Основы информатики программирования и вычислительной математики. Ча

вует начальному состоянию системы, описываемой логической схемой или языком программирования, а вершины – это состояния, в которые система переходит в результате выполнения различных операций; листья – конечные состояния системы. На этой основе разработаны современные инженерно-графические программы.

В процессе кодировки графической информации изображения производится пространственная дискретизация. Изображение раз-

бивается на отдельные маленькие фрагменты (пиксели), каждому из которых присваивается код его цвета. Качество кодирования изображения зависит от количества пикселей и количества различных используемых кодов, соответствующих различным оттенкам цвета.

Пиксели располагаются равномерно по строкам. Количество строк и количество пикселей в строке определяется разрешающей способностью устройства, которое вводит (сканер) или выводит (монитор) изображение. В современных ПК обычно используются четыре разрешающие способности монитора: 640×480, 800×600, 1024×768, 1280×1024 (первое число – число пикселей в строке, второе – число строк). Разрешающая способность глаза человека не превышает 1 дюйма, что на расстоянии вытянутой руки (75 см) составляет 0,22 мм. Расчеты показывают, что на мониторах с диагональю 15 дюймов (это соответствует разрешающей способности экрана 1280×1024) диаметр пикселя равен 0,21 мм. Для подавляющего большинства людей, не отличающихся острым зрением, достаточно и 800×600 (диаметр пикселя – 0,35 мм).

Используемый набор оттенков цвета называется палитрой. Количество битов в двоичном коде цвета каждого пикселя называется глубиной цвета. Если глубина цвета равна n, то палитра содержит 2n различимых оттенка цвета. Цвет формируется за счет смешивания трех базовых цветов разной интенсивности: красного (red), зеленого (green) и синего (blue). ТакаямодельполученияцветаполучиланазваниеRGB-моделипо первым английским буквам названий цветов. Если интенсивность каждого базового цвета кодируется 8 битами (1 байтом), то глубина цвета равна 24 (8 · 3), а палитра содержит 224 = = 16 777 216 оттенков цвета (систематочнойцветопередачиTrue Color).

51

elib.pstu.ru

Часто используют также систему высококачественной цветопередачи High Color с глубиной цвета, равной 16, и палитрой, имеющей 216 = 65 536 оттенков цвета. Такая палитра более чем достаточна, так как большинство людей различает не более 10 000 оттенков цвета. Таким образом, объем памяти, необходимой для хранения изображения с разрешающей способностью 800×600 и с глубиной цвета

16 бит, составляет 800 · 600 · 16 бит = 960 000 Б = 0,92 МБ.

Видеоизображение характеризуется теми же параметрами, что и графическое, а также дополнительно частотой смены кадров. Человек воспринимает последовательность кадров, сменяющихся

счастотой 24 кадра в секунду, как плавное, динамически меняющиеся изображение. Для хранения одной минуты видеоинформации

сразрешающей способностью 800×600 и с глубиной цвета 16 бит

необходимо иметь память объемом 0,92 · 24 · 60 МБ = 1318 МБ = = 1,29 ГБ. Таким образом, для хранения графической информации и тем более видеоинформации в форме, получившейся после вышеописанной дискретизации, нужны носители информации достаточно большого объема. Эта проблема решается при использовании различных способов сжатия информации либо за счет уменьшения качества изображения.

Для кодирования звуковой информации сначала необходимо осуществить дискретизацию непрерывного звукового сигнала (фонограммы). Фонограмму можно упрощенно представить как акустическую волну с непрерывно меняющейся амплитудой и частотой. Амплитуда сигнала определяет его громкость, а частота – тон: чем больше частота сигнала, тем выше тон. Фонограмма дискретизируется по времени: при этом непрерывная зависимость амплитуды сигнала от времени A(t) заменяется ступенчатой (рис. 14).

Качество воспроизведения звука зависит от двух параметров: количества дискретных уровней громкости и количества измерений уровня громкости в единицу времени (частоты дискретизации).

52

elib.pstu.ru

4.Поясните на примере правила перевода целой и дробной частей числа, представленного в двоичной системе счисления, в восьмеричную или шестнадцатеричную системы счисления.

5.Поясните на примере правила перевода целой и дробной частей числа, представленного в восьмеричной или шестнадцатеричной системе счисления, в двоичную систему счисления.

6.Поясните на примере правила перевода целой и дробной частей числа, представленного в восьмеричной системе счисления, в шестнадцатеричную систему счисления и наоборот.

7.Расскажите о представлении отрицательных чисел в ПК. Для чегонеобходимопредставлениечиславформедополнительногокода?

8.Поясните на примере алгоритм преобразования числа в форму дополнительного кода. Перечислите свойства дополнительного кода числа.

9.Поясните на примерах правила сложения, вычитания, умножения и деления чисел, представленных в двоичной системе счисления.

10.Расскажите о кодировании символьной, звуковой и графической информации на ПК.

54

elib.pstu.ru

3. ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АИС. АРХИТЕКТУРА ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА

Общие принципы работы компьютеров сформулировал американский математик Дж. фон Нейман еще в 40-х годах XX века. Согласно этим принципам любую ЭВМ образуют три главных компонента: процессор, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и устройство ввода и вывода информации (рис. 15).

Рис. 15. Устройство компьютера по принципу Дж. фон Неймана

Руководит обработкой процессор (от англ. слова process – обрабатывать), который состоит из двух больших блоков. Команды и данные вводятся в оперативную память машины (электронное устройство с коротким временем доступа). Устройство управления процессора выбирает команды из ОЗУ и организует их выполнение, а арифметико-логическое устройство проводит над ними операции. С процессором и ОЗУ связаны внешние устройства: клавиатура, дисплей, магнитные диски, принтер и т.д., которые обеспечивают ввод, вывод и долговременное хранение информации.

55

elib.pstu.ru

Возможности современного ПК определяются характеристиками его функциональных блоков. Замена одного блока на другие в настоящее время не представляет особой проблемы, и при необходимости можно достаточно быстро произвести модернизацию ПК. Однако современный рынок компьютерной техники столь разнообразен, что довольно не просто выбрать нужный блок, определить конфигурацию ПК с требуемыми характеристиками. Без специальных знаний здесь практически не обойтись.

На рис. 16 приведена структурная схема классического набора ПК. Все эти элементы компьютера в настоящее время являются неотъемлемыми составляющими пользователя.

Рис. 16. Структурная схема подключения устройств компьютера

Большинство компонентов ПК (системная плата, приводы накопителей, блок питания и др.) размещаются в системном блоке. Некоторые из них показаны на рис. 17. От конфигурации и размеров системного блока зависят возможность дальнейшего расширения (количества установочных мест для плат расширения), транспортировка, доступ к компонентам и др.

Основным компонентом системного блока является системная (материнская) плата. Как видно из рис. 17, на ней устанавливаются

56

elib.pstu.ru

микропроцессор (МП), модули оперативной памяти и другие компоненты, определяющие архитектуру ПК.

Системный блок

Системная (материнская) плата

Математический

сопроцессор

Рис. 17. Блок-схема устройства персонального компьютера

1. Микропроцессор. Это центральный блок ПК, предназначенный для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операций над информацией, т.е. МП – это основа компьютера. Без него компьютер существовать не может.

В состав микропроцессора входят:

Арифметико-логическое устройство (АЛУ). АЛУ выполняет первую функцию МП – обработку данных, их вычисление и перемещение. Кроме этого на АЛУ поступают сигналы – преобразованные коды операторов программы (команды), указывающие последовательность действий над поступившими данными. Перечень команд, принимаемых АЛУ, фактически определяет возможности МП.

57

elib.pstu.ru

Таким образом, АЛУ предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией (в некоторых моделях ПК для ускорения выполнения операций к АЛУ подключается дополнительный математический сопроцессор).

Устройство управления (УУ). Предназначено для управления машиной или выполнения программ при помощи дешифратора, преобразующего двоичный код операторов программы в сигналы, поступающие на все узлы МП по линии управления.

Кроме команд управления на УУ поступают от генератора тактовые импульсы, синхронизирующие работу МП. Эта синхронизация заключается в выполнении МП двух непрерывно повторяющихся шагов: считывания очередной команды из памяти (цикл выборки – Fetch) и выполнения операций, предписываемых этой командой (Execute – цикл выполнения). Совокупность этих шагов образует машинный цикл, который соответствует почти всем процессорам.

Кроме организации этого цикла и дешифрации команд УУ выполняет некоторые другие функции, в частности управляет систем-

ной (шиной) магистралью передачи данных, т.е. определяет, какое устройство ПК в данный момент может ею пользоваться.

Исходя из вышеизложенного можно сформулировать назначение УУ следующим образом. Устройство управления формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполняемой операции и результатами предыдущих операций; формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки машины; опорную последовательность импульсов устройство управления получает от генератора тактовых импульсов.

Микропроцессорная память (МПП) служит для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в вычислениях в ближайшие такты работы машины. Ячейка памяти микропроцессора имеет две характеристики: адрес – числовое значение, индивидуально определяющее местонахожде-

58

elib.pstu.ru

ние ячейки в памяти, и содержимое – число, хранимое в данной ячейке. Очень важно не путать адрес с содержимым, хотя и то

идругое является числом. Для понимания различия между адресом

исодержимым можно провести аналогии: адрес памяти – адрес дома в городе, а содержимое – жильцы этого дома. Адрес ячейки – это номер книги по каталогу библиотеки, а содержимое ячейки – сама книга, стоящая на одной из полок книгохранилища.

Другими словами, МПП осуществляет процесс обращения к необходимым ячейкам памяти в ПК, в зависимости от назначения команды, и используется для обеспечения высокого быстродействия машины (обработки информации), так как основная память (ОП) не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора.

МПП состоит из быстродействующих регистров с разрядностью не меньше машинного слова.

Регистры – это устройства, представляющие собой отдельные ячейки внутренней быстродействующей памяти МП. Количество

иназначение регистров в реальных микропроцессорах различно, но восемь типов регистров встречаются практически всегда. Это регистры состояния, команд, адреса, счетчика команд, указателя стека, буферные регистры, аккумулятор и регистры общего назначения. Первые семь регистров называются регистрами специального назначения.

Интерфейсная система микропроцессора реализует сопряже-

ние и связь с другими устройствами ПК и выполняет следующие функции:

–формирование адреса порта (пункта системного интерфейса, через который МП обменивается информацией с другими устройствами) и управляющей информации для него (переключение порта на прием или передачу и др.);

–прием управляющей информации от порта, информации о готовности порта и его состоянии;

–организацию сквозного канала в системном интерфейсе для передачи данных между портом устройства ввода-вывода и МП.

59

elib.pstu.ru

Кэш-память процессора. В процессе различных вычислений у процессора накапливаются некоторое количество данных, которые ему нужно хранить, потому что они могут понадобиться в дальнейших операциях. Чтобы не переносить эти данные в модуль оперативной памяти, процессор хранит их в собственной памяти – кэш-памяти. Объем этой памяти влияет на скорость вычислений,

иопределяется типом процессора. Микропроцессоры, начиная от МП 80486, имеют свою встроенную кэш-память, чем, в частности,

иобусловливается их высокая производительность.

Первый микропроцессор был произведен фирмой Intel еще в 1971 году. Он назывался Intel 4004 и был разработан по заказу одной японской фирмы, намеревавшейся поставить его в свой новый калькулятор. Однако фирма разорилась и процессор остался в собственности фирмы Intel, которая продолжила над ним работу. В результате в начале 1980-х годов фирма IBM сделала процессор Intel основой своего компьютера, коим он и остается до сих пор.

Несмотря на то что процессор фирмы Intel до сих пор сохраняет безусловное первенство на рынке МП и ее процессоры занимают львиную долю (80–85 %) во всех персональных компьютерах, существует как минимум один весьма известный тип intel- совместимых процессоров AMD.

2. Генератор тактовых импульсов. Генерирует последова-

тельность электрических сигналов (импульсов), определяющих последовательность считывания информации. Частота генерируемых импульсов определяет тактовую частоту машины, т.е. этот параметр показывает количество действий, которые процессор может производить за одну секунду. Грубо говоря, чем больше это значение, тем быстрее работает процессор.

Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта работы машины или просто такт работы ма-

шины.

Частота генератора является одной из основных характеристик ПК и во многом определяет скорость его работы, так как каждая операция в машине выполняется за определенное количество тактов.

60

elib.pstu.ru