Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Учебное пособие по курсу «Информатика». Ч.2. Учебное пособие
.pdf
1
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное
образовательное учреждение высшего образования
«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Инженерно-технологическая академия
Е. Р. МУНТЯН
Учебное пособие
по курсу:
ИНФОРМАТИКА
Часть 2
Ростов-на-Дону – Таганрог
Издательство Южного федерального университета
2019
Содержание
2
УДК 004 (075.8)
ББК 73я73
М906
Печатается по решению кафедры вычислительной техники
Института компьютерных технологий и информационной
безопасности Южного федерального университета
(протокол № 11 от 27 марта.2019 г.)
Рецензенты:
доктор технических наук, профессор, профессор кафедры естествознания
и безопасности жизнедеятельности Таганрогского института
им. А. П. Чехова «РГЭУ (РИНХ)» В. И. Божич
кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры математического
и программного обеспечения Института компьютерных технологий
и информационной безопасности
Южного федерального университета В. В. Хашковский
Мунтян, Е. Р.
М906 Учебное пособие по курсу «Информатика». Часть 2 : учебное посо-
бие. – 2-е доп. изд. / Е. Р. Мунтян ; Южный федеральный университет.
– Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство Южного федерального
университета, 2019. – 98 с.
ISBN 978-5-9275-3313-8
Часть 2. – 98 с.
ISBN 978-5-9275-3401-2 (Ч. 2)
Учебное пособие по курсу «Информатика» представляет собой часть
конспекта лекций по данной дисциплине и содержит теоретический материал,
дополненный списками вопросов по темам. В качестве теоретического материала рассмотрены следующие темы лекций: классификация и тенденции развития компьютеров, структура компьютера, внешние устройства, вычислительные системы и способы выполнения арифметических операций в ЭВМ.
Каждая тема завершается списком вопросов для самоконтроля.
Пособие предназначено для студентов всех форм обучения по всем
направлениям подготовки бакалавров и специальностям Института компьютерных технологий и информационной безопасности ЮФУ.
УДК 004 (075.8)
ББК 73я73
ISBN 978-5-9275-3313-8
ISBN 978-5-9275-3401-2 (Ч. 2)
© Южный федеральный университет, 2019
© Мунтян Е. Р., 2019
© Оформление. Макет. Издательство
Южного федерального университета, 2019
Содержание
3
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………...
6
1. ИСТОРИЯ КОМПЬЮТЕРОВ. КЛАССИФИКАЦИЯ КОМПЬЮ-
ТЕРОВ. ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ КОМПЬЮТЕРОВ ………………
8
1.1. Классификация ЭВМ по принципу действия …………………..
8
1.2. Классификация ЭВМ по поколениям ……………………………
9
1.2.1. Первое поколение ЭВМ ………………………………………….
9
1.2.2. Второе поколение ЭВМ …………………………………………
10
1.2.3. Третье поколение ЭВМ ………………………………………….
11
1.2.4. Четвертое поколение ЭВМ …………………………………….
12
1.2.5. Пятое поколение ЭВМ …………………………………………..
13
1.3. Классификация ЭВМ по области применения ………………….
16
1.4. Классификация ЭВМ по назначению ……………………………
17
1.5. Классификация ЭВМ по размеру и функциональным возмож-
ностям ………………………………………………………………….
17
Вопросы для самоконтроля …………………………………………...
20
2. СТРУКТУРА КОМПЬЮТЕРА ………………………………………
21
2.1. Архитектура и структура ЭВМ …………………………………..
21
2.1.1. Классическая фоннеймановская структура ЭВМ …………
22
2.1.2. Другие компьютерные структуры …………………………...
24
2.2. Базовая конфигурация и структура компьютера ………………..
24
2.2.1. Материнская плата ПК. Системная шина …………………
25
2.2.2. Материнская плата ПК. Микропроцессор ………………….
26
2.2.3. Материнская плата ПК. Микропроцессорный комплект
(чипсет) ……………………………………………………………………
31
2.2.4. Материнская плата ПК. Основная память …………………
32
2.2.5. Жесткий диск (винчестер) ……………………………………..
36
2.2.6. Контроллеры (адаптеры) ………………………………………
36
2.2.7. Генератор тактовых импульсов ……………………………...
39
2.2.8. Источник питания и таймер …………………………………..
39
2.2.9. Дополнительные блоки компьютера …………………………
39
Вопросы для самоконтроля …………………………………………...
40
Содержание
4
3. ВНЕШНИЕ УСТРОЙСТВА КОМПЬЮТЕРА ………………………
41
3.1. Внешние носители памяти ……………………………………….
41
3.2. Устройства ввода. Клавиатура …………………………………...
42
3.3. Устройства ввода. Манипуляторы ………………………………
44
3.4. Устройства ввода. Сканеры ……………………………………...
44
3.5. Устройства ввода видеоинформации ……………………………
45
3.6. Устройства ввода звуковой информации ………………………..
45
3.7. Устройства вывода. Мониторы ………………………………….
46
3.8. Устройства вывода. Принтеры …………………………………..
47
3.8.1. Механические принтеры ………………………………………….
48
3.8.2. Безударные принтеры ……………………………………………..
50
3.8.3. Многофункциональные устройства ……………………………
53
3.8.4. Плоттеры ……………………………………………………………
53
3.9. Средства связи и телекоммуникациим …………………………..
53
Вопросы для самоконтроля …………………………………………...
54
4. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ………………………………….
56
4.1. Многомашинная вычислительная система ……………………...
56
4.2. Многопроцессорная архитектура ………………………………..
57
4.3. Архитектура с параллельными процессорами ………………….
57
Вопросы для самоконтроля …………………………………………...
58
5. ВЫПОЛНЕНИЕ АРИФМЕТИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ В ЭВМ …….
59
5.1. Арифметические операции над двоичными числами с фикси-
рованной запятой ……………………………………………………...
59
5.1.1. Сложение и вычитание двоичных чисел ……………………….
59
5.1.2. Умножение чисел с фиксированной запятой …………………
64
5.1.3. Деление чисел в прямом коде ……………………………………..
70
5.1.4. Деление чисел в прямых кодах с восстановлением остатка ….
72
5.1.5. Деление чисел в прямых кодах без восстановления остатка
75
5.1.6. Деление чисел в дополнительных кодах без восстановления
остатка ……………………………………………………………………..
78
5.2. Арифметические операции над двоичными числами с плаваю-
щей запятой ……………………………………………………………
81
5.2.1. Сложение и вычитание чисел, представленных в форме с
плавающей запятой ……………………………………………………….
82
Содержание
5
5.2.2. Умножение чисел с плавающей запятой ………………………
85
5.2.3. Деление чисел с плавающей запятой ……………………………
86
5.3. Описание работы программного симулятора-тренажера ………
86
Вопросы для самоконтроля …………………………………………...
90
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ………………………………………………………….
92
ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ …………………
93
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ……………………………………………...
95
Содержание
6
ВВЕДЕНИЕ
Круг вопросов, относящихся к информатике как технической науке
о методах и средствах сбора, хранения, воспроизведения, обработки и передачи данных и знаний средствами вычислительной техники и техники
связи, очень широк. В современной науке и технике информатика занимает
одно из ключевых мест. Овладение основами информатики позволяет специалисту на принципиально новых позициях решать проблемы усиления
интеллектуальных возможностей человека [1].
Данные являются диалектической составной частью информации.
Они представляют собой зарегистрированные сигналы и несут в себе информацию о событиях, произошедших в материальном мире, являются регистрацией сигналов, возникших в результате этих событий. Однако данные не тождественны информации. Чтобы данные превратились в информацию, необходимо знать метод их преобразования (например, цену деления шкалы настенных часов; язык, на котором написан текст на экране телевизора или на афише; назначение каждого из цветов светофора; алгоритм
нахождения произведения двух чисел и т.д.). В учебнике для вузов под редакцией С.В. Симоновича [2] информация определена как продукт взаимодействия данных и адекватных им методов обработки.
Важнейшая задача информатики – систематизация приемов и методов работы над совершенствованием аппаратных и программных средств
вычислительной техники, средств взаимодействия аппаратного и программного обеспечения, взаимодействия человека с аппаратными и программными средствами, внедрение информационного обеспечения во все
сферы деятельности общества и человека. Для информационного общества
характерно обеспечение требуемой степени информированности всех его
членов, возрастание объёма и уровня информационных услуг.
Основное назначение этого пособия – помочь студентам, изучающим курс «Информатика», ознакомиться с этапами развития ЭВМ и вычислительных систем, базовой структурой компьютера, внешними устройствами, усвоить основные принципы выполнения арифметических операций в ЭВМ и алгоритмы обработки числовой информации с фиксированной и плавающей запятой.
Введение
7
Для получения практических навыков выполнения арифметических
операций в ЭВМ над числами, представленными в двоичной системе счисления, на кафедре вычислительной техники Института компьютерных технологий и информационной безопасности Южного федерального университета (ИКТИБ ЮФУ) разработан ряд электронных тренажеров.
Так, например, программный симулятор-тренажер [3] предназначен
для выполнения арифметических операций (сложение, вычитание, умножение, деление) над двоичными числами в форме с фиксированной и плавающей запятой, представленными в дополнительном коде. Разработанный
симулятор-тренажер позволяет в пошаговом режиме выполнять арифметические операции над числами, осуществлять режим проверки и выводить
результаты на печать.
Электронный тренажер «Выполнение арифметических операций в
прямом коде» [4] позволяет демонстрировать работу алгоритмов выполнения операций в прямых кодах и может применяться для промежуточного
контроля знаний студентов в рамках курса «Информатика».
Следует отметить, что дисциплина «Информатика» занимает устойчивое положение в реализации основных задач образовательных профессиональных программ подготовки бакалавров и специалистов в области
информационной безопасности, а также информатики и вычислительной
техники на протяжении ряда лет. В Институте компьютерных технологий
и информационной безопасности традиционно используются общие подходы к реализации данной дисциплины, постоянно развивается ее методико-педагогическое обеспечение в соответствии с потребностями ITобщества [5, 6, 7, 8, 10].
Лекторами курса «Информатика» для повышения академической активности студентов и совершенствования их профессиональных навыков
внедрены и активно используются различные формы организации аудиторных занятий и самостоятельной работы обучающихся [7, 9, 19].
2. Структура компьютера
8
1. ИСТОРИЯ КОМПЬЮТЕРОВ.
КЛАССИФИКАЦИЯ КОМПЬЮТЕРОВ.
ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ КОМПЬЮТЕРОВ
Компьютер или электронная вычислительная машина представляет
собой совокупность технических средств, которые предназначены для автоматической обработки информации во время решения вычислительных
и информационных задач.
ЭВМ принято классифицировать следующим образом [11]:
1) по принципу действия;
2) по поколениям;
3) по области применения;
4) по назначению;
5) по размерам и функциональным возможностям;
6) по способам организации вычислительного процесса;
7) по конструктивным особенностям.
1.1. Классификация ЭВМ по принципу действия
По принципу действия вычислительные машины делятся на три
больших класса (рис. 1):
аналоговые вычислительные машины (АВМ) – вычислитель-
ные машины непрерывного действия, работают с информацией, представленной в непрерывной (аналоговой) форме, т.е. в виде непрерывного ряда
значений какой-либо физической величины (чаще всего электрического
напряжения),
цифровые вычислительные машины (ЦВМ) – вычислительные
машины дискретного действия, работают с информацией, представленной
в дискретной, а точнее, в цифровой форме,
гибридные вычислительные машины (ГВМ) – вычислительные
машины комбинированного действия, работают с информацией, представленной и в цифровой, и в аналоговой форме; они совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ. ГВМ целесообразно использовать для решения задач
управления сложными быстродействующими техническими комплексами.
1.2. Классификация ЭВМ по поколениям
9
Вычислительные машины
АВМ ГВМ ЦВМ
Рис. 1. Классификация ЭВМ по принципу действия
1.2. Классификация ЭВМ по поколениям
1.2.1. Первое поколение ЭВМ
К первому поколению обычно относят машины, созданные на рубеже 50-х гг., с использованием электронных ламп. Эти компьютеры
были огромными, неудобными и слишком дорогими машинами, которые
могли приобрести только крупные корпорации и правительства. Лампы потребляли огромное количество электроэнергии и выделяли много тепла.
К этому поколению относились такие компьютеры, как «Эниак»,
Mark-I, МЭСМ (малая электронная счётная машина), БЭСМ, Стрела,
Урал 1-4, М-20, PDP-1.
МЭСМ была первой универсальной ламповой ЭВМ в СССР (рис. 2).
Рис. 2. Внешний вид малой электронной счётной машины
1. История компьютеров. Классификация компьютеров. Тенденции развития…
10
Отличительными особенностями ЭВМ первого поколения был не-
большой набор команд, достаточно простая схема арифметико-логического устройства и устройства управления, отсутствие программного обеспечения, ввод-вывод с помощью перфоленты, перфокарт, магнитной ленты
и печатающих устройств.
Быстродействие компьютеров этого поколения составляло
10–20 тысяч операций в секунду, емкость оперативной памяти – не-
сколько десятков слов.
Программы для этих машин писались на языке конкретной машины.
1.2.2. Второе поколение ЭВМ
Второе поколение компьютерной техники – это машины, сконстру-
ированные примерно в 1955–1965 гг. Характеризуются использованием в
них как электронных ламп, так и дискретных транзисторных логических
элементов. В это время стал расширяться диапазон применяемого оборудования ввода-вывода.
Оперативная память этих компьютеров была построена на магнитных сердечниках. Компьютеры имели высокопроизводительные устройства для работы с магнитными лентами, магнитные барабаны и первые магнитные диски.
К ЭВМ второго поколения относят PDP-8, IBM 7090, БЭСМ-6,
Урал-11, Урал-14, Урал-16.
Быстродействие компьютеров этого поколения составляло до сотен тысяч операций в секунду, емкость оперативной памяти – до нескольких десятков тысяч слов (десятки кБ).
Для компьютеров второго поколения были разработаны первые
языки программирования высокого уровня, средства которых допускают
описание всей необходимой последовательности вычислительных действий в наглядном, легко воспринимаемом виде.
В 1965 г. группой инженеров в Институте точной механики и вычислительной техники АН СССР под руководством С. А. Лебедева была создана полупроводниковая ЭВМ БЭСМ-6 («Быстродействующая электронная счетная машина»), рис. 3.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]