения ЭВМ

Эволюция персональных компьютеров

Современный компьютер представляет собой набор электронных переключателей. Эти переключатели могут находится в одном из двух устойчивых состояний: переключатель включен или выключен, конденсатор заряжен или разряжен, магнитный домен намагничен или нет, транзистор находится в проводящем состоянии или непроводящем и т.п. Одно из таких физических состояний создает высокий уровень выходного напряжения (например 4 В), а другое – низкий (например 0 В). В компьютере эти электрические напряжения принимаются соответственно за 1 (логическую) и 0 (логический). Хотя возможно и обратное кодирование.

В первых компьютерах в качестве переключателей применялись вакуумные лампы. Лампа как электронный переключатель малоэффективна. Она потребляет много электроэнергии и выде­ляет огромное количество тепла, отвод которого был одной из основных технических проблем. Кроме того, лампы весьма ненадежны: в больших системах каждая из них выходила из строя раз в два часа, а то и чаще.

Изобретение в 1948 году транзистора как полупроводникового устройства стало важнейшим событием, которое привело к компьютерной революции. Транзистор был изобретен в Bell Laboratory инженерами Джо­ном Барденом (John Bardeen), Вальтером Бреттеном (Walter Brattain) и Вильямом Шокли (William Shockley). Транзистор, в сущности являющийся электронным ключом, заменил громоздкую и неудобную электронную лампу. Поскольку потребляемая транзисторами мощность незначительна, построенные на их основе компью­теры имели гораздо меньшие размеры и были более быстродействующими и эффективными.

Появление транзистора заложило тенденцию к миниатюризации компьютеров, которая сохраняется и в настоящее время. Современные модели портативных компьютеров, работающих от аккумуляторов, обла­дают большей производительностью, чем прежние системы, занимавшие целые комнаты и потреблявшие много электроэнергии.

В 1959 году сотрудники фирмы Texas Instruments изобрели интегральную схему (ИС) полупроводни­ковое устройство, которое на одном кристалле содержало несколько транзисторов и соединяло их без про­водов. В первой ИС их было всего шесть. Для сравнения заметим, что современный микропроцессор Pentium Pro, используемый в новейших компьютерных системах, состоит из 5,5 млн транзисторов, а ин­тегральный кэш, встроенный в один из чипов, содержит еще 32 млн транзисторов. Сегодня количество транзисторов для некоторых ИС превышает мультимиллионный рубеж.

В 1969 году фирма Intel выпустила микросхему памяти емкостью 1 Кбит, содержащую больше транзи­сторов, чем любая тогдашняя ИС. (1 Кбит равен 1024 бит, байт состоит из 8 бит, т.е. микросхема могла хранить всего 128 байт информации, что по современным меркам ничтожно мало.) Приблизительно в то же время японская фирма Busicomp, производившая калькуляторы, заказала фирме Intel для одной из своих разработок 12 логических микросхем. Вместо 12 микросхем инженеры создали одну.

Более того, в микросхеме была предусмотрена возможность программного изменения ее функций. Та­ким образом, она превратилась в универсальную, т.е. могла работать не только в калькуляторе. Выполняе­мые операции не определялись только ее внутренней структурой — ИС могла считывать из памяти опре­деленное количество инструкций (команд), которые и управляли выполняемыми ею функциями. Идея за­ключалась в том, чтобы в одной микросхеме полностью реализовать вычислительное устройство, которое выполняло бы операции в зависимости от подаваемых команд.

Первый 4-разрядный микропроцессор 4004 фирмы Intel появился в 1971 году. Он за один раз обрабаты­вал 4 бит данных. В 1972 году был выпущен его преемник — 8-разрядный микропроцессор 8008.

Уже в 1973 году были разработаны первые микропроцессорные комплекты на основе 8008. Правда, они го­дились разве что для демонстрации своих возможностей и включения индикаторов. В конце 1973 года фирма Intel выпустила микропроцессор 8080, быстродействие которого было в 10 раз выше быстродействия 8008, и он мог адресовать память объемом до 64 Кбайт. Это стало толчком к промышленному производству ПК,

В 1975 году фотография комплекта Altair фирмы MITS была помещена на обложку январского номера журнала PopularElectronic. Этот комплект, который можно считать первым ПК, состоял из процессора 8080, блока питания, лицевой панели с множеством индикаторов и оперативного запоминающего устрой­ства (ОЗУ) на 256 байт (не килобайт!). Стоимость комплекта составляла $395, и покупатель должен был сам собирать компьютер. Этот ПК был построен по схеме с открытой шиной (слотами), что позволяло другим фирмам разрабатывать дополнительные платы и периферийное оборудование. Появление нового процессора стимулировало разработку различного программного обеспечения, включая операционную систему СР/М (ControlProgramforMicroprocessors управляющая программа для микропроцессоров) и первый язык программирования BASIC (BeginnersAll-purposeSymbolicInstructionCode универсальный символиче­ский программный код для начинающих) фирмы Microsoft.

В 1975 году фирма IBM впервые выпустила то, что можно было бы назвать персональным компьютером. Модель 5100 имела память размером 16 Кбайт, встроенный дисплей на 16 строк по 64 символа, интерпре­татор языка BASIC и кассетный накопитель DC-300. Однако стоимость компьютера ($9 000) для рядового покупателя оказалась слишком высокой, особенно если учесть, что множество любителей (названных поз­же хакерами) предлагали свои собственные комплекты всего за $500. Очевидно, что компьютеры IBM не могли выдержать такой конкуренции на рынке и продавались очень плохо.

До появления известного сейчас IBM PC (модель 5150) были разработаны модели 5110 и 5120. Хотя эти компьютеры и предшествовали IBM PC, они не имели с ним ничего общего. IBM PC больше был похож на выпущенную в 1980 году модель System/23 DataMaster.

В 1976 году новая фирма, Apple Computer, вышла на рынок с компьютером Apple I стоимостью $695. Его системная плата была привинчена к куску фанеры, а корпуса и блока питания не было вообще. Было выпущено всего несколько экземпляров этого компьютера, которые впоследствии продавались коллекцио­нерам за $20 000. Но появившийся в 1977 году компьютер Apple II стал прообразом большинства после­дующих моделей, включая и IBM PC.



Скачать документ

Похожие документы:

  1. Организация эвм комплексов и систем часть ii

    Список учебников
    ... частями целого. В вычислительной технике «организация» может применяться по отношению к разным уровням средств : сетям, комплексам, системам, отдельным ЭВМ ... данном курсе лекций изучается: Особенности архитектуры аналоговых и гибридных ЭВМ и комплексов. ...
  2. Учебно-методический комплекс дисциплины « вычислительные системы сети и телекоммуникации »

    Учебно-методический комплекс
    ... сетей и ТКС. 1.4. Общие методические рекомендации поорганизации самостоятельной работы при изучении дисциплины Осваивая курсвычислительныесистемы, сети ...
  3. Доцент к т н конспект лекций по курсу «организация эвм и систем»

    Конспект лекций
    ... ЛЕКЦИЙ покурсу «ОрганизацияЭВМ и систем» для студентов специальности 220100 – Вычислительная техника, системы, комплексы и сети МОСКВА ... драйверами и программной частьювычислительнойсистемы в целом. Структура системы ввода-вывода Буферизация ...
  4. Предисловие 4 глава первая 6 системы обработки данных 6

    Документ
    ... работа по синхронизации процесса решения частей задачи. Многопроцессорный ВК с организациейпо принципу ... вычислительнойсистемы (ЭВМ, комплекса или сети) состоит из технического и системотехнического обслуживания системы и использования ее по ...
  5. Курс лекций «Администрирование сети» Раздел 1 Компьютерные коммуникации Тема 1

    Документ
    ... системы - прообраз сетиПо мере удешевления процессоров в начале 60-х годов появились новые способы организациивычислительного ... системы Многомашинная система - это вычислительныйкомплекс, ... ЭВМ ... частями сложной системы. Современные вычислительныесистемы ...

Другие похожие документы..