• Главная
  •  > 
  • Новости
  •  > 
  • Основы хранения данных в эвм. Организация данных в эвм

Основы хранения данных в эвм. Организация данных в эвм

Для представления информации в памяти ЭВМ (как числовой так и не числовой) используется двоичный способ кодирования.

Элементарная ячейка памяти ЭВМ имеет длину 8 бит (1 байт). Каждый байт имеет свой номер (его называют адресом). Наибольшую последовательность бит, которую ЭВМ может обрабатывать как единое целое, называют машинным словом. Длина машинного слова зависит от разрядности процессора и может быть равной 16, 32 битам и т.д.

Для кодирования символов достаточно одного байта. При этом можно представить 256 символов (с десятичными кодами от 0 до 255). Набор символов персональных компьютеров чаще всего является расширением кода ASCII (American Standart Code of Information Interchange - стандартный американский код для обмена информацией).

В некоторых случаях при представлении в памяти ЭВМ чисел используется смешанная двоично-десятичная система счисления, где для хранения каждого десятичного знак нужен полубайт (4 бита) и десятичные цифры от 0 до 9 представляются соответствующими двоичными числами от 0000 до 1001. Например, упакованный десятичный формат, предназначенный для хранения целых чисел с 18-ю значащими цифрами и занимающий в памяти 10 байт (старший из которых знаковый), использует именно этот вариант.

Другой способ представления целых чисел - дополнительный код . Диапазон значений величин зависит от количества бит памяти отведенных для их хранения. Например, величины типа Integer лежат в диапазоне от
-32768 (-2 15) до 32677 (2 15 -1) и для их хранения отводится 2 байта: типа LongInt - в диапазоне от -2 31 до 2 31 -1 и размещаются в 4 байтах: типа Word - в диапазоне от 0 до 65535 (2 16 -1) используется 2 байта и т.д.

Как видно из примеров, данные могут быть интерпретированы как числа со знаком, так и без знаков. В случае представления величины со знаком самый левый (старший) разряд указывает на положительное число, если содержит нуль, и на отрицательное, если - единицу.

Вообще, разряды нумеруются справа налево, начиная с нуля.

Дополнительный код положительного числа совпадает с его прямым кодом . Прямой код целого числа может быть представлен следующим образом: число переводиться в двоичную систему счисления, а затем его двоичную запись слева дополняют таким количеством незначащих нулей, сколько требует тип данных, к которому принадлежит число. Например, если число 37 (10) = 100101 (2) объявлено величиной типа Integer, то его прямым кодом будет 0000000000100101, а если величиной типа LongInt, то его прямой код будет. Для более компактной записи чаще используют шестнадцатеричный код. Полученные коды можно переписать соответственно как 0025 (16) и 00000025 (16) .

Дополнительный код целого отрицательного числа может быть получен по следующему алгоритму:

  1. записать прямой код модуля числа;
  2. инвертировать его (заменить единицы нулями, нули - единицами);
  3. прибавить к инверсионному коду единицу.

Например, запишем дополнительный код числа -37, интерпретируя его как величину типа LongInt:

  1. прямой код числа 37 есть1
  2. инверсный код
  3. дополнительный код или FFFFFFDB (16)

При получении по дополнительному коду числа, прежде всего, необходимо определить его знак. Если число окажется положительным, то просто перевести его код в десятичную систему исчисления. В случае отрицательного числа необходимо выполнить следующий алгоритм:

  1. вычесть из кода 1;
  2. инвертировать код;
  3. перевести в десятичную систему счисления. Полученное число записать со знаком минус.

Примеры. Запишем числа, соответствующие дополнительным кодам:

  1. 0000000000010111.

    Поскольку в старшем разряде записан нуль, то результат будет положительным. Это код числа 23.

  2. 1111111111000000.

    Здесь записан код отрицательного числа, исполняем алгоритм:

    1. 1111111111000000 (2) - 1 (2) = 1111111110111111 (2) ;
    2. 0000000001000000;
    3. 1000000 (2) = 64 (10)

Несколько иной способ применяется для представления в памяти персонального компьютера действительных чисел. Рассмотрим представление величин с плавающей точкой .

Любое действительное число можно записать в стандартном виде M*10 p , где 1 ≤ M < 10, р- целое число. Например, 120100000 = 1,201*10 8 . Поскольку каждая позиция десятичного числа отличается от соседней на степень числа 10, умножение на 10 эквивалентно сдвигу десятичной запятой на 1 позицию вправо. Аналогично деление на 10 сдвигает десятичную запятую на позицию влево. Поэтому приведенный выше пример можно продолжить: 120100000 = 1,201*10 8 = 0,1201*10 9 = 12,01*10 7 ... Десятичная запятая плавает в числе и больше не помечает абсолютное место между целой и дробной частями.

В приведённой выше записи М называют мантиссой числа, а р - его порядком . Для того чтобы сохранить максимальную точность, вычислительные машины почти всегда хранят мантиссу в нормализованном виде, что означает, что мантисса в данном случае есть число, лежащее между 1 (10) и 2 (10) (1 ≤ М < 2). Основные системы счисления здесь, как уже отмечалось выше,- 2. Способ хранения мантиссы с плавающей точкой подразумевает, что двоичная запятая находится на фиксированном месте. Фактически подразумевается, что двоичная запятая следует после первой двоичной цифры, т.е. нормализация мантиссы делает единичным первый бит, помещая тем самым значение между единицей и двойкой. Место, отводимое для числа с плавающей точкой, делится на два поля. Одно поле содержит знак и значение мантиссы, а другое содержит знак и значение порядка.

Персональный компьютер IBM PC с математическим сопроцессором 8087 позволяет работать со следующими действительными типами (диапазон значений указан по абсолютной величине):

63 52 0

Можно заметить, что старший бит, отведенный под мантиссу, имеет номер 51, т.е. мантисса занимает младшие 52 бита. Черта указывает здесь на положение двоичной запятой. Перед запятой должен стоять бит целой части мантиссы, но поскольку она всегда равна единице, здесь данный бит не требуется и соответствующий разряд отсутствует в памяти (но он подразумевается). Значение порядка храниться здесь не как целое число, представленное в дополнительном коде. Для упрощения вычислений и сравнения действительных чисел значение порядка в ЭВМ хранится в виде смещенного числа , т.е. к настоящему значению порядка, перед записью его в память, прибавляется смещение. Смещение выбирается так, чтобы минимальному значению порядка соответствовал нуль. Например, для типа Double порядок занимает 11 бит и имеет диапазон от 2 -1023 до 2 1023 , поэтому смещение равно 1023 (10) = 1111111111 (2) . Наконец, бит с номером 63 указывает на знак числа.

Таким образом, из вышесказанного вытекает следующий алгоритм для получения представления действительного числа в памяти ЭВМ:

  1. перевести модуль данного числа в двоичную систему счисления;
  2. нормализовать двоичное число, т.е. записать в виде М*2 p , где М - мантисса (ее целая часть равна 1 (2)) и р - порядок, записанный в десятичной системе счисления;
  3. прибавить к порядку смещение и перевести смещенный порядок в двоичную систему счисления;
  4. учитывая знак заданного числа (0 - положительное; 1 - отрицательное), выписать его представление в памяти ЭВМ.

Пример. Запишем код числа -312,3125.

  1. Двоичная запись модуля этого числа имеет вид 100111000,0101.
  2. Имеем 100111000,0101 = 1,001110000101*2 8 .
  3. Получаем смещенный порядок 8 + 1023 = 1031. Далее имеем 1031 (10) = 10000000111 (2) .
  4. Окончательно
    63 52 0
    1. Прежде всего, замечаем, что это код положительного числа, поскольку в разряде с номером 63 записан нуль, Получим порядок этого числа. 01111111110 (2) = 1022 (10) . 1022 - 1023 = -1.
    2. Число имеет вид 1,1100011*2 -1 или 0,11100011.
    3. Переводом в десятичную систему счисления получаем 0,88671875.

    Мы рассмотрели виды представления информации в памяти ЭВМ, теперь можно приступить к проверке знаний.

    Если же вам нужны варианты на бумаге то

Под архитектурой компьютера понимается совокупность сведений об основных устройствах компьютера и их назначении, о способах представления программ и дан­ных в машине, об особенностях ее организации и функционирования.

Принципы ЭВМ заключаются в следующем:

1. ЭВМ – это машина с хранимой (в памяти ЭВМ) программой, представленной в виде последовательности команд.

2. Выполняемые ЭВМ команды и операнды, т.е. данные, над которыми выполняется задаваемая командой операция, представлены в ЭВМ в виде двоичного кода с определенным количеством разрядов.

3. Память ЭВМ организована в виде последовательности запоминаю-

щих ячеек, в каждой из которых может храниться (запоминаться)

некоторый двоичный код – число или код символа алфавита, представляющие обрабатываемые данные, код команды ЭВМ. В конкретный момент времени можно обратиться для записи или чтения к любой одной из этих ячеек независимо от ее расположения в памяти, указав адрес (порядковый номер этой ячейки. Таким способом организованная память называется памятью с произвольным доступом.

4. В ЭВМ используется общая память как для хранения данных, так и

для хранения команд. При этом в кодах самих данных и команд отсут ствуют признаки, позволяющие явно отличать их друг от друга. Процессор различает данные и команды только по контексту выполняемой программы.

5. Предназначение данных, их тип и способ использования также явно не указываются. Они определяются и различаются по контексту вы полняемой программы.

Типичная цифровая ЭВМ включает в себя три основных компонента:

процессор, память и внешние устройства. Ее обобщенная блок-схема представлена ниже.

Процессор или центральный процессор (ЦП) – это устройство, предназначенное для выполнения основных операций по обработке данных, арифметических и логических операций над числами, управления работой других частей ЭВМ.

Память или оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) – предна

значено для хранения кодов команд, составляющих выполняемую ЭВМ программу, и данных или операндов, т.е. двоичных чисел или кодов, над которыми процессор ЭВМ выполняет задаваемые командами операции.

Через устройства ввода-вывода или внешние (периферийные) устройства осуществляется взаимодействие ЭВМ с внешним миром.

Компоненты ЭВМ связаны друг с другом с помощью специальной шины или канала ЭВМ, представляющих собой набор линий связи, предназначенных для передачи информационных и управляющих сигналов между компонентами ЭВМ.

При реализации современных ЭВМ используется мо­дульный принцип. Суть этого принципа сводится к тому, что ЭВМ строится из набора устройств и блоков - модулей, реализующих законченные функции и не зависящих от других модулей.


В конструктивном отношении модуль также представляет со­бой законченный элемент. Отдельные модули могут быть соеди­нены между собой в необходимую конфигурацию без изменения схем (функций) отдельных модулей.

Основные преимущества модульного принципа:

Возможность совершенствования ЭВМ без изменения ее функциональной организации даже в процессе эксплуатации путем замены отдельных блоков на новые (более быстродейст­вующие, меньшие по размерам, потребляющие меньше энергии, более дешевые) или посредством добавления новых модулей;

Возможность компоновки из модулей большого числа раз­личных по характеристикам ЭВМ, наилучшим образом приспо­собленных для конкретного применения;

Сокращение времени восстановления работоспособности ЭВМ при отказах упрощением поиска неисправностей и ремонта.

Модули между собой соединяются при помощи шин. Физиче­ски шина представляет собой проводник электрического тока и состоит из линий связи. Каждая такая линия в один момент време­ни позволяет передать одну двоичную цифру (0 или 1), т. е. бит информации. В общем случае по шинам информация может пере­даваться в обоих направлениях.

Обычно шина ЭВМ функционально делится на три группы линий связи: адресную шину, шину данных и шину управления. Адресная шина переносит информацию о том, где искать инструкции (команды) или данные в памяти ЭВМ то есть адреса соответствующих ячеек памяти; шина данных переносит эти данные или инструкции для центрального процессора; шина управления обеспечивает передачу сигналов управления между процессором и внешними устройствами.

Совокупность шин, связывающих два модуля, и алгоритм, определяющий порядок обмена информацией между ними, назы­ваются интерфейсом (сопряжением).

Интерфейс характеризуется шириной (или разрядностью) составляющих его шин (в первую очередь информационных) и скоростью обмена информацией. В первых моделях ПК использовали 8- и 16-разрядные шины данных, рассчитанные на передачу и обработку соответственно байта и слова информации (стандарт ISA). До недавнего времени в большинстве моделей ПК применяли стандарты EISA, VCA, VL-BUS, ориентированные на 32-разрядную передачу данных. В последних моделях ПК используют 64-разрядные шины данных. Разрядность шины адреса определяет величину адресного пространства внутренней памяти (число байт ОЗУ и ПЗУ), к кото­рому может непосредственно обращаться процессор компьютера.

Первые модели ПК имели 16-разрядную адресную шину и с помощью специального способа адресации обеспечивали доступ ЦП к 1 Мбайту ОЗУ и ПЗУ. У современных моделей 32- и 64-разрядные шины адреса, и они обеспечивают доступ более чем к 4 Гбайтам внутренней памяти компьютера.

Наиболее простой и естественный способ соединения уст­ройств (модулей) между собой для образования ЭВМ - использо­вание единого интерфейса - интерфейса, к которому подключают­ся все устройства, входящие в состав ЭВМ. Такой способ органи­зации реализован в ПК (рис. 1).

Рис. 3 Модульный принцип реализации ПК

Основу ПК составляет электронная плата, которая называется системной, или материнской, так как на ней располагаются основ­ные устройства компьютера: микропроцессор и микросхемы внут­ренней памяти (ОЗУ и ПЗУ). Кроме того, на системной плате раз­мещается ряд дополнительных операционных и других устройств, обеспечивающих функционирование компьютера.

Все устройства, находящиеся на системной плате, подключа­ются к шинам единого интерфейса, который также расположен на плате, и образуют единую электронную схему ПК.

Как было отмечено ранее, основными функциями компьютера являются хране­ние, обработка, прием и передача данных. Для выполнения этих функций в ком­пьютере предусмотрены различные устройства. Каждое из них выполняет ту или иную конкретную функцию. В состав любого современного компьютера входят:

· память - группа устройств, которые обеспечивают хранение программ и данных;

· процессор - одно или несколько устройств, которые обеспечивают задавае­мую программой обработку данных;

· устройства ввода-вывода - группа устройств, которые обеспечивают обмен, то есть прием и передачу данных между пользователем и машиной или между двумя или более машинами.

Различные устройства компьютера подсоединяют друг к другу с помощью стан­дартизированных и унифицированных аппаратных средств - кабелей, разъемов и т. д. При этом устройства обмениваются друг с другом информацией и управляю­щими сигналами, которые также приводятся к некоторым стандартным формам.

Совокупность этих стандартных средств и форм образует конкретный интерфейс того или иного устройства или компьютера в целом." Интерфейсом называется совокупность унифицированных стандартных соглашений, аппаратных и программных средств, методов и правил взаимодействия устройств или программ, а также устройств или программ с пользователем. Заметим, что для обозначения совокупности устройств, которые могут быть включены в состав компьютера той или иной модели, а также средств их соеди­нения используется термин аппаратное обеспечение.

Основы хранения информации в компьютере

Как было отмечено ранее, информация всегда имеет форму сообщения, а сооб­щение кодируется тем или иным набором знаков, символов, цифр. Теоретически и экспериментально было показано, что самым удобным и эффективным является использование в вычислительной технике двоичного кода, то есть набора симво­лов, алфавита, состоящего из пары цифр {0,1}. Поскольку двоичный код исполь­зуется для хранения информации в вычислительных машинах, его еще называют машинным кодом.

Цифры 0 и 1, образующие набор {0, 1}, обычно называют двоичными цифрами, потому что они используются как алфавит в так называемой двоичной системе счисления. Система счисления представляет собой совокупность правил и прие­мов наименования и записи чисел, а также получения значения чисел из изобра­жающих их символов. Количество знаков в алфавите системы счисления обычно отражается в ее названии: двоичная, троичная, восьмеричная, десятичная, шестнадцатеричная и т. д. С точки зрения технической реализации компьютера, гораздо проще работать всего с двумя цифрами двоичной системы {0, 1}.

Элементарное устройство памяти компьютера, которое применяется для хранения одной двоичной цифры машинного кода программы или данных, называется дво­ичным разрядом или битом.

Слово «бит» произошло от английского термина bit, представляющего собой сокращение словосочетания Binary digit (двоичная цифра). Технически бит может быть реализован самыми разными способами. Однако каким именно

конкретным способом это сделано в компьютере - для нас совершенно безраз­лично. Важно лишь понимание назначения, свойств и функций бита.

· Бит может находиться только в одном из двух возможных состояний, одно из которых принято считать изображением цифры «О», а другое - изображени­ем цифры «1». Свое состояние бит сохраняет сколь угодно долго, пока оно не будет изменено принудительно, следовательно, бит может хранить записан­ную в нем информацию.

· В любой момент можно узнать, в каком из двух состояний находится бит - в состоянии «О» или в состоянии «1», при этом текущее состояние бита оста­нется неизменным. Другими словами, можно прочитать записанную в бит информацию (без ее потери).

· Всегда, когда в этом возникнет необходимость, и вне зависимости от текуще­го состояния можно перевести бит из одного состояния в другое. Иначе гово­ря, в бит можно записать новую информацию.

· Итак, бит обеспечивает базу для хранения информации, одной из трех важней­ших функций компьютера.

Бит - это очень маленькая порция информации. Поэтому так же как для изобра­жения десятичных чисел используется несколько десятичных разрядов - разряд единиц разряд десятков, сотен и т. д., так и для изображения двоичных чисел и дво­ичных машинных кодов используется несколько двоичных разрядов, несколько бит.

Для хранения двоичных чисел в компьютере служит устройство, которое приня­то называть ячейкой памяти. Ячейки образуются из нескольких битов, так же как двоичные числа образуются из двоичных разрядов. А всю память компьюте­ра можно образно представить себе как автоматическую камеру хранения, со­стоящую из большого количества отдельных ячеек, в каждую из которых можно положить, записать некоторое двоичное число, двоичный машинный код.

В общем случае ячейки различных компьютеров могут состоять из различного количества битов. Однако это создает значительные сложности для организации обмена информацией между разными моделями компьютеров. Поэтому, начиная с машин третьего поколения, стандартными являются ячейки, которые состоят из восьми битов.

Элемент памяти компьютера, состоящий из 8 битов, называется байтом.

При компьютерной обработке информации приходится иметь дело с текстовой, графической, числовой, звуковой и другой информацией. Для хранения данных различной природы применяются разные способы кодировки. Кроме того, для одной и той же разновидности информации также могут использоваться различ­ные способы кодировки, которые отличаются друг от друга эффективностью, а также различными требованиями к ресурсам компьютера.

Чем больше строк и точек, тем четче и лучше изображение. В настоящее время минимально допустимым считается разрешение 800 х 600, то есть 800 точек на строку и 600 строчек на экран.

Строки, из которых состоит изображение, можно просматривать сверху вниз друг за другом, как бы составив из них одну сплошную линию. После полного просмот­ра первой строки просматривается вторая, за ней третья, потом четвертая и т. д. до последней строки экрана. Этот процесс очень похож на принятый в большинстве стран мира способ чтения текстов, когда строчки просматриваются друг за другом слева направо и сверху вниз. Такой способ работы со строками называется строч­ной разверткой, или сканированием. А так как каждая из строк представляет со­бой последовательность пикселов, то все изображение, вытянутое в линию, также можно считать линейной последовательностью элементарных точек. В рассмат­риваемом случае эта последовательность состоит из 800 600 = 480 000 пикселов. Вначале рассмотрим принципы кодирования монохромного изображения, то есть изображения, состоящего из любых двух контрастных цветов - черного и белого, зеленого и белого, коричневого и белого и т. д. Для простоты обсуждения будем считать, что один из цветов - черный, а второй - белый. Тогда каждый пиксел изображения может иметь либо черный, либо белый цвет. Поставив в соответст­вие черному цвету двоичный код «0», а белому - код «1» (либо наоборот), мы сможем закодировать в одном бите состояние одного пиксела монохромного изо­бражения. А так как байт состоит из 8 бит, то на строчку, состоящую из 800 точек, потребуется 100 байтов памяти, а на все изображение - 60 000 байтов. Однако полученное таким образом изображение будет чрезмерно контрастным. Реальное черно-белое изображение состоит не только из белого и черного цве­тов. В него входят множество различных промежуточных оттенков - серый, светло-серый, темно-серый и т. д. Если кроме белого и черного цветов использо­вать только две дополнительные градации, скажем светло-серый и темно-серый, то для того чтобы закодировать цветовое состояние одного пиксела потребу­ется уже два бита. При этом кодировка может быть, например, такой: черный, цвет - 00 2 , темно-серый - 01 2 , светло-серый - 10 2 , белый - 11 2 . Общепринятым на сегодняшний день, дающим достаточно реалистичные моно­хромные изображения считается кодирование состояния одного пиксела с помо­щью одного байта, которое позволяет передавать 256 различных оттенков серого цвета от полностью белого, до полностью черного. В этом случае для передачи всего растра из 800 х 600 пикселов потребуется уже не 60 000, а все 480 000 байтов.

Цветное изображение может формироваться различными способами. Один из них - метод RGB (от слов Red, Green, Blue - красный, зеленый, синий), кото­рый опирается на то, что глаз человека воспринимает все цвета как сумму трех основных цветов - красного, зеленого и синего. Например, сиреневый цвет - это сумма красного и синего, желтый цвет - сумма красного и зеленого и т. д. Для получения цветного пиксела в одно и то же место экрана направляется не один, а сразу три цветных луча. Упрощая ситуацию, будем считать, что для кодирования каждого из цветов достаточно одного бита. Нуль в бите будет означать, что в суммарном цвете данный основной отсутствует, а единица - при­сутствует. Следовательно, для кодирования одного цветного пиксела потребуется 3 бита - по одному на каждый цвет. Пусть первый бит соответствует красному цвету, второй - зеленому и третий - синему. Тогда код 101 2 обозначает сирене­вый цвет - красный есть, зеленого нет, синий есть, а код 110 2 - желтый цвет - красный есть, зеленый есть, синего нет. При такой схеме кодирования каждый пиксел может иметь один из восьми возможных цветов. Если же каждый из цве­тов кодировать с помощью одного байта, как это принято для реалистического монохромного изображения, появится возможность передавать по 256 оттенков каждого из основных цветов. А всего в этом случае обеспечивается передача 256 256 256 = 16 777 216 различных цветов, что довольно близко к реальной чувствительности человеческого глаза. Таким образом, при данной схеме коди­рования цвета на изображение одного пиксела требуется 3 байта, или 24 бита па­мяти. Этот способ представления цветной графики принято называть режимом True Color (true color - истинный цвет) или полноцветным режимом.

Полноцветный режим требует очень много памяти. Так, для обсуждавшегося выше растра 800 х 600 при использовании метода RGB требуется 1 440 000 байтов. В целях экономии памяти разрабатываются различные режимы и графические форматы, которые немного хуже передают цвет, но требуют гораздо меньше памя­ти. В частности, можно упомянуть режим High Color (high color - богатый цвет), в котором для передачи цвета одного пиксела используется 16 битов и, следова­тельно, можно передать 65 535 цветовых оттенков, а также индексный режим, который базируется на заранее созданной для данного рисунка таблице исполь­зуемых в нем цветовых оттенков. Затем нужный цвет пиксела выбирается из этой таблицы с помощью номера - индекса, который занимает всего один байт памяти. При записи изображения в память компьютера кроме цвета отдельных точек необходимо фиксировать много дополнительной информации - размеры рисунка, разрешение, яркость точек и т. д. Конкретный способ кодирования всей требуемой при записи изображения в память компьютера информации образует графиче­ский формат. Форматы кодирования графической информации, основанные на передаче цвета каждого отдельного пиксела, из которого состоит изображение, относят к группе растровых или BMP (Bit MaP - битовая карта) форматов.

Аудио-и видеоинформация

Развитие способов кодирования звуковой информации, а также движущихся изо­бражений - анимации 1 и видеозаписей - происходило с запаздыванием относи­тельно рассмотренных выше разновидностей информации. Приемлемые способы хранения и воспроизведения с помощью компьютера звуковых и видеозаписей.

Заметим, что под анимацией понимается похожее на мультипликацию «оживление» изображений, но выполненое с помощью средств компьютерной графики. Анимация представляет собой последовательность незначительно отличающихся друг от друга, по­лученных с помощью компьютера картинок, которые фиксируют близкие по времени со­стояния движения какого-либо объекта.

появились только: в 90-х гг. XX в. Эти способы работы со звуком и видео полу­чили название мультимедийных технологий.

Звук представляет собой довольно сложное непрерывное колебание воздуха. Не­прерывные сигналы часто называют еще и аналоговыми. Оказывается, что такие непрерывные сигналы можно приближенно, но с достаточной точностью пред­ставлять в виде суммы некоторого числа простейших синусоидальных коле­баний. Причем каждое слагаемое, то есть каждая синусоида, может быть точно задано некоторым набором числовых параметров - амплитудой, фазой и часто­той, которые можно рассматривать как код звука в некоторый момент времени. Такой подход к записи звука называется преобразованием в цифровую форму, оцифровыванием или дискретизацией, так как непрерывный звуковой сигнал заменяется дискретным (то есть состоящим из обособленных, раздельных эле­ментов) набором значений сигнала - отсчетов сигнала - в некоторые последо­вательные моменты времени Количество отсчетов сигнала в единицу времени называется частотой дискретизации. В настоя­щее время при записи звука в мультимедийных технологиях применяются час­тоты 8,11, 22, 44 кГц до 192 кГц.Ч астота дискретизации 44 кГц означает, что одна секун­да непрерывного звучания заменяется набором из 44 тысяч отдельных отсчетов сигнала. Чем выше частота дискретизации, тем лучше качество оцифрованно­го звука.

Качество преобразования звука в цифровую форму определяется не только частотой дискретизации, но и количеством битов памяти, отводимых на запись кода одного отсчета. Этот параметр принято называть разрядностью преобразования. В настоящее время обычно используется разрядность 8,16 и 24 бит. На описанных выше принципах основывается формат WAV (от WAVeform-audio - волновая форма аудио) кодирования звука. Получить запись звука в этом формате можно от подключаемых к компьютеру микрофона, проигрывателя, магнитофона, теле­визора и других стандартно используемых устройств работы со звуком. Однако формат WAV занимает большой объем памяти (при записи стереофонического звука с частотой дискретизации 44 кГц и разрядностью 16 бит на одну минуту записи требуется около 10 миллионов байтов памяти).

Кроме волнового формата WAV, для записи звука широко применяется формат MIDI (Musical Instruments Digital Interface - цифровой интерфейс музыкаль­ных инструментов). Фактически, этот формат представляет собой набор инструк­ций, команд так называемого музыкального синтезатора - устройства, которое имитирует звучание реальных музыкальных инструментов. Получить запись звука в формате MIDI можно только от специальных электромузыкальных инструмен­тов, которые поддерживают интерфейс MIDI. Формат MIDI обеспечивает вы­сокое качество звука и требует значительно меньше памяти, чем формат WAV. Кодирование видеоинформации еще более сложная проблема, чем кодирование звуковой информации, так как нужно позаботиться не только о дискретизации непрерывных движений, но и о синхронизации изображения со звуковым сопро­вождением. В настоящее время для этого используется формат, которой называ­ется AVI (Audio-Video Interleaved - чередующееся аудио и видео).

Основные мультимедийные форматы AVI и WAV очень требовательны к памя­ти. Поэтому на практике применяются различные способы компрессии, то есть сжатия звуковых и видеокодов. В настоящее время стандартными стали способы сжатия, предложенные MPEG (Moving Pictures Experts Group - группа экспер­тов по движущимся изображениям). В частности, стандарт MPEG-1 включает в себя несколько популярных в настоящее время форматов записи звука. Так, например, при записи в формате МРЗ при практически том же качестве звука требуется в десять раз меньше памяти, чем при использовании формата WAV. Существуют специальные программы, которые преобразуют записи звука из фор­мата WAV в формат МРЗ. Стандарт MPEG-2 описывает методы сжатия видео­записей, которые обеспечивают телевизионное качество изображения и стереозву­ковое сопровождение и имеют приемлемые требования к памяти. Стандарт MPEG-4 по­зволяет записать полнометражный цветной фильм со звуковым сопровождением на компакт-диск.

В основе функционирования любого типа компьютера лежит запоминающее устройство, способное сохранять информацию, использовать ее для расчетов и выдавать по первому требованию оператора.

Определение

Устройство хранения информации представляет собой приспособление, связанное с остальными элементами компьютера и способное воспринимать внешнее воздействие. В современных ЭВМ применяется сразу несколько типов подобных изделий, каждое из которых обладает собственной функциональностью и особенностями работы. Устройства хранения ключевой информации классифицируются по своим принципам работы, требованиям к энергообеспечению и по многим другим параметрам.

Действия с памятью

Главная задача любого записывающего приспособления заключается в возможностях работы с ним оператора. Все действия разделяются на три типа:

  • Хранение . Вся информация, попавшая на записывающее устройство, обязана находиться там до удаления оператором или компьютером. Бывают изделия, способные хранить данные долгое время даже при выключенной ЭВМ. Именно так функционируют стандартные жесткие диски. Другие схожие изделия (оперативная память) содержат только часть данных, чтобы оператор получил к ним доступ максимально быстро.
  • Ввод . Информация должна каким-то образом попадать на записывающее устройство. В данном случае разделение может идти по этому принципу. Одни модели работают напрямую с оператором. Другие связаны с иными запоминающими элементами, ускоряя их работу.
  • Вывод . Полученные данные выводятся на интерфейс взаимодействия с пользователем или предоставляются для расчетов другим запоминающим приспособлениям.

Все устройства хранения, ввода и вывода информации тем или иным образом связаны в единую сеть в рамках одного компьютера. Все вместе они обеспечивают его работоспособность.

Форма

Классификация устройств хранения информации по форме записи разделяет их все на две категории: аналоговые и цифровые. Первые в современном мире практически не используются. Ближайшим примером аналогового записывающего устройство является кассета для магнитофона, которая уже давно устарела. Тем не менее некоторые разработки ведутся и в этом направлении. На данный момент уже есть несколько прототипов неплохих по емкости и скорости работы изделий такого типа, однако сравнительно с цифровыми устройствами они значительно проигрывают по стоимости производства. Стандартный жесткий диск для компьютера хранит информацию в виде единиц и нулей. Это цифровое записывающее устройство, как и подавляющее большинство современных изделий такого типа. В основе их функционирования лежит принцип сохранения физического состояния носителя в одной из двух возможных форм (для двоичной системы). Сейчас применяются и более современные варианты, способные использовать троичный или даже десятичный вид записи. Это стало возможно благодаря использованию уникальных свойств разных материалов и появлению новых технологий записи данных на накопители. Человечество постепенно увеличивает объем возможной для сохранения информации с одновременным уменьшеним размера носителя.

Устойчивость записи

Классификация по этому показателю разделяет все устройства хранения и обработки информации на четыре группы:

  • Оперативные записывающие (ОЗУ). Оператор получает возможность вносить новую информацию, считывать уже имеющуюся и работать с ней прямо в процессе функционирования. Пример - оперативная память компьютера. В ней хранится большая часть постоянно запрашиваемых данных, благодаря чему не требуется постоянно обращаться к основному жесткому диску. В большинстве случаев вся информация стирается с таких носителей после отключения подачи энергии.
  • Перезаписываемые (ПППЗУ). Такие изделия позволяют записывать, стирать и вновь вносить данные практически неограниченное количество раз. Пример - CD-RW и стандартные жесткие диски. В любом компьютере такой памяти больше всего, и именно на ней хранится практически вся информация пользователя.
  • Записываемые (ППЗУ). На таких устройствах данные можно сохранить только один раз. Невозможно перезаписать или удалить информацию, что и является самым главным минусом подобных изделий. Пример - диски CD-R. В современном мире используется крайне редко.
  • Постоянные (ПЗУ). Этот тип устройств сохраняет единожды записанную информацию и не позволяет как-либо ее удалять или изменять. Пример - BIOS компьютера. В нем все данные остаются без изменений и пользовать получает возможность выбрать только другие настройки из перечня существующих. В отличие от ППЗУ, на такие носители все же можно вносить новые данные, но, как правило, это требует полного удаления старых. То есть BIOS можно переустановить, но не дополнить или обновить.

Энергонезависимость

Для работы компьютеру требуется электроэнергия, без которой выполнение всех действий было бы невозможным. Однако если бы каждый раз после выключения ПК данные обо всей проделанной работе стирались, то значение ЭВМ в нашей жизни было бы значительно меньшим. Так какие устройства хранения информации по потребности в питании существуют?

  • Энергозависимые . Эти изделия работают только тогда, когда есть к ним подано электричество. К такому типу относят стандартные модули оперативной памяти DRAM или SRAM.
  • Энергонезависимые . Для сохранения информации записывающие устройства не требуют питания. Пример - жесткий диск компьютера.

Тип доступа

Устройства хранения информации разделяются также и по этому показателю. По типу доступа память бывает:

  • Ассоциативной . Используется редко. К таким изделиям можно отнести специальные устройства, которые используются с целью повышения скорости работы обширных массивов данных.
  • Прямой . Полный и неограниченный доступ предлагается жесткими дисками, которые относятся к этому типу доступа.
  • Последовательной . Сейчас практически не используется. Ранее применялся в магнитных лентах.
  • Произвольной . По такому принципу работает оперативная память, предоставляющая пользователю возможность в произвольной форме получить доступ к последней информации, с которой работала система. Применяется для ускорения работы компьютера.

Исполнение

Устройства, предназначенные для хранения информации, имеют классификацию по типу исполнения.

  • Печатные платы . К такому виду относятся модули оперативной памяти и картриджи для старых приставок. Работают очень быстро, однако нуждаются в постоянной подаче энергии, из-за чего их текущее применение носит вспомогательную роль.
  • Дисковые. Бывают магнитными и оптическими. Самым популярным представителем считается жесткий диск компьютера. Используются в качестве основного носителя информации.
  • Карточные . Вариантов исполнения много. Из последних можно отметить флеш-карты. Ранее этот тип применялся для изготовления перфокарт и их магнитных аналогов.
  • Барабанные . Пример - магнитный барабан. Практически не используется.
  • Ленточные. Пример - перфорированные или магнитные ленты. В современном мире почти не встречается.

Физический принцип

По физическому принципу работы устройства ввода, вывода, хранения и обработки информации разделяются на:

  • Магнитные . Выполняются в виде сердечников, дисков, лент или карт. Пример - жесткий диск. Это не самый быстрый способ обработки информации, однако он позволяет долгое время хранить данные без подачи энергии, что и обеспечивает их текущую популярность.
  • Перфорационные . Изготавливаются как ленты или карты. Пример - старинная перфокарта, используемая для записи информации в первых моделях ЭВМ. Из-за сложности изготовления и небольшого количества хранимых данных сейчас такой принцип практически не используется.
  • Оптические . CD-диски любого вида. Все они работают на принципе отражения света от своей поверхности. Лазер прожигает дорожки, образуя участки, отличающиеся от общей массы, что позволяет использовать все ту же систему двоичного кода, в которой одно состояние диска обозначается единицей, а другое - нулем.
  • Магнитооптические . Диски типа MO. Используются редко, но сочетают в себе преимущества обеих систем.
  • Электростатические. Работают по принципу накопления заряда электричества. Примеры - ЭЛТ, конденсаторные запоминающие устройства.
  • Полупроводниковые . Используют особенности одноименных материалов для сбора и хранения данных. Так работает флеш-накопитель.

Помимо всего прочего, существуют запоминающие устройства, работающие по другим физическим принципам. Например, на сверхпроводимости или звуке.

Количество состояний

Последним вариантом классификации устройства долговременного хранения информации является то, сколько состояний оно может поддерживать. Как уже было сказано выше, цифровые носители работают за счет изменения своей физической части на основе поданной электроэнергии. Самый простой пример: если магнитится, значит, это равно цифре 1, если нет, значит - 0. Это принцип работа двоичных систем, которые способны поддерживать только два варианта состояния. Сейчас также используются устройства, работающие в трех и более формах. Это открывает очень широкие перспективы использования носителей данных, позволяет уменьшать их размер, одновременно с увеличением общего объема хранимой информации.

Итоги

Старые накопители были очень большими. Самые первые компьютеры требовали помещения, сравнимого с современными спортивными залами, да еще при этом работали очень медленно. Прогресс не стоит на месте и сейчас устройства хранения информации, даже самые объемные, можно просто положить в карман. Дальнейшее развитие может пойти как по пути поиска новых материалов или способов взаимодействия со старыми, так и по направлению создания постоянной и стабильной связи по всему миру. В таком случае емкие накопители будут расположены в специальных серверных, а все данные пользователь будет получать по «облачной» технологии.

Даже для малых по объему разовых статистических исследований полностью окупаются усилия, затраченные на своевременное и полное описание используемых массивов, входящих в них переменных и всех шагов статистического анализа. Раннее и тщательное изготовление документации снимает много недоразумений. Большие статистические исследования выполняются коллективно, состав участников работы частично меняется в процессе ее осуществления, обработка собранных материалов растягивается во времени и проводится итеративно, когда вновь и вновь обращаются к данным для проверки возникающих по ходу анализа гипотез. Во многих исследованиях (например, медицинских) часто к тому же происходит постоянное пополнение данных новыми сведениями. В этих условиях продуманное и тщательное ведение документации становится просто необходимым как важнейшее условие обеспечения преемственности в осуществлении исследования. Остановимся кратко на отдельных аспектах этого процесса.

Паспортизация исследования, массивов, переменных, способов анализа. Для каждого из указанных выше объектов желательно в ЭВМ иметь следующее: 1) краткое имя, обязательно появляющееся во всех выдачах; 2) полное имя, идущее в основном в отчеты, но иногда и в выдачи, когда краткого имени недостаточно для однозначного понимания их смысла; 3) описание, которое для исследований кратко раскрывает содержание работы и указывает связь между массивами; для массивов уточняет условия их сбора или формирования; для переменных дает способ их получения, измерения или регистрации; для способа анализа - ссылки на источники, где может быть найдено точное описание метода. Описания используются в основном при формировании

отчетов и иногда в качестве вспомогательного комментария, облегчающего понимание отдельных выдач; и только для переменных 4) указание пределов изменения или принимаемых значений, которые обязательно должны использоваться для контроля при вводе данных, а также при построении выходных таблиц.

Если по ходу анализа выделяются отдельные массивы или вводятся новые вспомогательные переменные, то их необходимо описывать столь же подробно, как и основные массивы и переменные.

Описанная выше автоматизация документирования исследования достигается при современном уровне развития математического обеспечения довольно простыми средствами, но позволяет решать очень важные задачи: осуществляет контроль переменных при вводе; обеспечивает «автономную читаемость» всех выдаваемых таблиц; повышает вероятность обнаружения неточностей и ошибок в описаниях; облегчает составление отчетов.

Кроме того, желательно ведение в ЭВМ или с помощью специальных картотек учета: какие виды анализа (программы) и к каким подмассивам применялись; какова при этом была выявленная мера зависимости между признаками, успешности прогноза, адекватности отображения объектов в пространство меньшей размерности и т. п.; адресов, где хранятся в ЭВМ или на полках соответствующие выдачи, а также ведение разноцелевых текстовых комментариев как по логике и ходу анализа, так и к отдельным распечаткам.

10.1.2. Ввод и хранение данных.

Для ввода обычно используются либо перфокарты, либо дисплей с высвечиванием шаблона, в который вписываются кодированные значения, либо дисплей с высвечиванием списка возможных значений переменной - так называемого «меню». Последние два способа позволяют сразу же обнаруживать грубые ошибки при вводе. Использование «меню» требует большего времени на ввод. «Меню» должно настраиваться автоматически по описанию переменных. Хранение данных должно быть организовано так, чтобы их можно было легко редактировать и пополнять.

10.1.3. Просмотр данных.

Очень существенно, чтобы собранные в статистическом исследовании данные были тщательно просмотрены и отредактированы прежде, чем к ним будет применена основная статистическая техника. Ошибки

в данных могут привести к неожиданным результатам, иногда интерпретируемым, иногда нет, но всегда неверным.

Просмотр данных преследует следующие цели:

1) обнаружение грубых ошибок в словаре исследования, а также ошибок, допущенных при кодировании, перфорации и вводе данных в ЭВМ;

2) указание возможных выбросов или аномальных, т. е. резко выделяющихся по своей величине наблюдений, которые могут быть нерепрезентативными для изучаемой популяции (более подробно см. § 11.5);

3) получение первого, грубого представления об одномерных и, частично, двумерных распределениях.

Укажем некоторые приемы, облегчающие проведение просмотра данных, или, как иногда говорят, скрининга.

Распечатка введенных в ЭВМ данных в табличной форме по объектам, иногда с их предварительной сортировкой по величине какого-либо признака. При этом проверяются наличие грубых ошибок при задании формата данных, правильность и удобочитаемость названия исследования и имен переменных, полнота введенного материала и отсутствие лишних данных, а также попадание численных значений переменных или их кодов в предусмотренный диапазон. Просмотр расположенных по столбцам переменных позволяет обычно сразу же выделить грубые ошибки. При желании столбцы можно просмотреть и на экране дисплея. Однако хорошо оформленная бумажная распечатка является удобным справочным документом и по другим вопросам, которые могут возникнуть на последующих стадиях анализа.

Построение одномерных распределений. Если ЭВМ строит гистограмму (см. § 10.3), то ее столбцьгудобно заполнять номерами наблюдений. В крайнем случае если наблюдений слишком много, то указывать отдельно номера наблюдений, вышедших за -ные квантили.

Указание номеров наблюдений удобно использовать и при построении двумерных распечаток. Если в одну точку попадает несколько наблюдений, на графике ставится специальный знак, а номера наблюдений печатаются ниже. Двумерные широкоформатные распечатки очень удобны для формирования предварительных содержательных гипотез о связи переменных. Математические вопросы построения эмпирических распределений рассматриваются в § 10.3.

Вычислительная техника - это совокупность устройств, предназначенных для автоматической или автоматизированной обработки данных в информацию.

Вычислительная система - это конкретный набор связанных между собою устройств. Центральным устройством большинства вычислительных систем является электронная вычислительная машина (ЭВМ) или компьютер.

Компьютер - это устройство, состоящее из электронных и электромеханических компонент, которое выполняет операции ввода, хранения и обработки данных по определенной программе с целью получения информации, вывод которой осуществляется в форме, пригодной для восприятия человеком.

Архитектура компьютера . Под архитектурой ЭВМ надо понимать ту совокупность характеристик, которая необходима пользователю. Это, прежде всего, основные устройства и блоки ЭВМ, а также структура связей между ними и программное управление.

Общие принципы построения ЭВМ, которые относятся к архитектуре:

  • структура памяти ЭВМ;
  • способы доступа к памяти и внешним устройствам";
  • возможность изменения конфигурации;
  • система команд;
  • форматы данных;
  • организация интерфейса.

Исходя из этого, можно дать определение, что Архитектура - это наиболее общие принципы построения ЭВМ, реализующие программное управление работой и взаимодействием основных ее функциональных узлов.

Классические принципы построения архитектуры ЭВМ были предложены в работе Дж. фон Неймана. Г.Голдстейга и А. Беркса в 1946 году и известны как " принципы фон Неймана". Эти принципы декларируют следующие положения архитектуры:

  • Использование двоичной системы представления данных . Преимущества двоичной системы для технической реализации дало удобство и простоту выполнения арифметических и логических операций. ЭВМ стали обрабатывать и нечисловые виды информации - текстовую, графическую, звуковую и другие. Двоичное кодирование данных по-прежнему составляет информационную основу любого современного компьютера.
  • Принцип хранимой программы . Нейман первым догадался, что программа может также храниться в виде нулей и единиц, причем в той же самой памяти, что и обрабатываемые ею числа. Отсутствие принципиальной разницы между программой и данными дало возможность ЭВМ самой формировать для себя программу в соответствии с результатами вычислений. Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру, которая воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ.
  • Принцип последовательного выполнения операций . Структурно память состоит из пронумерованных ячеек. Процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти так. чтобы к сохраненным в них значениям можно было бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программы с использованием присвоенных имен.
  • Принцип произвольного доступа к ячейкам оперативной памяти . Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

Рис 3. Устройство управления (УУ). Арифметико-логическое устройство (АЛУ). Память (ЗУ) хранит информацию (данные) и программы, включает оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и внешние запоминающие устройства (ВЗУ).

Современная архитектура компьютера . Реальная структура компьютера значительно сложнее, чем рассмотренная выше схема (Рис. 3). В современных компьютерах, в частности микрокомпьютерах (персональных), все чаще происходит отход от традиционной архитектуры фон Неймана, обусловленный стремлением разработчиков и пользователей к повышению качества и производительности компьютеров (Рис. 4).

Качество ЭВМ характеризуется многими показателями. Это и набор команд, которые компьютер способный понимать и выполнять, скорость работы (быстродействие) центрального процессора, количество периферийных устройств, присоединяемых к компьютеру одновременно и многое другое. При этом главным показателем, характеризующим компьютер (ЭВМ) является его быстродействие.

Быстродействие - это количество операций, которое процессор способен выполнить за единицу времени. На практике, пользователя больше интересует производительность компьютера - показатель его эффективного быстродействия, то есть способности не просто быстро функционировать, а быстро решать конкретно поставленные задачи.

Как результат, все эти и прочие факторы способствуют принципиальному и конструктивному усовершенствованию элементной базы компьютеров, то есть созданию новых, более быстрых, надежных и удобных в работе процессоров, запоминающих устройств, устройств ввода-вывода и т.д. Тем ее менее, следует учитывать, что скорость работы элементов невозможно увеличивать беспредельно (существуют современные технологические ограничения и ограничения, обусловленные физическими законами). Поэтому разработчики компьютерной техники ищут решения этой проблемы усовершенствованием архитектуры ЭВМ.

Так появились компьютеры с многопроцессорной (или мультипроцессорной) архитектурой, в которой несколько процессоров работают одновременно, а это означает, что производительность такого компьютера равняется сумме производительностей процессоров.

В мощных компьютерах, предназначенных для сложных инженерных расчетов и систем автоматизированного проектирования (САПР), часто устанавливают два или четыре процессора. В сверхмощных ЭВМ (такие машины могут, например, моделировать ядерные реакции в режиме реального времени, прогнозировать погоду в глобальном масштабе, моделировать полномасштабные сцены для кинематографа и мультипликации) количество процессоров достигает нескольких десятков.

Рис. 4. Общая структура современного микрокомпьютера

Все основные архитектурные блоки состоят из отдельных меньших устройств, которые выполняют строго определенные функции.

В частности, в центральный процессор входит арифметико-логическое устройство (АЛУ ). внутреннее запоминающее устройство в виде регистров процессора и внутренней кэш-памяти, управляющее устройство (УУ ).

Устройство ввода, как правило, тоже не является одной конструктивной единицей. Поскольку виды входной информации разнообразны, источников ввода данных может быть несколько. То же касается и устройств вывода.

Процессор - это центральный вычислительный блок в ЭВМ любого типа. Он осуществляет вычисления по хранящейся в оперативной памяти программе и обеспечивает общее управление компьютером.

Процессор, как минимум, содержит:

  • Арифметико-логическое устройство (АЛУ) , предназначенное для выполнения арифметических и логических операций;
  • Устройство управления (УУ) , предназначенное для выполнения общего управления вычислительным процессом по программе и координации всех устройств ЭВМ. УУ в определенной последовательности выбирает из оперативной памяти команду за командой. Затем: каждая, команда декодируется, по потребности элементы данных из указанных в команде ячеек оперативной памяти передаются в АЛУ. АЛУ настраивается на выполнение действия, указанного текущей командой (в этом действии могут принимать участие также устройства ввода-вывода); дается команда на выполнение этого действия. Этот процесс будет продолжаться до тех пор. пока не возникнет одна из следующих ситуаций: исчерпаны входные данные, от одного из устройств поступила команда на прекращение работы, выключено питание компьютера.

Запоминающее устройство (ЗУ) - это архитектурный блок ЭВМ, предназначенный для временного (оперативная память) и продолжительного (постоянная память) хранения программ, входных и результирующих данных, а также промежуточных результатов на устройствах внешнего запоминающего устройства (ВЗУ).

Оперативная память (ОЗУ) - служит для приема, хранения и выдачи информации. В ней содержатся программы и данные, доступные для использования микропроцессором, а также промежуточные и окончательные результаты вычислений. Процесс выполнения программы сводится к преобразованию исходного состояния памяти в заключительное (конечное). ОЗУ является энергозависимым устройством, что означает потерю информации при отключении электропитания. Скорость работы компьютера существенным образом зависит от быстродействия оперативной памяти. Поэтому постоянно ведутся поиски элементов для оперативной памяти, затрачивающих меньше времени на операции чтении-записи. Проблема решается построением многоуровневой памяти.

Оперативная память состоит из двух-трех частей: основная часть большей емкости строится на относительно медленных (более дешевых) элементах, а дополнительная (так называемая кэш-память) состоит из быстродействующих элементов. Данные, к которым чаще всего обращается процессор, находятся в кэш-памяти, а больший объем оперативной информации хранится в основной памяти.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) . Энергонезависимое устройство, предназначенное для долговременного хранения служебной и первичной информации. Представлено в виде микросхем, расположенных на материнской (системной) плате.

Внешнее запоминающее устройство (ВЗУ) . Энергонезависимые устройства, обеспечивающие надежное хранение и выдачу информации. В них хранятся часто используемые программы и данные (см. устройства, хранения). Однако скорость обмена данными между постоянной памятью и центральным процессором, в подавляющем большинстве случаев, значительно меньше, чем у оперативной памяти.

Устройства ввода (УВВ) и вывода (УВ) , относятся к категории периферийных устройств. Раньше работой устройств ввода-вывода руководил центральный процессор, что занимало немало времени. Архитектура современных ЭВМ предусматривает наличие каналов прямого доступа к оперативной памяти для обмена данными с устройствами ввода-вывода без участия центрального процессора, а также передачу большинства функций управления периферийными устройствами специализированным процессорам, разгружающим центральный процессор и повышающим его производительность.


Система прерываний . Прерыванием называется ситуация, требующая каких-либо действий микропроцессора при возникновении определенного события. Под системой прерываний понимают программно-аппаратный комплекс, обеспечивающий выполнение и обработку прерываний.

Процессор должен оперативно реагировать на различные события, происходящие в компьютере в результате действий оператора или без его ведома. В качестве примеров такого рода можно привести нажатие клавиш на клавиатуре, попытка деления на ноль (в ходе выполнения программы), сбой питания (иные сбои в работе оборудования), запланированные обращения к ядру операционной системы и другое. Необходимую реакцию на прерывания обеспечивает система прерывания.

Обработка прерываний сводится к приостановке исполнения текущей последовательности команд, вместо которой начинает интерпретироваться другая последовательность, соответствующая данному типу прерывания и называемая обработчиком прерывания. После ее реализации, исполнение программы может быть продолжено, если это возможно или целесообразно, что зависит от типа прерывания.

Система портов ввода-вывода обеспечивает непосредственное подключение адаптера периферийного устройства к системной шине, то есть, по сути, является точкой такого подключения периферийного устройства к компьютерной системе. Каждый порт ввода-вывода имеет свой адрес, при этом периферийному устройству может быть присвоено несколько портов ввода-вывода. Совокупность портов ввода-вывода образуют систему портов ввода-вывода . Упрощенно порт ввода-вывода можно считать регистром, в который записывается, информация для передачи ее е Л периферийное устройство или с которого считывается информация, полученная из периферийного устройства.

С точки зрения пользователя, порт - это интерфейс (разъем) для подключения устройства (клавиатуры, мышки, дисплея, принтера, наушников и т.д.) к компьютеру. Обычно порты ввода- вывода располагаются на задней панели корпуса системного модуля, часть из них может выноситься и на переднюю панель.

Адаптер, контроллер . Понятие «адаптер периферийного устройства» можно считать синонимом термина «контроллер», однако последний чаще употребляется для устройства реализующих более сложные функции по управлению периферийными устройствами (Рис. 5).


Рис. 5.Видеоконтроллер. Управляет выводом изображения на дисплей

Развитые контроллеры периферийных устройств включают в свой состав специализированные микропроцессоры и память. Это же относится и к периферийным устройствам со сложными алгоритмами работы, требующими наличия совершенных блоков управления. С точки зрения пользователя, (адаптер или контроллер) представляет собой плату с набором микросхем и портов ввода-вывода, в его задачу входит управление подключенным к нему устройством. Это может быть дисплей, принтер, аудио устройства и др.

Адаптер интерфейса - это средство сопряжения центральной части ЭВМ с периферийными устройствами, в которых все физические и логические параметры отвечают заранее определенным параметрам (определенному протоколу) и широко используются в других устройствах.

Рис. 6. Адаптер интерфейса

Современная архитектура компьютерной системы . Сохранив принципы построения архитектуры ЭВМ по Нейману, современная архитектура обогатилась дополнительными принципами и сегодня архитектура ЭВМ определяют следующие принципы:

  • Принцип программного управления . Обеспечивает автоматизацию процесса вычислений на ЭВМ, Согласно этому принципу, для решения каждой задачи составляется программа, которая определяет последовательность действий компьютера. Эффективность программного управления будет выше при решении задачи этой же программой много раз (хотя и с разными начальными данными).
  • Принцип программы, сохраняемой в памяти . Согласно этому принципу, команды программы подаются, как и данные, в виде чисел и обрабатываются так же, как и числа, а сама программа перед выполнением загружается в оперативную память, что ускоряет процесс ее выполнения.
  • Принцип произвольного доступа к памяти. В соответствии с этим принципом, элементы программ я данных могут записываться в произвольное место оперативной памяти, что позволяет обратиться по любому заданному адресу (к конкретному участку памяти) без просмотра предыдущих.
  • Принцип разделения функций . Процессор управляет всеми операциями на высшем уровне, в то время как конкретную интерпретацию его общих команд для отдельных устройств реализуют специальные управляющие устройства - контроллеры. Процессор может обрабатывать информацию только в том случае, если она уже подверглась первичной обработке. Эту функцию берут на себя контроллеры устройства ввода. Они приводят входные данные к единому стандарту. Затем данные пересылаются в оперативную память, где они раскладываются по ячейкам и снабжаются ссылками (адресами), необходимыми для их использования. Вывод информации происходит также при посредничестве управляющих устройств вывода, которые вновь производят переформатированные данные в нужный стандарт. В принципе, все устройства компьютера имеют свои контроллеры (накопители, монитор, принтер, плоттер, стример и др.) Исходя из этого, можно сформулировать один из важных принципов работы ЭВМ.

Функциональные подсистемы . В процессе своей работы ЭВМ осуществляет:

  • Ввод информации извне;
  • Временное хранение;
  • Преобразование;
  • Вывод в виде, доступном для восприятия, ее человеком.

Процесс получения данных компьютером называется кратко «ввод », а выдача ее пользователю - «вывод» . Эти процессы настолько важны, что для их реализации предложено большое количество разнообразных устройств. Кроме того, нельзя забывать, что «ввод» и «вывод» - это две стороны одного процесса обмена информации, причем без одной из них не бывает другой. Поэтому, когда говорят нe о преобразовании данных, а об их передаче компьютеру для вычислений и получения итоговых результате в применяют термин «ввод-вывод».

В процессе ввода данные приводятся к формату, который может быть воспринят компьютером, а при выводе - к виду, привычному для человека .

В каждом из перечисленных этапов процесса реализуется отдельная функциональная подсистема:

  • подсистема ввода данных;
  • подсистема хранения данных;
  • подсистема преобразования данных;
  • подсистема вывода информации.

Все подсистемы связаны между собой каналами обмена, сгруппированными в потоки. Кроме данных и команд они несут сигналы таймера и питающее напряжение ко всем блокам компьютера. Эти потоки имеют конструктивное выражение в виде проводов и разъемов, имеющие название шины (см. ниже).

Подсистема устройств ввода . Ввод информации в компьютер осуществляется специализированными устройствами как стандартными, (см. ниже), так и нестандартными (факультативными).

Ввод информации в персональный компьютер осуществляется в три этапа:

  • восприятие информации извне;
  • приведение данных к определенному формату, понятному компьютеру;
  • передача данных на компьютерную шину;

Подсистема устройств вывода . Подсистема вывода информации позволяет пользователю компьютера получить результаты работы в привычном для него виде. Устройства вывода информации так же. как и устройства ввода информации, могут быть стандартными (см. ниже) и нестандартными (факультативными).

Вывод информации также осуществляется в три этапа, причем их очередность обратная таковой в процессе ввода:

  • восприятие информации, передаваемой по каналам шины;
  • приведение информации к формату, характерному для устройства вывода;
  • выдача результатов работы на. устройствах вывода информации.

Подсистема преобразования . Преобразованием данных в информацию в компьютере осуществляется процессором. Процессор, как минимум, содержит устройство управления (УУ ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ ). Устройство управления, по существу, является «хозяином» компьютера и выполняет следующие функции:

  • устанавливает очередность для задач, выполняемых системой;
  • генерирует управляющие сигналы для распределения операций и потоков данных как внутри арифметико-логического устройства, так и вне его;
  • управляет передачей информации по адресной шине и шине данных;
  • воспринимает и обрабатывает служебные сигналы, следующие по управляющей шине системы.

Подсистема хранения . Для того, чтобы эффективно работать с данными, процессору необходимо иметь к ним быстрый и свободный доступ. Функции промежуточного хранения выполняет подсистема хранения информации. Поступив в компьютер из подсистемы ввода, приведенная к определенному внутреннему стандарту информация располагается в ячейках оперативной памяти, после чего, по мере необходимости. обрабатывается процессором.

Память персонального компьютера реализована на электронных элементах и, как уже говорилось выше, является энергозависимой. Этот способ хранения информации весьма уязвим. По окончании сеанса работы содержимое оперативной памяти записывается на диск. Теперь для данных неопасно внезапное выключение электроэнергии, потому, что информация, записанная на диске, восстановит в памяти все. что было до того.

Для долговременного и надежного хранения данных создано множество более надежных устройств; магнитные и магнитооптические накопители, накопители на магнитной ленте и другие.

У внешних запоминающих устройств (ВЗУ ) есть два главных преимущества перед оперативной памятью:

  • хранение информации не требует обеспечения энергией;
  • объемы информации могут быть чрезвычайно большими.

На основании этих принципов можно утверждать, что современный компьютер - это техническое устройство, которое после ввода в память начальных данных в виде цифровых кодов и программы их обработки, выраженной тоже цифровыми кодами, способно автоматически осуществить вычислительный процесс, заданный программой, и выдать готовые результаты решения задачи в форме, пригодной для восприятия человеком.

Методы классификации компьютеров . Номенклатура видов компьютеров сегодня огромная: машины различаются по назначению, мощности, размерам, элементной базе и т.д. Поэтому классифицируют ЭВМ по разным признакам. Следует заметить, что любая классификация является в некоторой мере условной, поскольку развитие компьютерной науки и техники настолько бурное, что. например, сегодняшняя ми к по ЭВМ не уступает по мощности миниЭВМ пятилетней давности и даже суперкомпьютерам недавнего прошлого. Кроме того, зачисление компьютеров к определенному классу довольно условно через нечеткость разделения групп, так и вследствие внедрения в практику заказной сборки компьютеров, где номенклатуру узлов и конкретные модели адаптируют к требованиям заказчика. Рассмотрим распространенные критерии классификации компьютеров.


Классификация по назначению

  • большие электронно-вычислительные машины (БЭВМ);
  • миниЭВМ;
  • микроЭВМ:
  • персональные компьютеры.

Большие ЭВМ (Main Frame ) . Применяют для обслуживания крупных областей народного хозяйства. Они характеризуются мощными параллельно работающими процессорами (количество которых достигает до 100), интегральным быстродействием до десятков миллиардов операций в секунду, многопользовательским режимом работы.

На базе больших ЭВМ создают вычислительный центр, который содержит несколько отделов или групп (Табл. 1). Структура вычислительного центра на базе большой ЭВМ может быть следующая:

  • Центральный процессор - основной блок БЭВМ. в котором происходит обработка данных и вычисление результатов. Представляет собой несколько системных блоков в отдельной комнате, где поддерживается постоянная температура и влажность воздуха.
  • Группа системного программирования - занимается разработкой, отладкой и внедрением программного обеспечения, необходимого для функционирования вычислительной системы. Системные программы обеспечивают взаимодействие программ с оборудованием, то есть программно-аппаратный интерфейс вычислительной системы.
  • Группа прикладного программирования - занимается созданием программ для выполнения конкретных действий с данными, то есть обеспечение пользовательского интерфейса вычислительной системы.
  • Группа подготовки данных - занимается подготовкой данных, которые будут обработаны на прикладных программах, созданных прикладными программистами. В частности, это набор текста, сканирование изображений, заполнение баз данных.
  • Группа технического обеспечения - занимается техническим обслуживанием всей вычислительной системы, ремонтом и отладкой аппаратуры, подсоединением новых устройств.
  • Группа информационного обеспечения - обеспечивает технической информацией все подразделения вычислительного центра, создает и сохраняет архивы разработанных программ (библиотеки программ) и накопленных данных (банки данных).
  • Отдел выдачи данных - получает данные от центрального процессора и превращает их в форму, удобную для заказчика (распечатка).

Большим ЭВМ присуща высокая стоимость оборудования и обслуживания, поэтому работа организована непрерывным циклом.

Мини ЭВМ . Эта категория похожа на большие ЭВМ, но меньших размеров. Используют на крупных предприятиях, научных учреждениях и организациях. Часто используют для управления производственными, процессами. Характеризуются мультипроцессорной архитектурой, подключением до 200 терминалов, дисковыми запоминающими устройствами, которые наращиваются до сотен гигабайт, разветвленной периферией. Для организации работы с миниЭВМ нужен вычислительный центр, но меньший, чем для больших ЭВМ.

МикроЭВМ . Микрокомпьютер (microcomputer) - вычислительная система, в которой в качестве управляющего и арифметического устройства используется микропроцессор. В более совершенных микро-ЭВМ могут применяться несколько микропроцессоров. Производительность этой системы определяется не только характеристиками применяемого процессора, но и емкостью имеющейся оперативной памяти, типами периферийных устройств, качеством конструктивных решений, расширяемостью и др. Сейчас они превратились в инструментальные средства для решения сложных задач. Микропроцессоры стали более мощными, а периферийные устройства более эффективными, поэтому микро-ЭВМ в настоящий момент вытесняют мини-ЭВМ и разница между ними постепенно уменьшается. На компьютеры именно этой категории и рассчитан данный курс обучения.

Микрокомпьютеры условно можно разделить на профессиональные и бытовые. В связи с удешевлением аппаратного обеспечения, грань между ними постепенно размывается. С 1999 года введен международный сертификационный стандарт - спецификация РС99:

  • массовый персональный компьютер (Consumer PC) - относительно не дорогие системы, удовлетворяющие требованиям пользователя;
  • деловой персональный компьютер (Office PC) - имеют минимум средств воспроизведения графики и звука;
  • портативный персональный компьютер (Mobile PC) - отличаются наличием средств коммуникации отдаленного доступа (компьютерная связь);
  • рабочая станция (Workstation) - отличаются увеличенными требованиями к устройствам хранения и обработки;
  • развлекательный персональный компьютер (Entertainment PC) - делают основной акцент на мультимедийность при помощи развитых средств воспроизведения графики и звука.

Классификация микрокомпьютеров по целевому назначению или уровню специализации .

  • многопользовательские микрокомпьютеры (Серверы) - это микрокомпьютеры, работающие в режиме разделения времени обеспечивая работу нескольких пользователей одновременно. Они выполняются в одной малогабаритной стойке или в настольном варианте и в большинстве случаев являются подмножеством компьютерной сети.
  • специализированные или рабочие станции (АРМ) - представляют собой микрокомпьютер, оборудованный всеми средствами, необходимыми для выполнения работ определенного типа. Различают АРМ инженерные, графические, автоматизированного проектирования, издательские (настольные издательские системы) и другие.
  • встроенные микрокомпьютеры - представляют собой вычислительные системы, созданные для решения конкретных задач. Используемые для управления (например, станком или комплексом станков, научным оборудованием, боевой единицей и др.) и обработки измерений. Конструктивно они выполняются в виде одной или нескольких плат и не обеспечивают реализацию широкого спектра вычислительных функций, а также стандартного взаимодействия с пользователем.

Классификация по размеру . Кроме целевого назначения, в зависимости от конструктивного использования, микрокомпьютеры делятся на стационарные и портативные.

  • Стационарные микрокомпьютеры . Устанавливаются на столе, тумбе или в виде малогабаритной стойки на полу.
  • Переносные микрокомпьютеры . Имеют сравнительно небольшую массу и габариты, транспортируются одним человеком, как правило, не имеют автономного питания;
  • Переносные микрокомпьютеры с автономным питанием . Делятся на ряд категорий:
  • Наколенные (Laptop), выполненные в виде дипломата;
  • Карманные (Pocket), помещающиеся в кармане.

Наиболее распространенными являются настольные микрокомпьютеры, которые позволяют легко изменять конфигурацию. Портативные удобны для пользования, имеют средства компьютерной связи. Карманные модели можно назвать "интеллектуальными" записными книжками, разрешают хранить оперативные данные и получать к ним быстрый доступ.

Классификация по совместимости . Существует великое множество типов компьютеров, которые собираются из деталей, изготовленных разными производителями. Важным является обеспечение совместимости компьютера, которая имеет несколько уровней:

  • аппаратная совместимость (платформа IBM PC и Apple Macintosh);
  • совместимость на уровне операционной системы;
  • программная совместимость;
  • совместимость на уровне данных.

Вопросы для самоконтроля

  1. Что называют вычислительной техникой?
    1. Что называют вычислительной системой?
    2. Что такое компьютер?
    3. Что такое архитектура ЭВМ?
    4. Перечислите принципы построения архитектуры ЭВМ по Нейману?
    5. Что такое быстродействие?
    6. Что такое производительность компьютера?
    7. Что такое процессор?
    8. Что такое арифметико-логическое устройство?
    9. Что такое устройство управления?
    10. Что такое запоминающее устройство?
    11. Что такое оперативная память?
    12. Что такое внешнее запоминающее устройство?
    13. Что такое прерывание?
    14. Что такое система прерываний?
    15. Что такое обработка прерываний и обработчик прерываний?
    16. Что такое порт ввода-вывода?
    17. Что такое адаптер и контроллер?
    18. Что такое адаптер интерфейса?
    19. Какие функции осуществляет ЭВМ в процессе своей работы?
    20. Перечислите функциональные подсистемы ЭВМ.
    21. Какие функции осуществляет подсистема ввода данных?
    22. Какие функции осуществляет подсистема вывода данных?
    23. Какие функции осуществляет подсистема преобразования данных?
    24. Что такое микрокомпьютер?
    25. Что такое сервер?
    26. Что такое АРМ?
    27. Перечислите типы совместимости компьютерных систем?