аптионш. Материалы для изучения темы 1.1. Лекции по теме 1 Понятие информации, кодирование, декодировании. Измерение информации. Системы счисления

• Название: Лекции по теме 1 Понятие информации, кодирование, декодировании. Измерение информации. Системы счисления
• Анкор: аптионш
• Дата: 28.05.2020
• Размер: 114.83 Kb.
• Имя файла: Материалы для изучения темы 1.1.docx
• Тип: Лекции; #126159
• страница: 9 из 10

Представление текста в памяти компьютера

Тексты в памяти компьютера представляют собой  последовательности символов, закодированные целыми числами – их номерами в таблице, называемой таблицей кодировки. Номер символа в таблице кодировки является его кодом. Существуют десятки таблиц кодировки, содержащих различные символы в разном порядке, но у подавляющего большинства из них символы с номерами 0 – 127 совпадают. В эти первые 128 символов входят прописные и строчные латинские буквы, цифры, знаки препинания, разделители слов (пробел и табуляция),  неотображаемые управляющие символы (конец строки, конец файла и другие).

Набор из этих  128 символов сложился исторически. В компьютерах первых поколений запоминающие устройства стоили очень дорого и при их использовании стремились экономить каждый бит, поэтому изначально для представления текстов использовался семибитный набор (2⁷ = 128) наиболее необходимых символов. Чаще всего применялся семибитный набор символов ASCII (AmericanStandardCodeForInformationInterchange – Американский стандартный код обмена информацией).

Со временем получили распространение  восьмибитные (однобайтовые) кодовые таблицы из 256 символов (2⁸ = 256). В них первые 128 символов из соображений совместимости делали совпадающими с семибитным кодом ASCII, а символы с кодами 128-255 использовались в различных кодировках по-разному: для представления букв нелатинских алфавитов, для хранения математических и других специальных научно-технических символов.

Пример: ASCII-код буквы Y: 89₁₀=59₁₆ = 01011001₂

                    буквы e: 101₁₀=65₁₆ = 01100101₂

                     буквы s: 115₁₀=73₁₆ = 01110011₂

восклицательного знака: 33₁₀=21₁₆ = 00100001₂,

поэтому слово Yes! в восьмибитной кодировке будет занимать в памяти компьютера четыре последовательных байта:

01011001	01100101	01110011	00100001
Y	e	s	!

При этом, если, например, текст в математической восьмибитной кодировке  просматривался на компьютере, программы которого были настроены на русскоязычную восьмибитную кодировку, то вместо символов равносильности или следования изображались русские буквы с соответствующими кодами, и текст выглядел бессмыслицей.

В настоящее время  наиболее распространены следующие основанные на коде ASCII восьмибитные кодировки, содержащие русские буквы:  KOИ-8, CP1251, CP866, Mac, ISO.

Кодировка KOИ-8 наиболее часто используется в русифицированных версиях операционной системы Unix, CP1251 - в Windows, CP866 - в MS-DOS, а Mac – в операционных системах семейства MacOS для компьютеров AppleMacintosh.

Русские буквы в них закодированы по-разному, что приводит к появлению на экране непонятного текста при просмотре web-страниц, электронных писем или других документов на русском языке в кодировке, отличной от используемой по умолчанию на данном компьютере. Но большинство современных программ обработки текстов позволяют настроить текущую кодировку для изображения документа.

В начале 90-х годов прошлого века стала активно использоваться 16-разрядная (двухбайтовая) кодировка Unicode. Использование двух байтов для представления одного символа позволяет закодировать 2¹⁶ = 65536 различных символов, этого достаточно для представления символов национальных алфавитов всех народов мира и наиболее часто используемых научных и технических символов.

Основные устройства компьютера

Запоминающие устройства

Запоминающие устройства предназначены для хранения информации, представленной в цифровом виде. Основные операции, выполняемые с запоминающими устройствами – запись информации в устройство и чтение информации из устройства. При записи и чтении информации необходимо указывать адрес, по которому требуется разместить или взять информацию. Обычно адрес представляет собой число или группу чисел, позволяющих определить, в каком месте устройства расположено начало нужного информационного блока. Так, например, если запоминающее устройство имеет линейную структуру, то есть представляет из себя  последовательность  ячеек памяти, адресом ячейки будет ее номер.

Основными характеристиками запоминающих устройств являются их емкость и быстродействие, то есть скорость чтения и записи по нужному адресу.Выделяют два важных вида компьютерной памяти: оперативная (внутренняя) и долговременная (внешняя).

Оперативная память предназначена для временного хранения выполняемой в данной момент программы и ее данных. Долговременная – для длительного хранения программ и данных. Оперативная память является энергозависимой, это означает, что данные в ней теряются при отключении питания компьютера. Долговременная память позволяет сохранять данные при отключенном питании в промежутках между сеансами работы с компьютером. Оперативная память обладает намного более высоким быстродействием, чем долговременная, но зато стоимость хранения единицы информации в ней существенно выше, и поэтому объем устанавливаемой на компьютере оперативной памяти бывает в десятки и сотни раз меньше, чем долговременной. Оперативная память выполняется в виде микросхем. Наиболее распространенные устройства долговременной памяти – накопители на магнитных (жестких) дисках.

К устройствам долговременной памяти относятся мобильные носители информации – гибкие магнитные диски малой емкости (дискеты), более емкие оптические компакт-диски (CD, DVD) и модули флэш-памяти. Модули флэш-памяти и дискеты допускают полное стирание и перезапись информации. Оптические компакт-диски делятся на два вида — перезаписываемые (rewritable) и только для чтения (ROM — ReadOnlyMemory). Для работы с дискетами и оптическими дисками требуются специальные компьютерные устройства – дисководы (накопители), снабженные головками считывания и записи данных. Для подсоединения модуля флэш-памяти компьютер должен иметь специальный разъем. В таблице приведена примерная емкость современных мобильных носителей.

Тип носителя	Емкость
дискета	1,44 Мб
компакт-диск	от 50Мб до 700Мб, в зависимости от диаметра диска
DVD	1,7Гб; 4Гб и более
модуль флэш-памяти	от 16 Мб и более

При использовании дискет следует учитывать, что информация на дискетах может быть утрачена под влиянием механических повреждений гибкого диска, влаги, нагревания или сильных магнитных полей.

Для компакт-дисков опасны механические повреждения, в том числе царапины, а также прямые солнечные лучи.

Центральный процессор

Центральный процессор предназначен для пошагового выполнения хранящейся в памяти компьютера программы. Программа, выполняемая центральным процессорам, состоит из записанных в двоичном виде машинных команд. Совокупность всех машинных команд, которые могут быть “поняты” и выполнены процессором, называется системой команд процессора. Систему команд процессора можно также назвать его языком машинных команд. Машинные команды обычно соответствуют элементарным операциям, например, поместить данные в заданную ячейку оперативной памяти, считать данные из ячейки, выполнить арифметическую или логическую операцию над данными, дать сигнал некоторому устройству к обмену данными с оперативной памятью. Система команд процессора является важной частью архитектуры компьютера. Если системы команд двух процессоров различны, то машинная программа, предназначенная для одного процессора, не сможет быть выполнена другим, исключение составляет тот случай, когда одна система команд является подмножеством другой.

Пример: Процессоры AMD Athlon и IntelPentium 4 имеют совместимые системы команд, и поэтому программы на машинном языке для компьютера с одним из этих процессоров будут выполняться и на компьютере с другим процессором. Процессоры Power PC, используемые в компьютерах Macintosh и процессоры IntelPentium 4 имеют несовместимые системы команд, следовательно, программа на машинном языке для Macintosh не сможет быть выполнена на компьютере с IntelPentium и наоборот.

Цикл работы центрального процессора состоит из следующих шагов:

• 
  чтение очередной команды из оперативной памяти;
  
• 
  анализ считанной команды (определение типа команды, адресов для чтения данных и записи результата);
  
• 
  чтение данных из оперативной памяти, необходимых для выполнения команды;
  
• 
  выполнение команды;
  
• 
  запись результатов в оперативную память;
  
• 
  вычисление адреса очередной команды.
  

В современных компьютерах центральный процессор обычно представляет собой кристалл сложной структуры, содержащий десятки миллионов взаимодействующих простейших функциональных элементов. 

Значительная часть машинных команд представляет собой арифметические и логические операции. Для их выполнения в процессоре предусмотрено арифметико-логическое устройство – вычислительная подсистема процессора.

Для временного хранения данных в процессоре имеется своя сверхбыстрая внутренняя память, состоящая из ячеек, называемых регистрами. Поскольку регистры расположены внутри кристалла процессора, скорость доступа к ним намного больше, чем к ячейкам оперативной памяти компьютера. Регистров в процессорах обычно немного, от нескольких штук до нескольких десятков, в зависимости от конструкции процессора. Информационный объем регистра подбирается так, чтобы в нем целиком помещалось двоичное компьютерное представление целого или вещественного числа. Размер регистра современного процессора: 32, 64 или 128 бит. Сравнительно небольшое количество регистров в процессоре объясняется высокой стоимостью размещения в кристалле дополнительных функциональных элементов.

Работой центрального процессора управляет специальное устройство, которое так и называется – устройство управления. В его функции входит организация обмена данными процессора с оперативной памятью, координация работы всех логических компонент процессора при выполнении команды, определение адреса следующей выполняемой команды.

Современные процессоры оснащены так называемой буферной или кэш-памятью. В кэш-память центрального процессора копируются фрагменты оперативной памяти, содержащие наиболее часто используемые команды и данные. Это позволяет минимизировать обмен информацией процессора с оперативной памятью и, в результате, повысить быстродействие компьютера. Кэш-память является более быстрой, чем оперативная, но ее объем обычно не превосходит нескольких мегабайт. Во многих процессорах реализованы алгоритмы, пытающиеся предсказать, какие данные в ближайшем будущем могут понадобиться процессору, и следовательно должны быть заранее перенесены из оперативной в буферную память.

Продолжительность операций, выполняемых центральным процессором, измеряется в тактах. Одному такту соответствует время выполнения элементарной операции обработки данных. Число выполняемых за секунду тактов называется тактовой частотой процессора. Чем выше тактовая частота, тем больше операций за единицу времени выполняет процессор, тем больше его быстродействие. Тактовая частота современных процессоров достигает нескольких гигагерц (ГГц). Один гигагерц соответствует миллиарду тактов в секунду.

Производительность процессора определяется тактовой частотой,  количеством регистров, объемом кэш-памяти, быстродействием арифметико-логического устройства, эффективностью алгоритмов устройства управления и другими особенностями архитектуры процессора. Все эти факторы следует учитывать при сравнении быстродействия  процессоров различной конструкции. Говорить о том, что один процессор быстрее другого, поскольку у него больше тактовая частота, можно лишь в том случае, если этот процессор не уступает по остальным показателям.

Пример. Пусть тактовая частота первого процессора 1 ГГц, второго – 2 ГГц, а выполнение арифметических  операций, в силу особенностей конструкции процессоров,  требует в четыре раза больше тактов второго процессора, чем первого. В этом случае вычислительная программа выполнится быстрее на компьютере с первым процессором.

Устройства ввода-вывода

Компьютеры применяются во многих видах деятельности для обработки информации, представленной в различных формах, поэтому устройства ввода-вывода весьма  разнообразны.

Наиболее распространенным устройством вывода является монитор (дисплей), устройствами ввода – клавиатура и мышь. Изображение на экране монитора формируется по принципу мозаики из отдельных точек – пикселов (от англ. pixel – PIctureELement). Качество изображения определяется разрешением монитора – количеством отображаемых  точек на единицу длины, которое обычно измеряется в точках на дюйм (DPI – dotsperinch).

Компьютерные проекторы дублируют изображение на мониторе на большой экран.

Для вывода электронных документов на бумагу обычно используются принтеры. В современных принтерах изображение формируется из отдельных точек, образованных расплавленными частицами графитного порошка – тонера (в лазерных принтерах) или микроскопическими  каплями чернил (в струйных принтерах, плоттерах).  Качество получаемого изображения при этом зависит от разрешения принтера.

Для ввода графической информации в компьютер используются сканеры и графические планшеты. Сканер считывает с листа бумаги готовое изображение, переводит его в цифровое представление и записывает в память компьютера. Отсканированное изображение можно сохранить в виде файла, обработать в графическом редакторе, распечатать или разместить в компьютерной сети, можно преобразовать отсканированное изображение текстового документа в документ с помощью программ распознавания текста.

В отличие от сканера, графический планшет с электронным карандашом служит не для распознавания и ввода в компьютер готовых изображений, а для рисования изображений “на лету”. Электронный карандаш планшета служит для той же цели, что и мышь – ввод в компьютер информацию о движении руки пользователя.

Современные цифровые фото и видеокамеры тоже можно рассматривать как устройства графического ввода, поскольку они, как правило, оснащены средствами ввода изображений в компьютер.

Для ввода в компьютер звуковой информации используются микрофон и специальные клавиатуры как у клавишных музыкальных инструментов. Существуют компьютерные программы, распознающие голос человека и преобразующие надиктованную в микрофон речь в текстовые документы. Есть также программы, понимающие подаваемые в микрофон команды.

Звуковым устройством вывода являются акустические колонки.

Центральный процессор не может общаться напрямую с устройствами внешней памяти и устройствами ввода-вывода. Для этого используются вспомогательные устройства, называемые контроллерами (от tocontrol – “управлять”). Бывают контроллеры клавиатуры, монитора, жестких дисков, дисководов и т.д. Контроллеры являются посредниками между внешними устройствами и центральным процессором. Контроллер монитора часто называют видеоадаптером или видеокартой. Контроллер устройств звукового ввода вывода обычно называют звуковой картой.

Шина данных и адресная шина

Шина данных служит для обмена информацией между устройствами компьютера, например, между оперативной памятью и контроллерами устройств. Адресная шина используется процессором при чтении данных из оперативной памяти. По ней процессор сообщает оперативной памяти  адрес ячейки, из которой нужно считать данные. Информация по адресной шине передается только в одном направлении – от процессора к памяти.

Важной характеристикой шин, как каналов связи, является их пропускная способность. Пропускная способность определяется разрядностью шины, то есть числом одновременно передаваемых по ней бит информации, и, для шины данных, частотой шины, то есть количеством элементарных операций по посылке и принятию информации за единицу времени. Разрядность шины данных и адресной шины на одном компьютере может быть различна.  В современных компьютерах наиболее часто используются шины данных с разрядностью 32 и 64  и адресные шины с разрядностью 32.

Разрядностью адресной шины определяется величина адресного пространства, то есть максимальное количество доступных процессору ячеек памяти.

Пример: Пусть адресная шина имеет разрядность 8, тогда адрес ячейки памяти может состоять только из восьми разрядов, следовательно, процессор может обратиться к ячейкам  с адресами от 00000000₂ до 11111111₂(0-255)₁₀. Таких ячеек 256 – адресное пространство весьма скромного размера.Размер адресного пространства L можно вычислить по формуле L = 2ⁿ, где n – разрядность адресной шины.