• У дома
  •  > 
  • Новини
  •  > 
  • Основи на съхранение на данни в компютър. Организиране на данни на компютър

Основи на съхранение на данни в компютър. Организиране на данни на компютър

За представяне на информация в компютърната памет (както числова, така и нечислова) се използва метод на двоично кодиране.

Една елементарна клетка от паметта на компютъра е дълга 8 бита (1 байт). Всеки байт има свой номер (нарича се адрес). Най-голямата последователност от битове, които компютърът може да обработи като единична единица, се нарича машинна дума.Дължината на машинната дума зависи от битовата дълбочина на процесора и може да бъде 16, 32 бита и т.н.

Един байт е достатъчен за кодиране на знаци. В този случай могат да бъдат представени 256 знака (с десетични кодове от 0 до 255). Наборът от символи на персоналните компютри най-често е разширение на ASCII кода (Американски стандартен код за обмен на информация).

В някои случаи, когато се представят числа в паметта на компютъра, се използва смесена двоично-десетична бройна система, при която всяка десетична цифра изисква нибъл (4 бита), а десетичните цифри от 0 до 9 се представят със съответните двоични числа от 0000 до 1001. Например пакетиран десетичен формат, предназначен да съхранява цели числа с 18 значещи цифри и заемащи 10 байта в паметта (най-значимият от които е със знак), използва точно тази опция.

Друг начин за представяне на цели числа е допълнителен код. Диапазонът от стойности зависи от броя на битовете памет, разпределени за тяхното съхранение. Например стойностите на Integer варират от
-32768 (-2 15) до 32677 (2 15 -1) и за тяхното съхранение са отделени 2 байта: тип LongInt - в диапазона от -2 31 до 2 31 -1 и са разположени в 4 байта: тип дума - в диапазонът от 0 до 65535 (2 16 -1) използват се 2 байта и т.н.

Както се вижда от примерите, данните могат да се интерпретират като числа със знак или без знак. Когато представлява количество със знак, най-лявата (най-значимата) цифра показва положително число, ако съдържа нула, и отрицателно число, ако съдържа единица.

По принцип цифрите се номерират отдясно наляво, започвайки от нула.

Допълнителен кодположителното число съвпада с неговото директен код. Директният код на цяло число може да бъде представен по следния начин: числото се преобразува в двоичната бройна система и след това неговата двоична нотация отляво се допълва с толкова незначещи нули, колкото се изисква от типа данни, към който принадлежи числото. Например, ако числото 37 (10) = 100101 (2) е декларирано като стойност от тип Integer, тогава неговият директен код ще бъде 0000000000100101, а ако е стойност от тип LongInt, тогава неговият директен код ще бъде. За по-компактна нотация често се използва шестнадесетичен код. Получените кодове могат да бъдат пренаписани съответно като 0025 (16) и 00000025 (16).

Допълването на отрицателно цяло число може да се получи с помощта на следния алгоритъм:

  1. запишете директния код на модула на числото;
  2. инвертирайте го (заменете единици с нули, нули с единици);
  3. добавете един към кода за инверсия.

Например, нека запишем допълнителния код на числото -37, интерпретирайки го като стойност LongInt:

  1. директният код за числото 37 е 1
  2. обратен код
  3. допълнителен код или FFFFFFDB (16)

При получаване на номер с помощта на допълнителен код, на първо място, е необходимо да се определи неговия знак. Ако числото се окаже положително, просто преобразувайте неговия код в десетичната бройна система. В случай на отрицателно число трябва да се изпълни следният алгоритъм:

  1. извадете 1 от кода;
  2. инвертиран код;
  3. конвертиране в десетична бройна система. Запишете полученото число със знак минус.

Примери.Нека запишем числата, съответстващи на допълнителните кодове:

  1. 0000000000010111.

    Тъй като най-значимият бит е нула, резултатът ще бъде положителен. Това е кодът на числото 23.

  2. 1111111111000000.

    Ето кода за отрицателно число, изпълняваме алгоритъма:

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

Малко по-различен метод се използва за представяне на реални числа в паметта на персонален компютър. Нека разгледаме представянето на количествата с плаваща запетая.

Всяко реално число може да бъде записано в стандартна форма M*10 p , където 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 горната нотация се нарича M мантисачисла и p е неговото в ред. За да се поддържа максимална точност, компютрите почти винаги съхраняват мантисата в нормализирана форма, което означава, че мантисата в този случай е число между 1 (10) и 2 (10) (1 ≤ M< 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.

Персоналният компютър IBM PC с математически копроцесор 8087 ви позволява да работите със следните валидни типове (диапазонът от стойности е посочен в абсолютна стойност):

63 52 0

Можете да забележите, че най-значимият бит, определен за мантисата, е номер 51, т.е. Мантисата заема долните 52 бита. Лентата тук показва позицията на двоичната точка. Запетаята трябва да бъде предшествана от част от целочислената част на мантисата, но тъй като тя винаги е равна на единица, този бит не е задължителен тук и съответният бит не е в паметта (но се подразбира). Стойността на поръчката не се съхранява тук като цяло число, представено в допълнителен код на две. За да се опростят изчисленията и да се сравнят реалните числа, стойността на поръчката в компютъра се съхранява във формуляра офсетно число, т.е. Към текущата стойност на поръчката се добавя отместване, преди да се запише в паметта. Отместването се избира така, че минималната стойност на поръчката да съответства на нула. Например, за Double, редът отнема 11 бита и има диапазон от 2 -1023 до 2 1023, така че отместването е 1023 (10) = 1111111111 (2). И накрая, бит номер 63 показва знака на числото.

Така от горното следва следният алгоритъм за получаване на представяне на реално число в компютърната памет:

  1. преобразуват модула на дадено число в двоичната бройна система;
  2. нормализира двоично число, т.е. записана във формата M*2 p, където M е мантисата (нейната цяла част е равна на 1 (2)) и Р- ред, изписан в десетичната бройна система;
  3. добавяне на отместване към реда и преобразуване на изместения ред в двоичната бройна система;
  4. Като вземете предвид знака на дадено число (0 - положителен; 1 - отрицателен), запишете неговото представяне в паметта на компютъра.

Пример.Нека запишем числовия код -312.3125.

  1. Двоичният запис на абсолютната стойност на това число е 100111000.0101.
  2. Имаме 100111000,0101 = 1,001110000101*2 8 .
  3. Получаваме изместения ред 8 + 1023 = 1031. След това имаме 1031 (10) = 10000000111 (2) .
  4. Накрая
    63 52 0
    1. Първо отбелязваме, че това е код за положително число, тъй като цифрата 63 съдържа нула.Нека получим реда на това число. 01111111110 (2) = 1022 (10) . 1022 - 1023 = -1.
    2. Числото изглежда като 1,1100011*2 -1 или 0,11100011.
    3. При преобразуване в десетичната бройна система получаваме 0,88671875.

    Разгледахме видовете представяне на информация в компютърната памет, сега можем да започнем да тестваме нашите знания.

    Ако имате нужда от опции на хартия, тогава

Компютърната архитектура се разбира като набор от информация за основните устройства на компютъра и тяхното предназначение, за начините за представяне на програми и данни в машината, за характеристиките на нейната организация и функциониране.

Принципите на компютъра са както следва:

1. Компютърът е машина със съхранена (в паметта на компютъра) програма, представена под формата на последователност от команди.

2. Компютърно изпълнявани инструкции и операнди, т.е. Данните, върху които се изпълнява определената от командата операция, се представят в компютъра под формата на двоичен код с определен брой битове.

3. Компютърната памет е организирана под формата на последователност от запаметяване

съществуващи клетки, всяка от които може да съхранява (запомня)

някакъв двоичен код - числов или буквен код, представляващ данните, които се обработват, код на компютърна команда. В определен момент от време можете да получите достъп до всяка една от тези клетки за запис или четене, независимо от местоположението й в паметта, като посочите адреса (серийния номер на тази клетка. Паметта, организирана по този начин, се нарича памет с произволен достъп.

4. Компютърът използва споделена памет както за съхранение на данни, така и за

за съхранение на команди. В същото време в кодовете на самите данни и команди няма характеристики, които да позволяват ясното им разграничаване един от друг. Процесорът прави разлика между данни и инструкции само от контекста на програмата, която се изпълнява.

5. Целта на данните, техният вид и начин на използване също не са ясно посочени. Те се определят и разграничават от контекста на програмата, която се изпълнява.

Типичният цифров компютър включва три основни компонента:

процесор, памет и външни устройства. Неговата обща блокова схема е представена по-долу.

Процесор или централен процесор (CPU) е устройство, предназначено да извършва основни операции за обработка на данни, аритметични и логически операции с числа и да контролира работата на други части на компютъра.

Специална памет или памет с произволен достъп (RAM).

предназначени за съхраняване на кодове на инструкции, които съставят компютърна програма, която се изпълнява, и данни или операнди, т.е. двоични числа или кодове, върху които процесорът на компютъра изпълнява операции, определени от команди.

Чрез входно-изходни устройства или външни (периферни) устройства компютърът взаимодейства с външния свят.

Компютърните компоненти са свързани помежду си с помощта на специална компютърна шина или канал, който е набор от комуникационни линии, предназначени да предават информация и управляващи сигнали между компютърните компоненти.

При внедряването на съвременни компютри се използва модулен принцип. Същността на този принцип се свежда до факта, че компютърът е изграден от набор от устройства и блокове - модули, които изпълняват пълни функции и са независими от други модули.


Конструктивно модулът също е завършен елемент. Индивидуалните модули могат да бъдат свързани помежду си в необходимата конфигурация, без да се променят схемите (функциите) на отделните модули.

Основните предимства на модулния принцип:

Възможност за подобряване на компютър без промяна на функционалната му организация дори по време на работа чрез замяна на отделни модули с нови (по-бързи, по-малки по размер, консумират по-малко енергия, по-евтини) или чрез добавяне на нови модули;

Възможност за сглобяване от модули на голям брой компютри с различни характеристики, най-подходящи за конкретно приложение;

Намаляване на времето за възстановяване на функционалността на компютъра в случай на повреди чрез опростяване на отстраняването на неизправности и ремонта.

Модулите са свързани помежду си с помощта на шини. Физически автобусът е проводник на електрически ток и се състои от комуникационни линии. Всеки такъв ред в даден момент ви позволява да предадете една двоична цифра (0 или 1), т.е. малко информация. По принцип информацията може да се предава по автобусите и в двете посоки.

Обикновено компютърната шина е функционално разделена на три групи комуникационни линии: адресна шина, шина за данни и шина за управление. Адресната шина носи информация за това къде да търсите инструкции (команди) или данни в паметта на компютъра, тоест адресите на съответните клетки от паметта; шината за данни пренася тези данни или инструкции към централния процесор; Контролната шина осигурява предаване на управляващ сигнал между процесора и външните устройства.

Наборът от шини, свързващи два модула, и алгоритъмът, който определя реда на обмен на информация между тях, се наричат ​​интерфейс (интерфейс).

Интерфейсът се характеризира с ширината (или битовата дълбочина) на неговите компонентни шини (предимно информация) и скоростта на обмен на информация. Първите модели персонални компютри са използвали 8- и 16-битови шини за данни, предназначени съответно за предаване и обработка на байтове и думи на информация (стандарт ISA). Доскоро повечето модели компютри използваха стандарти EISA, VCA, VL-BUS, фокусирани върху 32-битов трансфер на данни. Най-новите модели компютри използват 64-битови шини за данни. Ширината на адресната шина определя размера на адресното пространство на вътрешната памет (броя байтове RAM и ROM), до които може директно да се осъществи достъп от компютърния процесор.

Първите модели компютри имаха 16-битова адресна шина и, използвайки специален метод на адресиране, осигуряваха на процесора достъп до 1 MB RAM и ROM. Съвременните модели имат 32- и 64-битови адресни шини и осигуряват достъп до повече от 4 GB вътрешна памет на компютъра.

Най-простият и естествен начин за свързване на устройства (модули) помежду си, за да образуват компютър, е използването на единичен интерфейс - интерфейс, към който са свързани всички устройства, включени в компютъра. Този метод на организация е реализиран в компютъра (фиг. 1).

Ориз. 3 Модулен принцип на изпълнение на PC

Основата на компютъра е електронна платка, която се нарича системна платка или дънна платка, тъй като в нея са разположени основните устройства на компютъра: микропроцесор и чипове с вътрешна памет (RAM и ROM). Освен това системната платка съдържа редица допълнителни операционни и други устройства, които осигуряват функционирането на компютъра.

Всички устройства, разположени на дънната платка, са свързани към шините на един интерфейс, който също е разположен на платката, и образуват единна електронна схема на компютъра.

Както беше отбелязано по-рано, основните функции на компютъра са съхранение, обработка, приеманеИ излъчванеданни. За да изпълнява тези функции, вашият компютър има различни устройства. Всеки от тях изпълнява една или друга специфична функция. Всеки съвременен компютър включва:

памет - група устройства, които осигуряват съхранениепрограми и данни;

процесор - едно или повече устройства, които осигуряват зададена от програмата обработкаданни;

I/O устройства - група устройства, които осигуряват обмен, т.е. приемане и предаванеданни между потребител и машина или между две или повече машини.

Различните компютърни устройства се свързват помежду си чрез стандартизиран и унифициран хардуер - кабели, съединители и др. В този случай устройствата обменят информация и управляващи сигнали помежду си, които също са сведени до някакви стандартни форми.

Комбинацията от тези стандартни средства и форми формира специфичен интерфейсна конкретно устройство или компютър като цяло." Интерфейсът е набор от унифицирани стандартни конвенции, хардуер и софтуер, методи и правила за взаимодействие на устройства или програми, както и устройства или програми с потребителя. Имайте предвид, че за обозначаване набор от устройства, които могат да бъдат включени терминът се използва в състава на компютър от определен модел, както и средствата за свързването им Хардуер.

Основи на съхраняване на информация на компютър

Както беше отбелязано по-рано, информацията винаги е под формата на съобщение, а съобщението е кодирано от един или друг набор от знаци, символи и числа. Теоретично и експериментално е доказано, че най-удобно и ефективно е използването му в компютърните технологии. двоичен код,това е набор от знаци, азбука, състояща се от двойка числа (0,1). Тъй като двоичният код се използва за съхраняване на информация в компютрите, той също се нарича машинен код.

Цифрите 0 и 1, които образуват множеството (0, 1), обикновено се наричат ​​двоични цифри, тъй като се използват като азбука в т.нар. двоична бройна система.Бройната система е набор от правила и техники за назоваване и изписване на числата, както и за получаване на значението на числата от символите, които ги представляват. Броят на знаците в азбуката на една бройна система обикновено се отразява в нейното име: двоична, троична, осмична, десетична, шестнадесетична и т.н. От гледна точка на техническата реализация на компютъра е много по-лесно да се работи с само две цифри от двоичната система (0, 1).

Елементарното устройство на компютърната памет, което се използва за съхраняване на една двоична цифра от машинния код или данни на програма, се нарича двоична цифра или бит.

Думата „бит“ идва от английския термин bit, който е съкращение от израза Binary digit. Технически малкото може да бъде приложено по различни начини. Какво точно обаче

специфичният начин, по който се прави в компютъра, ни е напълно безразличен. Важно е само да разберете предназначението, свойствата и функциите на бита.

· Битът може да бъде само в едно от две възможни състояния, едното от които се счита за изображение на числото „О“, а другото - за изображение на числото „1“. Битът запазва състоянието си толкова дълго, колкото желаете, докато не бъде променен принудително, следователно битът може пазязаписана в него информация.

· Във всеки един момент можете да разберете в кое от двете състояния се намира битът - в състояние “O” или в състояние “1”, като текущото състояние на бита остава непроменено. С други думи, можете Прочетиинформация, записана в бит (без нейната загуба).

· Когато възникне необходимост и независимо от текущото състояние, можете да прехвърляте малко от едно състояние в друго. С други думи, след малко можете записвамнова информация.

· И така, битът предоставя основата за съхраняване на информация, една от трите най-важни функции на компютъра.

Малко е много малка част от информацията. Следователно, точно както няколко десетични цифри се използват за представяне на десетични числа - единици, десетици, стотици и т.н., така и за представяне на двоични числа и двоични машинни кодове се използват няколко двоични цифри, няколко бита.

За съхраняване на двоични числа в компютър има устройство, наречено клетка с памет.Клетките се формират от няколко бита, точно както двоичните числа се формират от двоични цифри. И цялата памет на компютъра може образно да се представи като автоматична камера за съхранение, състояща се от голям брой отделни клетки, във всяка от които можете да поставите, записвамнякакво двоично число, двоичен машинен код.

Като цяло клетките на различните компютри могат да се състоят от различен брой битове. Това обаче създава значителни трудности при организирането на обмена на информация между различните модели компютри. Следователно, започвайки с машини от трето поколение, стандартенса клетки, които се състоят от осем бита.

Елемент от компютърната памет, състоящ се от 8 бита, се нарича байт.

Когато обработвате информация на компютър, трябва да работите с текстова, графична, цифрова, аудио и друга информация. За съхраняване на данни от различно естество се използват различни методи за кодиране. Освен това за един и същ тип информация могат да се използват и различни методи за кодиране, които се различават помежду си по ефективност, както и по различни изисквания към компютърните ресурси.

Колкото повече линии и точки, толкова по-ясно и по-добро е изображението. Понастоящем минималната приемлива разделителна способност е 800 x 600, тоест 800 пиксела на ред и 600 реда на екран.

Линиите, съставляващи изображението, могат да се разглеждат отгоре надолу една след друга, сякаш правят една непрекъсната линия от тях. След като първият ред е напълно изгледан, се преглежда вторият, следван от третия, след това четвъртия и т.н. до последния ред на екрана. Този процес е много подобен на метода за четене на текстове, приет в повечето страни по света, когато редовете се гледат един след друг отляво надясно и отгоре надолу. Този начин на работа с низове се нарича редово сканиране, или сканиране.И тъй като всяка от линиите е последователност от пиксели, цялото изображение, разтегнато в линия, също може да се счита за линейна последователност от елементарни точки. В този случай тази последователност се състои от 800 600 = 480 000 пиксела. Първо, нека да разгледаме принципите на кодирането монохроменизображение, т.е. изображение, състоящо се от всеки два контрастни цвята - черно и бяло, зелено и бяло, кафяво и бяло и т.н. За по-лесно обсъждане ще приемем, че единият от цветовете е черен, а другият е бял. Тогава всеки пиксел в изображението може да бъде черен или бял. Като присвоим двоичния код „0“ на черния цвят и кода „1“ на белия цвят (или обратното), можем да кодираме състоянието на един пиксел от монохромно изображение в един бит. И тъй като един байт се състои от 8 бита, ред, състоящ се от 800 точки, ще изисква 100 байта памет, а цялото изображение ще изисква 60 000 байта. Полученото изображение обаче ще има твърде голям контраст. Истинското черно-бяло изображение се състои от повече от бяло и черно. Той включва много различни междинни нюанси - сиво, светло сиво, тъмно сиво и т.н. Ако в допълнение към бялото и черното използваме само две допълнителни градации, да речем светло сиво и тъмно сиво, тогава, за да кодираме цветното състояние Един пиксел ще изисква два бита. В този случай кодирането може да бъде например следното: черно, цвят - 00 2, тъмно сиво - 01 2, светло сиво - 10 2, бяло - 11 2. Общоприето днес, което дава доста реалистично монохроменСчита се, че изображението кодира състоянието на един пиксел с помощта на един байт, което ви позволява да предавате 256 различни нюанса на сивото от напълно бяло до напълно черно. В този случай, за да се предаде целият растер от 800 x 600 пиксела, ще са необходими не 60 000, а всичките 480 000 байта.

Цветниизображението може да се формира по различни начини. Един от тях е методът RGB(от думите Red, Green, Blue - червено, зелено, синьо), което разчита на факта, че човешкото око възприема всички цветове като сбор от три основни цвята - червено, зелено и синьо. Например люляковият цвят е сумата от червено и синьо, жълтият цвят е сумата от червено и зелено и т.н. За да се получи цветен пиксел, не един, а три цветни лъча се изпращат на едно и също място на екрана. За да опростим ситуацията, ще приемем, че един бит е достатъчен за кодиране на всеки цвят. Нула в бит ще означава, че този основен цвят отсъства в общия цвят, а единица присъства. Следователно за кодиране на един цветен пиксел са необходими 3 бита - по един за всеки цвят. Нека първият бит съответства на червения цвят, вторият на зеления и третият на синия цвят. Тогава кодът 101 2 означава люляк - има червено, няма зелено, има синьо, а кодът 110 2 е жълт - има червено, има зелено, няма синьо. С тази схема на кодиране всеки пиксел може да има един от осем възможни цвята. Ако всеки цвят се кодира с помощта на един байт, както е обичайно за реалистично монохромно изображение, ще бъде възможно да се предадат 256 нюанса на всеки от основните цветове. Общо в този случай се предават 256 256 256 = 16 777 216 различни цвята, което е доста близо до реалната чувствителност на човешкото око. По този начин, с тази схема за кодиране на цветовете, едно пикселно изображение изисква 3 байта или 24 бита памет. Този метод за представяне на цветни графики обикновено се нарича истински режим. Цвят(true color - истински цвят) или пълноцветенрежим.

Пълноцветният режим изисква много памет. По този начин, за 800 x 600 растер, обсъден по-горе, използвайки RGB метода, са необходими 1 440 000 байта. За да се спести памет, се разработват различни режими и графични формати, които възпроизвеждат цвета малко по-зле, но изискват много по-малко памет. По-специално, можем да споменем режима Висок цвят(висок цвят - богат цвят), при който 16 бита се използват за предаване на цвета на един пиксел и следователно могат да се предават 65 535 цветови нюанса, както и индексен режим,който се основава на използваната в него таблица с цветови нюанси, предварително създадена за даден чертеж. След това желаният цвят на пиксела се избира от тази таблица с помощта на индексен номер, който заема само един байт памет. При запис на изображение в паметта на компютъра, в допълнение към цвета на отделните точки, е необходимо да се запише много допълнителна информация - размер на картината, резолюция, яркост на точките и т.н. Специфичен метод за кодиране на цялата информация изисква се при запис на изображение във формуляри с компютърна памет графичен формат.Форматите за кодиране на графична информация, базирани на предаването на цвета на всеки отделен пиксел, съставляващ изображението, се класифицират като растерили BMP(Bit MaP - bit map) формати.

Аудио и видео информация

Разработването на методи за кодиране на аудио информация, както и на движещи се изображения - анимация 1 и видео записи - се случи със закъснение спрямо видовете информация, разгледани по-горе. Допустими методи за съхраняване и възпроизвеждане на аудио и видео записи с помощта на компютър.

Имайте предвид, че анимацията се отнася до „съживяването“ на изображения, подобно на анимацията, но изпълнено с помощта на компютърна графика. Анимацията е поредица от малко различни изображения, получени с помощта на компютър, който записва състояния на движение на обект, които са близки във времето.

се появява едва през 90-те години. ХХ век Тези методи за работа със звук и видео се наричат мултимедийни технологии.

Звукът е доста сложна непрекъсната вибрация на въздуха. Често се наричат ​​и непрекъснати сигнали аналогов.Оказва се, че подобни непрекъснати сигнали могат да бъдат приблизително, но с достатъчна точност, представени като сума от определен брой прости синусоидални трептения. Освен това всеки член, т.е. всяка синусоида, може да бъде прецизно определен чрез определен набор от числени параметри - амплитуда, фаза и честота, които могат да се разглеждат като звуков код в даден момент от време.Този подход за запис на звук се нарича преобразуване в цифров вид, дигитализацияили вземане на проби,тъй като непрекъснатият звуков сигнал е заменен отделен(т.е. състоящ се от изолирани, отделни елементи) набор от стойности на сигнала - броисигнал - в някои последователни моменти от време.Извиква се броя на извадките на сигнала за единица време честота на вземане на проби.Понастоящем при запис на аудио в мултимедийни технологии се използват честоти от 8, 11, 22, 44 kHz до 192 kHz.Честота на дискретизация от 44 kHz означава, че една секунда непрекъснат звук се заменя с набор от 44 хиляди отделни проби от сигнала. Колкото по-висока е честотата на дискретизация, толкова по-добро е качеството на цифровизирания звук.

Качеството на преобразуването на звука в цифрова форма се определя не само от честотата на семплиране, но и от броя битове памет, разпределени за запис на кода на един образец. Този параметър обикновено се извиква битова дълбочина на преобразуване.В момента обикновено се използват 8, 16 и 24 бита. Форматът се основава на принципите, описани по-горе WAV(от WAVeform-audio - вълнова форма на звука) аудио кодиране. Можете да получите звукозапис в този формат от микрофон, плейър, магнетофон, телевизор и други стандартни аудио устройства, свързани към вашия компютър. Форматът WAV обаче заема голямо количество памет (когато записвате стерео аудио при честота на дискретизация 44 kHz и 16 бита, са необходими около 10 милиона байта памет за минута запис).

В допълнение към WAV вълновия формат, форматът се използва широко за запис на аудио MIDI(Musical Instruments Digital Interface - цифров интерфейс на музикални инструменти). Всъщност този формат представлява набор от инструкции, команди на т.нар музикален синтезатор- устройство, което имитира звука на истински музикални инструменти. Можете да получавате аудио записи в MIDI формат само от специални електронни музикални инструменти, които поддържат MIDI интерфейса. Форматът MIDI осигурява висококачествен звук и изисква значително по-малко памет от формата WAV. Кодирането на видео информация е дори по-сложен проблем от кодирането на аудио информация, тъй като трябва да се погрижите не само за вземане на проби от непрекъснати движения, но и за синхронизиране на изображението с аудиото. Форматът, използван в момента за това, се нарича AVI(Audio-Video Interleaved - редуване на аудио и видео).

Основните мултимедийни формати AVI и WAV изискват много памет. Ето защо на практика се използват различни методи за компресиране, тоест компресиране на аудио и видео кодове. В момента методите за компресиране, предложени от MPEG(Moving Pictures Experts Group - група от експерти по движещи се изображения). В частност, стандартенMPEG-1включва няколко популярни в момента форматизвукозапис. Така например при запис във формат MRZс практически същото качество на звука, необходима е десет пъти по-малко памет, отколкото при използване на WAV формат. Има специални програми, които конвертират аудио записи от WAV формат в MP3 формат. Стандартен MPEG-2описва методи за видео компресия, които осигуряват изображения с телевизионно качество и стерео звук и имат приемливи изисквания към паметта. Стандартен MPEG-4ви позволява да запишете пълнометражен цветен филм със звук на компактдиск.

Функционирането на всеки тип компютър се основава на устройство за съхранение, което може да съхранява информация, да я използва за изчисления и да я освобождава при първа заявка на оператора.

Определение

Устройството за съхранение е устройство, свързано с останалата част от компютъра и способно да получава външни влияния. Съвременните компютри използват няколко вида подобни продукти, всеки от които има своя собствена функционалност и характеристики на работа. Ключовите устройства за съхранение на информация се класифицират според техните принципи на работа, енергийни изисквания и много други параметри.

Действия с памет

Основната задача на всяко записващо устройство е способността на оператора да работи с него. Всички действия са разделени на три типа:

  • Съхранение. Цялата информация, която попада в записващото устройство, трябва да остане там, докато не бъде изтрита от оператора или компютъра. Има продукти, които могат да съхраняват данни за дълго време, дори когато компютърът е изключен. Точно така функционират стандартните твърди дискове. Други подобни продукти (RAM) съдържат само част от данните, така че операторът да има достъп до тях възможно най-бързо.
  • Въведете. Информацията трябва по някакъв начин да стигне до записващото устройство. В този случай разделянето може да бъде на този принцип. Някои модели работят директно с оператора. Други са свързани с други елементи на паметта, ускорявайки тяхната работа.
  • Заключение. Получените данни се показват на потребителския интерфейс или се предоставят за изчисления на други устройства за съхранение.

Всички устройства за съхранение, вход и изход са свързани по един или друг начин в една мрежа в рамките на един компютър. Заедно те гарантират неговата ефективност.

Форма

Класификацията на устройствата за съхранение на информация според формата на запис ги разделя на две категории: аналогови и цифрови. Първите практически не се използват в съвременния свят. Най-близкият пример за аналогово записващо устройство е магнетофонът, който отдавна е остарял. Въпреки това се извършват някои разработки в тази посока. В момента вече има няколко прототипа на продукти от този тип, които са добри по отношение на капацитет и скорост на работа, но в сравнение с цифровите устройства са значително по-ниски в производствените разходи. Стандартният твърд диск на компютъра съхранява информация под формата на единици и нули. Това е цифрово записващо устройство, подобно на по-голямата част от съвременните продукти от този тип. Тяхното действие се основава на принципа на запазване на физическото състояние на средата в една от двете възможни форми (за двоична система). В наши дни се използват по-модерни опции, които могат да използват троична или дори десетична нотация. Това стана възможно благодарение на използването на уникалните свойства на различни материали и появата на нови технологии за запис на данни на устройства за съхранение. Човечеството постепенно увеличава обема на информацията, която е възможна за съхранение, като същевременно намалява размера на медиите.

Стабилност на записа

Класификацията по този показател разделя всички устройства за съхранение и обработка на информация в четири групи:

  • Оперативни записващи устройства(RAM). Операторът получава възможност да въвежда нова информация, да чете съществуваща информация и да работи с нея директно по време на работа. Пример е компютърната RAM памет. Той съхранява повечето данни, които се изискват постоянно, така че няма нужда от постоянен достъп до главния твърд диск. В повечето случаи цялата информация се изтрива от такива носители след изключване на захранването.
  • Може да се презаписва(БАЛ). Такива продукти ви позволяват да записвате, изтривате и въвеждате отново данни почти неограничен брой пъти. Пример - CD-RW и стандартни твърди дискове. Всеки компютър има най-много такава памет и в него се съхранява почти цялата информация на потребителя.
  • Записваем(БАЛ). На такива устройства данните могат да бъдат запазени само веднъж. Невъзможно е презаписване или изтриване на информация, което е основният недостатък на подобни продукти. Пример са CD-R дискове. В съвременния свят се използва изключително рядко.
  • Постоянно(ROM). Този тип устройства съхраняват еднократно записана информация и не позволяват тя да бъде изтривана или променяна по какъвто и да е начин. Пример е BIOS на компютъра. В него всички данни остават непроменени и потребителят има възможност да избира само други настройки от списъка със съществуващи. За разлика от PROM, нови данни все още могат да се добавят към такива носители, но по правило това изисква пълно изтриване на старите. Тоест BIOS може да се преинсталира, но не и да се допълва или актуализира.

Енергийна независимост

За да работи, компютърът изисква електричество, без което всички операции биха били невъзможни. Въпреки това, ако всеки път след изключване на компютъра данните за цялата извършена работа се изтриват, тогава значението на компютъра в живота ни ще бъде много по-малко. И така, какви устройства за съхранение на енергия има?

  • Енергозависим. Тези продукти работят само когато към тях се доставя електричество. Този тип включва стандартни DRAM или SRAM RAM модули.
  • Енергонезависим. Записващите устройства не изискват захранване за запазване на информация. Пример е твърд диск на компютър.

Тип достъп

Устройствата за съхранение на информация също се разделят по този показател. Според вида на достъп паметта бива:

  • Асоциативен. Използва се рядко. Тези продукти включват специални устройства, които се използват за увеличаване на скоростта на работа с големи количества данни.
  • Направо. Пълен и неограничен достъп се предлага от твърди дискове, които принадлежат към този тип достъп.
  • Последователен. Сега практически не се използва. Използван преди в магнитни ленти.
  • Безплатно. На този принцип работи паметта с произволен достъп, като предоставя на потребителя възможност за свободен достъп до най-новата информация, с която е работила системата. Използва се за ускоряване на компютъра.

Екзекуция

Устройствата, предназначени за съхраняване на информация, се класифицират по вид на изпълнение.

  • Печатни платки. Този тип включва RAM модули и касети за стари декодери. Те работят много бързо, но изискват постоянен приток на енергия, поради което текущото им използване е в помощна роля.
  • диск.Има магнитни и оптични. Най-популярният представител е твърдият диск на компютъра. Използва се като основен носител на информация.
  • карта. Има много варианти за изпълнение. От последните могат да се отбележат флаш карти. Преди това този тип се използва за производството на перфокарти и техните магнитни аналози.
  • Барабани. Пример за това е магнитен барабан. Практически не е използван.
  • Лента.Пример за това са перфорирани или магнитни ленти. В съвременния свят почти никога не се среща.

Физически принцип

Според физическия принцип на работа устройствата за вход, изход, съхранение и обработка се разделят на:

  • Магнитни. Изработват се под формата на ядра, дискове, ленти или карти. Пример е твърд диск. Това не е най-бързият начин за обработка на информация, но позволява данните да се съхраняват дълго време без захранване, което обяснява настоящата му популярност.
  • Перфориран. Изработени като панделки или картички. Пример е древна перфокарта, използвана за запис на информация в първите модели компютри. Поради сложността на производството и малкото количество съхранявани данни, този принцип вече практически не се използва.
  • Оптичен. CD-та всякакъв вид. Всички те работят на принципа на отразяване на светлината от повърхността им. Лазерът изгаря следи, образувайки области, различни от общата маса, което прави възможно използването на една и съща двоична кодова система, в която едно състояние на диска се обозначава с единица, а друго с нула.
  • Магнитооптичен. Дискове тип MO. Те се използват рядко, но съчетават предимствата на двете системи.
  • Електростатичен.Те работят на принципа на акумулиране на заряд от електричество. Примери - CRT, кондензаторни запаметяващи устройства.
  • полупроводник. Те използват функциите на материали със същото име, за да събират и съхраняват данни. Ето как работи флаш устройство.

Освен всичко друго, има устройства за съхранение, които работят на други физически принципи. Например върху свръхпроводимостта или звука.

Брой държави

Последният начин за класифициране на енергонезависимо устройство за съхранение е колко състояния може да поддържа. Както бе споменато по-горе, дигиталните медии работят, като променят своята физическа част въз основа на доставената електроенергия. Най-простият пример: ако е магнитен, тогава е равен на числото 1, ако не, тогава е 0. Това е принципът на работа на двоичните системи, които могат да поддържат само две опции за състояние. Вече се използват и устройства, работещи в три или повече форми. Това отваря много широки перспективи за използване на носители за съхранение, позволявайки им да бъдат намалени по размер, като същевременно се увеличи общият обем на съхраняваната информация.

Резултати

Старите дискове бяха много големи. Още първите компютри изискваха стая, сравнима с модерните фитнес зали, и освен това работеха много бавно. Напредъкът не стои неподвижен и сега устройствата за съхранение на информация, дори и най-обемните, могат просто да бъдат поставени в джоба ви. По-нататъшното развитие може да върви както по пътя на търсене на нови материали или начини за взаимодействие със стари, така и в посока на създаване на постоянна и стабилна връзка по целия свят. В този случай обемните дискове ще бъдат разположени в специални сървърни помещения и потребителят ще получава всички данни с помощта на облачна технология.

Дори за малки еднократни статистически изследвания, усилията, изразходвани за навременно и пълно описание на използваните масиви, променливите, включени в тях, и всички стъпки на статистическия анализ се изплащат напълно. Ранната и внимателна подготовка на документацията премахва много недоразумения. Големи статистически изследвания се извършват колективно, съставът на участниците в работата се променя частично по време на нейното изпълнение, обработката на събраните материали се удължава във времето и се извършва итеративно, когато данните се достъпват отново и отново, за да се тестват хипотезите които възникват по време на анализа. В много изследвания (например медицински) често има постоянно актуализиране на данните с нова информация. В тези условия обмисленото и задълбочено документиране става важно като критично условие за осигуряване на приемственост в изпълнението на изследването. Нека се спрем накратко на отделните аспекти на този процес.

Сертифициране на изследвания, масиви, променливи, методи за анализ. За всеки от горните обекти е желателно в компютъра да има: 1) кратко име, което трябва да присъства във всички изходи; 2) пълното име, което се използва главно в отчетите, но понякога и в резултатите от търсенето, когато краткото име не е достатъчно, за да се разбере ясно значението им; 3) описание, което за изследване накратко разкрива съдържанието на произведението и посочва връзката между масивите; за масиви, уточнява условията за тяхното събиране или формиране; за променливи дава начин за тяхното получаване, измерване или записване; за метода на анализ - връзки към източници, където може да се намери точно описание на метода. Описанията се използват главно при формиране

доклади, а понякога и като спомагателен коментар за улесняване на разбирането на отделни въпроси; и само за променливи 4) указание за границите на изменение или приети стойности, които трябва да се използват за контрол при въвеждане на данни, както и при конструиране на изходни таблици.

Ако по време на анализа се изолират отделни масиви или се въведат нови спомагателни променливи, тогава те трябва да бъдат описани толкова подробно, колкото основните масиви и променливи.

Автоматизацията на изследователската документация, описана по-горе, се постига на сегашното ниво на развитие на математическия софтуер, като се използват доста прости средства, но позволява решаването на много важни проблеми: контролира променливите по време на въвеждане; гарантира „офлайн четимост“ на всички изходни таблици; увеличава вероятността от откриване на неточности и грешки в описанията; улеснява изготвянето на отчети.

Освен това е желателно да се водят записи на компютър или с помощта на специални картотеки: какви видове анализи (програми) са приложени към какви подмасиви; каква е идентифицираната мярка за зависимостта между знаците, успеха на прогнозата, адекватността на картографирането на обекти в пространство с по-ниско измерение и др.; адреси, където съответните резултати се съхраняват на компютър или на рафтове, както и поддържане на многоцелеви текстови коментари както за логиката и напредъка на анализа, така и за отделни разпечатки.

10.1.2. Въвеждане и съхранение на данни.

За въвеждане обикновено се използват или перфокарти, или дисплей с шаблон, показващ кодираните стойности, или дисплей със списък с възможни стойности за променливата - така нареченото „меню“. Последните два метода ви позволяват незабавно да откриете груби грешки при въвеждане. Използването на "менюто" изисква повече време за въвеждане. „Менюто“ трябва да се конфигурира автоматично въз основа на описанието на променливите. Съхранението на данни трябва да бъде организирано така, че да може лесно да се редактира и актуализира.

10.1.3. Преглед на данни.

От съществено значение е данните, събрани в статистическо изследване, да бъдат внимателно прегледани и редактирани, преди да бъдат приложени към тях основни статистически техники. Грешки

в данните може да доведе до неочаквани резултати, понякога интерпретируеми, понякога не, но винаги грешни.

Прегледът на данни служи за следните цели:

1) откриване на груби грешки в изследователския речник, както и грешки, направени по време на кодиране, пробиване и въвеждане на данни в компютър;

2) индикация за възможни отклонения или аномалии, т.е. наблюдения, които се открояват рязко по своята величина, които може да не са представителни за изследваната популация (за повече подробности вижте § 11.5);

3) получаване на първата груба представа за едномерни и частично двумерни разпределения.

Ще посочим някои техники, които улесняват прегледа на данните или, както понякога се казва, скрининг.

Отпечатване на данни, въведени в компютър в табличен вид по обект, понякога с предварително сортиране по стойността на някакъв атрибут. В същото време наличието на груби грешки при посочване на формата на данните, коректността и четливостта на името на изследването и имената на променливите, пълнотата на въведения материал и липсата на ненужни данни, както и дали числените стойности на променливите или техните кодове са в предписания диапазон се проверяват. Прегледът на променливите, подредени по колони, обикновено ви позволява незабавно да маркирате груби грешки. Ако желаете, колоните могат да се видят и на екрана на дисплея. Въпреки това, добре проектираната разпечатка на хартиен носител също е удобен справочен документ за други проблеми, които могат да възникнат в следващите етапи на анализа.

Построяване на едномерни разпределения. Ако компютърът изгради хистограма (вижте § 10.3), тогава е удобно да попълните нейната колона с числа за наблюдение. В краен случай, ако има твърде много наблюдения, посочете отделно броя на наблюденията, които надхвърлят квантилите.

Също така е удобно да се използва индикацията на числата за наблюдение при конструиране на двуизмерни разпечатки. Ако няколко наблюдения попадат в една точка, върху графиката се поставя специален знак, а отдолу се отпечатват номерата на наблюденията. Двуизмерните широкоформатни разпечатки са много удобни за формиране на предварителни смислени хипотези за връзката на променливите. Математическите въпроси на конструирането на емпирични разпределения са разгледани в § 10.3.

Компютърно инженерствое набор от устройства, предназначени за автоматична или автоматизирана обработка на данни в информация.

Компютърна система- това е специфичен набор от взаимосвързани устройства. Централното устройство на повечето изчислителни системи е електронен компютър (компютър) или компютър.

компютъре устройство, състоящо се от електронни и електромеханични компоненти, което извършва операции по въвеждане, съхранение и обработка на данни по определена програма с цел получаване на информация, чийто изход се извършва във форма, удобна за възприемане от човека.

Компютърна архитектура. Под компютърна архитектура трябва да разбираме набора от характеристики, от които се нуждае потребителят. Това са преди всичко основните устройства и блокове на компютъра, както и структурата на връзките между тях и софтуерното управление.

Общи принципи на компютри, свързани с архитектурата:

  • структура на компютърната памет;
  • методи за достъп до памет и външни устройства“;
  • възможност за промяна на конфигурацията;
  • командна система;
  • формати на данни;
  • организация на интерфейса.

Въз основа на това може да се определи, че Архитектура- това са най-общите принципи на изграждане на компютъра, които осъществяват софтуерно управление на работата и взаимодействието на основните му функционални звена.

Класическите принципи на компютърната архитектура са предложени в работата на J. von Neumann. G. Goldsteig и A. Burks през 1946 г. и са известни като „принципи на фон Нойман“. Тези принципи декларират следните архитектурни разпоредби:

  • Използване на двоична система за представяне. Предимствата на двоичната система за техническа реализация бяха удобството и простотата на извършване на аритметични и логически операции. Компютрите започват да обработват нечислови видове информация - текстова, графична, звукова и др. Двоичното кодиране на данни все още формира информационната основа на всеки съвременен компютър.
  • Принцип на съхранената програма. Нойман беше първият, който осъзна, че една програма може също да бъде съхранена под формата на нули и единици и в същата памет като числата, които обработва. Липсата на фундаментална разлика между програмата и данните позволи на компютъра да формира програма за себе си в съответствие с резултатите от изчисленията. Фон Нойман не само представи основните принципи на логическата структура на компютъра, но също така предложи неговата структура, която беше възпроизведена през първите две поколения компютри.
  • Принципът на последователно изпълнение на операциите. Структурно паметта се състои от номерирани клетки. Всяка клетка е достъпна за процесора по всяко време. Оттук следва, че е възможно да се наименуват области на паметта по този начин. така че стойностите, съхранени в тях, да могат впоследствие да бъдат достъпни или променени по време на изпълнение на програмата, като се използват присвоените имена.
  • Принципът на произволен достъп до RAM клетки. Програмите и данните се съхраняват в една и съща памет. Поради това компютърът не различава какво се съхранява в дадена клетка от паметта - число, текст или команда. Можете да извършвате същите действия с команди, както и с данни.

Фиг. 3. Устройство за управление (CU). Аритметично логическо устройство (ALU). Паметта (RAM) съхранява информация (данни) и програми, включва памет с произволен достъп (RAM) и външни устройства за съхранение (ESD).

Съвременна компютърна архитектура. Реалната структура на компютъра е много по-сложна от диаграмата, обсъдена по-горе (фиг. 3). Съвременните компютри, по-специално микрокомпютрите (персонални), все повече се отдалечават от традиционната архитектура на фон Нойман, водени от желанието на разработчиците и потребителите да подобрят качеството и производителността на компютрите (фиг. 4).

Качеството на компютъра се характеризира с много показатели. Това включва набор от команди, които компютърът може да разбере и изпълни, работната скорост (производителност) на централния процесор, броя на периферните устройства, свързани към компютъра едновременно, и много други. В същото време основният показател, характеризиращ компютъра, е неговата скорост.

производителност- това е броят на операциите, които процесорът може да изпълни за единица време. На практика потребителят се интересува повече от производителност на компютъра- показател за неговата ефективна работа, тоест способността не само да функционира бързо, но и бързо да решава конкретни задачи.

В резултат на това всички тези и други фактори допринасят за фундаменталното и конструктивно подобряване на компютърната елементна база, тоест създаването на нови, по-бързи, по-надеждни и по-лесни за използване процесори, устройства за съхранение, входно-изходни устройства, и т.н. Трябва обаче да се има предвид, че скоростта на работа на елементите не може да се увеличава безкрайно (има съвременни технологични ограничения и ограничения, дължащи се на физичните закони). Ето защо компютърните разработчици търсят решения на този проблем чрез подобряване на компютърната архитектура.

Така се появиха компютри с многопроцесорна (или многопроцесорна) архитектура, в която работят няколко процесора едновременно, което означава, че производителността на такъв компютър е равна на сумата от производителността на процесорите.

Мощните компютри, предназначени за сложни инженерни изчисления и системи за автоматизирано проектиране (CAD), често имат два или четири процесора. В свръхмощните компютри (такива машини могат например да симулират ядрени реакции в реално време, да прогнозират времето в глобален мащаб, да симулират пълномащабни сцени за кино и анимация) броят на процесорите достига няколко десетки.

Ориз. 4. Обща структура на съвременен микрокомпютър

Всички основни архитектурни блокове се състоят от отделни по-малки устройства, които изпълняват строго определени функции.

По-специално, централният процесор включва аритметично-логическо устройство ( ALU). вътрешно устройство за съхранение под формата на регистри на процесора и вътрешна кеш памет, устройство за управление ( UU).

Входното устройство, като правило, също не е единична структурна единица. Тъй като видовете входна информация са разнообразни, може да има няколко източника на въвеждане на данни. Същото важи и за изходните устройства.

процесор- Това е централното изчислително устройство в компютър от всякакъв вид. Той извършва изчисления по програма, съхранена в RAM, и осигурява общ контрол на компютъра.

Процесорът съдържа най-малко:

  • Аритметична логическа единица (ALU), предназначени за извършване на аритметични и логически операции;
  • Контролно устройство (CU), предназначени да извършват общ контрол на изчислителния процес според програмата и координацията на всички компютърни устройства. Контролният блок избира команда след команда от RAM в определена последователност. След това: всяка команда се декодира и ако е необходимо, елементите от данни от RAM клетките, посочени в командата, се прехвърлят към ALU. ALU е конфигуриран да изпълнява действието, указано от текущата команда (I/O устройствата също могат да участват в това действие); дава се команда за извършване на това действие. Този процес ще продължи дотогава. до настъпване на една от следните ситуации: входните данни са изчерпани, получена е команда за спиране на работа от някое от устройствата, захранването на компютъра е изключено.

Устройство за съхранение (памет)е компютърна архитектурна единица, предназначена за временно (памет с произволен достъп) и дългосрочно (памет само за четене) съхранение на програми, входни и резултатни данни, както и междинни резултати на външни устройства за съхранение (ESD).

Памет с произволен достъп (RAM)- служи за получаване, съхраняване и издаване на информация. Той съдържа програми и данни, достъпни за използване от микропроцесора, както и междинни и крайни резултати от изчисленията. Процесът на изпълнение на програмата се свежда до преобразуване на първоначалното състояние на паметта в крайно (крайно) състояние. RAM е непостоянно устройство, което означава, че информацията се губи, когато захранването бъде изключено. Скоростта на вашия компютър зависи значително от скоростта на вашата RAM памет. Ето защо ние непрекъснато търсим елементи за RAM, които отделят по-малко време за операции за четене и запис. Проблемът се решава чрез изграждане на многостепенна памет.

RAM се състои от две или три части: основната част от по-големия капацитет е изградена от относително бавни (по-евтини) елементи, а допълнителната (т.нар. кеш памет) се състои от високоскоростни елементи. Данните, до които процесорът осъществява най-често достъп, са в кеш паметта, докато повече оперативна информация се съхранява в основната памет.

Памет само за четене (ROM). Енергонезависимо устройство, предназначено за дългосрочно съхранение на сервизна и първична информация. Представен под формата на микросхеми, разположени на дънната платка (системна) платка.

Външенустройство за съхранение (VRAM). Енергонезависими устройства, които осигуряват надеждно съхранение и доставка на информация. Те съхраняват често използвани програми и данни (вижте устройства, съхранение). Въпреки това скоростта на обмен на данни между постоянната памет и централния процесор в по-голямата част от случаите е значително по-малка от тази на RAM.

Входни устройства (UVD) и изходни устройства (UV), принадлежат към категорията на периферните устройства. Преди това работата на I/O устройствата се контролираше от централния процесор, което отнемаше много време. Архитектурата на съвременните компютри предвижда канали за директен достъп до RAM за обмен на данни с I/O устройства без участието на централен процесор, както и прехвърляне на повечето функции за управление на периферни устройства към специализирани процесори, което облекчава централния процесор и увеличете неговата производителност.


Система за прекъсване. Чрез прекъсванее ситуация, която изисква някакво действие от микропроцесора, когато настъпи определено събитие. Системата за прекъсване се разбира като софтуерен и хардуерен комплекс, който осигурява изпълнението и обработката на прекъсвания.

Процесорът трябва бързо да реагира на различни събития, възникващи в компютъра в резултат на действия на оператора или без негово знание. Примери от този вид включват натискане на клавиши на клавиатурата, опит за деление на нула (по време на изпълнение на програма), прекъсване на захранването (други хардуерни повреди), планирани повиквания към ядрото на операционната система и др. Необходимата реакция при прекъсвания се осигурява от системата за прекъсвания.

Обработка на прекъсваниясе свежда до спиране на изпълнението на текущата последователност от команди, вместо която започва да се интерпретира друга последователност, съответстваща на даден тип прекъсване и наречена обработка на прекъсване. Веднъж приложено, изпълнението на програмата може да продължи, ако е възможно или подходящо, в зависимост от типа на прекъсването.

I/O порт системаосигурява директна връзка на адаптера на периферното устройство към системната шина, т.е. всъщност това е точката на такова свързване на периферното устройство към компютърната система. Всеки I/O порт има свой собствен адрес и множество I/O портове могат да бъдат присвоени на периферно устройство. Комбинацията от I/O портове образува I/O портова система. Просто казано, I/O порт може да се счита за регистър, в който се записва информация, за да бъде прехвърлена към периферно устройство или от който се чете информация, получена от периферно устройство.

От гледна точка на потребителя, порт- това е интерфейс (конектор) за свързване на устройство (клавиатура, мишка, дисплей, принтер, слушалки и др.) към компютър. Обикновено I/O портовете се намират на задния панел на корпуса на системния модул; някои от тях могат да бъдат разположени на предния панел.

Адаптер, контролер. Понятието „адаптер за периферно устройство“ може да се счита за синоним на термина „контролер“, но последният се използва по-често за устройства, които изпълняват по-сложни функции за управление на периферни устройства (фиг. 5).


Ориз. 5.Видео контролер. Управлява показването на изображения

Усъвършенстваните контролери за периферни устройства включват специализирани микропроцесори и памет. Същото важи и за периферни устройства със сложни алгоритми на работа, които изискват сложни контролни блокове. От гледна точка на потребителя, (адаптер или контролер) е платка с набор от чипове и I/O портове, чиято задача е да управлява свързаното към него устройство. Това може да е дисплей, принтер, аудио устройства и др.

Интерфейсен адаптере средство за свързване на централната част на компютър с периферни устройства, в които всички физически и логически параметри отговарят на предварително определени параметри (специфичен протокол) и се използват широко в други устройства.

Ориз. 6. Интерфейсен адаптер

Архитектура на съвременната компютърна система. Запазвайки принципите на изграждане на компютърната архитектура според Нойман, съвременната архитектура е обогатена с допълнителни принципи и днес компютърната архитектура се определя от следните принципи:

  • Принцип на управление на програмата. Осигурява автоматизация на изчислителния процес на компютър.Според този принцип за решаване на всеки проблем се съставя програма, която определя последователността на компютърните действия. Ефективността на програмния контрол ще бъде по-висока, когато проблемът се решава от една и съща програма много пъти (макар и с различни начални данни).
  • Принцип на програма, съхранявана в паметта. Съгласно този принцип командите на програмата се подават, подобно на данните, под формата на числа и се обработват по същия начин като числата, а самата програма се зарежда в RAM преди изпълнение, което ускорява процеса на нейното изпълнение.
  • Принцип на произволен достъпкъм паметта. В съответствие с този принцип, елементи от програми и данни могат да бъдат записвани на произволно място в RAM, което позволява достъп до всеки даден адрес (конкретно място в паметта), без да се преглеждат предишни.
  • Принципът на разделяне на функциите. Процесорът контролира всички операции на най-високо ниво, докато специфичната интерпретация на неговите общи команди за отделните устройства се осъществява от специални управляващи устройства - контролери. Процесорът може да обработва информация само ако тя вече е преминала първична обработка. Тази функция се поема от контролери на входни устройства. Те привеждат входните данни към един стандарт. След това данните се изпращат в RAM, където се подреждат в клетки и се снабдяват с връзките (адресите), необходими за тяхното използване. Извеждането на информация също се осъществява чрез посредничеството на устройства за контрол на изхода, които отново произвеждат преформатирани данни в желания стандарт. По принцип всички компютърни устройства имат свои собствени контролери (устройства, монитор, принтер, плотер, стример и др.) Въз основа на това може да се формулира един от важните принципи на работа на компютъра.

Функционални подсистеми. По време на работа компютърът извършва:

  • Въвеждане на информация отвън;
  • Временно съхранение;
  • Преобразуване;
  • Изход във форма, достъпна за човешкото възприятие.

Процесът на получаване на данни от компютър се нарича накратко „ вход", и издаването му на потребителя - "заключение". Тези процеси са толкова важни, че са предложени голям брой различни устройства за тяхното прилагане. Освен това не трябва да забравяме, че „вход“ и „изход“ са две страни на един и същ процес на обмен на информация и без едната другата не може да съществува. Следователно, когато се говори не за преобразуване на данни, а за прехвърлянето им на компютър за изчисления и получаване на крайни резултати, се използва терминът „вход-изход“.

По време на процеса на въвеждане данните се редуцират до формат, който може да се възприеме от компютър, а по време на изход - до вид, познат на хората.

Във всеки от изброените етапи на процеса се реализира отделна функционална подсистема:

  • подсистема за въвеждане на данни;
  • подсистема за съхранение на данни;
  • подсистема за преобразуване на данни;
  • подсистема за извеждане на информация.

Всички подсистеми са свързани помежду си чрез канали за обмен, групирани в потоци. Освен данни и команди, те пренасят таймерни сигнали и подават напрежение към всички компютърни блокове. Тези потоци имат конструктивен израз под формата на проводници и съединители, наречени шини (вижте по-долу).

Подсистема на входно устройство. Информацията се въвежда в компютъра с помощта на специализирани устройства, както стандартни (виж по-долу), така и нестандартни (по избор).

Въвеждането на информация в персонален компютър се извършва на три етапа:

  • възприемане на информация отвън;
  • привеждане на данните в специфичен формат, разбираем за компютър;
  • Прехвърляне на данни към компютърна шина;

Подсистема на изходното устройство. Подсистемата за извеждане на информация позволява на потребителя на компютъра да получава резултати от работата в позната за него форма. Устройствата за извеждане на информация са еднакви. подобно на входните устройства, те могат да бъдат стандартни (вижте по-долу) и нестандартни (по избор).

Извеждането на информация също се осъществява на три етапа, като техният ред е обратен на този при въвеждането:

  • възприемане на информация, предавана по шинни канали;
  • привеждане на информация във формат, специфичен за изходното устройство;
  • издаване на резултати от работа. устройства за извеждане на информация.

Подсистема за преобразуване. Преобразуването на данни в информация в компютъра се извършва от процесора. Процесорът съдържа най-малко контролно устройство ( UU) и аритметично-логическа единица ( ALU). Контролното устройство по същество е „главният“ на компютъра и изпълнява следните функции:

  • установява приоритет за задачите, изпълнявани от системата;
  • генерира управляващи сигнали за разпределяне на операции и потоци от данни както вътре, така и извън аритметичното логическо устройство;
  • контролира преноса на информация по адресната шина и шината за данни;
  • получава и обработва сервизни сигнали, пътуващи по шината за управление на системата.

Подсистема за съхранение. За да работи ефективно с данните, процесорът трябва да има бърз и безплатен достъп до тях. Функциите на междинно съхранение се изпълняват от подсистемата за съхранение на информация. След като влезе в компютъра от входната подсистема, информацията, намалена до определен вътрешен стандарт, се намира в RAM клетки, след което при необходимост. обработвани от процесора.

Паметта на персонален компютър е реализирана върху електронни елементи и, както беше споменато по-горе, е летлива. Този метод за съхранение на информация е много уязвим. В края на работната сесия съдържанието на RAM се записва на диск. Сега внезапното прекъсване на захранването не е опасно за данните, защото информацията, записана на диска, ще възстанови всичко в паметта. какво се случи преди.

Създадени са много по-надеждни устройства за дългосрочно и надеждно съхранение на данни; магнитни и магнитооптични устройства, устройства с магнитна лента и други.

За външни устройства за съхранение ( ВЗУ) има две основни предимства пред RAM:

  • съхраняването на информация не изисква захранване с енергия;
  • Обемите информация могат да бъдат изключително големи.

Въз основа на тези принципи може да се твърди, че модерен компютър- това е техническо устройство, което след въвеждане на първоначални данни в паметта под формата на цифрови кодове и програма за обработката им, също изразени в цифрови кодове, е в състояние автоматично да извършва зададения от програмата изчислителен процес и да произвежда готови направени резултати за решаване на проблема в подходяща за човешкото възприятие форма.

Методи компютърни класификации. Диапазонът от типове компютри днес е огромен: машините се различават по предназначение, мощност, размер, елементна база и т. Следователно компютрите се класифицират по различни критерии. Трябва да се отбележи, че всяка класификация е донякъде условна, тъй като развитието на компютърните науки и технологии е толкова бързо, че. Например днешните микрокомпютри не отстъпват по мощност на миникомпютрите от преди пет години и дори на суперкомпютрите от близкото минало. Освен това причисляването на компютрите към определен клас е доста произволно поради неясното разделение на групите, както и поради въвеждането в практиката на индивидуално сглобяване на компютри, при което гамата от компоненти и конкретните модели се адаптират към изискванията на клиента. Нека да разгледаме общите критерии за класифициране на компютри.


Класификация по предназначение

  • големи електронни компютри (BEVM);
  • миникомпютър;
  • микрокомпютър:
  • персонални компютри.

Мейнфрейм компютри(ОсновенКадър) . Те се използват за обслужване на големи области от националната икономика. Те се характеризират с мощни паралелни процесори (броят на които достига до 100), интегрирана скорост до десетки милиарди операции в секунда и многопотребителски режим на работа.

На базата на големи компютри се създава компютърен център, който съдържа няколко отдела или групи (Таблица 1). Структурата на компютърен център, базиран на мейнфрейм компютър, може да бъде както следва:

  • процесор- основен блок на BEVM. в който се изчисляват обработката на данните и резултатите. Състои се от няколко системни блока в отделно помещение, където се поддържа постоянна температура и влажност.
  • Група за системно програмиране- занимава се с разработване, отстраняване на грешки и внедряване на софтуер, необходим за функционирането на компютърната система. Системните програми осигуряват взаимодействието на програмите с оборудването, тоест хардуерно-софтуерния интерфейс на компютърната система.
  • Група за приложно програмиране- занимава се със създаване на програми за извършване на специфични действия с данни, тоест осигуряване на потребителски интерфейс за компютърната система.
  • Група за подготовка на данни- подготвя данни, които ще бъдат обработени с помощта на приложни програми, създадени от приложни програмисти. По-специално, това е въвеждане на текст, сканиране на изображения, попълване на бази данни.
  • Група за техническа поддръжка- извършва поддръжка на цялата компютърна система, ремонт и отстраняване на грешки на оборудване, свързване на нови устройства.
  • Група за информационна поддръжка- предоставя техническа информация на всички звена на компютърния център, създава и съхранява архиви на разработени програми (програмни библиотеки) и натрупани данни (банки от данни).
  • Отдел за издаване на данни- получава данни от централния процесор и ги превръща в удобен за клиента вид (разпечатка).

Големите компютри имат висока цена на оборудване и поддръжка, така че работата е организирана в непрекъснат цикъл.

Миникомпютър. Тази категория е подобна на мейнфрейм компютрите, но по-малка по размер. Използва се в големи предприятия, научни институции и организации. Често се използва за контрол на производствените процеси. Те се характеризират с многопроцесорна архитектура, свързване на до 200 терминала, дискови устройства за съхранение, които могат да се разширяват до стотици гигабайти, и обширни периферни устройства. За да организирате работа с миникомпютри, ви е необходим компютърен център, но по-малък от този за големи компютри.

Микрокомпютър. Микрокомпютърът е изчислителна система, която използва микропроцесор като контролно и аритметично устройство. По-напредналите микрокомпютри могат да използват няколко микропроцесора. Производителността на тази система се определя не само от характеристиките на използвания процесор, но и от капацитета на наличната RAM памет, видовете периферни устройства, качеството на дизайнерските решения, разширяемостта и т.н. Сега те са се превърнали в инструменти за решаване на сложни проблеми . Микропроцесорите станаха по-мощни, а периферните устройства по-ефективни, така че микрокомпютрите вече изместват миникомпютрите и разликата между тях постепенно намалява. Този курс за обучение е предназначен за компютри от тази конкретна категория.

Микрокомпютрите могат да бъдат разделени на професионални и битови. Поради по-евтиния хардуер границата между тях постепенно се размива. От 1999 г. е въведен международен стандарт за сертифициране - спецификация PC99:

  • масов персонален компютър (Consumer PC) - сравнително евтини системи, които отговарят на изискванията на потребителите;
  • бизнес персонален компютър (Office PC) - разполагат с минимум графични и звукови инструменти;
  • преносим персонален компютър (Mobile PC) - характеризира се с наличието на комуникационни средства за отдалечен достъп (компютърни комуникации);
  • работна станция (Workstation) - характеризира се с повишени изисквания към устройствата за съхранение и обработка;
  • развлекателен персонален компютър (Entertainment PC) - поставете основния акцент върху мултимедията с помощта на разработени инструменти за графика и възпроизвеждане на звук.

Класификация на микрокомпютрите по предназначение или ниво на специализация.

  • многопотребителски микрокомпютри(Сървъри) са микрокомпютри, които работят в режим на споделяне на времето, което позволява на множество потребители да работят едновременно. Те се изпълняват в един малък стелаж или в настолен вариант и в повечето случаи са част от компютърна мрежа.
  • специализирани или работни станции(AWS) - представляват микрокомпютър, оборудван с всички инструменти, необходими за извършване на определен вид работа. Има инженерни, графични, компютърно проектиране, издателски (настолни издателски системи) и др.
  • вградени микрокомпютри- са изчислителни системи, създадени за решаване на специфични проблеми. Използва се за управление (например машина или набор от машинни инструменти, научно оборудване, бойна единица и т.н.) и обработване на измервания. Структурно те са направени под формата на една или няколко платки и не осигуряват широк спектър от изчислителни функции, както и стандартно взаимодействие с потребителя.

Класификация по размер. В допълнение към предназначението си, в зависимост от конструктивното им използване, микрокомпютрите се делят на стационарни и преносими.

  • Стационарни микрокомпютри. Монтира се на маса, шкаф или като малка стойка на пода.
  • Преносими микрокомпютри. Те имат относително малко тегло и размери, транспортират се от един човек и като правило нямат автономно захранване;
  • Преносими микрокомпютри със собствено захранване. Разделен на няколко категории:
  • колене(Лаптоп), направен под формата на дипломат;
  • Джоб(Джоб), който се побира в джоба ви.

Най-разпространени са настолните микрокомпютри, които позволяват лесна промяна на конфигурацията. Преносимите са лесни за използване и имат средства за компютърна комуникация. Джобните модели могат да бъдат наречени „умни“ преносими компютри, те ви позволяват да съхранявате оперативни данни и да получавате бърз достъп до тях.

Класификация по съвместимост. Има много видове компютри, които се сглобяват от части, произведени от различни производители. Важно е да се осигури компютърна съвместимост, която има няколко нива:

  • хардуерна съвместимост (IBM PC и Apple Macintosh платформа);
  • съвместимост на ниво операционна система;
  • софтуерна съвместимост;
  • съвместимост на ниво данни.

Въпроси за самоконтрол

  1. Какво се нарича компютърна технология?
    1. Какво се нарича изчислителна система?
    2. Какво е компютър?
    3. Какво е компютърна архитектура?
    4. Избройте принципите на компютърната архитектура според Нойман?
    5. Какво е скорост?
    6. Какво е производителност на компютъра?
    7. Какво е процесор?
    8. Какво е аритметична логическа единица?
    9. Какво е контролно устройство?
    10. Какво е устройство за съхранение?
    11. Какво е RAM?
    12. Какво е външно устройство за съхранение?
    13. Какво е прекъсване?
    14. Какво е система за прекъсване?
    15. Какво е обработка на прекъсвания и обработка на прекъсвания?
    16. Какво е I/O порт?
    17. Какво представляват адаптерът и контролерът?
    18. Какво е интерфейсен адаптер?
    19. Какви функции изпълнява компютърът по време на работа?
    20. Избройте функционалните подсистеми на компютъра.
    21. Какви функции изпълнява подсистемата за въвеждане на данни?
    22. Какви функции изпълнява подсистемата за извеждане на данни?
    23. Какви функции изпълнява подсистемата за преобразуване на данни?
    24. Какво е микрокомпютър?
    25. Какво е сървър?
    26. Какво е ARM?
    27. Избройте видовете съвместимост на компютърните системи?