Базовая система элементов компьютерных систем

Представление информации в технических устройствах

В основу любого устройства, предназначенного для преобразования или хранения информации, должен быть положен принцип её представления, то есть её физический носитель. Известны, например, механические устройства, в которых информация представляется углами поворота или перемещения объектов относительно друг друга. Так как автоматизация процесса обработки информации всегда являлась важной задачей для дальнейшего прогресса промышленности и науки, предлагались устройства, принцип представления информации в которых зависел от уровня развития техники: механические устройства с ручным, а затем с паровым приводом, электромеханические, электрические устройства и, наконец, электронные устройства. Последние получили широкое распространение и в последние 30-40 лет вытеснили устройства других типов. Исключение составляют случаи, когда преобразование информации требует наличия движущихся объектов, например, лентопротяжные или дисковые механизмы памяти больших объёмов, исполнительные механизмы и приводы, и некоторые другие. Преимущество использования электронных устройств обусловлено многими факторами, главными из которых являются удобство преобразования и передачи электрических сигналов, малая инерционность электронных устройств и, следовательно, их высокое быстродействие.

Вычислительные устройства, использующие непрерывную форму представления информации, называются Аналоговыми Вычислительными Машинами (АВМ). Вычислительные устройства, использующие дискретную форму представления, называются Цифровыми Вычислительными Машинами (ЦВМ).

В настоящее время устройства, использующие непрерывный способ представления информации, вытесняются более прогрессивными цифровыми устройствами, даже из таких традиционно "аналоговых" областей как телевидение и телефония. Что касается непосредственно вычислительных систем, то их развитие, начавшееся преимущественно с АВМ постепенно перешло к ЦВМ и к середине 70-х годов прошлого столетия ЦВМ полностью вытеснили АВМ.

В дальнейшем мы будем рассматривать только вычислительные устройства с дискретным представлением информации, поэтому здесь остановимся несколько подробнее на принципе построения и полезных свойствах АВМ.

АВМ имели блочную структуру, то есть представляли собой систему связанных между собой базовых элементов. Связи между базовыми элементами, их состав и количество изменялись для каждой задачи, решаемой на АВМ. В качестве базового элемента использовался операционный усилитель, схема которого показана на рис.1.

Он состоит из усилителя, входных элементов (Е1,..., Е n) и элемента обратной связи (Еос). В качестве элементов используются радиоэлектронные компоненты: резисторы, конденсаторы, индуктивности. В зависимости от типов элементов, базовый элемент может производить сложение, интегрирование, дифференцирование и некоторых другие операции над входными напряжениями (Uвх1,..., Uвх n), результат операции снимается в виде выходного напряжения (Uвых). Основными достоинствами АВМ являлись простота реализации и высокая скорость получения решения. Основным же недостатком являлась низкая точность результата, так как радиоэлектронные компоненты, подвергаясь воздействиям внешней среды, изменяли свои параметры, что и влияло на точность решения.

ЦВМ имеют гораздо более высокую сложность реализации. Информация в них имеет определённые границы представления, то есть точность представления информации конечна. Для расширения границ представления необходимо увеличивать аппаратную часть или увеличивать время обработки. Основными достоинствами ЦВМ и их дальнейшее развитие – Компьютерные системы (КС) являются:

· гарантированная точность результата, зависящая только от границ представления данных;

· универсальность – способность обрабатывать данные любыми методами, представляемыми последовательностью простых арифметических и логических операций;

· возможность реализации большого числа известных численных математических методов решения задач.

КС используют естественное представление чисел в позиционной системе счисления, поэтому при построении базовых элементов очень большое значение имеет выбор основания системы счисления. Как уже говорилось выше (см. главу 1), для построения цифровых устройств была выбрана двоичная система счисления. Одним из преимуществ двоичного представления являлось и то, что для проектирования устройств можно было использовать мощный аппарат алгебры логики – булевых функций.

При построении функциональных узлов КС используются элементы, которые реализуют базовую систему логических функций. Одним из таких базовых наборов является набор из трёх функций: дизъюнкции (логическое ИЛИ), конъюнкции (логическое И) и отрицание (логическое НЕ). На рис. 2.2 показаны условные обозначения и значения выходного сигнала в

зависимости от входных сигналов. Ноль изображается на диаграммах низким значением сигнала, а единица – высоким. Используя эти базовые элементы, строятся все функциональные узлы ЦВМ.

Дата добавления: 2014-01-04