[Alekseev_A.P.]_Informatika_2015(z-lib.org)

QRкоды 81

__________________________________________________________________

Рассмотрим порядок ручного декодирования матрицы, показанной на рисунке.

Вначале нужно определить, какой вид маски использован при её кодировании. В разрядах 12, 11 и 10 системной строки записано двоичное слово 111. Сложение со статической маской 101 дает двоичное число 010. По таблице кодов маски легко определить формулу, использованную для формирования маски:

j mod 3 0 .

По этой формуле можно определить вид расчётной маски (см. рис. а). Этот рисунок нужно трактовать следующим образом:

если на маске имеется черный пиксель (модуль), то пиксель матрицы с такими же координатами нужно проинвертировать. У этого правила большое число исключений. На рис. в) показаны серым цветом модули, которые инвертировать не следует.

Анализируя рисунок в), можно заметить, что от изменения защищены области матрицы, где расположены указатели ориентации, линии синхронизации, системная информация (серые модули). Скорректированную таким образом расчетную маску назовём фактической маской.

Процесс наложения фактической маски на декодируемую матрицу показан на рисунке слева.

Наибольший интерес для декодирования представляет область матрицы, распо-

84 QRкоды

__________________________________________________________________

пяти смежных одноцветных пикселей, то начисляется три штрафных балла. За каждый последующий пиксель, который примыкает к группе, начисляется дополнительно по одному баллу. Таким образом, первая группа черных пикселей дает вклад 3 + 1 + 1 = 5 баллов. Вторая группа из семи черных пикселей также дает 5 штрафных баллов. В общей сложности первая строка дала 10 штрафных баллов.

Вторая сверху строка матрицы показана на следующем рисунке.

В этой строке есть две группы по пять белых пикселей. Эти две группы в сумме дают 6 штрафных баллов.

Аналогичная методика подсчёта штрафных баллов используется и для столбцов.

На следующем рисунке показаны штрафные баллы по всем строкам и столбцам матрицы.

Затем рассчитываются суммарные значения штрафных баллов по строкам и по столбцам. Для рассматриваемого примера суммарное число штрафных баллов по строкам равно 88, а по столбцам 102. Общее число штрафных балов, вычисленное по первому правилу для данной маски, даёт число 190.

Используя все четыре правила расчета штрафных баллов, находят суммарную

количественную оценку данной маски. Подобные оценки получают для всех восьми масок. Среди этих оценок выбирают минимальную оценку и для окончательного кодирования используют маску, которая имеет минимальное число штрафных баллов.

__________________________________________________________________________________

4. Аппаратные средства

4.1. Структурная схема ЭВМ

Электронная вычислительная машина (ЭВМ) — это устройство, выполненное на электронных приборах, предназначенное для автоматического преобразования информации под управлением программы.

Основные элементы электронной вычислительной машины (фоннеймановской структуры) и связи между ними показаны на рисунке.

Процессор выполняет логические и арифметические операции, определяет порядок выполнения операций, указывает источники данных и приемники результатов. Работа процессора происходит под управлением программы.

При первом знакомстве с ЭВМ можно считать, что процессор состоит из четырех устройств: арифметико-логического устройства (АЛУ), устройства управления (УУ), блока регистров (БР) и кэш-памяти. АЛУ выполняет арифметические и логические операции над данными. Промежуточные результаты вычислений в АЛУ сохраняются в БР. Кэш-память служит для повышения производительности процессора путем уменьшения времени его непроизводительного простоя. УУ отвечает за формирование адресов оче-

86 Структурная схема ЭВМ

__________________________________________________________________________________

редных команд, т. е. за порядок выполнения команд, из которых состоит программа.

Программа — это набор команд (инструкций), составленный человеком (программистом) и выполняемый ЭВМ. Команда обеспечивает выработку в УУ управляющих сигналов, под действием которых процессор выполняет элементарные операции. Например, операция умножения разбивается на элементарные операции сложения и сдвига.

Таким образом, программы состоят из команд, а при выполнении программы процессор разбивает команды на элементарные операции.

Элементарными операциями для процессора являются арифметические и логические действия, перемещение (пересылка) данных (операндов) между регистрами процессора, сдвиг данных в регистрах, счет и т. д.

Основной функцией системной шины является передача информации между процессором и остальными устройствами ЭВМ. Системная шина состоит из трех шин: шины управления, шины данных и адресной шины. По этим шинам циркулируют управляющие сигналы, данные (числа, символы), адреса ячеек памяти и номера устройств ввода-вывода.

Память предназначена для записи, хранения, выдачи команд и обрабатываемых данных (операндов).

Существует несколько разновидностей памяти: оперативная, постоянная, внешняя, кэш, CMOS (КМОП), регистровая. Существование целой иерархии видов памяти объясняется их различием по быстродействию, объему, энергозависимости и стоимости. Многообразие видов памяти помогает сгладить противоречие между высокой стоимостью памяти одного вида и низким быстродействием памяти другого вида.

Память современных компьютеров строится на нескольких уровнях, причем память более высокого уровня меньше по объему, быстрее и в пересчете на один байт памяти имеет большую стоимость, чем память более низкого уровня.

Регистровая память — наиболее быстрая (ее иногда называют сверхоперативной). Она представляет собой блок регистров, которые размещены внутри процессора. Регистры используются при выполнении процессором простейших операций: пересылка, сложение, счет, сдвиг операндов, запоминание адресов, фиксация состояния процессора и т. д.

Наилучшим вариантом было бы размещение всей памяти на одном кристалле с процессором. Однако из-за существующих технологических сложностей изготовления памяти большого объема пришлось бы большое число микросхем отправить в брак.

Кэш-память по сравнению с регистровой памятью имеет больший объем, но меньшее быстродействие. В ЭВМ число запоминающих устройств с этим видом памяти может быть различным.

__________________________________________________________________________________

Впереводе с английского языка слово кэш (cache) означает «тайник», так как кэш-память недоступна для программиста (она автоматически используется компьютером). Кэш-память используется для ускорения выполнения операций за счет запоминания на некоторое время полученных ранее данных, которые будут использоваться процессором в ближайшее время. Введение в компьютер кэш-памяти позволяет экономить время, которое без нее тратилось бы на пересылку данных и команд из процессора в оперативную память (и обратно). Работа кэш-памяти строится так, чтобы до минимума сократить время непроизводительного простоя процессора (время ожидания прихода новых данных и команд). Этот вид памяти уменьшает противоречие между быстрым процессором и относительно медленной оперативной памятью.

Кэш-память первого уровня, которая размещается на одном кристалле с процессором, принято обозначать символами L1. Кэш-память, которая располагается на материнской плате (второй уровень), обозначается символами L2.

На структурной схеме показана только кэш-память L1. Заметим, что в первых ЭВМ структуры фон Неймана кэш-памяти не было.

Энергозависимая память CMOS (КМОП-память) служит для запоминания конфигурации данного компьютера (текущего времени, даты, выбранного системного диска и т. д.). Для непрерывной работы этого вида памяти на материнской плате ЭВМ устанавливают отдельный малогабаритный аккумулятор или батарею питания.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) используется для кратковременного хранения переменной (текущей) информации и допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения процессором вычислительных операций. Это значит, что процессор может выбрать из ОЗУ команду или обрабатываемые данные (режим считывания) и после арифметической или логической обработки данных поместить полученный результат в ОЗУ (режим записи). Размещение новых данных в ОЗУ возможно на тех же местах (в тех же ячейках), где находились исходные данные. Понятно, что прежние команды (или данные) будут стерты.

ОЗУ используется для хранения программ, составляемых пользователем, а также исходных, конечных и промежуточных данных, получающихся при работе процессора.

Вкачестве запоминающих элементов в ОЗУ используются либо триггеры (статическое ОЗУ), либо конденсаторы (динамическое ОЗУ).

ОЗУ — это энергозависимая память, поэтому при выключении питания информация, хранившаяся в ОЗУ, теряется безвозвратно.

По быстродействию ОЗУ уступает кэш-памяти и тем более сверхоперативной памяти — БР. Но стоимость ОЗУ значительно ниже стоимости упомянутых видов памяти.

88 Структурная схема ЭВМ

__________________________________________________________________________________

В постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) хранится инфор-

мация, которая не изменяется при работе ЭВМ. Такую информацию составляют тест-мониторные программы (они проверяют работоспособность компьютера в момент его включения), драйверы (программы, управляющие работой отдельных устройств ЭВМ, например, клавиатурой).

ПЗУ является энергонезависимым устройством, поэтому информация в нем сохраняется даже при выключении электропитания.

Существуют ПЗУ с электрическим способом стирания и записи информации (FLASH-память). Это даёт возможность при острой необходимости перепрограммировать ПЗУ и тем самым оперативно улучшить характеристики ЭВМ.

Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) предназначены для дол-

говременного хранения информации. К ВЗУ относятся накопители на жестких дисках (винчестеры), проигрыватели оптических дисков, электронная Flash-память, накопители на магнитной ленте (магнитофоны, стримеры). Внешние запоминающие устройства по сравнению с ОЗУ имеют, в основном, больший объем памяти, но существенно меньшее быстродействие.

Кустройствам ввода информации относятся: клавиатура, мышь,

трекбол, джойстик, трекпойнт, трекпад, сканер, сенсорный экран, информационные перчатки, информационный костюм, шлем, джойстринг, диджитайзер, вебкамера, микрофон, датчики и др.

Кустройствам вывода информации относятся: дисплей (монитор), LCD-проектор, принтер, плоттер, акустические колонки, головные телефоны

идр.

Модем выполняет функции и устройств ввода, и устройств вывода информации. Он позволяет соединяться с другими удаленными компьютерами с помощью телефонных линий связи и обмениваться информацией между ЭВМ.

Одной из плодотворных идей, положенных в основу персональных компьютеров, является открытость архитектуры. Согласно этой концепции, каждый пользователь может самостоятельно формировать конфигурацию своего компьютера по своему усмотрению. Это означает, что в зависимости от потребности пользователь может подключить к системной шине различные устройства: звуковую плату, клавиатуру электромузыкального инструмента, плату телевизионного приемника и т. п. Открытость архитектуры позволяет легко модернизировать имеющийся компьютер, например, путем замены винчестера на жесткий диск большего объема, замены процессора, увеличения объема оперативной памяти, добавления необходимого устройства ввода-вывода и т. д.

Общий принцип работы ЭВМ заключается в следующем. Из процессора на шину адреса (на структурной схеме она не показана и находится внутри системной шины) выдается адрес очередной команды. Считанная по

__________________________________________________________________________________

этому адресу команда (например, из ОЗУ) поступает по шине данных (она находится внутри системной шины) в процессор, где она выполняется с помощью АЛУ. Устройство управления процессора определяет адрес следующей выполняемой команды (фактически номер очередной ячейки памяти, где находится очередная команда или исходные данные). После исполнения процессором текущей команды на шину адреса выводится адрес ячейки памяти, где хранится следующая команда и т. д.

Сигналы, передаваемые по управляющей шине, синхронизируют работу процессора, памяти, устройств ввода и вывода информации.

Порядок выбора адресов из памяти (и очередности выполнения команд) определяет программа, которая может располагаться в ОЗУ, ПЗУ, кэш-памяти. Чаще всего выполняемая в данный момент времени программа находится в ОЗУ. В линейных программах команды последовательно выбираются из смежных ячеек памяти. В разветвляющихся программах последовательный порядок выбора адресов ячеек памяти может нарушаться. В результате может произойти переход (резкий скачок) к ячейке памяти, расположенной в любом месте ОЗУ. При одном наборе исходных данных переход будет происходить, а при другом наборе данных перехода не будет. По этой причине такие команды называют командами условной передачи управления.

Иногда при работе ЭВМ программа вводится с клавиатуры в ОЗУ. Затем процессор под управлением этой программы выполняет необходимые действия. Чаще управляющую программу загружают в ОЗУ с внешнего запоминающего устройства или по вычислительной сети. При выполнении загруженной программы ЭВМ запрашивает у пользователя необходимые данные и процессор после выполнения указанных в программе команд отправляет результат по системной шине на одно из устройств вывода информации.

Выполнение основной программы порой может приостанавливаться с целью выполнения какого-то другого срочного задания, например, для передачи данных на принтер. Такой режим работы, когда временно приостанавливается выполнение основной программы и происходит обслуживание срочного запроса, называется прерыванием. По завершении обслуживания прерывания процессор возвращается к выполнению временно отложенной основной программы.

Запросы на прерывание могут возникать из-за сбоев в аппаратуре, переполнения разрядной сетки, деления на ноль, требования внешним устройством выполнения операции ввода информации и т.д. Например, при нажатии клавиши на клавиатуре возникает прерывание, обработка которого сводится к записи кода нажатой клавиши в буфер клавиатуры. Обслуживание прерываний осуществляется с помощью специальных программ обработки прерываний.