Архитектура ПК + ТСИ
1)История развития, поколения и параметры ЭВМ
2) Принципы работы ЭВМ. Структура ЭВМ.
Современные ЭВМ построены в соответствии с принципами, сформулированными фон Нейманом в 1945 г.:
1. Принцип программного управления: ЭВМ работает по программе, которая находится в оперативной памяти и выполняется автоматически; программы дискретны и представляют собой последовательность команд, каждая из которых осуществляет отдельный акт преобразования информации; все разновидности команд образуют систему команд машины.
2. Принцип условного перехода: При выполнении программы возможен переход к той или иной команде в зависимости от промежуточных результатов вычислений; это допускает создание циклов.
3. Принцип хранимой информации: Команды как и операнды представляются в машинном коде и хранятся в оперативной памяти. При работе команды обрабатываются устройством управления процессора, а операнды -- арифметико-логическим устройством.
4. Принцип использования двоичной системы счисления: Информация кодируется в двоичной форме и разделяется на элементы, называемыми словами. В двоичной системе используются две цифры 0 и 1, что соответствует двум состояниям двустабильной системы (кнопка нажата-отпущена, транзистор открыт-закрыт, ...)
5. Принцип иерархичности ЗУ: Компромисом между необходимыми большой емкостью памяти, быстрым доступом к данным, дешевизной и надежностью является иерархия запоминающих устройств: 1) быстродействующее ОЗУ, имеющее небольшую емкость для операндов и команд, участвующих в вычислениях; 2) инерционное ВЗУ, имеющее большую емкость для информации, не участвующей в данный момент в работе ЭВМ.
(а в основном, посаны и девчонки – это несколько пунктов – ввод, хранение, обработка и вывод данных.)
3)Системы счисления(методика выбора систем счисления.)
1 — единичная (счёт на пальцах, зарубки, узелки «на память» и др.);
2 — двоичная (в дискретной математике, информатике, программировании);
3 — троичная;
8 — восьмеричная;
10 — десятичная (используется повсеместно);
12 — двенадцатеричная (счёт дюжинами);
13 — тринадцатеричная;
16 — шестнадцатеричная (используется в программировании, информатике);
60 — шестидесятеричная (единицы измерения времени, измерение углов и, в частности, координат, долготы и широты).
А)Десятичная система
2 - - > 10
Для перевода двоичного числа в десятичное необходимо его записать в виде многочлена, состоящего из произведений цифр числа и соответствующей степени числа 2, и вычислить по правилам десятичной арифметики:
8 - - > 10
Для перевода восьмеричного числа в десятичное необходимо его записать в виде многочлена, состоящего из произведений цифр числа и соответствующей степени числа 8, и вычислить по правилам десятичной арифметики:
16 - - > 10
Для перевода шестнадцатеричного числа в десятичное необходимо его записать в виде многочлена, состоящего из произведений цифр числа и соответствующей степени числа 16, и вычислить по правилам десятичной арифметики:
10 - - > 2
Для перевода десятичного числа в двоичную систему его необходимо последовательно делить на 2 до тех пор, пока не останется остаток, меньший или равный 1. Число в двоичной системе записывается как последовательность последнего результата деления и остатков от деления в обратном порядке.
10 - - > 8
10 - - > 16
2 - - > 8
Чтобы перевести число из двоичной системы в восьмеричную, его нужно разбить на триады (тройки цифр), начиная с младшего разряда, в случае необходимости дополнив старшую триаду нулями, и каждую триаду заменить соответствующей восьмеричной цифрой
(лично от меня – значения цифр в триаде)
1 цифра = 1
2 цифра = 2
3 цифра = 4 (итого = 7 (максимум при восьмеричной системе счисления))
Пример
1012 = 58
(конец «лично от меня»)
2 - - > 16
Чтобы перевести число из двоичной системы в шестнадцатеричную, его нужно разбить на тетрады (четверки цифр), начиная с младшего разряда, в случае необходимости дополнив старшую тетраду нулями, и каждую тетраду заменить соответствующей восьмеричной цифрой
(лично от меня, часть вторая)
Здесь то же самое,только тэтрады… хрень чуть посложнее,чем триада,но смысл один…
1 число = 1
2 число = 2
3 число = 4
4 число = 8
В итоге – 1+2+4+8=15 (или по-иному F) (максимальное число в шестнадцатеричной системе счисления)
Таблица 16-ричных букв
A=10
B=11
C=12
D=13
E=14
F=15 пример 1100 = С
(конец
«лично от меня»)
8 - - > 2
(«лично от меня 3»)
Действуем по таблице чисел( 1 число = 1, 2 число = 2, 3 число = 4), только в обратном порядке
(«Конец»)
Для перевода восьмеричного числа в двоичное необходимо каждую цифру заменить эквивалентной ей двоичной триадой.
16 - - > 2
(«Лично от меня 4»)
По той же таблице, также в обратном порядке, но! Добавляется 4 число равное 8(тэтрады,сцука…(не как мат, а как литературное слово))
(«конец»)
Для перевода шестнадцатеричного числа в двоичное необходимо каждую цифру заменить эквивалентной ей двоичной тетрадой.
8 - - > 16
При переходе из восьмеричной системы счисления в шестнадцатеричную и обратно, необходим промежуточный перевод чисел в двоичную систему.
Обратный перевод
4)Кодирование символьной, звуковой, графической и видео информации.
Исторически
первой технологической формой получения,
передачи, хранения информации являлось
аналоговое (непрерывное) представление
звукового, оптического или другого
сигнала.
Аналогово-цифровое
(дискретное) преобразование – заключается
в формировании последовательностей
n-разрядных двоичных слов, представляющие
с заданной точностью аналоговые сигналы.
Для выполнения этого преобразования в
начале осуществляется квантование
аналогового сигнала. В результате
преобразования получается дискретный
сигнал. Наименьшее изменение аналогового
сигнала, которое регистрируется
устройством, осуществляющим преобразование,
называется разрешением.
АЦП
чаще всего изготавливают в виде
интегральных схем. В необходимых случаях
осуществляется обратное
преобразование.
Ди
скретный
сигнал – сигнал,
имеющий конечное (обычно небольшое)
число значений. Практически всегда
цифровой сигнал имеет два или три
значения.
В
цифровых системах используют двоичные
сигналы, имеющие значения «+» и «-».
Вместе с тем, при передаче данных в
большинстве случаев применяется троичный
сигнал со значениями (+), (-), (0). В такой
системе «единица» представляется
отсутствием сигнала, в то время, как
«ноль» характеризуется положительным
либо отрицательным сигналом. При этом
полярность импульсов, представляющей
нули должна чередоваться, т.е. за
положительным импульсом должен следовать
отрицательный и наоборот. Дискретные
сигналы п
омехоустойчивы,
легко восстановить форму.
Рассмотрим
пример кодирования звука на примере
Audio CD, знакомом многим. В этом случае
звуковой сигнал сначала преобразуется
в дискретную аппроксимацию(многоуровневый
ступенчатый сигнал) при этом происходит
квантование во времени, которое
заключается в измерении в дискретные
промежутки времени необходимого
параметра аналогового сигнала. Кроме
того осуществляется квантование по
амплитуде сигнала. Элемент разбиения
этого сигнала именуют квантом. При
квантовании аналогового сигнала
происходит округление его значений до
некоторой заданной фиксированной
величины, именуемой уровнем. Расстояние
между соседними уровнями именуется
шагом. Из-за округления квантование
всегда связанно с определенным искажением
сигнала. Уменьшение искажения требует
увеличения числа уровней квантования
и уменьшение шага квантования.
^ Кодирование
графической информации
Любой
цвет можно представить в виде трех
основных цветов: красного, зеленого и
синего. В связи с этим цвета кодируются
с помощью трех байтов. Первый отвечает
за красный цвет, второй – за зеленый, а
третий - за синий. Чем больше значения
байта цветовой составляющей, тем выше
яркость этого цвета. Задавая любые
значения от 0 до 255 для каждого из байтов,
можно закодировать любой из 16.5 млн.
цветов.
При
кодировании изображение разбивается
на точки (пиксели). Чем больше количество
таких точек, тем выше качество изображения.
Когда рисунок разбит на точки, тогда
можно, двигаясь по строкам, закодировать
цвет каждой точки. В некоторых форматах
кроме трех основных цветов может
добавляться байт прозрачности,
определяющий, на сколько тот или иной
цвет прозрачен по отношению к базовому.
Размер получившегося файла можно
рассчитать по формуле 
,
где H – Высота
изображения, W –
ширина изображения, q –
количество байт, которыми кодируется
одна точка.
В
файле рисунка храниться информация о
высоте и ширине изображения. Это
необходимо для того, чтобы при
раскодировании изображения у нас
получилась двумерная картинка, а не
линейная последовательность
цветов.
^ Кодирование
текстовой информации
Любой
текст состоит из последовательности
символов. Символами могут быть буквы,
цифры, знаки препинания, знаки
математических действий, круглые и
квадратные скобки и т.д.
Текстовая
информация, как и любая другая, хранится
в памяти компьютера в двоичном виде.
Для этого каждому символу ставится в
соответствие некоторое неотрицательное
число, называемое кодом символа, и это
число записывается в память ЭВМ в
двоичном виде. Конкретное соответствие
между символами и их кодами называется
системой кодировки.
В
современных ЭВМ, в зависимости от типа
операционной системы и конкретных
прикладных программ, используются
8-разрядные и 16-разрядные (Windows 95, 98, NT)
коды символов. Использование 8-разрядных
кодов позволяет закодировать 256 различных
знаков, этого вполне достаточно для
представления многих символов,
используемых на практике. При такой
кодировке для кода символа достаточно
выделить в памяти один байт. Так и делают:
каждый символ представляют своим кодом,
который записывают в один байт памяти.
В
персональных компьютерах обычно
используется система кодировки ASCII
(American Standard Code for Information Interchange - американский
стандартный код для обмена информации).
Он введен в 1963 г. и ставит в соответствие
каждому символу семиразрядный двоичный
код. Легко определить, что в коде ASCII
можно представить 128 символов.
В
системе ASCII закреплены две таблицы
кодирования базовая и расширенная.
Базовая таблица закрепляет значения
кодов от 0 до 127, а расширенная относится
к символам с номерами от 128 до 255.
Если
проанализировать организационные
трудности, связанные с созданием единой
системы кодирования текстовых данных,
то можно прийти к выводу, что они вызваны
ограниченным набором кодов (256). В то же
время, очевидно, что если, кодировать
символы не восьмиразрядными двоичными
числами, а числами с большим разрядом
то и диапазон возможных значений кодов
станет на много больше. Такая система,
основанная на 16-разрядном кодировании
символов, получила название универсальной
- UNICODE. Шестнадцать разрядов позволяют
обеспечить уникальные коды для 65 536
различных символов - этого поля вполне
достаточно для размещения в одной
таблице символов большинства языков
планеты.
^
Представление чисел в эвм. Числа с фиксированной и плавающей точкой
Существует 2 способа предcтавления чисел: с плавающей и фиксированной точкой. ^ Общий вид представления числа с фиксированной точкой:
Зн |
2-1 |
... |
2-n |
|
|||||||
Зн |
2-1 |
... |
2-15 |
|
|||||||
< 2 байта, 16 разрядов > |
|||||||||||
Зн |
2-1 |
... |
2-31 |
||||||||
< 4 байта, 32 разрядa > |
|
||||||||||
В
общем случае фиксированная точка
(естественная форма представления
чисел) характеризуется значением m (m =
соnst). В этом случае для всех чисел, с
которыми оперирует машина, положение
точки постоянно. Можно увидеть, что при
m = 0 все числа, с которыми оперирует
машина, меньше 1 и представлены в виде
правильных дробей.
В
формате с фиксированной точкой разрядная
сетка имеет n +
1 разряд:
xmax0.111...1
- 2n
xmin0.000...1
* 2n
0
x2n
При
использовании чисел с фиксированной
точкой может возникнуть
переполнение.
Представление
чисел в форме с плавающей точкой.
Такое
представление числа соответствует
нормальной форме записи:
¦
(x1p-1 +
x2p-2 +
... + xnp-n)
Здесь p-n - мантисса, pm - порядок.
При
использовании формата с плавающей
точкой пользуются понятием нормализованного
представления чисел.
Нормализованным числом
называется число, мантисса которого
удовлетворяет следующим неравенствам:
Зн.п |
2ln-2 |
... |
20 |
Зн.m |
2-1 |
2lm |
|
< Код порядка > |
|
< Код мантиссы > |
< Длина поля порядка > |
< Длина поля мантиссы > |
||
Kn - код порядка, Km - код мантиссы, ln - длина поля порядка, lm - длина поля мантиссы Знак '-' кодируется единицей, знак '+' - нулем.
Кодирование Видеоинформации Диапазон представления чисел (максимальное число) зависит от того, как велики поля порядка и мантиссы. Видеоинформация - наиболее сложный вид для хранения, обработки и воспроизведения. Впервые движущиеся изображения были сохранены на кинопленке в виде большого количества отдельных кадров изображения, заснятых через небольшие промежутки времени (24 кадра в секунду). Позднее на ту же пленку стала записываться и звуковая дорожка (в последующем несколько дорожек для многоканального звука). Далее появилось телевидение с аналоговой записью движущегося изображения на магнитные ленты (системы телевидения PAL и SECAM используют 25 кадров в секунду, система NTSC - 29,97 кадров в секунду). С появлением компьютеров широкое распространение получили цифровые методы записи и кодирования видеоинформации, которые постоянно совершенствуются. В настоящее время каждый может записать видео с использованием мобильных телефонов, цифровых фото- и видеокамер и выполнить монтаж видеофильма на персональных компьютерах, производительности которых достаточно для перекодирования видео высокого разрешения объемом в несколько гигабайт (но продолжительность кодирования может составлять несколько часов).
Компьютерные цифровые методы кодирования видео могут использовать частоту телевизионных стандартов PAL/SECAM или NTSC, т. к. видеозаписи многих цифровых форматов могут воспроизводиться как специальными компьютерными программами, так и бытовыми DVD-плеерами, а также путем подключения телевизора к компьютеру (для передачи видео и звука следует использовать порт HDMI).
Качество видеоизображения в цифровых методах постоянно улучшается. Широкое распространение цифрового видео было связано с появление вначале CD-дисков, затем DVD, далее Blu-Ray дисков, на которых, в основном, и распространялись кинофильмы, и емкостью которых ограничивались качественные возможности. В таблице 1.4 приведены характеристики некоторых видеоформатов.
Стандарты кодирования видео разрабатываются группой экспертов в области цифрового видео MPEG (Moving Picture Experts Group) Международной Организацией по Стандартизации (ISO). Первый стандарт MPEG-1 был представлен в 1992 г., последние стандарты в этой области - MPEG-7 и MPEG-21.
Алгоритмы кодирования видео очень сложны, их описания можно найти в специальной литературе или на сайте http://www.mpeg.org.
30
1.2 Кодирование информации
Таблица 1.4. Сравнение форматов записи видео на диски
Формат |
Разрешение, PAL / NTSC |
Стандарт кодирования |
Совместимость с DVD-плеером |
|
видео аудио |
||||
VCD |
352x288 352x240 |
MPEG-1 |
MPEG-1 |
всегда |
SVCD |
480x576 480x480 |
MPEG-2 |
MPEG-1 |
иногда |
DVD |
720x576 720x480 |
MPEG-2 |
MPEG-1, AC3 |
всегда |
XVCD |
720x576 720x480 |
MPEG-1 или MPEG-2 |
MPEG-1 |
иногда |
DivX 640x480 MPEG-4 MP3, WMA иногда |
||||
HDTV 720p |
1280x720 |
MPEG-4 H.264 |
MP3, WMA, AC3 или др. |
BD-плеер |
HDTV 1080i |
1920x1080 (i - чересстрочная развертка) |
MPEG-4 H.264 |
MP3, WMA, AC3 или др. |
BD-плеер |
AVCHD 720p |
1280x720 (p - прогрессивная развертка) |
MPEG-4 v.10 (AVC/H.264) |
PCM (7.1) или AC3 (5.1) |
нет |
AVCHD 1080i |
1920x1080 |
MPEG-4 v.10 (AVC/H.264) |
PCM (7.1) или AC3 (5.1) |
нет |
Все форматы сжатия семейства MPEG (MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4, MPEG-7) используют высокую избыточность информации в изображениях, разделенных малым интервалом времени. Между двумя соседними кадрами обычно изменяется только малая часть сцены - например, происходит плавное смещение небольшого объекта на фоне фиксированного заднего плана. В этом случае полная информация о сцене сохраняется выборочно - только для опорных кадров. Для остальных кадров достаточно передавать разностную информацию: о положении объекта, направлении и величине его смещения, о новых элементах фона, открывающихся за объектом по мере его движения. Причем эти разности можно формировать не только по сравнению с предыдущими изображениями, но и с последующими (поскольку именно в них по мере движения объекта открывается ранее скрытая часть фона).
Алгоритмы MPEG сжимают только опорные кадры - I-кадры (Intra frame - внутренний кадр). В промежутки между ними включаются кадры, содержащие только изменения между двумя соседними I-кадрами - P
31