30

Введение. Содержание курса

В любой АИС информация хранится в ЭВМ и обрабатывается с помощью ЭВМ. ЭВМ обрабатывает информацию таким образом, как это необходимо пользователю или приложению.

Пользователями АИС являются люди, пользующиеся услугами системы. Приложение – это программа или, иначе, прикладная программа, обрабатывающая данные, хранящиеся в ЭВМ. Разница – в интерфейсе. Для пользователей нужны средства общения с АИС или, так называемый интерфейс пользователя. Если же АИС работает только с приложением, то интерфейс не нужен.

Обычно понятия данные и информация считают синонимичными. Необходимо, однако, помнить, что эти понятия имеют разный смысл.

Понятие информация обычно используют тогда, когда хотят подчеркнуть содержательный смысл, т.е. семантику сообщения. Но ЭВМ не способна воспринимать смысловое содержание. В памяти ЭВМ хранятся лишь 1 и 0, которыми она и оперирует. Поэтому, применительно к ЭВМ, обычно используют понятие данные. Приписывая данным определенный смысл (с помощью алгоритмов, программ, структуризации данных), их обработку воспринимают как обработку информации.

Мы, в дальнейшем, будем использовать эти понятия как синонимы. Разницу между ними будем подчеркивать лишь при необходимости.

Решение любой задачи, связанной с обработкой информации на ЭВМ, выполняется в несколько этапов. Вначале задача четко формулируется и формализуется с тем, чтобы можно было разработать алгоритм ее решения. Затем:

-определяется структура данных, позволяющая представить информацию в памяти ЭВМ;

-выбирается способ и метод обработки данных;

-разрабатывается алгоритм решения задачи;

-и, наконец, пишутся программы обработки на алгоритмическом языке.

В настоящей дисциплине изучаются способы организации и хранения данных в памяти ЭВМ, а также методы обработки данных.

Курс по нашей дисциплине состоит из трех разделов.

В разделе 1 рассматриваются структуры данных, т.е. способы организации и хранения данных в основной памяти ЭВМ, позволяющие наполнять данные определенным смысловым содержанием.

В разделе 2 рассматриваются методы и способы обработки данных, позволяющие составлять эффективные алгоритмы и программы обработки данных.

В разделе 3 рассматриваются способы организации данных во внешней памяти ЭВМ и методы доступа к данным, хранящимся на ВЗУ ЭВМ.

1. Организация памяти эвм Архитектура машинной памяти

Память ЭВМ – это совокупность различных ЗУ. Основными техническими характеристиками ЗУ являются емкость и быстродействие.

Емкость ЗУ определяет предельный объем данных, которые можно разместить в ЗУ. Емкость измеряется в битах, байтах, а, чаще, в килобайтах (К) и мегабайтах (Мбайт). 1 К = 1024 (2¹⁰) байт, 1 Мбайт = 1024 (2¹⁰) К.

Быстродействие ЗУ обычно оценивается временем обращения (или временем цикла), т.е. промежутком времени необходимым для считывания и регенерации информации в данном ЗУ. Иными словами, это – минимальный промежуток времени между двумя командами считывания. Часто используют другой параметр, характеризующий быстродействие ЗУ, - время выборки (или время считывания). Это интервал времени между моментом подачи сгнила считывания и моментом получения выходного информационного сигнала.

К ЗУ предъявляются требования большой емкости и высокого быстродействия. Эти требования противоречивы, т.к. обычно с увеличением емкости ЗУ их быстродействие уменьшается.

В соответствии со значениями параметров емкости и быстродействия принято разделение памяти на более быструю – оперативную (основную) память (ОП) и менее быструю – внешнюю память (ВП). Функции ОП выполняют оперативные ЗУ (ОЗУ), функции ВП выполняют разнообразные внешние ЗУ (ВЗУ).

С

Рг

СОЗУ

ПЗУ

ОЗУ

амым быстродействующим устройством ЭВМ является процессор. Разница в быстродействии между процессором и памятью велика. Особенно медленной по сравнению с процессором является ВП. Для того чтобы работа процессора не «тормозилась», обмен данными между процессором, ОП и ВП осуществляется через дополнительные уровни памяти, называемые буферными. Таким образом, архитектура машинной памяти содержит несколько уровней. Каждый уровень удовлетворяет определенным требованиям емкости и быстродействия, сглаживая разницу в быстродействии процессора и памяти.

ВП

Б

З

У

НМД

П

р

о

ц

е

с

с

о

р

ОП

НМЛ

НМБ

1-й уровень 2-й уровень 3-й уровень 4-й уровень

К первому уровню относится регистровая память (Рг) и сверхоперативное запоминающее устройство (СОЗУ). Регистры предназначены для хранения малых объемов информации: адресов, команд и операндов. Регистровая память выполнена на той же элементной базе, что и процессор, обладает таким же высоким быстродействием и обычно входит в состав процессора. СОЗУ хранит данные, к которым чаще всего обращается процессор. Это могут быть, например, операнды и результаты выполнения операций. Быстродействие СОЗУ соизмеримо с быстродействием процессора. Конструктивно СОЗУ может входить в ОЗУ или существовать в виде самостоятельного ЗУ.

Память первого уровня играет роль буфера между ОП и процессором.

Оперативная память образует второй уровень в иерархии машинной памяти. ОЗУ хранят программы и данные, непосредственно участвующие в работе процессора. ОЗУ современных ЭВМ строятся на интегральных схемах, и имеют большую емкость и высокое быстродействие.

Ко второму уровню относится также постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). В нем хранится неизменяемая информация, например, различные константы, таблицы, функции, определенные модули ОС. Информацию с ПЗУ в процессе работы ЭВМ можно только считывать.

К третьему уровню относятся буферные ЗУ (БЗУ), использование которых повышает эффективность обмена данными между ВП и ОП. В качестве БЗУ обычно используется специально выделенная область ОП.

Внешняя память образует четвертый уровень архитектуры машинной памяти. Это сравнительно медленная память. На ВЗУ хранятся данные, не используемые в данный момент времени процессором. Широко используются ВЗУ с магнитным носителем информации. К таким устройствам относятся накопители на магнитных дисках (НМД), накопители на магнитных барабанах (НМБ), накопители на магнитных лентах (НМЛ). Широко используются ЗУ с оптическим носителем информации – компакт-диски и флэш-память, построенная на микросхемах. В качестве носителей информации для ВЗУ используются также перфокарты и перфоленты.

Характерной особенность ВП является ее практически неограниченная емкость. Объясняется это тем, что большинство ВЗУ обладает сменными носителями информации, число которых может быть как угодно велико.

Устройства ВП разделяют на устройства с непосредственным (прямым) доступом к данным и устройства с последовательным доступом к данным.

В устройствах первого типа (НМД, НМБ) время доступа к каждой порции информации не зависит от места ее расположения на носителе. Поверхность магнитного диска логически разделена на отдельные участки (концентрические дорожки и секторы). Каждый сектор имеет свой адрес. Доступ к каждой порции информации происходит по адресу того сектора, на котором размещена эта информация. Для чтения с диска не надо просматривать весь диск, читается лишь участок диска с определенным адресом. Поэтому время доступа к данным не зависит от места их расположения на носителе. На CD дорожка спиралевидная, разделенная на адресуемые участки. Эти устройства обладают высоким быстродействием.

В устройствах с последовательным доступом (НМЛ) имеет значение место расположения данных на носителе. При чтении с ленты надо последовательно просматривать ленту до тех пор, пока не будут найдены нужные данные. Эти устройства существенно медленнее.

Обмен данными между ЗУ различных уровней обеспечивает система управления данными, входящая в состав операционной системы ЭВМ.

Адресация основной памяти

ОП ЭВМ можно представить в виде упорядоченной последовательности ячеек памяти. Ячейка памяти – это фиксированная совокупность запоминающих элементов, обращение к которым при записи или считывании происходит одновременно. Каждый запоминающий элемент хранит 1 бит.

Каждая ячейка имеет уникальный адрес, по которому происходит обращение к ней при записи и считывании. ОП является ЗУ с непосредственным доступом, т.к. обращение к любой ячейке при записи и считывании происходит за одинаковое время. Данные, представленные в двоичной форме, располагаются в ячейке ОП так, что веса разрядов двоичных чисел возрастают с права налево.

0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0

2¹⁵ ……………. .2⁸ 2⁷ 2⁶ 2⁵ 2⁴ 2³ 2² 2¹ 2⁰ Веса разрядов

Адрес каждой ячейки памяти равен адресу ее старшего (левого) байта. Поскольку каждая ячейка содержит 2 байта, то адрес любой ячейки, а, следовательно, и любого машинного слова всегда кратен 2. Этот факт положен в основу процедуры контроля правильности адресации при обращении к ОП.

При обращении к ОП из любой ячейки памяти считывается или записывается строго фиксированная порция информации - машинное слово. Обычно машинное слово имеет длину в 2 байта (16 двоичных разрядов) и занимает одну ячейку памяти.

Однако в большинстве ЭВМ предусмотрена возможность обращения к 1 байту, т.е. к части машинного слова (например, при чтении одного символа). Поэтому наименьшей адресуемой единицей основной памяти является байт, т.е. каждый байт также имеет свой адрес.

Машинное слово – это стандартная порция информации для ОП. Доступ к машинному слову происходит быстрее, чем доступ к одному байту. Поэтому числа обрабатываются быстрее, чем символьные данные.