Архитектура ЭВМ

Кодирование числовой и символьной информации.

Основы вычислительной техники.

Компьютеры могут хранить и обрабатывать только двоичные коды. Числовая информация переводится в двоичный вид и в виде двоичных кодов обрабатывается. Но чтобы на этой технической базе имелась возможность обработки и текстовой информации, для этого необходимо каждый символ текста закодировать некоторым двоичным набором.

Для этого используют соглашения, оформленные в виде кодировочных таблиц. Для практических целей достаточно включить в набор символов большие и маленькие латинские буквы (26+26 шт.), русские буквы (33+33), цифры (10), знаки препинания и математические операции (около 40 шт.), набор служебных символов (несколько десятков), символы псевдографики и другие. Т.е. набирается около 250 символов. Поэтому для кодирования данного набора был выбран 8-битный двоичный набор. Такой набор носит название байт. Это более крупная единица измерения информации, чем бит, широко используется в современных информационных технологиях.

Применяются также и более крупные производные единицы:

1 байт – 8 бит.

1 Кбайт – 1024 байт.

1 Мбайт – 1024 Кбайт или 1 048 576 байт.

1 Гбайт – 1024 Мбайт или 1 073 741 824 байт.

1 Тбайт – 1024 Гбайт или 1 099 511 627 776 байт.

На основе 8 бит можно сгенерировать 256 различных двоичных наборов. Каждому двоичному набору сопоставляется определенный символ. Наиболее распространенной таблицей соответствия является таблица кодов ASCII (American Standard Code for Information Interchange) – стандартный код для информационного обмена. В России используются кодировочные таблицы Windows-1251 и КОИ-8.

Например:

Цифры:

"0" – 48 – 00110000

"1" – 49 – 00110001

....-....-.........

"9" – 57 – 00111001

Буквы:

"A" – 65 – 01000001

"B" – 66 – 01000010

"C" – 67 – 01000011

....-....-.........

"Z" – 90 – 01011010

Кодирование изображений также выполняется в виде двоичных наборов. Поскольку любое изображение состоит из отдельных элементов – пикселов, достаточно описать цвет каждого пиксела в виде двоичного кода и мы получим последовательность двоичных наборов, хранящих информацию об изображении. Пример: закодировать двухцветное изображение, представленное на рисунке 1.3.1.

									16		10
										-
									1E	-
										-
									0A	-
										-
										-
										-
										-

Рис. 1.3.1.

В результате получаем следующую последовательность десятичных чисел: (0, 30, 6, 10, 18, 32, 64, 128). Затем последовательности упаковываются архиваторами и в таком виде хранятся. Существуют различные виды архиваторов изображений, с полным восстановлением – GIF, PCX, BMP, и с восстановлением с потерями – JPG, DVI и множество других.

На этом или подобном принципе происходит кодирование звуковой и видео информации.

Компьютер – это устройство для исполнения алгоритмов, реализованных на том или ином языке программирования. Как всякий исполнитель, компьютер обладает определенным набором команд, которые выполняются под управлением программы (Software). Аппаратура компьютера (Hardware) построена на основе микроэлектронных элементов. Для выполнения программ в составе компьютера должны быть следующие, связанные между собой устройства:

1. Процессор (CPU или АЛУ) – выполняет арифметические и логические операции над двоичными наборами.

2. Оперативная память (Memory или ОЗУ) – устройства для хранения данных в виде двоичных наборов.

3. Внешняя память (Input-Output или УВВ) – устройства для долговременного хранения данных.

4. Внешние устройства для связи компьютера с внешним миром.

В основе архитектуры современных компьютеров лежат принципы, сформулированные в 1945 году американским ученым Джоном Фон Нейманом:

1. Принцип двоичности - Для представления данных и команд используется двоичная система счисления.

2. Принцип программного управления – последовательное выполнение команд в автоматическом режиме.

3. Принцип однородности памяти – программы и данные хранятся в единой памяти в виде двоичных наборов и могут быть модифицированы.

4. Принцип адресуемости памяти – память состоит из ячеек, каждая ячейка имеет свой адрес и процессор может произвольно их выбирать для операций записи или чтения (Произвольный доступ).

В современных ЭВМ и персональных компьютерах в том числе, за основу построения принята шинная структура компьютера. Шина (Bus) – в переводе означает магистраль (сравните: автобус). Эта структура основана на адресном принципе доступа к элементам памяти и внешним устройствам и позволяет гибко менять конфигурацию компьютера. Каждое его устройство имеет один или несколько адресов в адресном пространстве.

Рис. 1.2.3.

Очень коротко приведем основные параметры процессоров для персональных компьютеров:

1. Внутренняя структура процессора: CISC, RISC.

2. Фирма Intel: 8080, 80286, 80386, 80486, Pentium I, II, III, IV, Celeron, Xeon, Core 2 Duo, Intel Core 2 Quad, Intel Core i7 и т.д.

3. Фирма AMD: Athlon, Duron, Opteron, Sempron, AMD Phenom II X6 и т.д.

4. Частота процессора: 100, 166, 566, 1000, 1400, 2400, 3400 и т.д.

5. Объем оперативной памяти: 64 Кбайт, 640 Кбайт, 1 Мбайт, 32 Мбайт, 256 Мбайт, 512 Мбайт, 2 Гбайт, 4 Гбайт и т.д.

6. Емкость жесткого диска: 100 Мбайт, 540 Мбайт, 2 Гбайт, 16 Гбайт, 80 Гбайт, 320 Гбайт, 500 Гбайт, 1 Тбайт и т.д.

1.3.3. Исполнение программы на компьютере

В качестве примера рассмотрим исполнение простейшей программы на некоторой учебной ЭВМ.

Учебная ЭВМ имеет следующую систему команд, основанную на использовании аккумулятора A:

0001 + ADD сложить (A) и (N) →A

0000 Stop HALT Останов

0010 →A LOAD Загрузка в аккумулятор

0011 ←A SAVE Запись в ОЗУ

Пусть требуется сложить два числа: S = M + N.

На основе системы команд напишем программу сложения двух чисел:

· LOAD (M) // Загружаем число из ячейки M в аккумулятор

· ADD (N) // Складываем аккумулятор с числом из ячейки N

· SAVE (S) // Записываем результат из аккумулятора в ячейку S

· HALT // Останов исполнения программы

Затем распределяем память компьютера следующим образом:

	Адрес ОЗУ	Символ	Значение ячейки ОЗУ	Примечание
			0010 0110	LOAD (M)
			0001 0111	ADD (N)
			0011 1000	SAVE (S)
			0000 0000	HALT
			0000 0000
			0000 0000
		M	0000 0011	число 3
		N	0000 0101	число 5
		S	0000 0000	0000 1000

Табл. 1.3.3.

Программа запускается с адреса 0000. Компьютер последовательно выбирает команды из памяти, загружает их в процессор, в котором они исполняются, при этом выбираются операнды из памяти, вычисляется сумма чисел и результат записывается в ячейку памяти.

Дата добавления: 2014-11-29