Gmail / Лекция1.Дубль1

Метою дисципліни ОП є вивчення теоретичних основ алгоритмізації і процедурного програмування на алгоритмічних мовах високого рівня та використання отриманих навичок при розв'язанні інженерних задач.

Основними завданнями даної дисципліни є:

формування базових знань з алгоритмізації та програмування;

вивчення сучасних концепцій побудови алгоритмічних мов високого рівня;

вивчення загальних принципів побудови програм як конкретних формулювань абстрактних специфікацій в межах інструментарію мов програмування високого рівня, що підтримують процедурну парадигму програмування;

опанування практичними прийомами процедурного програмування на мовах програмування високого рівня.

Архітектурні особливості сучасних комп'ютерів

Класична структура комп’ютера

Одним із основних засобів створення і обробки програм є електронна обчислювальна машина (ЕОМ) або комп'ютер. Комп'ютер - це універсальний пристрій для обробки дискретних (відокремлених) даних. Комп'ютер виконує операції введення інформації, зберігання та оброблення її за певною програмою, виведення одержаних результатів у формі, придатній для сприйняття людиною.

За кожну з названих операцій відповідають спеціальні блоки комп'ютера:

пристрій введення,

запам'ятовуючий пристрій,

центральний процесор,

пристрій виведення.

Всі ці блоки складаються з окремих дрібніших пристроїв. Зокрема в центральний процесор, що служить для виконання всіх обчислень і забезпечення загального керування роботою ПК, можуть входити арифметико-логічний пристрій (АЛП), внутрішній запам'ятовуючий пристрій у вигляді регістрів процесора та внутрішньої кеш-пам'яті, керуючий пристрій (КП). Пристрій введення, як правило, теж не є однією конструктивною одиницею. Оскільки види інформації, що вводиться, різноманітні, джерел може бути декілька. Це стосується і пристрою виведення.

Схематично загальна структура комп'ютера зображена на рис.1.

Рис. 1. Загальна структура комп'ютера

Базові принципи побудови і функціонування цифрового комп'ютера сформульовані американським вченим Джоном фон Нейманом (1945-46 рр.). Відповідно до Дж. фон Неймана в якості основних функціональних пристроїв комп'ютера (рис.3) виділяють:

1.Запам'ятовуючий пристрій (пам'ять), що служить для тимчасового (оперативна пам'ять) та тривалого (постійна пам'ять) зберігання програм і даних. Інформація в оперативній пам'яті зберігається тимчасово лише при включеному живленні; в постійній пам'яті дані можуть зберігатися навіть при вимкненому комп'ютері.

2

2.Керуючий пристрій (КП), який координує роботу вcix пристроїв комп'ютера та організовує процес виконання програм.

Керуючий пристрій

здійснює вибірку команд із пам'яті та їх розшифровування,

формує необхідні керуючі сигнали для виконання різних операцій (в тому числі і арифметичних),

забезпечує читання і запис інформації (команд і даних) в комірки пам'яті із заданою адресою,

реагує на аварійні ситуації,

виконує загальні функції управління всіма вузлами ПК (формує необхідні керуючі сигнали).

3.Арифметико-логічний пристрій (АЛП), що служить для виконання функцій обробки інформації (виконання арифметичних та логічних операцій над даними, перетворення кодів та ін.).

АЛП виконує заздалегідь задану множину інструкцій (систему команд) і настроюється на виконання конкретної інструкції керуючими сигналами, які надходять з КП.

4.Пристрої введення-виведення інформації, які ще називають зовнішніми пристроями.

Всучасних комп'ютерах КП та АЛП об'єднані в один функціональний блок – процесор (цен-

тральний процесор, мікропроцесор).

Слід зазначити, що пам'ять комп'ютера поділяється на внутрішню (до якої мікропроцесор має безпосередній доступ) і зовнішню (носії інформації, які можуть існувати окремо від комп'ютера, і призначені для довготривалого зберігання інформації).

Внутрішня пам’ять включає:

Постійну пам'ять (ROM - Read Only Memory). Це запрограмована виробником системна інформація, яка доступна тільки для читання (програми тестування і обслуговування комп'ютера, BIOS і т.ін). Реалізована у вигляді постійного запам’ятовуючого пристрою (ПЗП), об’єм якого – кілька десятків Кб. При вимкненні живлення інформація ПЗП зберігається. Програми, які зберігаються в ROM-пам'яті, запускаються автоматично при включенні живлення.

Оперативну пам'ять (ОП, RAM - Ramdom Access Memory). Служить для тимчасового зберігання програм і даних при їх обробці. При вимиканні живлення вміст ОП знищується.

Регістри мікропроцесора. Це найбільш швидкодійний, але найменший за обсягом різновид пам'яті ПК (1 10 байт). Регістри процесора служать для зберігання команд, даних, адрес в процесі виконання команди програми.

Кеш–пам’ять мікропроцесора. Служить для зберігання команд, що використовуються найчастіше. При пошуку даних мікропроцесор спочатку звертається до кеш-пам’яті, і тільки, якщо там немає потрібних даних, здійснюється звертання до ОП.

Мікропроцесор може обробляти тільки ті дані, які знаходяться в його внутрішній пам’яті.

До зовнішніх запам'ятовуючих пристроїв відносять різноманітні диски, флешки тощо. Інфopмaцiя, яка зберігається у зовнішній пам’яті, стає доступною для мікропроцесора тільки після того, як буде переписана в ОП.

Сукупність функціональних блоків (пристроїв) комп'ютера і зв’язків між ними називають

функціональною структурою комп'ютера.

Поняття архітектури комп’ютера

Структура комп'ютера визначає конкретний його склад на деякому рівні деталізації (пристрої, блоки, вузли, тощо) і описує всі внутрішні зв'язки. Однак, структуру комп'ютера слід відрізняти від його архітектури.

3

Під цим терміном розуміють сукупність логічних і фізичних принципів організації комп'ю- тера (рис. 2).

Архітектура ПК

Рис. 2. Основні компоненти архітектури комп'ютера

Основоположні принципи логічного устрою комп'ютера також сформульовані Дж. фон Нейманом. Вони передбачають:

використання для кодування інформації у комп’ютері двійкової системи числення;

програмне керування роботою комп'ютера;

однорідність пам’яті;

адресація пам’яті.

Принцип використання для кодування інформації двійкової системи числення. Для представлення даних і команд у комп’ютері використовується двійкова система числення.

Під системою числення розуміють сукупність прийомів і правил найменування та позначення чисел.

У повсякденній практиці використовується десяткова система числення, що базується на використанні у якості умовних знаків для запису чисел цифр від 0 до 9. У двійковій же системі числення для представлення чисел використовується дві цифри: 0 та 1. Їх називають двійковими цифрами або бітами (від англ. binary digit).

Такий код дуже зручний для представлення інформації у комп’ютері, що обумовлюється простотою його реалізації з технічної точки зору: намагнічена ділянка поверхні ототожнюється з 1, а ненамагнічена - з 0; високий рівень напруги приймається за 1, низький – за 0, тощо. Тому двійковий код також називають машинним кодом.

Одним бітом можуть бути закодовані два різних значення: 0 або 1. Якщо кількість бітів збільшити до двох, то ними можна уже виразити чотири незалежні значення: 00, 01, 10, 11. Трьома бітами можна закодувати вісім різних значень: 000, 001, 010, 01l, 100, 101, 110, 111. У загальному випадку

N =2m, де N — кількість незалежних значень; т — розрядність числа.

Тобто, збільшення на одиницю кількості розрядів числа збільшує кількість його незалежних значень в 2 рази.

Також досить просто виконуються в двійковій системі числення арифметичні і логічні операції. Зокрема, правила виконання арифметичних дій у двійковій системі числення:

Послідовність із 8 бітів утворює байт. За допомогою байта можна закодувати 256 (28) незалежних значень.

Для вимірювання кількості інформації використовують також:

Кілобайт (Кбайт). 1 Кбайт = 210 байт = 1024 байт. Одна сторінка неформатованого машинного тексту становить біля 2 Кбайт.

4

Мегабайт (Мбайт). 1 Мбайт = 1024 Кбайт = 220 байт. Книга із 500 сторінок тексту без малюнків містить приблизно 1Мбайт інформації.

Гігабайт (Гбайт). 1 Гбайт = 1024 Мбайт = 230 байт.

Терабайт (Тбайт). 1 Тбайт = 1024 Гбайт = 240 байт.

Принцип програмного керування. Забезпечує автоматизацію процесу обчислень на ПК. Згідно з цим принципом будь-яка послідовність дій, яку потрібно виконати за допомогою ПК, оформляється у вигляді програми, що складається із окремих команд (інструкцій), і послідовно (у сенсі черговості цих команд) виконується за допомогою деякого набору операцій, які здатен автоматично виконати даний комп'ютер.

Принцип однорідності пам’яті . Полягає у використанні спільної пам'яті для зберігання програм і даних. При цьому і команди програми, і дані кодуються у двійковій системі числення.

Використання єдиної області пам'яті дозволяє оперативно перерозподіляти ресурси між областями програм і даних, що істотно підвищує гнучкість ПК з точки зору розробника програмного забезпечення.

Принцип адресації пам’яті. Структурно пам'ять ПК складається з перенумерованих комірок, які служать для зберігання інформації (числового коду).

Кожна комірка має свій порядковий номер - адресу. Число, що зберігається в комірці, — це її значення або вміст. Якщо в k-й комірці міститься, наприклад, число т, то прийнято говорити «вміст комірки за адресою k дорівнює т».

У будь-який момент можна звернутися за адресою до будь-якої комірки пам'яті.

Натепер існує два основних типи архітектур комп'ютера: Прінстонська, яка часто називається архітектурою фон Неймана, і Гарвардська.

Різниця між ними полягає у тому, що в класичній фон-нейманівській архітектурі програми і дані зберігаються в загальній ОП і передаються в процесор по одному каналу (шині даних і управління), тоді як Гарвардська архітектура передбачає використання роздільних адресних просторів для зберігання команд і даних, а також окремі потоки передачі для команд і даних

(рис. 3 а, б).

Рис. 3. Основні типи архітектур комп'ютера Переваги фон-нейманівської архітектури архітектури:

спрощення устрою МП, так як реалізується звертання тільки до загальної ОП;

використання єдиної області пам'яті дозволяє оперативно перерозподіляти ресурси між областями програм і даних, що істотно підвищує гнучкість МП.

5

Переваги Гарвардської архітектури:

застосування невеликих за обсягом пам'яті даних сприяє прискоренню пошуку інформації в пам'яті і збільшує швидкодію МП;

наявність окремих шини даних і шини команд також дозволяє підвищити швидкодію МП;

з’являється можливість організувати паралельне виконання програм (кожна пам'ять з'єднується з процесором окремої шиною , що дозволяє одночасно з читанням - записом даних при виконанні поточної команди робити вибірку і декодування наступної команди).

Недоліком гарвардської архітектури є ускладнення архітектури МП і необхідність генерації додаткових керуючих сигналів для пам'яті команд і пам'яті даних.

Сучасний підхід передбачає, що в основі побудови однопроцесорних комп'ютерів, як і раніше, лежать принципи фон-Неймана, хоча і значно модифіковані. Багатопроцесорні ж комп'ютерні системи, здатні здійснювати паралельні обчислення, базуються на Гарвардській архітектурі.

Технологія виконання команд мікропроцесором

Як зазначалося раніше, для виконання програми необхідно, щоб її команди і дані знаходилися в ОП. Функціональну схему взаємодії мікропроцесора і ОП при виконанні програми можна представити наступним чином (рис. 4):

При цьому послідовність виконання дій є наступною:

1)ПК за допомогою пристроїв введення приймає інформацію у вигляді програм та даних і записує її в ОП;

2)дані, що зберігається в ОП, у відповідності із командами програми під керуванням КП пересилаються в АЛП для подальшої обробки;

3)результати, отримані після виконання відповідних команд, розміщуються в ОП і при потребі спрямовуються на пристрої виведення.

Команда ПК фон-нейманівської архітектури представляє собою послідовність двійкових розрядів, розділену на групи, наприклад,

Її формат складається з двох частин - командної і адресної. В командній частині вказується код операції (КОП), що зумовлює певну дію. Адресна частина містить адреси операндів (величин), що беруть участь у операції.

6

Залежно від вказаних у команді адрес розрізняють одноадресні, двоадресні, триадресні та чотириадресні команди. Одноадресна команда - зручна інструкція для таких дій, як передача значення змінної з пристрою вводу в елемент пам'яті з заданою адресою, передача вмісту комірки із заданою адресою в АЛП, складання вмісту АЛУ з вмістом заданої комірки і т.п. Для виконання операції додавання використовується триадресна команда (рис. 5). У чотирьохадресних командах четверта адреса, зазвичай, використовується для вказання місця, де розташована наступна виконувана інструкція.

Рис.5 Структура команди додавання

Для представлення команд у вигляді чисел необхідно мати дві кодуючі таблиці.

Перша таблиця (табл. 1) дозволяє поставити у відповідність операціями деякі коди. Такого типу таблиця є приналежністю конкретного типу ЕОМ, тобто "закладена" в неї при проектуванні.

Таблиця 1. Фрагмент системи команд абстрактної ЕОМ.

Кількість рядків у таблиці відповідає потужності множини команд, що складають систему команд цієї ЕОМ. Коди операцій, як і структура команди, визначаються при проектуванні ЕОМ.

Друга таблиця зв'язує адреси пам'яті (номери комірок) з іменами змінних, що використовуються при вирішенні конкретної задачі. Зрозуміло, що така таблиця не може бути задана так само, як таблиця кодів операцій, оскільки кількість задач необмежена. Вона повинна складатися для кожної задачі окремо і процес її складання називається розподілом пам'яті.

Нехай необхідно виконати обчислення величини а, яка задана виразом а = (b + c) d за умови, що вільною є пам'ять ЕОМ, починаючи з 100-ї комірки. Тоді під змінні можна "розподілити пам'ять", наприклад, таким чином (вибір в загальному випадку довільний): змінній а поставити у відповідність комірку з адресою 100, змінній b - комірку з адресою 101 і т.д. (табл. 2), в якій змінна r призначена для зберігання проміжних результатів.

При запису кодів команд, які забезпечують обчислення величини а, застосовується спеціальна форма запису (табл. 3).

7

Форма таблиці відповідає бланкам, які використовували програмісти на початку-середині 50их років ХХ століття. Правила складання такої таблиці очевидні за умови, що А1 є адресою першого операнда, А2 - адресою другого операнда і А3 - адресою результату.

Записана таким чином послідовність команд (програма) являє собою послідовність чисел, які можна розмістити в пам'яті ЕОМ.

Команди програми виконуються послідовно, починаючи з першої. Для виконання команди мікропроцесор переписує з ОП до своїх регістрів необхідні дані (операнди) і виконує вказану дію (операцію).

Основні регістри мікропроцесора:

регістр команд (РК) - служить для тимчасового зберігання команди в процесі її виконання; забезпечує поділ коду команди на код операції та коди адрес на фізичному (схемному) рівні;

регістри даних (РД);

регістр результату (РР);

регістр стану програми (РСП) - служить для виявлення признаку результату (4 біти):

1100 <= 0

Значення ознаки результату може аналізуватися ПК для прийняття рішення стосовно подальшої послідовності виконання програм.

лічильник команд (ЛК) - формує та тимчасово зберігає адресу виконуваної команди.

Нехай програма розміщена у вільній зоні пам'яті починаючи, наприклад, з комірки 501 (таке розміщення, зазвичай, здійснюється за допомогою складання номера команди з константою або так званим зміщенням, яке в даному випадку дорівнює 500). Тоді для автоматичного виконання програми досить занести в ЛК число 501 (так звану пускову адресу) і включити режим автоматичного виконання програми.

При цьому завжди буде проводиться один і той самий набір дій - цикл виконання команди:

1.Мікропроцесор звертається до ОП за адресою із ЛК і переписує команду в РК.

2.АЛП дешифрує код операції.

3.Якщо код операції команди не наказує припинення обчислень, то виконується пункт 4, інакше пункт 9.

4.За допомогою дешифрованого коду операції АЛПУ налаштовується на виконання заданої операції.

5.За вказаними у команді адресами операндів здійснюється їх пошук і передача в РД.

6.Виконання команди у відповідності з кодом операції і запис результату у РР. Якщо необхідно, результат заноситься в елемент пам'яті з адресою, зазначеною в команді.

8

7.У РСП формується ознака результату.

8.Вміст ЛК модифікується (у найпростішому випадку - збільшується на довжину поточної команди, тобто, у нього записується адреса наступної команди) і відбувається повернення в початок циклу (до п. 1).

9.Автоматичне виконання програми припиняється.

Слід зауважити, що вимога саме послідовного, в порядку зміни адрес в ЛК, виконання команд є принциповою. Архітектури, які не додержуються такого принципу, взагалі не вважаються фон-нейманівськими.

Арифметичні основи комп’ютера

Основним об'єктом обробки в ПК є дані. Дані розрізняються типами, що пов'язано з різною їхньою природою (числа, символи, графічні зображення, звуки, тощо).

Для автоматизації роботи з різнотипними даними важливо уніфікувати їхню форму представлення. Для цього використовуються різноманітні прийоми кодування, зокрема, вираження даних одного типу через дані іншого типу.

Загальні відомості про системи числення

В питаннях організації обробки інформації за допомогою ПК важливе місце займають сис-

теми числення.

Під системою числення розуміють спосіб представлення числа за допомогою обмеженої кількості цифр і літер та правила виконання арифметичних дій над цими числами.

Розрізняють позиційні та непозиційні системи числення. В непозиційній системі число визначається тільки набором цифр (літер), які в нього входять. Тобто, кількісне значення кожної цифри у такій системі не залежить від займаної нею позиції (місця) у ряді цифр, що зображують число, а визначається лише самою цифрою (символом). Прикладом такої системи є римська система числення (324 = СССХХІV). В позиційній системі числення значення числа визначається як набором цифр (літер), так і їхньою позицією в числі.

У позиційній системі числення значення числа, що має зображення

хn-1 хn-2 …х1 х0, х-1 х-2 …х-m

представляється у вигляді наступної суми:

n 1

X( q ) xi qi x m q m x 1 q 1 x0 q0 x1 q1 xn 1 qn 1 ,

i -m

де q – основа системи числення; n – загальна кількість розрядів (позицій) у цілій, а m – дробовій частині числа; хі – цифра і-го розряду (0 хі q-1); qі – вага і-го розряду числа; X(q) – запис числа в системі числення з основою q.

Наприклад: 4295, 6731(10) = 4 103 + 2 102+ 9 101 +5 100 +6 10-1 + 7 10-2 + 1 10-4.

Тип системи числення визначається її основою – максимальною кількістю різних символів (цифр та літер), що служать для представлення числа.

Системи числення, застосовувані в комп’ютерах

Непозиційні системи числення не придатні для застосування в комп’ютерах, у силу своєї громіздкості й складності виконання арифметичних операцій. Тому в інформатиці використовуються тільки позиційні системи числення.

Основною системою числення, у якій виконуються всі арифметичні і логічні перетворення інформації в комп’ютерах, є двійкова система числення.

9

Оскільки 23=8, а 24=16, то кожних три двійкових розряди зображення числа утворюють один вісімковий, а кожних чотири двійкових розряди - один шістнадцятковий. Тому для скорочення запису адрес та вмісту оперативної пам'яті комп'ютера використовують шістнадцяткову й вісімкову системи числення.

Увісімковій системі числення для представлення чисел використовується 8 цифр: 0, 1 ... 7 (q

=8), в шістнадцятковій - алфавіт включає 16 символів: 0, 1 ... 9, А, В, С, D, Е, F (q = 16).

Нижче в таблиці 1 наведені перші 22 натуральних числа, записані в десятковій, двійковій, вісімковій та шістнадцятковій системах числення.

Переведення чисел із однієї позиційної системи числення в іншу

Переведення чисел із десяткової системи числення в інші системи числення. Виконуєть-

ся за правилами ділення-множення: для переведення цілої частини числа використовується правило ділення; дробової - правило множення.

Правило ділення. Ціле десяткове число послідовно ділиться на основу системи числення, в яку здійснюється переведення доти, поки чергова отримана частка не стане менше основи нової системи числення. Число в новій системі числення записується у вигляді останньої частки і всіх залишків від ділення, виписаних в порядку, зворотному їхньому одержанню.

Наприклад,

Правило множення. Вихідний дріб і дробові частини отримуваних добутків послідовно множаться на основу тієї системи числення, в яку здійснюється переведення доти, поки

чергова дробова частина не стане рівною нулю або не буде досягнута необхідна точність переведення. Точність переведення визначається числом q-m, де m – кількість множень. Правильний дріб числа в новій системі формується із цілих частин отриманих добутків, починаючи з першого.

Наприклад,

10