Компьютерные и сетевые технологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Лекция 1. Базовые понятия информации

Лекция 2. Компьютер - общие сведения

Лекция 3. Многоуровневая компьютерная организация

Лекция 4. Математическое обеспечение компьютеров

Лекция 5. Вычислительные системы - общие сведения

Лекция 6. Структурная организация ЭВМ - процессор

Лекция 7. Структурная организация ЭВМ - память

Лекция 8. Логическая организация памяти

Лекция 9. Методы адресации

Лекция 10. Внешняя память компьютера

Лекция 11. Основные принципы построения систем ввода/вывода

Лекция 12. Особенности архитектуры современных ВС

Лекция 13. Архитектура многопроцессорных ВС

Лекция 14. Кластерные системы

Лекция 15 Многомашинные системы - вычислительные сети

Лекция 16. Сети и сетевые операционные системы

Заключение

Список литературы



Лекция 1. Базовые понятия информации

информация компьютер математический сеть

Мы начинаем первое знакомство с величайшим достижением нашей цивилизации, стоящем в одном ряду с изобретением книгопечатания и открытием электричества - компьютером. Сначала мы вспомним базовые понятия информатики, как науки, изучающей основные аспекты получения, хранения, преобразования и передачи информации. Затем мы раскроем сущность, принцип работы компьютера как технического устройства. Затем мы изучим наиболее оптимальные способы соединений компьютерных устройств и технологий с целью получения максимальной эффективности хранения, обработки и передачи информации.

Особенностью нашего курса будет пристальное внимание к фундаментальным аспектам компьютерных и сетевых технологий. Еще одна особенность, мы будем помнить, что ПК давно перестал быть просто вычислителем. Это универсальная система обработки больших и разнородных информационных потоков. А что такое информационный поток? Или более конкретно - Что такое информация?

В сотнях книг и учебниках это понятие трактуется по-разному. А ведь все мы интуитивно понимаем, что это такое. В чем здесь дело? А дело в том, что понятие информации стоит в одном ряду с такими фундаментальными понятиями как энергия, вещество, энтропия, время. Действительно, в природе существует два фундаментальных вида взаимодействия: обмен веществом и обмен энергией (не будем вдаваться в тонкости фактической эквивалентности этих двух явлений). Фундаментальность их проявляется в том, что все остальные взаимодействия происходят только посредством этих взаимодействий. Эти два взаимодействия являются симметричными и подчиняются фундаментальному закону сохранения - сколько вещества и/или энергии один объект передал другому, столько он потерял, а другой приобрел (рассматриваются замкнутые системы, в которых потери можно охарактеризовать просто другими видами взаимодействия).

Когда в процессе взаимодействия приобретения и потери НЕ совпадают, НЕ равны - такое взаимодействие называют несимметричным. Очевидно, что в предельном случае несимметричного взаимодействия при передаче некоторой субстанции между объектами один из них ее приобретает, а другой НЕ теряет.

Исходя из этого, попробуем выделить необходимый и достаточный признак, по которому можно будет определить, относится то или иное явление к обмену веществом/энергией или к обмену информацией. В этом контексте сформулируем наиболее общее свойство информации.

Любое взаимодействие между объектами, в процессе которого один приобретает некоторую субстанцию, а другой ее не теряет называется ИНФОРМАЦИОННЫМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ. При этом передаваемая субстанция называется ИНФОРМАЦИЕЙ.

Отсюда следуют некоторые очевидные свойства информации:

если энергия определяет возможность совершения действия, то информация определяет возможность целесообразного выбора этого действия;

информация не может существовать вне взаимодействия объектов;

информация не теряется ни одним из них в процессе этого взаимодействия;

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

Впервые понятие информации ввел американский математик Клод Шеннон, рассматривая процесс передачи сообщения между двумя точками в 1948 г. как численную меру неопределенности или неупорядоченности, с которой посланное сообщение прибывает в пункт назначения. Он назвал этот параметр энтропией, применив термин из термодинамики, который там используется для оценки неупорядоченности материи и характеризует несимметричные взаимодействия. Более того, Шеннон предложил формулу, позволяющую определить количество информации, содержащееся в сообщении:

I = Log 2 P

где I - количество информации в битах или энтропия вероятности;

P - вероятность, величина неопределенности, число возможных вариантов.

Модель передачи сообщения по Шеннону

Отметим одну интересную особенность этого выражения: символ с высокой вероятностью появления кодируется несколькими битами, тогда как маловероятный символ требует многих бит. Другими словами, энтропия системы, объекта с большим числом степеней свободы очень велика, больше величина хаоса, беспорядка. Однако не всем и не сразу стала очевидной связь количества информации и энтропии, попробуем разобраться в этом.

В работах Планка, а главным образом Больцмана понятие энтропии трактовалась, как мера неумолимой тенденции всякой системы двигаться от менее вероятного состояния к более вероятному состоянию. Наиболее вероятным состоянием системы является РАВНОВЕСНОЕ состояние, а любая система движется к состоянию равновесия. Содержание второго постулата (принципа) термодинамики формулирует этот закон более строго - энтропия замкнутой системы не убывает (растет для необратимых процессов и остается постоянной для обратимых:

Hs = k Ln Wt

где k - постоянная Больцмана;

Wt - термодинамическая вероятность состояния системы.

Сравним это выражение с определением количества информации данное Шенноном. Очевидно сходство обоих выражений и это сходство носит фундаментальный характер. Как мы уже говорили, энтропия является функцией статистического состояния системы (мерой ее неупорядоченности, хаоса). Пусть имеется некоторая система, энтропия которой равна Н нач. После получения некоторой информации (либо о состоянии объекта, либо о взаимодействии с внешней средой) энтропия должна уменьшаться (растет порядок, уменьшается хаос). В широком смысле можно сказать, что информация, принимаемая объектом, необходимо является для него целесообразной, в противном случае это - дезинформация. Следовательно, количество полученной информации можно определить следующим образом:

I = Н нач - Н кон

Количество получаемой объектом информации численно равно неопределенности по выбору действий ведущих к достижению целей объекта или энтропии устраненной благодаря сообщению. Очевидно, что в данном случае речь идет о синтаксической мере информации. Информация устраняет неопределенность, структурирует систему.

Пример:

Примитивные формы информационного взаимодействия в чистом виде можно выделить уже в неживой природе. Действительно, каталическое взаимодействие. Объект, называемый катализатором изменяет скорость протекания химической реакции между группой других объектов, сам катализатор остается неизменным по всем своим свойствам. Ярчайшим примером информационного взаимодействия в ходе которого уменьшается энтропия всей системы, а химические, физические свойства катализатора остаются неизменными - является реакция кристаллизации насыщенного солевого раствора в присутствии кристаллической «затравки».

Обратите внимание на еще одно немаловажное свойство информации - изменение возможно и без получения информации, но при этом оно будет менее вероятным.

Информация, энтропия и избыточность при передаче данных

Связь количества информации и энтропии сообщения, введенные К. Шенноном, имеет большой практический интерес. Если мы рассматриваем информацию как числовой параметр, выражающий энтропию некоторого сообщения или результатов проводимого эксперимента то, очевидно, мы можем рассматривать энтропию как меру вероятности, случайности. Тогда, необходимое количество битов для кодировки одного символа (энтропия), например, английского алфавита, содержащего 26 букв и знак пропуска, равна log2 27 = 4,76 бита на символ. Учтем неравномерность использования букв английского алфавита (вероятность встретить букву “e” в 12 раз выше, чем букву “s”, учтем вероятность следования определенных сочетаний), получим:

H= - (P1log2P1 + P2 log2P2 +……+P26log2 P26)

Это значение средней длины кода называется энтропией распределения вероятности, т.к. это мера количества порядка (или беспорядка) в кодах, представляющих символ языка. Вычисленное Шенноном значение энтропии алфавита английского языка равно 3,3 бита на символ. Другими словами избыточность английского языка равна 70% (сравнение с 4,76 битов на символ). Отсюда можно сделать интересные практические выводы:

если в английском тексте каждая вторая буква потеряна или изменена в результате помех, ничего страшного, есть возможность полного восстановления текста;

нет необходимости использовать 8 бит кода ASCII для передачи каждого символа, поэтому можно применить один или несколько алгоритмов компрессии, тем самым временно уменьшая избыточность.

Вообще говоря, тема компрессии (сжатии) данных чрезвычайно важна при передаче цифровых сообщений и здесь расчет энтропии играет ключевую роль. Все современные модемы, аппаратура связи для IP-телефонии и многое другое имеют встроенные механизмы компрессии данных.

Тема эта чрезвычайно интересна, но нам пора приступить к рассмотрению тех прикладных свойств информации, которые являются абсолютно необходимыми в изучении компьютера и компьютерных технологий.

Информационные процессы

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

Восприятие информации приемником - преобразователем осуществляется при помощи сигналов. Сигналы имеют различную физическую природу и являются продуктами энергообмена, имеющие в своей основе материальную природу. Технические средства, преобразующие сигналы в форму, удобную для восприятия (человеком, техническим средством) называются первичными преобразователями информации или датчиками.

Данные - это зарегистрированные сигналы. Данные, несоответствующие ни каким целям объекта, не несут для него информацию и, поэтому, пропадают, возвращая объект в то состояние, в котором он был до получения этих данных.

Данные, зафиксированные в некоторой материальной форме, способные сохраняться и передаваться уже представляют собой скрытую, зашифрованную информацию и называются сообщением. Для того, что бы из данных получить информацию надо иметь алгоритм преобразования или механизм интерпретации информационных кодов. Материальная среда, определяющая взаимодействие между источником и приемником сообщения, называется каналом связи.

Данные не тождественны информации.

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

302 65 21; 145 44 75; 194 05 67 и т.д.

Непосвященный человек воспримет эти цифры как данные ему ни о чем не говорящие. Если теперь подписать рядом с числами название и имена абонентов - это уже данные, с которыми можно работать, использовать - т.е. ИНФОРМАЦИЯ. Для получения информации необходим алгоритм обработки данных, механизм интерпретации данных. Прежде чем данные обрабатывать их нужно отформатировать или, лучше сказать, структурировать.

Основные структуры данных

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

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

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

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

Обработка данных

Обработка данных или преобразование данных включает следующие операции:

сбор данных;

формализация данных, приведение к единому формату;

фильтрация данных, уменьшение уровня «шума»;

сортировка данных, повышение доступности информации;

архивация данных, организация хранения;

защита данных;

транспортировка данных;

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

Способы представления информации и два класса ЭВМ

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

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

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

Кодирование информации

Кодирование информации - это процесс формирования определенного представления информации. В более узком смысле под термином "кодирование" часто понимают переход от одной формы представления информации к другой, более удобной для хранения, передачи или обработки. Компьютер может обрабатывать только информацию, представленную в числовой форме. Вся другая информация (например, звуки, изображения, показания приборов и т. д.) для обработки на компьютере должна быть преобразована в числовую форму. Например, чтобы перевести в числовую форму музыкальный звук, можно через небольшие промежутки времени измерять интенсивность звука на определенных частотах, представляя результаты каждого измерения в числовой форме. С помощью программ для компьютера можно выполнить преобразования полученной информации, например "наложить" друг на друга звуки от разных источников. Аналогичным образом на компьютере можно обрабатывать текстовую информацию. При вводе в компьютер каждая буква кодируется определенным числом, а при выводе на внешние устройства (экран или печать) для восприятия человеком по этим числам строятся изображения букв. Соответствие между набором букв и числами называется кодировкой символов.

Как правило, все числа в компьютере представляются с помощью нулей и единиц (а не десяти цифр, как это привычно для людей). Иными словами, компьютеры обычно работают в двоичной системе счисления, поскольку при этом устройства для их обработки получаются значительно более простыми. Ввод чисел в компьютер и вывод их для чтения человеком может осуществляться в привычной десятичной форме, а все необходимые преобразования выполняют программы, работающие на компьютере.

Представление данных в ЭВМ.

За основу представления данных в ЭВМ, как правило, принята двоичная система счисления. Как и десятичная система счисления, двоичная система (в которой используются лишь цифры 0 или 1) является позиционной системой счисления, т.е. в ней значение каждой цифры числа зависит от положения (позиции) этой цифры в записи числа. Каждой позиции присваивается определенный вес.

В компьютерной технике широкое распространение получили также следующие позиционные системы счисления: восьмеричная, шестнадцатеричная и двоично-десятичная система.

(В двух словах - 16- ная система - это простое решение сложной проблемы - точное представление данных в ЭВМ, 16 -ная система счисления - это краткая нотация двоичной системы).

Форматы файлов

Основное назначение файлов - хранить информацию. Они также предназначены для передачи данных от программы к программе и от системы к системе. Другими словами, файл - это хранилище стабильных и мобильных данных. Но, файл - это нечто большее, чем просто хранилище данных. Обычно файл имеет имя, атрибуты, время модификации и время создания. Понятие файла менялось с течением времени. Операционные системы первых больших ЭВМ представляли файл, как хранилище для базы данных и, поэтому файл являлся набором записей. Обычно все записи в файле были одного размера, часто по 80 символов каждая. При этом много времени уходило на поиск и запись данных в большой файл. В конце 60-х годов наметилась тенденция к упрощению операционных систем, что позволило использовать их на менее мощных компьютерах. Это нашло свое отражение и в развитии операционной системы Unix. В Unix под файлом понималась последовательность байтов. Стало легче хранить данные на диске, так как не надо было запоминать размер записи. Unix оказал очень большое влияние на другие операционные системы персональных компьютеров. Почти все они поддерживают идею Unix о том, что файл - это просто последовательность байтов. Файлы, представляющие собой поток данных, стали использоваться при обмене информацией между компьютерными системами. Если используется более сложная структура файла (как в операционных системах OS/2 и Macintosh), она всегда может быть преобразована в поток байтов, передана и на другом конце канала связи воссоздана в исходном виде.

Итак, мы можем считать, что файл - это поименованная последовательность байтов.

Файловая структура представляет собой систему хранения файлов на запоминающем устройстве, например, диске. Файлы организованы в каталоги (иногда называемые директориями или папками). Любой каталог может содержать произвольное число подкаталогов, в каждом из которых могут храниться файлы и другие каталоги. Способ, которым данные организованы в байты, называется форматом файла. Для того чтобы прочесть файл, например, электронной таблицы, необходимо знать, каким образом байты представляют числа (формулы, текст) в каждой ячейке; чтобы прочесть файл текстового редактора, надо знать, какие байты представляют символы, а какие шрифты или поля, а также другую информацию. Программы могут хранить данные в файле таким способом, какой выберет программист. Зачастую предполагается, однако, что файлы будут использоваться различными программами. По этой причине многие прикладные программы поддерживают некоторые наиболее распространенные форматы, так что другие программы могут понять данные в файле. Компании по производству программного обеспечения (которые хотят, чтобы их программы стали "стандартами"), часто публикуют информацию относительно форматов, которые они создали, чтобы их можно было бы использовать в других приложениях. Все файлы условно можно разделить на две части - текстовые и двоичные.

Текстовые файлы - наиболее распространенный тип данных во всем компьютерном мире. Для хранения каждого символа чаще всего отводится один байт, а кодирование текстовых файлов выполняют с помощью специальных таблиц, в которых каждому символу соответствует определенное число, не превышающее 255. Файл, для кодировки которого используется только 127 первых чисел, называется ASCII-файлом (сокращение от American Standard Code for Information Interchange - американский стандартный код для обмена информацией), но в таком файле не могут быть представлены буквы, отличные от латиницы (в том числе и русские). Большинство национальных алфавитов можно закодировать с помощью восьмибитной таблицы. Для русского языка наиболее популярны на данный момент три кодировки: Koi8-R, Windows-1251 и, так называемая, альтернативная (alt) кодировка. Подробнее о кодировании русского текста рассказано в главе "Обработка документов". Такие языки, как китайский, содержат значительно больше 256 символов, поэтому для кодирования каждого из них используют несколько байтов. Для экономии места зачастую применяется следующий прием: некоторые символы кодируются с помощью одного байта, в то время как для других используются два или более байтов. Одной из попыток обобщения такого подхода является стандарт Unicode, в котором для кодирования символов используется диапазон чисел от нуля до 65 536. Такой широкий диапазон позволяет представлять в численном виде символы языка людей из любого уголка планеты. Но чисто текстовые файлы встречаются все реже. Люди хотят, чтобы документы содержали рисунки и диаграммы и использовали различные шрифты. В результате появляются форматы, представляющие собой различные комбинации текстовых, графических и других форм данных.

Двоичные файлы, в отличие от текстовых, не так просто просмотреть и в них, обычно, нет знакомых нам слов - лишь множество непонятных символов. Эти файлы не предназначены непосредственно для чтения человеком. Примерами двоичных файлов являются исполняемые программы и файлы с графическими изображениями.

Кодирование чисел

Существуют два основных формата представления чисел в памяти компьютера. Один из них используется для кодирования целых чисел, второй (так называемое представление числа в формате с плавающей точкой) используется для задания некоторого подмножества действительных чисел. Множество целых чисел, представимых в памяти ЭВМ, ограничено. Диапазон значений зависит от размера области памяти, используемой для размещения чисел. В k-разрядной ячейке может храниться 2k различных значений целых чисел. Чтобы получить внутреннее представление целого положительного числа N, хранящегося в k-разрядном машинном слове, необходимо:

перевести число N в двоичную систему счисления;

полученный результат дополнить слева незначащими нулями до k разрядов.

Пример. Получить внутреннее представление целого числа 1607 в 2-х байтовой ячейке.

Переведем число в двоичную систему: 160710 = 110010001112. Внутреннее представление этого числа в ячейке будет следующим: 0000 0110 0100 0111.

Для записи внутреннего представления целого отрицательного числа (-N) необходимо:

получить внутреннее представление положительного числа N;

обратный код этого числа заменой 0 на 1 и 1 на 0;

полученному числу прибавить 1.

Пример. Получим внутреннее представление целого отрицательного числа -1607. Воспользуемся результатом предыдущего примера и запишем внутреннее представление положительного числа 1607: 0000 0110 0100 0111. Инвертированием получим обратный код: 1111 1001 1011 1000. Добавим единицу: 1111 1001 1011 1001 - это и есть внутреннее двоичное представление числа -1607.

Формат с плавающей точкой использует представление вещественного числа R в виде произведения мантиссы m на основание системы счисления n в некоторой целой степени p, которую называют порядком: R = m * n p.

Представление числа в форме с плавающей точкой неоднозначно. Например, справедливы следующие равенства:

12.345 = 0.0012345 x 104 = 1234.5 x 10-2 = 0.12345 x 102

Чаще всего в ЭВМ используют нормализованное представление числа в форме с плавающей точкой. Мантисса в таком представлении должна удовлетворять условию: 0.1p <= m < 1p. Иначе говоря, мантисса меньше 1 и первая значащая цифра - не ноль (p - основание системы счисления).

В памяти компьютера мантисса представляется как целое число, содержащее только значащие цифры (0 целых и запятая не хранятся), так для числа 12.345 в ячейке памяти, отведенной для хранения мантиссы, будет сохранено число 12345. Для однозначного восстановления исходного числа остается сохранить только его порядок, в данном примере - это 2.

Кодирование текста

Множество символов, используемых при записи текста, называется алфавитом. Количество символов в алфавите называется его мощностью.

Для представления текстовой информации в компьютере чаще всего используется алфавит мощностью 256 символов. Один символ из такого алфавита несет 8 бит информации, т. к. 28 = 256. Но 8 бит составляют один байт, следовательно, двоичный код каждого символа занимает 1 байт памяти ЭВМ.

Все символы такого алфавита пронумерованы от 0 до 255, а каждому номеру соответствует 8-разрядный двоичный код от 00000000 до 11111111. Этот код является порядковым номером символа в двоичной системе счисления.

Для разных типов ЭВМ и операционных систем используются различные таблицы кодировки, отличающиеся порядком размещения символов алфавита в кодовой таблице. Международным стандартом на персональных компьютерах является уже упоминавшаяся таблица кодировки ASCII.

Принцип последовательного кодирования алфавита заключается в том, что в кодовой таблице ASCII латинские буквы (прописные и строчные) располагаются в алфавитном порядке. Расположение цифр также упорядочено по возрастанию значений.

Стандартными в этой таблице являются только первые 128 символов, т. е. символы с номерами от нуля (двоичный код 00000000) до 127 (01111111). Сюда входят буквы латинского алфавита, цифры, знаки препинания, скобки и некоторые другие символы. Остальные 128 кодов, начиная со 128 (двоичный код 10000000) и кончая 255 (11111111), используются для кодировки букв национальных алфавитов, символов псевдографики и научных символов. О кодировании символов русского алфавита рассказывается в главе "Обработка документов".

Кодирование графической информации

В видеопамяти находится двоичная информация об изображении, выводимом на экран. Почти все создаваемые, обрабатываемые или просматриваемые с помощью компьютера изображения можно разделить на две большие части - растровую и векторную графику.

Растровые изображения представляют собой однослойную сетку точек, называемых пикселами (pixel, от англ. picture element). Код пиксела содержит информацию о его цвете. Для черно-белого изображения (без полутонов) пиксел может принимать только два значения: белый и черный (светится - не светится), а для его кодирования достаточно одного бита памяти: 1 - белый, 0 - черный. Пиксел на цветном дисплее может иметь различную окраску, поэтому одного бита на пиксел недостаточно. Для кодирования 4-цветного изображения требуются два бита на пиксел, поскольку два бита могут принимать 4 различных состояния. Может использоваться, например, такой вариант кодировки цветов: 00 - черный, 10 - зеленый, 01 - красный, 11 - коричневый.

На RGB-мониторах все разнообразие цветов получается сочетанием базовых цветов - красного (Red), зеленого (Green), синего (Blue), из которых можно получить 8 основных комбинаций:

R	G	B	цвет
0	0	0	черный
0	0	1	синий
0	1	0	зеленый
0	1	1	голубой
R	G	B	цвет
1	0	0	красный
1	0	1	розовый
1	1	0	коричневый
1	1	1	белый

Разумеется, если иметь возможность управлять интенсивностью (яркостью) свечения базовых цветов, то количество различных вариантов их сочетаний, порождающих разнообразные оттенки, увеличивается. Количество различных цветов - К и количество битов для их кодировки - N связаны между собой простой формулой: 2N = К.

В противоположность растровой графике векторное изображение многослойно. Каждый элемент векторного изображения - линия, прямоугольник, окружность или фрагмент текста - располагается в своем собственном слое, пикселы которого устанавливаются независимо от других слоев. Каждый элемент векторного изображения является объектом, который описывается с помощью специального языка (математических уравнения линий, дуг, окружностей и т. д.). Сложные объекты (ломаные линии, различные геометрические фигуры) представляются в виде совокупности элементарных графических объектов.

Объекты векторного изображения, в отличии от растровой графики, могут изменять свои размеры без потери качества (при увеличении растрового изображения увеличивается зернистость). Подробнее о графических форматах рассказывается в разделе "Графика на компьютере".

Кодирование звука

Из курса физики вам известно, что звук - это колебания воздуха. Если преобразовать звук в электрический сигнал (например, с помощью микрофона), мы увидим плавно изменяющееся с течением времени напряжение. Для компьютерной обработки такой - аналоговый - сигнал нужно каким-то образом преобразовать в последовательность двоичных чисел.

Поступим следующим образом. Будем измерять напряжение через равные промежутки времени и записывать полученные значения в память компьютера. Этот процесс называется дискретизацией (или оцифровкой), а устройство, выполняющее его - аналого-цифровым преобразователем (АЦП).

Для того чтобы воспроизвести закодированный таким образом звук, нужно выполнить обратное преобразование (для него служит цифро-аналоговый преобразователь - ЦАП), а затем сгладить получившийся ступенчатый сигнал.

Чем выше частота дискретизации (т. е. количество отсчетов за секунду) и чем больше разрядов отводится для каждого отсчета, тем точнее будет представлен звук. Но при этом увеличивается и размер звукового файла. Поэтому в зависимости от характера звука, требований, предъявляемых к его качеству и объему занимаемой памяти, выбирают некоторые компромиссные значения.

Описанный способ кодирования звуковой информации достаточно универсален, он позволяет представить любой звук и преобразовывать его самыми разными способами. Но бывают случаи, когда выгодней действовать по-иному.

Человек издавна использует довольно компактный способ представления музыки - нотную запись. В ней специальными символами указывается, какой высоты звук, на каком инструменте и как сыграть. Фактически, ее можно считать алгоритмом для музыканта, записанным на особом формальном языке. В 1983 г. ведущие производители компьютеров и музыкальных синтезаторов разработали стандарт, определивший такую систему кодов. Он получил название MIDI.

Конечно, такая система кодирования позволяет записать далеко не всякий звук, она годится только для инструментальной музыки. Но есть у нее и неоспоримые преимущества: чрезвычайно компактная запись, естественность для музыканта (практически любой MIDI-редактор позволяет работать с музыкой в виде обычных нот), легкость замены инструментов, изменения темпа и тональности мелодии.

Заметим, что существуют и другие, чисто компьютерные, форматы записи музыки. Среди них следует отметить формат MP3, позволяющий с очень большим качеством и степенью сжатия кодировать музыку. При этом вместо 18-20 музыкальных композиций на стандартный компакт-диск (CDROM) помещается около 200. Одна песня занимает примерно 3,5 Mb, что позволяет пользователям сети Интернет легко обмениваться музыкальными композициями.

Типы данных

Основными типами данных в вычислительной технике являются: бит, байт и слово. Компьютеры работают в основном с байтами, которые являются основной операционной единицей компьютерных данных. Машинное слово (слово) технический термин, означающий 16 бит или 2 байта одновременно. Двойное слово - 4 байта, расширенное слово - 8 байт.

Для представления данных существует три основных формата:

двоичный с фиксированной запятой;

двоичный с плавающей запятой;

двоично-кодированный десятичный (BCD).

Если надо закодировать целое число со знаком, то старший бит регистра (ячейки памяти) используется для хранения знака (0 при положительном знаке числа и 1 при отрицательном) - формат с фиксированной запятой.

Исходные возможности компьютера позволяют ему работать только с целыми числами, к тому же не самыми большими. Даже в случае 2х байтового слова, мы можем записать максимальное число 65536, учитывая необходимость отображения, как положительных чисел, так и отрицательных получаем только половину всех числовых значений. Способы представления чисел и программное обеспечение позволяют значительно расширить возможности компьютера. Для кодирования действительных чисел используют 80-разрядное кодирование. При этом число предварительно преобразуется в нормализованную форму:

3,1415926 = 0,31415926 * 101

500 000 = 0,5 * 106

123 456 789 = 0,1 * 1010

Первая часть числа называется мантиссой - М, а вторая - порядком q

Для того чтобы оперировать дробными числами или числами очень большой длины, используется понятие плавающей запятой. Плавающая запятая действует по принципу экспоненциального формата - числа вида -+M *q+p

Необходимо отметить что, вычисления с целыми числами выполняются очень быстро, в то время как вычисления с плавающей запятой в сотни раз медленнее.

Для реализации скоростных вычислений с плавающей запятой применяются числовые сопроцессоры (FPU - floating point unit). Данные в нем хранятся в 80-ти разрядных регистрах.

В двоично-кодированном десятичном формате каждая десятичная цифра представляется в виде 4-х битного двоичного эквивалента. Существует две основные разновидности этого формата: упакованный и неупакованный. В упакованном BCD-формате цепочка десятичных цифр хранится в виде последовательности 4-х битовых групп. В неупакованном формате каждая десятичная цифра находится в младшей тетраде байта, а содержимое старшей тетрады определяется используемой ЭВМ конкретной системой кодирования, и в данном случае несущественно.

Аналогичным образом (в виде двоичных чисел) кодируются команды - инструкции на выполнение каких-либо операций со словами данных. Например, трехадресная команда в двухбайтовом формате будет выглядеть следующим образом:

Кроме этого, данные бывают в виде строк - непрерывная последовательность бит или байт, символьные данные, поддерживаемые кодом ASCII и данные типа указатель. Более подробно мы с ними познакомимся после изучения архитектуры компьютера.

Выводы

Знание основных принципов работы компьютера необходимы тем инженерам, которые связали свою карьеру с компьютерными технологиями и телекоммуникационными сетями.

Несмотря на огромный прогресс компьютерных технологий, фундаментальные принципы функционирования компьютера как инструмента для хранения, обработки и передачи информации не изменились.

Информация не может существовать вне взаимодействия объектов и она не теряется ни одним из них в процессе взаимодействия.

Информация устраняет неопределенность, уменьшает хаос и энтропию системы.

Все процессы в природе сопровождаются сигналами. Зарегистрированные сигналы образуют данные. Отформатированные данные - сообщения преобразуются, транспортируются и потребляются с помощью методов. При взаимодействии данных и адекватных им методов образуется информация. Информация - это динамический объект, образующийся в ходе информационного процесса. Информационный процесс состоит из: сбора, хранения, обработки и передачи информации. Для удобства работы с данными их структурируют.

Существуют следующие важнейшие структуры: линейная, табличная и иерархическая. В ЭВМ применяется универсальная система кодирования, называемая двоичным кодом. Элементарной единицей представления данных называется - бит, далее идут байт, слово, двойное слово.

Вопросы и задания

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

Являются ли данные товаром? Могут ли методы быть товаром?

Определите в каком из сообщений содержится больше информации:

Собака укусила мальчика;

Мальчик укусил собаку.

Что происходит с информацией по окончании информационного процесса?

Перечислите основные составляющие информационного процесса.

Что такое позиционная система счисления? Дайте примеры таких систем.

Какое число является основанием десятичной, двоичной системы счисления?

Перевести число из одной системы счисления в другую:

210 = Х2, 10112 = Х10, 1610 = Х2, 1011,12 =Х10

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

Другим примером может служить семейство ЭВМ, разработанное под руководством Израиля Яковлевича Акушского (1911-1992). Для ускорения ряда арифметических операций он предложил использовать не позиционную (традиционную двоичную, или троичную, как у Брусенцова), а оригинальную систему вычислений в остаточных классах (СОК). Работы над ЭВМ в СОК начались в 1957 году в СКБ-245, затем продолжались в других организациях. В то время, когда скорость традиционных ЭВМ измерялась десятками тысяч оп./с, быстродействие ЭВМ в СОК на определенном классе задач достигало миллиона оп./с. Машины Акушского успешно использовались в интересах ПВО страны.

Лекция 2. Компьютер - общие сведения

Компьютер, по существу, устройство способное исполнять четко определенную последовательность операций, предписанную программой. Очень грубо, все многообразие компьютеров можно разделить на три основных класса: персональные системы (от настольных, до карманных), мейнфреймы и сервера на их основе и суперкомпьютеры. Мы начнем изучение этой области знания со структуры персонального компьютера. ПК характерен тем, что им может пользоваться один человек, не обладающий высокой квалификацией. На основе персональных компьютеров можно строить самые сложные контрольно-измерительные, управляющие, вычислительные и информационные системы. Имеющиеся в персональном компьютере аппаратные и программные средства делают его универсальным инструментом для самых разных задач. В случае вычислительных и информационных систем персональный компьютер не нуждается в подключении нестандартной аппаратуры, все сводится к подбору или написанию необходимого программного обеспечения. В случае же контрольно-измерительных и управляющих систем персональный компьютер оснащается набором инструментов для сопряжения с внешними устройствами и соответствующими программными средствами. Во многих случаях строить систему на основе персонального компьютера оказывается гораздо проще, быстрее и даже дешевле, чем проектировать ее с нуля на базе какого-то микропроцессора, микропроцессорного комплекта или микроконтроллера.

Конечно, в большинстве случаев система на основе персонального компьютера оказывается сильно избыточной, это плата за универсальность. Но в то же время один и тот же компьютер может решать самые разнообразные задачи. Например, в системе управления технологическими процессами или научными установками он может математически моделировать происходящие процессы, выдавать в реальном времени управляющие сигналы, принимать в реальном времени ответные сигналы, накапливать информацию, обрабатывать ее, обмениваться информацией с другими компьютерами и т.д. Развитый интерфейс пользователя (видеомонитор, полноразмерная клавиатура, мышь) делают работу с персональным компьютером комфортной и эффективной. А стоимость персональных компьютеров вследствие большого объема выпуска постоянно снижается. Поэтому их использование не только удобно, но и экономически выгодно.

Материнская плата

Основные электронные компоненты, определяющие структуру компьютера, размещаются на основной плате компьютера, которая называется системной или материнской (Mother Board). А контроллеры и адаптеры дополнительных устройств, либо сами эти устройства, выполняются в виде плат расширения (Dаughter Board -- дочерняя плата) и подключаются к шине с помощью разъёмов расширения, называемых также слотами расширения (англ. slot -- щель, паз).

Функции основных узлов компьютера следующие:

Центральный процессор (ЦПУ) -- это микропроцессор со всеми необходимыми вспомогательными микросхемами, включая внешнюю кэш-память и контроллер системной шины. (О кэш-памяти подробнее будет рассказано в следующих разделах). В большинстве случаев именно центральный процессор осуществляет обмен по системной шине.

Оперативная память (ОП) может занимать почти все адресуемое пространство памяти процессора. Однако чаще всего ее объем гораздо меньше. В современных персональных компьютерах стандартный объем системной памяти составляет, как правило, от 512 до 1 Гбайт. Оперативная память компьютера выполняется на микросхемах динамической памяти и поэтому требует регенерации.

Постоянная память (ПП) (ROM - BIOS Base Input/Output System) имеет небольшой объем (до 64 Кбайт), содержит программу начального запуска, описание конфигурации системы, а также драйверы (программы нижнего уровня) для взаимодействия с системными устройствами.

Внешняя память организуется, как правило, на магнитных и оптических дисках, магнитных лентах. Объем, по существу, не ограничен.

Контроллер прерываний преобразует аппаратные прерывания системной магистрали в аппаратные прерывания процессора и задает адреса векторов прерывания. Все режимы функционирования контроллера прерываний задаются программно процессором перед началом работы.

Контроллер прямого доступа к памяти принимает запрос на ПДП из системной магистрали, передает его процессору, а после предоставления процессором магистрали производит пересылку данных между памятью и устройством ввода/вывода. Все режимы функционирования контроллера ПДП задаются программно процессором перед началом работы. Использование встроенных в компьютер контроллеров прерываний и ПДП позволяет существенно упростить аппаратуру применяемых плат расширения.

Контроллер регенерации осуществляет периодическое обновление информации в динамической оперативной памяти путем проведения по шине специальных циклов регенерации.

Часы реального времени и таймер-счетчик -- это устройства для внутреннего контроля времени и даты, а также для программной выдержки временных интервалов, программного задания частоты и синхронизации всех процессов.

Системные устройства ввода/вывода -- это те устройства, которые необходимы для работы компьютера и взаимодействия со стандартными внешними устройствами по параллельному и последовательному интерфейсам. Они могут быть выполнены на материнской плате, а могут располагаться на платах расширения.

Платы расширения устанавливаются в слоты (разъемы) системной магистрали и могут содержать оперативную память и устройства ввода/вывода. Они могут обмениваться данными с другими устройствами на шине в режиме программного обмена, в режиме прерываний и в режиме ПДП. Предусмотрена также возможность захвата шины, то есть полного отключения от шины всех системных устройств на некоторое время.

Важная особенность подобной архитектуры -- ее открытость, то есть возможность включения в компьютер дополнительных устройств, причем как системных устройств, так и разнообразных плат расширения. Открытость предполагает также возможность простого встраивания программ пользователя на любом уровне программного обеспечения компьютера. Первый компьютер семейства, получивший широкое распространение, IBM PC XT, был выполнен на базе оригинальной системной магистрали PC XT-Bus. В дальнейшем (начиная с IBM PC AT) она была доработана до магистрали, ставшей стандартной и получившей название ISA (Industry Standard Architecture). До недавнего времени ISA оставалась основой компьютера. Однако, начиная с появления процессоров i486 (в 1989 году), она перестала удовлетворять требованиям производительности, и ее стали дублировать более быстрыми шинами: VLB (VESA Local Bus) и PCI (Peripheral Component Interconnect bus) или заменять совместимой с ISA магистралью EISA (Enhanced ISA). Постепенно шина параллельная PCI вытеснила конкурентов и стала фактическим стандартом, однако сегодня господствует тенденция перехода от параллельных к последовательным способам передачи данных. Так интерфейс жесткого диска эволюционировал от параллельных IDE, EIDE, SCASI к последовательному интерфейсу Serial ATA с 4рех жильным кабелем, т.е. от пропускной способности 33 Мбит/с к 600 Мбит/с. Знаменитая PCI эволюционировала в последовательную PCI Express с ее рекордной скоростью на уровне 5 Гбит/с в полнодуплексном режиме. При этом в архитектуре компьютера появились чисто сетевые компоненты - мосты, коммутаторы и маршрутизаторы, что нашло свое отражение в конструкции чипсетов.

Интерфейсные шины

Другое направление совершенствования архитектуры персонального компьютера связано с максимальным ускорением обмена информацией с системной памятью. Именно из системной памяти компьютер читает все исполняемые команды, и в системной же памяти он хранит данные. То есть больше всего обращений процессор совершает именно к памяти. Ускорение обмена с памятью приводит к существенному ускорению работы всей системы в целом. Но при использовании для обмена с памятью системной магистрали приходится учитывать скоростные ограничения магистрали. Системная магистраль должна обеспечивать сопряжение с большим числом устройств, поэтому она должна иметь довольно большую протяженность; она требует применения входных и выходных буферов для согласования с линиями магистрали. Циклы обмена по системной магистрали сложны, и ускорять их нельзя. В результате существенного ускорения обмена процессора с памятью по магистрали добиться невозможно.

Разработчиками был предложен следующий подход. Системная память подключается не к системной магистрали, а к специальной высокоскоростной шине, находящейся «ближе» к процессору, не требующей сложных буферов и больших расстояний. В таком случае обмен с памятью идет с максимально возможной для данного процессора скоростью, и системная магистраль не замедляет его. Особенно актуальным это становится с ростом быстродействия процессора (сейчас тактовые частоты процессоров персональных компьютеров достигают 1--3 ГГц).

Таким образом, структура персонального компьютера из одношинной, применявшейся только в первых компьютерах, становится трехшинной.

Рис. 2.2. Организация связей в случае трехшинной структуры.

Назначение шин следующее:

к локальной шине подключаются центральный процессор и кэш-память (быстрая буферная память);

к шине памяти подключается оперативная и постоянная память компьютера, а также контроллер системной шины;

к системной шине (магистрали) подключаются все остальные устройства компьютера.

Все три шины имеют адресные линии, линии данных и управляющие сигналы. Но состав и назначение линий этих шин не совпадают между собой, хотя они и выполняют одинаковые функции. С точки зрения процессора, системная шина (магистраль) в системе всего одна, по ней он получает данные и команды и передает данные как в память, так и в устройства ввода/вывода. Временные задержки между системной памятью и процессором в данном случае минимальны, так как локальная шина и шина памяти соединены только простейшими быстродействующими буферами. Еще меньше задержки между процессором и кэш-памятью, подключаемой непосредственно к локальной шине процессора и служащей для ускорения обмена процессора с системной памятью. Как правило, в компьютере применяются две и более системные шины, например, EISA, PCI и PCI Express. Каждая из них имеет свой собственный контроллер, и работают они параллельно. В этом случае получается многошинная структура компьютера, но на этом мы остановимся в лекции посвященной интерфейсам компьютера.

Основные внешние устройства компьютера

Клавиатура служит для ввода информации в компьютер и подачи управляющих сигналов. Она содержит стандартный набор алфавитно-цифровых клавиш и некоторые дополнительные клавиши -- управляющие и функциональные, клавиши управления курсором, а также малую цифровую клавиатуру.

Видеосистема компьютера состоит из трех компонент:

- монитор (называемый также дисплеем);

- видеоадаптер;

- программное обеспечение (драйверы видеосистемы).

Видеоадаптер посылает в монитор сигналы управления яркостью лучей и синхросигналы строчной и кадровой развёрток. Монитор преобразует эти сигналы в зрительные образы. А программные средства обрабатывают видеоизображения -- выполняют кодирование и декодирование сигналов, координатные преобразования, сжатие изображений и др.

Подавляющее большинство мониторов сконструированы на базе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), и принцип их работы аналогичен принципу работы телевизора. Мониторы бывают алфавитно-цифровые и графические, монохромные и цветного изображения. Современные компьютеры комплектуются, как правило, цветными графическими мониторами.

Наряду с традиционными ЭЛТ-мониторами все шире используются плоские жидкокристаллические (ЖК) мониторы.

Жидкие кристаллы -- это особое состояние некоторых органических веществ, в котором они обладают текучестью и свойством образовывать пространственные структуры, подобные кристаллическим. Жидкие кристаллы могут изменять свою структуру и светооптические свойства под действием электрического напряжения. Меняя с помощью электрического поля ориентацию групп кристаллов и используя введённые в жидкокристаллический раствор вещества, способные излучать свет под воздействием электрического поля, можно создать высококачественные изображения, передающие более 15 миллионов цветовых оттенков.

Большинство ЖК-мониторов использует тонкую плёнку из жидких кристаллов, помещённую между двумя стеклянными пластинами. Заряды передаются через так называемую пассивную матрицу -- сетку невидимых нитей, горизонтальных и вертикальных, создавая в месте пересечения нитей точку изображения (несколько размытого из-за того, что заряды проникают в соседние области жидкости).

Активные матрицы вместо нитей используют прозрачный экран из транзисторов и обеспечивают яркое, практически не имеющее искажений изображение. Панель при этом разделена на 308160 (642х480) независимых ячеек, каждая из которых состоит из четырех частей (для трёх основных цветов и одна резервная). Таким образом, экран имеет почти 1,25 млн точек, каждая из которых управляется собственным транзистором.

По компактности такие мониторы не знают себе равных. Они занимают в 2 - 3 раза меньше места, чем мониторы с ЭЛТ и во столько же раз легче; потребляют гораздо меньше электроэнергии и не излучают электромагнитных волн, воздействующих на здоровье людей.

Разновидность монитора -- сенсорный экран. Здесь общение с компьютером осуществляется путём прикосновения пальцем к определённому месту чувствительного экрана. Этим выбирается необходимый режим из меню, показанного на экране монитора.

Меню -- это выведенный на экран монитора список различных вариантов работы компьютера, по которому можно сделать конкретный выбор.

Сенсорными экранами оборудуют рабочие места операторов и диспетчеров, их используют в информационно-справочных системах и т.д.