Способы представления информации в вычислительных машинах

Основные понятия вычислительной техники и принципы построения вычислительных машин.

Вычислительные машины (ВМ) и вычислительные системы (ВС) используются для работы с информацией. Информация – сведения о событиях, процессах, объектах, являющиеся предметом восприятия, передачи, преобразования, хранения.

Предмет исследования информатики – информационные технологии, а вычислительной техники – ВМ, вычислительные комплекты (ВК), ВС, сети.

ВМ и ВС предназначены для автоматизации процессов обработки, хранения и передачи информации. ВМ относятся к сложным системам, при их описании и проектировании используются понятия и принципы, определенные в общей теории систем: система, алгоритм, функция, структура, функциональная и структурная организации.

Система – это совокупность элементов или устройств, соединенных между собой для достижения определенной цели. Среди систем выделяют сложные системы. Это качественное понятие. Перечислим основные отличительные признаки сложных систем. Большая размерность – большое число элементов: сотни, тысячи. Разнородность элементов и узлов, как следствие этого – отсутствие единого математического аппарата для описания поведения этих элементов и узлов. Многокритериальность при оптимизации выбора вариантов построения системы.

Вычислительная машина – это система, выполняющая заданную, четко определенную последовательность операций (программу) в соответствии с выбранным алгоритмом обработки информации.

Алгоритм – набор предписаний, однозначно определяющий содержание и последовательность выполнения действий для систематического решения задачи. Для алгоритма можно выделить семь характеризующих его параметров: совокупность возможных исходных данных, совокупность возможных результатов, совокупность возможных промежуточных результатов, правило начала процесса обработки данных, правило непосредственной обработки, правило окончания процесса, правило извлечения результата. Алгоритм должен обладать свойствами массовости и результативности.

Массовость – применимость для решения задачи с любым набором исходных данных из совокупности возможных, результативность – получение результата из совокупности возможных за конечное число шагов.

Для наглядного представления ВМ и ВС изображаются в виде схем, состоящих из блоков и связей между ними. Такие схемы (функциональная, структурная) представляют собой ориентированный граф, вершины которого – блоки. В функциональной схеме блоки выделяются по функциональному признаку в ходе функциональной декомпозиции. В структурной схеме блоки соответствуют конструктивным компонентам – устройствам, конструктивным узлам, интегральным схемам. В частном случае отдельные блоки функциональной и структурной схем могут совпадать. С каждым блоком связаны входы, выходы и функция.

Функция определяем алгоритм работы блока, т.е. правила получения выходных последовательностей по входным последовательностям.

Структура показывает, как устроен блок, раскрывая его в виде схемы, содержащей блоки более низкого уровня иерархии.

Структурная организация – это представление системы (блока) в виде схемы, содержащей реально реализуемые устройства, узлы, элементы.

Решению задачи на ВМ предшествуют алгоритмизация и программирование. Алгоритмизация – реализация причинно-следственных связей и других закономерностей в виде направленного процесса обработки информации по формальным правилам. Программирование – разработка программ для ВМ, реализующих заданный алгоритм. В ВМ управление процессами ввода, вывода и обработки информации осуществляется на основе программ. Программа – алгоритм, записанный в виде последовательности машинных команд – кодов, соответствующих некоторым соглашениям, принятым при разработке ВМ.

Существуют два типа ВМ: аналоговые (АВМ) и цифровые (ЦВМ). В АВМ для представления информации используются непрерывные физические величины, чаще всего напряжение. В ЦВМ информация представлена двоичными кодами. При этом каждый разряд принимает два значения из набора {0, 1}. Для представления двоичной переменной используется дискретный сигнал. ЦВМ являются более универсальным средством обработки информации и по ряду наиболее важных общетехнических показателей превосходят АВМ. Поэтому они получили более широкое распространение.

Функциональные схемы ВМ и вычислительных устройств состоят из блоков, каждый из которых является преобразователем информации. Информация на входах и выходах блоков представлена сигналами.

Сигнал – это носитель информации в виде изменяющейся во времени физической величины, обеспечивающий передачу данных. Сигнал называется дискретным, если параметр сигнала может принимать лишь конечное число значений.

В настоящее время подавляющее большинство преобразователей информации представляют собой электронные схемы, содержащие соединенные определенным образом между собой электронные ключи – вентили. Эти электронные схемы реализуются и использованием технологий современной микроэлектроники в виде ИС. ИС может содержать от нескольких единиц до нескольких миллионов вентилей. Для работы ИС к ней подводится напряжение питания. При этом сигналы в ИС представлены уровнем напряжения. Для представления сигналов приняты всего два непересекающихся уровней диапазона уровней напряжения. При напряжении питания 5 В: диапазон 0 – 0.4 В, соответствующий логическому значению сигнала «0», и диапазон 5 – 2.4 В, соответствующий значению сигнала «1».

Информацию, представленную в закодированном виде и используемую в устройствах ВМ, называют данными. Данные разбиваются на составляющие, называемые элементами данных.

Элементы данных имеют различные типы.

Примеры типов данных: целые и вещественные числа, логические (булевы) переменные. Для представления различных типов данных с использованием двоичных переменных применяют кодирование.

Код – это система условных знаков (символов) и правил их интерпретации, используемая для представления информации в виде данных.

Информация в ВМ представлена в виде кодов определенной фиксированной длины (машинных слов). Представленную таким образом информацию называют данными.