Конспект лекций по курсу

«Техническое обеспечение САПР»

ч. 1

Основы функционирования и построений эвм общие сведения о представлении и обработке информации в эвм

1.1. Две формы представления информации

Как известно, современные ЭВМ могут решать самые разнообразные задачи. Для этого лишь надо с помощью программы «научить» ЭВМ алгоритму решения той или иной задачи и ввести в нее исходные данные. Программа же записывается на алгоритмическом языке, который достаточно близок к естественному языку (особенно английскому).

Однако ЭВМ не понимает не только естественного языка, но и алгоритмического. Для расшифровки текста программы, написанной на ФОРТРАНе, в машине должна находится специальная программа — транслятор (от англ. translate — переводить), которая переводит текст исходной программы с ФОРТРАНа на язык ЭВМ. А как же выглядит язык ЭВМ?

Вычислительная машина — это техническое устройство, в котором информация об исходных данных решаемой задачи, правилах ее решения (алгоритме) и результатах вычислений должна задаваться в виде изменения каких-либо физических величин:

• углов поворота или перемещений (как, например, для «передачи информации» телевизору об уменьшении громкости или яркости);

• намагниченности материала (как, например, для воспроизведения мелодии с помощью магнитофона или сохранения данных об аттестации студентов по дисциплинам учебного плана на магнитном диске);

• освещенности экрана (дисплей) или фотодатчика (ввод информации с перфоленты или перфокарт).

В прошлые века, когда человечество не знало об электрических и магнитных явлениях или еще не умело их использовать, наиболее доступной, а, следовательно, и удобной была механическая форма представления информации в вычислительных устройствах. В арифмометрах операции над числами выполнялись с помощью колес, которые при добавлении единицы поворачивались на 36° и с помощью штифта приводили в движение следующее по старшинству колесо всякий раз, когда цифра 9 переходила к цифре 0 (накапливался десяток). Однако механические устройства громоздки, дороги и слишком инерционны (с их помощью нельзя построить универсальные и быстродействующие вычислительные машины). Поэтому сейчас во всех вычислительных машинах в качестве основной формы представления информации служат электрические сигналы (чаще всего — напряжения постоянного тока). Для передачи электрических сигналов нужны лишь провода, эти сигналы легко преобразовать с помощью различных полупроводниковых схем.

При использовании в качестве носителя информации напряжений постоянного тока возможны две формы представления численного значения какой-либо переменной, например, Х:

в виде одного сигнала — напряжения постоянного тока, которое сравнимо с величиной X (аналогично ей).

Например, при Х=1845 единиц на вход вычислительного устройства можно подать напряжение 1,845 В (масштаб представления 0,001 В/ед.) или 9.225 В (масштаб представления 0,005 В/ед.);

в виде нескольких сигналов — нескольких напряжений постоянного тока, которые, например, сравнимы с числом единиц в X, числом десятков в X, числом сотен в X и т. д.

Первая форма представления информации называется аналоговой или непрерывной (с помощью сходной величины — аналога). Величины, представленные в такой форме, могут принимать принципиально любые значения в каком-то диапазоне. Они могут быть сколь угодно близки друг к другу, малоразличимы, но все-таки, хотя бы в принципе, различимы. Количество значений, которые может принимать такая величина, бесконечно велико. Их бесконечно много даже в случае, когда величина изменяется в ограниченном диапазоне, например 0 — 2000 или 0 — 0,0001. Отсюда названия — непрерывная величина и непрерывная информация. Слово непрерывность отчетливо выделяет основное свойство таких величин – отсутствие разрывов, промежутков между значениями, которые может принимать данная аналоговая величина.

Вторая форма представления информации называется цифровой или дискретной (с помощью набора напряжений, каждое из которых соответствует одной из цифр представляемой величины). Такие величины, принимающие не все возможные, а лишь вполне определенные значения, называются дискретными (прерывистыми). В отличие от непрерывной величины количество значений дискретной величины всегда будет конечным.

Сравнивая непрерывную и дискретную формы представления информации, нетрудно заметить, что при использовании непрерывной формы создателю вычислительной машины потребуется меньшее число устройств, (каждая величина представляется одним, а не несколькими сигналами), но эти устройства будут сложнее (они должны различать значительно большее число состояний сигнала). Кроме того, отметим, что устройства для обработки непрерывных сигналов обладают более высокой “квалификацией” (они могут интегрировать сигнал, выполнять любое его функциональное преобразование и т. п.) и за счет этого, а также ряда других особенностей имеют высокое быстродействие, (некоторые виды задач решаются во много раз быстрее, чем с помощью устройств с дискретным представлением информации).

Однако из-за сложности технической реализации устройств для логических операций с непрерывными сигналами, длительного хранения таких сигналов, их точного измерения подобная форма представления в основном используется в аналоговых вычислительных машинах АВМ эти машины предназначены для решения задач, описываемых системами дифференциальных уравнений: исследования поведения подвижных объектов (машин, роботов, судов, летательных аппаратов и т. п.); моделирования ядерных реакторов, гидротехнических сооружений, газовых сетей, электромагнитных полей и биологических систем; решения задач параметрической оптимизации и оптимального управления; управления процессами переработки нефти и выплавки стали. Но АВМ не могут решать задачи, связанные с хранением и обработкой больших объемов информации, которые легко решаются при использовании цифровой (дискретной) формы представления информации, реализуемой цифровыми электронными вычислительными машинами (ЭВМ).

Резюме

1. Исходные данные, результаты и другая информация, перерабатываемая вычислительными машинами, представляется в них в виде каких-либо физических величин — чаще всего электрических сигналов (напряжений постоянного тока).

2. Существуют две формы представления., информации (физических величин) в вычислительных машинах: аналоговая (непрерывная) и цифровая (дискретная). В первой величина представляется в виде одного сигнала, пропорционального этой величине, во второй — в виде нескольких сигналов, каждый из которых соответствует одной из цифр заданной величины.

3. Непрерывная форма используется в электронных аналоговых вычислительных машинах, а дискретная — в цифровых электронных вычислительных машинах. ЭВМ — универсальные машины, позволяющие решать любые задачи науки и техники (круг таких задач все время увеличивается). Однако те задачи, где не требуется хранить и обрабатывать большие объемы информации, которые описываются системами дифференциальных уравнений и должны решаться за минимальное время, целесообразнее решать с помощью АВМ. Создают также и гибридные вычислительные системы (ГВС), которые соединяют в себе достоинства как аналоговых, так и цифровых вычислительных машин.