Классическая архитектура эвм
Классическая архитектура ЭВМ, построенная по принципу фон Неймана (фон-неймановская архитектура) и реализованная в вычислительных машинах двух (трех) поколений, представлена ниже и содержит следующие основные блоки:
арифметическо-логическое устройство (АЛУ), выполняющее арифметические и логические операции;
управляющее устройство (УУ), организующее процесс выполнения программ;
внешнее запоминающее устройство (ВЗУ), или память, для хранения программ и данных;
оперативное запоминающее устройство (ОЗУ);
устройства ввода и вывода информации (УВВ).
Архитектура фон Неймона и Гарвардская архитектура
В чистой архитектуре фон Неймана процессор в каждый момент времени может либо читать инструкцию, либо читать/записывать единицу данных из/в памяти. Оба действия одновременно происходить не могут, поскольку инструкции и данные используют один и тот же поток (шину).
В компьютере с использованием гарвардской архитектуры процессор может читать инструкции и выполнять доступ к памяти данных одновременно, без использования кэш-памяти. Таким образом, компьютер с гарвардской архитектурой при определенной сложности схемы быстрее, чем компьютер с архитектурой фон Неймана, поскольку шины инструкций и данных расположены на разных, не связанных между собой физически, каналах.
Исходя из физического разделения шин команд и данных, разрядности этих шин (следовательно, и адресные пространства) могут иметь различные значения и физически не могут пересекаться друг с другом.
Двоичная арифметика. Представление чисел и информации в эвм.
Cпособы представления информации в ЭВМ.
Представление целых чисел. Для эффективности использования памяти в ЭВМ используют разные методы представления целых чисел. При этом применяется формат с фиксированной запятой. Для положительных (без знаковых) чисел все биты ячейки памяти участвуют в указании количественного значения числа.
В случае если нужно указать число со знаком, старший бит в двоичной системе выделяется для указания знака. Для замены операции вычитания операцией сложения, отрицательные числа в памяти компьютера хранятся в дополнительном коде.
Представление вещественных чисел. Для выполнения операций с большей точностью в компьютере используется формат представления чисел с плавающей запятой. При таком кодировании часть разрядов отводится для указания порядка, другая часть для указания мантиссы и один бит для указания знака. Операции над такими числами выполняет математический сопроцессор.
Представление текстовой информации. В случае текстовой информации, каждому символу сопоставляется двоичное число, образуя таблицу кодировок символов. Существует различные стандарты кодировок: ASCII, UCS-2, UCS-4.
Представление графической информации. Для кодирования графической информации все изображение делиться на равные участки – пиксели. Чем больше пикселей, тем качественнее представление графического изображения. Каждый пиксель задается двоичным кодом цвета дискретизированной области. В основном применяют кодировки RGB (Red-Green-Blue) - для устройств, работающих по принципу излучения (мониторы), CMYK (Cyan-Yellow-Magenta-Black) - для устройств, работающих по принципу отражения от белого (печать на бумагу). В системе RGB при глубине цвета 24 бита, состояние пикселя задается 24 битами, из которых 8 бит используется для задания интенсивности красного, 8 бит – интенсивности зеленого и последние 8 бит - интенсивности синего. Таким образом, три цвета, смешиваются в разных соотношениях, и получается 224 различных цветов.
Представление звуковой информации. В электронных устройствах регистрации звука формируется непрерывно меняющиеся во времени напряжение или ток, т.е. аналоговый электрический сигнал. Для записи этого сигнала в компьютер необходима дискретизация этого сигнала по уровню и по времени. Эту функцию выполняю специальные электронные устройства – аналогово-цифровые преобразователи. Через каждый короткий промежуток времени в виде двоичного числа регистрируется уровень сигнала. Таким образом, звуковой сигнал представляет собой поток двоичных чисел. Обычно глубина кодирования (дискретизация по уровню) составляет 16 бит (65536 уровней), а частота дискретизации 24000 раз в секунду. При воспроизведении звука цифровыми устройствами, поток чисел обратно представляются в аналоговый сигнал при помощи цифро-аналогового преобразователя. Универсальный звуковой формат файла без сжатия это WAV. Наиболее распространенный формат со сжатием - MP3.
Представление видео - информации. Видео представляет собой поток последовательно сменяющихся кадров изображений. Следовательно, представление видео в ЭВМ сводится к представлению потока графической информации. Телевизионный формат воспроизведения видео использует разрешение кадра 720*576 точек с 24 битовой глубиной цвета. Скорость воспроизведения составляет 25 кадров в секунду. Объем передаваемой при этом информации составляет: 24бита*720*576*25=248832000 бит/с или приблизительно 30 Мбайт/с. Это составляет очень большой поток данных, поэтому при хранении и передачи видео используют разные методы сжатия (MPEG, AVI). В современных цифровых видеокамерах запись видео выполняется в цифровой форме после предварительного сжатия.