Кодирование информации

 

Способы кодирования числовой информации, используемые в современных ЭВМ при хранении, передаче и выводе данных. При обозначении количественных характеристик объектов, явлений используются последовательности символов. Набор символов, правил счета и записи в виде последовательности символов из этого набора образуют систему счисления (СС). Набор символов СС называется алфавитом, а сами символы – цифрами. Различают позиционные (арабская, десятичная) и непозиционные (римская) СС. В первых вес цифры в записи числа зависит от её вида и позиции. Позиции в таких системах называют разрядами, которые нумеруются числами 0,1,2,…, крайняя левая позиция – старший разряд, крайняя правая – младший разряд числа. В непозиционных СС количественное значение цифры зависит только от её вида или взаимного расположения цифр. Число q равное количеству различных цифр в алфавите позиционной СС называется основанием СС (арабская q=10,~называют десятичной). В общем виде число Nв позиционной СС с основанием q и алфавитом A может быть представлено в виде:

a0,an-1,a1 - цифры алфавита А, n,n-1,m - номер разряда.

Разряды с номерами большими или равными нулю образуют целую часть числа, с номерами меньше нуля – дробную (в записи числа такие разряды отделяются точкой или запятой). Если дробная часть отсутствует, то число называют целым, в противном случае – число дробное.

В ЭВМ используется позиционная СС. Каждый разряд содержит одну из q цифр. Поэтому для представления чисел требуются устройства, имеющие q-устойчивых состояний. Наиболее просто с технической точки зрения реализуются устройства, имеющие два таких состояния (электронная схема, имеющая высокое или низкое напряжение на выходе, магнитный материал намагничен, либо размагничен и т.д.). Это и является причиной использования двоичной СС в ЭВМ. Алфавит такой системы счисления имеет две цифры (0 и 1). Кроме данной СС для ввода-вывода информации используются десятичные, восьмеричные и шестнадцатеричные СС. Запись чисел здесь значительно компактнее, но с технической точки зрения гораздо труднее создать устройство, имеющее 10 или 16 устойчивых состояний.

 

Принцип действия ЭВМ

 

Вычислительная машина – это комплекс технических и программных средств, предназначенный для автоматизированной обработки дискретных данных по заданному алгоритму.

Вычислительная система – это совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или вычислительных машин, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенных для автоматизированной обработки дискретных данных по заданному алгоритму.

ЭВМ – совокупность технических устройств, предназначенных для автоматизированной обработки дискретных сообщений по тре­буемому алгоритму.

Идея автоматизации процесса обработки данных заложена в принцип действия ЭВМ. На рис. 1 приведена структурная схема абстрактной ЭВМ. Она позволит показать состав, порядок, и прин­ципы взаимодействия основных функциональных частей ЭВМ.

Типичная фон-Неймановская ВМ содержит: память, устройство управления, арифметико-логическое устройство и устройство ввода/вывода.

 

 

 

 

                           
   
     
 
 
 
 
     
 
   
 
   

 

 


Рис 1 Структурная схема ЭВМ.

 

АЛУ и УУ образуют процессор.

 

Информация поступает из подсоединенных к ЭВМ периферийных устройств (ПУ) ввода. А результаты вычислений выводятся на периферийные устройства вывода. Связь и взаимодействие ВМ и ПУ обеспечивают порты ввода и порты вывода. Термином порт обозначают аппаратуру сопряжения ПУ с ВМ и управления им. Совокупность портов ввода и вывода называют устройством ввода/вывода.

Память. Введенная информация сначала запоминается в основной памяти, а затем переносится во вторичную память, для длительного хранения. Основная память состоит из запоминающих устройств (ЗУ) и предна­значена для хранения алгоритма обработки данных (т.е. программ) и самих данных. Она включают некоторое число L ячеек памяти, каждая из которых используется для запоминания одного n-разрядного двоичного числа. Запись и чтение данных осуществляется только при указании места их хранения.

Для долговременного хранения больших программ и массивов данных в ВМ обычно имеется дополнительная память, которая называется вторичной и является энергонезависимой.

АЛУ. Выполняет арифметические и логические операции над поступающими в него двоичными кодами команд и данных. Каждый процессор выполняет ограниченный набор команд, входящий в сис­тему команд ЭВМ. Помимо результата операции АЛУ формирует ряд признаков результата (флагов), которые характеризуют полученный результат (равенство нулю, знак, четность, переполнение и т.д.).

УУ под воздействием поступающих данных автоматически ко­ординирует работу всех устройств ЭВМ посредством своевременной выдачи на них управляющих сигналов: предписывает АЛУ выполнение конкретной операции, управляет обменом между ЗУ и процессором, работой УВВ.

Алгоритм – это конечный набор предписаний, определяющий решение задачи посредством конечного количества операций. В памяти ЭВМ он хранится в виде двоичных многоразрядных чисел – машинных кодов команд.

Программа – описание алгоритма в форме, воспринимаемой ЭВМ. Программа состоит из отдельных команд. Каждая команда предписывает определенное действие и указывает, над какими данными (операндами) это действие производится.

Перед началом решения задачи в ЗУ через УВВ записываются в кодированном виде программа и подлежащие обработке данные. В ходе вычислительного процесса при выполнении очередной команды из ЗУ считывается эта команда. По адресной части команды определяется местонахождение обрабатываемых данных, они извлекаются из ЗУ, процессор выполняет над ними указанную в коде операцию и записывает результат на хранение в ЗУ. Затем определяется местонахождение следующей команды программы и снова повторяется аналогичный цикл.

 

Под архитектурой вычислительной машины – понимается логическое построение ВМ, то есть то, какой она представляется программисту при составлении программы на уровне машинных команд.

 

 

Основные характеристики и архитектура ЭВМ

Архитектура ЭВМ – совокупность ее свойств и характеристик, рассматриваемых с точки зрения пользователя машины. Полный комплекс значимых для пользователя общих вопросов функциональной и структурной организации ЭВМ, общения с нею, организации вычислительного процесса, включая совокупность характеристик и параметров ЭВМ, влияющих на решение этих вопросов, охватывается понятием архитектуры.

Важнейшие для пользователя группы характеристик ЭВМ, определяющие её архитектуру:

- характеристики машинного языка и системы команд (количество и состав команд, их форматы, системы адресации, наличие программно-доступных регистров в процессоре и т.д.), которые определяют алгоритмические возможности процессора ЭВМ;

- технические и эксплутационные характеристики ЭВМ: производительность, показатели надежности, точности, емкость памяти, потребляемая мощность, стоимость и т.д.;

- характеристики и состав функциональных модулей базовой конфигурации ЭВМ; наличие возможности подключения дополнительных модулей (сверхоперативной памяти, канала прямого доступа к памяти и т.д.) с целью расширения базовой конфигурации или улучшения технических характеристик базовых модулей;

- состав программного обеспечения и принципы его взаимодействия с техническими средствами ЭВМ.

К ресурсам ЭВМ относятся те реальные аппаратные и программные средства (например, машинное время процессора, емкость ОЗУ, набор УВВ, программные модули), которые ЭВМ может выделить процессу обработки данных на время решения задач пользователя.

Программное и аппаратное обеспечение ЭВМ взаимосвязано и образует с точки зрения пользователя виртуальную ЭВМ, в которой отдельные ресурсы реализованы совокупностью аппаратных и программных средств.

 

 

Архитектурно-функциональные принципы построения ЭВМ

Были разработаны и опубликованы в 1946 г. венгерским математиком и физиком Джоном фон Нейманом и его коллегами Г. Гольдстайном и А. Берксом в ставшем классическом отчете «Предварительное обсуждение логического конструирования электронного вычислительного устройства».

Основные принципы построения ЭВМ.

 

1.Принцип программного управления работой ЭВМ. Все вычисления, предусмотренные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, которая состоит из последовательности управляющих слов - команд. Каждая из команд предписывает некоторую операцию из набора операций, реализуемых ВМ. Этот набор и называется системой команд.

 

2.Принцип условного перехода. Команды программы хранятся в последовательных ячейках памяти ВМ и выполняются в естественной последовательности, т.е. в порядке их положения в программе. При необходимости, с помощью специальных команд эта последовательность может быть изменена. Решение об изменении порядка выполнения команд программы может быть принято в зависимости от результатов промежуточных вычислений или безусловно. Реализация этого принципа позволяет легко осуществлять в программе циклы с автоматическим выходом из них, итерационные процессы и т.п. Благодаря принципу условного перехода, число команд в программе получается значительно меньше, чем при использовании программы за счет многократного вхождения в работу участков программы.

 

3.Принцип хранимой программы (однородности памяти). Заключается в том, что команды представляются в числовой форме и хранятся в том же ОЗУ, что и исходные данные. Команды для исполнения выбираются из ОЗУ в УУ, а числа – в АЛУ. Для ЭВМ и команда, и число являются машинным словом, и если команду направить в АЛУ в качестве операнда, то над ним можно произвести арифметические операции, изменив ее. Это открывает возможность преобразования программ в ходе их выполнения; кроме того, это обеспечивает одинаковое время выборки команд и операндов из ОЗУ для выполнения, позволяет быстро менять программы и их части, вводить непрямые системы адресации.

Примечание. Архитектура ЭВМ, в которой была предусмотрена отдельная память для команд и для данных получила название Гарвардской (эта архитектура повышает пропускную способность тракта «процессор-память»).

 

4.Принцип двоичного кодирования.

Согласно этому принципу, вся информация, как данные, так и команды, кодируются двоичными цифрами 0 и 1, что существенно упрощает техническую конструкцию ЭВМ. При этом каждый тип информации представляется двоичной последовательностью и имеет свой формат (числа, команды).

 

5.Принцип иерархичности ЗУ. Это компромисс между емкостью и временем доступа к данным для обеспечения относительной дешевизны.

 

Эти принципы фон Неймана относятся к фундаментальным положениям, определившим на многие годы развитие вычислительной техники и кибернетики.