1. ЭВМ – это устройство включающее в себя стандартный набор компонентов:

- Центральный процессор (один или несколько) и арифметический сопроцессор.

- Быстродействующее запоминающее устройство.

- Внешние накопительные устройства различной природы.

- Мультимедийные (графическое и звуковое) устройства.

- Терминал пользователя (дисплей, клавиатура, мышь и т.п.).

- Средства сетевой поддержки.

- Возможность подключения дополнительных интерфейсных устройств, в том числе, и в виде контроллеров, присоединяемых к шине ЭВМ.

- Возможность установки разнообразного программного обеспечения.

Основными функциями ЭВМ являются:

1) сбор и обработка разнообразной, большого количества информации о состоянии объекта, представление ее в виде, удобном для управления;

2) изучение процесса при различных условиях и построение (синтез) математической модели, с помощью которой выбирается управление;

3) расчет управляющего сигнала, приводящего объект в требуемое состояние в соответствии с заданной целью; можно промоделировать много вариантов и выбрать наилучшее управление;

4) коррекция (адаптация) модели на базе новой информации о действительном состоянии объекта;

5) непосредственное цифровое управление (НЦУ); ЭВМ обращается к контурам управления или по очереди, или с частотой, определяемой требованиями процесса;

6) оптимизация процесса управления;

7) адаптация алгоритма и параметров управляющего устройства;

8) программное прерывание, защита памяти;

9) обеспечение связи (общения) человека с системой управления объектом

2. Данные – сигнал, несущий некоторую информацию об объекте исследования. Данные классифицируются на 2 вида: непрерывные во времени и дискретные.

3, 4 В микропроцессорной технике используется двоичная система счисления, ее главное достоинство в том, что двоичных цифр всего две 0 и 1, поэтому для их представления достаточно только двух электрических уровней сигнала. При этом необходимо, чтобы электрические схемы цифровых и микропроцессорных устройств различали между собой только два уровня напряжения, что сильно их упрощает. Обычно бывает, что единица - это высокий уровень, а ноль - низкий. Стандартное напряжение питания большинства цифровых устройств - +5 вольт. Значения уровня напряжения выше 2.0 вольт считаются соответствующими 1, меньшие 0.8 вольт - 0. Напряжения между этими двумя уровнями относятся к неопределенным и их интерпретация цифровыми схемами непредсказуема. В том случае, когда говорится, что схема работает в инверсной или обратной логике, или сигнал имеет инверсное значение, это означает, что нулю соответствует высокий логический уровень, а единице низкий

5. В лекциях:

6,7 Существует последовательная и параллельная передача данных:

Группа линий (совокупность проводов), по которым передается однотипная информация, называется шиной. При классической структуре связей все сигналы и коды между устройствами передаются по отдельным линиям связи. Каждое устройство, входящее в систему, передает свои сигналы и коды независимо от других устройств. При этом в системе получается очень много линий связи и разных протоколов обмена информацией.

При шинной структуре связей все сигналы между устройствами передаются по одним и

тем же линиям связи, но в разное время (это называется мультиплексированной передачей). Причем передача по всем линиям связи может осуществляться в обоих направлениях (так называемая двунаправленная передача). В результате количество линий связи существенно сокращается, а правила

обмена (протоколы) упрощаются.

Большое достоинство шинной структуры связей состоит в том, что все устройства, подключенные к шине, должны принимать и передавать информацию по одним и тем же правилам (протоколам обмена информацией по шине). Соответственно, все узлы, отвечающие за обмен с шиной в этих устройствах, должны быть единообразны, унифицированы.

Существенный недостаток шинной структуры связан с тем, что все устройства подключаются к каждой линии связи параллельно. Поэтому любая неисправность любого устройства может вывести из строя всю систему, если она портит линию связи. По этой же причине отладка системы с шинной структурой связей довольно сложна и обычно требует специального оборудования.

8. Системы исчисления в МП технике: двоичная, десятичная, шестнадцатиричная, двоично-десятичная. Предоставляют различные удобства.

9. Над данными в двоичном представлении можно производить операции И, ИЛИ, НЕ:

10. Положительные числа в МПС представлены в основном в прямом двоичном, десятичном, BCD, шестнадцатеричном кодах. Отрицательные числа представлены в дополнительном коде. Он получается путем инверсии прямого кода и добавлением к результату единицы. Например, число -1 будет записано как 1111 1111 (если система оперирует восьмиразрядными двоичными числами), оно получается как инверсия (замена нулей на единицы и наоборот) из 0000 0001 в 1111 1110, при увеличении этого числа на единицу получается результат.

При представлении чисел в форме с плавающей запятой (точкой по западному стандарту написания десятичных дробей) число представляется в виде двух частей - мантиссы и экспоненты или порядка. Пример записи десятичного числа в формате с плавающей точкой 1.456*10¹².

В двоичных числах, естественно, все числа - двоичные и основанием степени тоже служит число 2. Поэтому число в формате с плавающей точкой состоит из 4 частей:

• бит знака мантиссы

• мантисса

• бит знака экспоненты

• экспонента

Количество разрядов, отводимых на мантиссу и порядок может быть различно, но в любом случае число в этом формате занимает несколько байт (чаще всего 5).

Формат чисел с плавающей точкой позволяет с большой точностью отображать очень широкий диапазон чисел, но весьма усложняет алгоритм выполнения арифметических операций, поэтому в современных микропроцессорах имеются специализированные блоки для выполнения операций с плавающей точкой.

11. Арифметическое переполнение — специфичная для компьютерной арифметики ситуация, когда при арифметическом действии результат становится больше максимально возможного значения для переменной, использующейся для хранения результата.

Пример: сложение двух переменных размером 8 бит с записью результата в переменную того же размера:

возникает переполнение.

При этом в результат записывается не ожидаемое  , а  . Если не проверять, было ли переполнение, то может возникнуть логическая ошибка в программе, о чём в некоторых случаях во время исполнения не узнает ни платформа, ни операционная система (как, например, в Java).

ПЕРЕНОС БЕЗ ПЕРЕПОЛНЕНИЯ (CF=1, OF=0) - тогда,когда производится перенос единицы в знаковый разряд (7,15,31-й) и перенос единицы из разрядной сетки (из 7,15 или 31-горазрядов в 8,16,32, несуществующие для регистра указанной размерности).

Сложение БЕЗЗНАКОВЫХ чисел при возникновении переноса протекает неправильно (ТОЛЬКО из-за переноса из разрядной сетки - перенос в знаковый разряд роли не играет). При интерпретации слагаемых как беззнаковых чисел перенос из разрядной сетки приводит к потере старших разрядов числа, и результат оказывается неверным.

Сложение ЗНАКОВЫХ чисел при возникновении переноса протекает правильно, так как при такой интерпретации слагаемые представляют собой ЛИБО пару "ПОЛОЖИТЕЛЬНОЕ ЧИСЛО + ОТРИЦАТЕЛЬНОЕ ЧИСЛО" (старший бит одного слагаемого равен 0, а второго - 1, и перенос из шестого (четырнадцатого, тридцатого) бита приводит к переносу в старший и переносу из разрядной сетки), и результат такого сложения не может быть неправильным - он будет находиться в пределах -128 - +127; ЛИБО пару "ДВА ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ЧИСЛА,СУММА КОТОРЫХ НЕ МЕНЬШЕ -128" (это означает, что сочетания единичных битов первого и второго слагаемых ОБЯЗАТЕЛЬНО приведут к переносу в старший разряд в то время,как будет произведен перенос из разрядной сетки, и знаковый бит не будет потерян; для этого и налагается условие на сумму - -127 - 1, -120 - 8, -64 - 64, НО НЕ - -127 - 2, -64 - 65). В последних случаях возникает перенос с переполнением, так как производится только перенос из разрядной сетки.

ПЕРЕПОЛНЕНИЕ БЕЗ ПЕРЕНОСА (OF=1, CF=0) - тогда, когда производится ТОЛЬКО перенос единицы в знаковый разряд.

Сложение ЗНАКОВЫХ чисел при возникновении переполнения протекает неправильно, так как слагаемые могут представлять собой ТОЛЬКО беззнаковые числа (иначе при переносе единицы из шестого бита наличие единицы в знаковом разряде приведет к переносу из разрядной сетки; в результате переполнения не будет,а будет перенос). Поэтому перенос единицы в знаковый разряд приводит к появлению знакового (отрицательного) числа, что неправильно - сложение двух положительных чисел может иметь результатом только положительное число.

Сложение БЕЗЗНАКОВЫХ чисел в данном случае протекает правильно,так как для этих чисел 7-й бит не играет особой роли и представляет собой лишь добавочный разряд; перенос в него не приводит к ошибке.

ПЕРЕНОС С ПЕРЕПОЛНЕНИЕМ (CF=1,OF=1) - тогда,когда производится ТОЛЬКО перенос единицы из разрядной сетки.

Сложение БЕЗЗНАКОВЫХ чисел в данном случае протекает неправильно, так как перенос единицы из разрядной сетки приводит к потере старшего разряда.

Сложение ЗНАКОВЫХ чисел ТОЖЕ протекает неправильно, так как в результате переноса из разрядной сетки теряется знаковый бит,и сумма двух отрицательных чисел (а перенос с переполнением возможен только при сложении двух отрицательных чисел,т.к. для переноса единицы из разрядной сетки без переноса в знаковый бит необходимы единицы в старших разрядах обоих слагаемых) превращается в положительное число,что неправильно. ОТСУТСТВИЕ ПЕРЕНОСА И ПЕРЕПОЛНЕНИЯ - тогда, когда нет переносов ни в знаковый разряд, ни из разрядной сетле

12. Все типы данных, которые используются в ЭВМ, кодируются с помощью чисел. Используется двоичный способ кодирования информации. Для представления данных в памяти компьютера используется машинное слово - данные, которые находятся в одной ячейке памяти и обрабатываются как единое целое. Машинное слово представлено нулями и единицами. Длина слова может быть равна 2, 4 байтам, в зависимости от разрядности процессора. В 32-х разрядных компьютерах машинное слово имеет длину 4 байта, то есть длина 1 слова равна 8 битам.

В современных компьютерах символы и цифры кодируются при помощи специальных таблиц. Это происходит следующим образом. При нажатии на какую-либо клавишу на клавиатуре по кодовой таблице определяется соответствующий код этого знака, и он вводится в память компьютера для дальнейшей обработки.

Необходимо помнить, что в настоящее время для кодировки русских букв используют пять различных кодовых таблиц (КОИ - 8, СР1251, СР866, Мас, ISO), причем тексты, закодированные при помощи одной таблицы не будут правильно отображаться в другой кодировке. Наглядно это можно представить в виде фрагмента объединенной таблицы кодировки символов.

13. Помехозащищенными, или корректирующими, кодами называются коды, позволяющие обнаружить или обнаружить и исправить ошибки в кодовых комбинациях. Отсюда и деление этих кодов на две группы: коды с обнаружением ошибок и коды с обнаружением и исправлением ошибок. Помехозащищенные коды значительно сокращают общее число передаваемых команд: чем выше помехозащищенность, тем меньшее число кодовых комбинаций используют для передачи сообщений при одном и том же числе импульсов в кодовой комбинации

Простейшим примером блочного кодирования является дополнение до четности. В этом случае каждый блок делится на группы, которые дополняются одним битом со значением единица или ноль, в зависимости от того четное или нечетное количество единиц в исходной группе.

Р ассмотрим, как можно использовать дополнение до четности для исправления ошибки на примере кодирования массива из 9 бит: 100 110 101.

Запишем этот массив в виде матрицы три на три и дополним каждую строку и столбец матрицы до четного количества единиц.

Таким образом, исходный массив после кодирования примет вид: 100 110 101 100 111. Допустим, что после передачи данных произошла ошибка в 4-ом бите сообщения, и полученный массив принял вид: 100 010 101 100 111.

Произведем его декодирование, для чего запишем в виде матрицы 4 на 4, где матрица 3 на 3 - исходные данные, которые надо было передать, остальные элементы матрицы – коды дополнения до четности. Проведя суммирование бит в строках и столбцах, видим, что в первом столбце и второй строке количество единиц - нечетное, а, следовательно, в них содержатся ошибки.

Так как дополнение до четности позволяет обнаружить только одну ошибку, то примем за аксиому, что в блоке только одна ошибка. Теперь становится очевидным, что ошибочный бит может быть только на пересечении строки и столбца с нечетным количеством единиц. Инвертировав его на противоположный, мы восстановим испорченные данные.

Характерные особенности кода Грея:

1) каждая последующая комбинация всегда отличается от предыдущей только в одной позиции (в одном разряде);

2) смена значений элементов в каждом разряде (1 на 0 или 0 на 1) при переходе от комбинации к комбинации в коде Грея происходит вдвое реже, чем в натуральном двоичном коде. Это свойство кода Грея позволяет получить точность кодирования выше по сравнению с натуральным двоичным кодом при том же быстродействии схемы кодирования;

3) при сложении двух соседних комбинаций кода Грея по модулю 2 (mod2) число единиц равно числу разрядов минус три (n-3). Это свойство кода Грея можно использовать для проверки правильности принятых комбинаций.

В коде Грея можно выделить оси симметрии (оси отражения), относительно которых наблюдается идентичность элементов в некоторых разрядах. Так, например, имеет место симметрия относительно оси, проведенной между числами 7 и 8 (идентичны три символа младших разрядов). Эта особенность и послужила основанием для введения термина «рефлексный», то есть отраженный код.

Рассмотренные свойства кода Грея показывают, что он удобен для аналого-цифрового преобразования различных непрерывных сообщений и их передачи по каналам связи (сервосистемы). Недостатком кода Грея и других рефлексных кодов является то, что эти коды невзвешенные, их трудно обрабатывать с помощью ЭВМ, так как сложнее выполнять декодирование.

14. Главной особенностью конструкции этой машины является программный принцип работы. Принцип программы, хранимой в памяти компьютера, считается важнейшей идеей современной компьютерной архитектуры. Суть идеи заключается в том, что 1) программа вычислений вводится в память ЭВМ и хранится в ней наравне с исходными числами; 2) команды, составляющие программу, представлены в числовом коде по форме ничем не отличающемся от чисел. В основу работы компьютеров положен программный принцип управления, состоящий в том, что компьютер выполняет действия по заранее заданной программе. Этот принцип обеспечивает универсальность использования компьютера: в определенный момент времени решается задача соответственно выбранной программе. После ее завершения в память загружается другая программа и т.д. Программа - это запись алгоритма решения задачи в виде последовательности команд или операторов языком, который понимает компьютер. Конечной целью любой компьютерной программы является управление аппаратными средствами. Для нормального решения задач на компьютере нужно, чтобы программа была отлажена, не требовала доработок и имела соответствующую документацию. Поэтому, относительно работы на компьютере часто используют термин программное обеспечение (software), под которым понимают совокупность программ, процедур и правил, а также документации, касающихся функционирования системы обработки данных. Программное и аппаратное обеспечение в компьютере работают в неразрывной связи и взаимодействии. Состав программного обеспечения вычислительной системы называется программной конфигурацией.

Архитектура фон Неймана — широко известный принцип совместного хранения программ и данных в памяти компьютера. Вычислительные системы такого рода часто обозначают термином «Машина фон Неймана», однако, соответствие этих понятий не всегда однозначно. В общем случае, когда говорят об архитектуре фон Неймана (нем. von Neumann), подразумевают физическое отделение процессорного модуля от устройств хранения программ и данных. Отличительной особенностью архитектуры фон Неймана является то, что инструкции и данные хранятся в одной и той же памяти. Этапы цикла выполнения: 1.Процессор выставляет число, хранящееся в регистре счётчика команд, на шину адреса, и отдаёт памяти команду чтения; 2.Выставленное число является для памяти адресом; память, получив адрес и команду чтения, выставляет содержимое, хранящееся по этому адресу, на шину данных, и сообщает о готовности;3. Процессор получает число с шины данных, интерпретирует его как команду (машинную инструкцию) из своей системы команд и исполняет её; 4.Если последняя команда не является командой перехода, процессор увеличивает на единицу (в предположении, что длина каждой команды равна единице) число, хранящееся в счётчике команд; в результате там образуется адрес следующей команды; 5.Снова выполняется п. 1. Данный цикл выполняется неизменно, и именно он называется процессом (откуда и произошло название устройства).

15-18. В основу архитектуры современных персональных компьютеров положен магистрально-модульный принцип.. Модульная организация компьютера опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между устройствами.

Магистраль включает в себя три многоразрядные шины: шину данных, шину адреса и шину управления. Шины представляют собой многопроводные линии.

Для достижения максимальной универсальности и упрощения протоколов обмена информацией в микропроцессорных системах применяется так называемая шинная структура связей между отдельными устройствами, входящими в систему. Суть шинной структуры связей сводится к следующему.

Рис. 1.5.  Классическая структура связей.

При классической структуре связей (рис. 1.5) все сигналы и коды между устройствами передаются по отдельным линиям связи. Каждое устройство, входящее в систему, передает свои сигналы и коды независимо от других устройств. При этом в системе получается очень много линий связи и разных протоколов обмена информацией.

При шинной структуре связей (рис. 1.6) все сигналы между устройствами передаются по одним и тем же линиям связи, но в разное время (это называется мультиплексированной передачей). Причем передача по всем линиям связи может осуществляться в обоих направлениях (так называемая двунаправленная передача). В результате количество линий связи существенно сокращается, а правила обмена (протоколы) упрощаются. Группа линий связи, по которым передаются сигналы или коды как раз и называется шиной (англ. bus).

Понятно, что при шинной структуре связей легко осуществляется пересылка всех информационных потоков в нужном направлении, например, их можно пропустить через один процессор, что очень важно для микропроцессорной системы. Однако при шинной структуре связей вся информация передается по линиям связи последовательно во времени, по очереди, что снижает быстродействие системы по сравнению с классической структурой связей.

Рис. 1.6.  Шинная структура связей.