Перевод чисел из двоичной системы счисления в десятичную

Программа

подготовки к экзамену по дисциплине

«Информатика и информационные системы»

за 1 семестр 1 курса для бакалавров

(экзаменационные билеты содержат 2 вопроса)

1. Основные понятия информатики: информация, информатизация, информационная система.

2. Понятия информации, данных. Свойства информации. Процессы сбора, передачи и накопления информации.

3. История развития и место информатики среди других наук. История информационных революций.

4. Кодирование информации, аналоговая и цифровая обработка.

5. Кодирование текстовой, графической, аудио информации.

6. Понятие о системах счисления, применяемых в информатике. Двоичная система счисления.

7. Подходы к оценке количества информации. Формула Хартли. Единицы измерения информации.

8. Понятие архитектуры. Архитектура ЭВМ по Фон-Нейману.

9. Архитектура ПК. Магистрально-модульный принцип построения. Основные архитектурные решения вычислительных систем.

10. Классификация ЭВМ. Современный компьютер как совокупность аппаратных и программных средств.

11. Основные устройства ЭВМ: процессор и основная память.

12. Понятие ОЗУ, ПЗУ и КЭШ. Их назначение, основные параметры, принципы действия.

13. Системная шина. Внешняя память (винчестер, оптические диски, Flesh память).

14. Устройства ввода/вывода и мультимедиа. Принципы устройства мониторов и принтеров.

15. Понятие программного обеспечения, его виды и назначение.

16. Операционная система и ее функции.

17. Принципы хранения информации в ЭВМ. Понятие файла и файловой системы. Имя файла, расширение файла. Таблица размещения файлов - FAT-таблица. Понятие сектора и кластера.

18. Архитектура WINDOWS.

19. Свойства WINDOWS: разрядность, многозадачность, многопоточность, пользовательский интерфейс, технология Plug and Play, поддержка длинных имен файлов, сетевые возможности.

20. Математическая логика. Понятия логического выражения и логической переменной. Количество логических функций от n переменных.

21. Логические операции: логическое умножение, логическое сложение, отрицание, импликация, эквивалентность. Таблицы истинности.

22. Законы математической логики. Преобразование логических выражений. Связь между алгеброй логики и двоичным кодированием.

23. Переключательные схемы. Их связь с математической логикой. Функции проводимости переключательных схем.

24. Логические схемы. Их связь с математической логикой. Основные элементы логических схем.

25. Понятие алгоритма. Характеристика и свойства алгоритмов. Языки описания алгоритмов.

26. Основные понятия, используемые в программировании, основные элементы языка блок-схем.

27. Виды управляющих структур алгоритмов. Примеры использования.

28. Виды циклов.

29. Классификация языков программирования. Примеры. Понятие трансляции. Виды трансляторов.

30. Принципы сжатия информации. Особенности сжатия различных методов сжатия информации. Способы сжатия информации. Саморазархивирующиеся архивы.

31. Утилиты обслуживания жестких дисков.

32. Понятие компьютерного вируса. Классификация вирусов.

33. Понятие антивирусных программ. Классификация антивирусных программ.

34. Понятие компьютерной сети. Архитектура сети.

35. Понятие модели OSI. Функциональные уровни эталонной модели OSI.

36. Понятия протокола и интерфейса.

37. Аппаратные средства компьютерных сетей.

38. Структурная и функциональная организация локальной сети. Топология локальной сети.

39. Принципы построения Internet. Протоколы обмена и адресация в Internet

40. Сетевые адреса. Доменные адреса.

41. Основные действия пользователя при работе с Web-документами.

42. Типы адресуемых ресурсов Internet. Система WWW.

43. Понятие информационной безопасности.

44. Угрозы информационной безопасности. Подходы к оценке безопасности.

45. Политика безопасности информационной безопасности.

Практические вопросы:

1. Перевод чисел из одной СС в другую.

2. Арифметика в разных СС (сложение, вычитание).

3. Построение таблиц истинности.

4. Построение блок-схем алгоритмов.

6.

В двоичной системе счисления используются всего две цифры 0 и 1. Другими словами, двойка является основанием двоичной системы счисления. (Аналогично у десятичной системы основание 10.)

Чтобы научиться понимать числа в двоичной системе счисления, сначала рассмотрим, как формируются числа в привычной для нас десятичной системе счисления.

В десятичной системе счисления мы располагаем десятью знаками-цифрами (от 0 до 9). Когда счет достигает 9, то вводится новый разряд (десятки), а единицы обнуляются и счет начинается снова. После 19 разряд десятков увеличивается на 1, а единицы снова обнуляются. И так далее. Когда десятки доходят до 9, то потом появляется третий разряд – сотни.

Двоичная система счисления аналогична десятичной за исключением того, что в формировании числа участвуют всего лишь две знака-цифры: 0 и 1. Как только разряд достигает своего предела (т.е. единицы), появляется новый разряд, а старый обнуляется.

Попробуем считать в двоичной системе:
0 – это ноль
1 – это один (и это предел разряда)
10 – это два
11 – это три (и это снова предел)
100 – это четыре
101 – пять
110 – шесть
111 – семь и т.д.

Формула Хартли

<<Назад | Содержание | Далее>>

Мы уже упоминали, что формула Хартли – частный случай формулы Шеннона для равновероятных альтернатив.

Подставив в формулу (1) вместо p_i его (в равновероятном случае не зависящее от i)значение , получим:

,

таким образом, формула Хартли выглядит очень просто:

(2)

Из нее явно следует, что чем больше количество альтернатив (N), тем больше неопределенность (H). Эти величины связаны в формуле (2) не линейно, а через двоичный логарифм. Логарифмирование по основанию 2 и приводит количество вариантов к единицам измерения информации – битам.

Заметьте, что энтропия будет являться целым числом лишь в том случае, если N является степенью числа 2, т.е. если N принадлежит ряду: {1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, 512, 1024, 2048…}

Рис. 10. Зависимость энтропии от количества равновероятных вариантов выбора (равнозначных альтернатив).

Напомним, что такое логарифм.

Рис. 11. Нахождение логарифма b по основанию a - это нахождение степени, в которую нужно возвести a, чтобы получить b.

Логарифм по основанию 2 называется двоичным:

log₂(8)=3 => 2³=8

log₂(10)=3,32 => 2^3,32=10

Логарифм по основанию 10 –называется десятичным:

log₁₀(100)=2 => 10²=100

Основные свойства логарифма:

1. log(1)=0, т.к. любое число в нулевой степени дает 1;

2. log(a^b)=b*log(a);

3. log(a*b)=log(a)+log(b);

4. log(a/b)=log(a)-log(b);

5. log(1/b)=0-log(b)=-log(b).

Для решения обратных задач, когда известна неопределенность (H) или полученное в результате ее снятия количество информации (I) и нужно определить какое количество равновероятных альтернатив соответствует возникновению этой неопределенности, используют обратную формулу Хартли, которая выглядит еще проще:

(3)

Например, если известно, что в результате определения того, что интересующий нас Коля Иванов живет на втором этаже, было получено 3 бита информации, то количество этажей в доме можно определить по формуле (3), как N=2³=8 этажей.

Если же вопрос стоит так: “в доме 8 этажей, какое количество информации мы получили, узнав, что интересующий нас Коля Иванов живет на втором этаже?”, нужно воспользоваться формулой (2): I=log2(8)=3 бита.

Для информации существуют свои единицы измерения информации. Если рассматривать сообщения информации как последовательность знаков, то их можно представлять битами, а измерять в байтах, килобайтах, мегабайтах, гигабайтах, терабайтах и петабайтах.

Давайте разберемся с этим, ведь нам придется измерять объем памяти и быстродействие компьютера.

Бит

Единицей измерения количества информации является бит – это наименьшая (элементарная) единица.

1бит – это количество информации, содержащейся в сообщении, которое вдвое уменьшает неопределенность знаний о чем-либо.

Байт

Байт – основная единица измерения количества информации.

Байтом называется последовательность из 8 битов.

Байт – довольно мелкая единица измерения информации. Например, 1 символ – это 1 байт.

Процессор

Процессор(Микропроцессор, chip-кристалл) – это основной рабочий компонент компьютера, который:

- выполняет арифметические и логические операции;
- управляет вычислительным процессом;
- координирует работу всех устройств компьютера.

Реализуется процессор в виде сверх большой интегральной схемы (СБИС) на которой размешаются десятки миллионов функциональных элементов.

В общем случае центральный процессор содержит:

1) Арифметико-логическое устройство - часть процессора, выполняющая машинные команды

2) Устройство управления – часть процессора, выполняющая функции управления устройствами компьютера

3) Шины данных и шины адресов (на физическом уровне) – много проводные линии с гнездами для подключения электронных схем. Совокупность проводов магистрали разделяется на отдельные группы: шину адреса, шины данных и шину управления: Шина адреса предназначена для передачи адреса того устройства (или той ячейки памяти), к которому обращается процессор. По шине данных передаётся вся информация при записи и считывании. По шине управления передается управляющий сигнал. Процесс взаимодействия процессора и памяти сводится к двум операциям – записи и считывания информации. При записи процессор по специальным проводникам (шина адреса) передает биты, кодирующие адрес, по другим проводникам – управляющий сигнал «запись», и еще по другой группе проводников (шины данных) передает записываемую информацию. При чтении по шине адреса передается соответствующий адрес оперативной памяти (ОП), а с шины данных считывается нужная информация.

4) Регистры - ячейки памяти, которые служат для кратковременного хранения и преобразования данных и команд. На физическом уровне регистр – совокупность триггеров, способных хранить один двоичный разряд и связанных между собой общей системой управления

5) Счетчик команд– регистр управляющего устройства компьютера содержимое, которого соответствует адресу очередной выполняемой команды. Счетчик команд служит для автоматической выборки программы из последовательных ячеек памяти

6) Кэш память - очень быстрая память малого объема служит для увеличения производительности компьютера, согласования работы устройств различной скорости. Кэш-память может быть встроена сразу в процессор или размещаться на материнской плате

7) Сопроцессор– вспомогательный процессор, предназначенный для выполнения математических и логических действий. Использование сопроцессора позволяет ускорить процесс обработки информации компьютером

Основная память компьютера

Основная память - это устройство для хранения информации. Она состоит из оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ).

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ)

ОЗУ-быстрая, полупроводниковая, энергозависимая память. В ОЗУ хранятся исполняемая в данный момент программа и данные, с которыми она непосредственно работает. Это значит, что когда вы запускаете какую-либо компьютерную программу, находящуюся на диске, она копируется в оперативную память, после чего процессор начинает выполнять команды, изложенные в этой программе. Часть ОЗУ, называемая "видеопамять", содержит данные, соответствующие текущему изображению на экране. При отключении питания содержимое ОЗУ стирается.
Быстродействие (скорость работы) компьютера напрямую зависит от величины его ОЗУ, которое в современных компьютерах может доходить до 128 Мбайт. В первых моделях компьютеров оперативная память составляла не более 1 Мбайт. Современные прикладные программы часто требуют для своего выполнения не менее 4 Мбайт ОЗУ; в противном случае они просто не запускаются.
ОЗУ - это память, используемая как для чтения, так и для записи информации. При отключении электропитания информация в ОЗУ исчезает (энергозависимость).

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ)

ПЗУ - быстрая, энергонезависимая память. ПЗУ - это память, предназначенная только для чтения. Информация заносится в нее один раз (обычно в заводских условиях) и сохраняется постоянно (при включенном и выключенном компьютере). В ПЗУ хранится информация, присутствие которой постоянно необходимо в компьютере.

В ПЗУ находятся:

• тестовые программы, проверяющие при каждом включении компьютера правильность работы его блоков;
• программы для управления основными периферийными устройствами -дисководом, монитором, клавиатурой;
• информация о том, где на диске расположена операционная система.

Основная память состоит из регистров. Регистр - это устройство для временного запоминания информации в оцифрованной (двоичной) форме. Запоминающим элементом в регистре является триггер - устройство, которое может находиться в одном из двух состояний, одно из которых соответствует запоминанию двоичного нуля, другое - запоминанию двоичной единицы. Триггер представляет собой крошечный конденсатор-батарейку, которую можно заряжать множество раз. Если такой конденсатор заряжен - он как бы запомнил значение "1", если заряд отсутствует - значение "0". Регистр содержит несколько связанных друг с другом триггеров. Число триггеров в регистре называется разрядностью компьютера. Производительность компьютера напрямую связана с разрядностью, которая бывает равной 8, 16, 32, 64, 128.

Процессор и основная память находятся на большой плате, которая называется материнской. Для подключения к ней различных дополнительных устройств (дисководов, манипуляторов типа мыши, принтеров и т. д.) служат специальные платы - контроллеры. Они вставляются в разъемы (слоты) на материнской плате, а к их концу (порту), выходящему наружу компьютера, подключается дополнительное устройство.

МПЗУ – это запоминающее устройство, информация в котором «защита» по специальному шаблону или маске при его изготовлении и изменению не подлежит.

ППЗУ же предоставляет пользователю возможность самостоятельно его запрограммировать. Содержимое ППЗУ формируется после того, как устройство памяти изготовлено. Процесс занесения информации в ППЗУ осуществляется специальным устройством, называемым программатором. Обычно этот процесс основан на пережигании плавких перемычек и не обратим в том смысле, что после такого программирования содержимое памяти не может быть изменено. ПЗУ данного типа получили широкое распространение.

СППЗУ обеспечивает возможность неоднократного изменения своего содержимого путем стирания информации с помощью интенсивного ультрафиолетового излучения и последующей записи новой информации посредством специального программатора. Стирание СППЗУ осуществляется за 10 – 15 мин. В качестве примеров СППЗУ можно назвать кристаллы ёмкостью 4 Мбит (512 Кбайт) фирм Toshiba и NEC, обеспечивающие время доступа 150 и 120 нс соответственно. Очевидно, эти характеристики сопоставлены с DRAM.

Дальше всего от традиционного понимания ПЗУ отстоит ЭСППЗУ. Оно предоставляет стирать своё содержимое не ультрафиолетовыми лучами, а электрическими сигналами. Но, конечно же, время перезаписи информации в этом устройстве существенно выше, чем в ОЗУ, что не позволяет использовать его в качестве последнего. Однако ЭСППЗУ можно считать заменителем НМД небольшой ёмкости. К примеру, еще в 1987 г. фирма Seeq Technology выпустила кристаллы ЭСППЗУ ёмкостью 1 Мбит (128 Кбайт).

12.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ)

ОЗУ-быстрая, полупроводниковая, энергозависимая память. В ОЗУ хранятся исполняемая в данный момент программа и данные, с которыми она непосредственно работает. Это значит, что когда вы запускаете какую-либо компьютерную программу, находящуюся на диске, она копируется в оперативную память, после чего процессор начинает выполнять команды, изложенные в этой программе. Часть ОЗУ, называемая "видеопамять", содержит данные, соответствующие текущему изображению на экране. При отключении питания содержимое ОЗУ стирается.
Быстродействие (скорость работы) компьютера напрямую зависит от величины его ОЗУ, которое в современных компьютерах может доходить до 128 Мбайт. В первых моделях компьютеров оперативная память составляла не более 1 Мбайт. Современные прикладные программы часто требуют для своего выполнения не менее 4 Мбайт ОЗУ; в противном случае они просто не запускаются.
ОЗУ - это память, используемая как для чтения, так и для записи информации. При отключении электропитания информация в ОЗУ исчезает (энергозависимость).

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ)

ПЗУ - быстрая, энергонезависимая память. ПЗУ - это память, предназначенная только для чтения. Информация заносится в нее один раз (обычно в заводских условиях) и сохраняется постоянно (при включенном и выключенном компьютере). В ПЗУ хранится информация, присутствие которой постоянно необходимо в компьютере.

В ПЗУ находятся:

• тестовые программы, проверяющие при каждом включении компьютера правильность работы его блоков;
• программы для управления основными периферийными устройствами -дисководом, монитором, клавиатурой;
• информация о том, где на диске расположена операционная система.

Основная память состоит из регистров. Регистр - это устройство для временного запоминания информации в оцифрованной (двоичной) форме. Запоминающим элементом в регистре является триггер - устройство, которое может находиться в одном из двух состояний, одно из которых соответствует запоминанию двоичного нуля, другое - запоминанию двоичной единицы. Триггер представляет собой крошечный конденсатор-батарейку, которую можно заряжать множество раз. Если такой конденсатор заряжен - он как бы запомнил значение "1", если заряд отсутствует - значение "0". Регистр содержит несколько связанных друг с другом триггеров. Число триггеров в регистре называется разрядностью компьютера. Производительность компьютера напрямую связана с разрядностью, которая бывает равной 8, 16, 32, 64, 128.

МПЗУ – это запоминающее устройство, информация в котором «защита» по специальному шаблону или маске при его изготовлении и изменению не подлежит.

ППЗУ же предоставляет пользователю возможность самостоятельно его запрограммировать. Содержимое ППЗУ формируется после того, как устройство памяти изготовлено. Процесс занесения информации в ППЗУ осуществляется специальным устройством, называемым программатором. Обычно этот процесс основан на пережигании плавких перемычек и не обратим в том смысле, что после такого программирования содержимое памяти не может быть изменено. ПЗУ данного типа получили широкое распространение.

СППЗУ обеспечивает возможность неоднократного изменения своего содержимого путем стирания информации с помощью интенсивного ультрафиолетового излучения и последующей записи новой информации посредством специального программатора. Стирание СППЗУ осуществляется за 10 – 15 мин. В качестве примеров СППЗУ можно назвать кристаллы ёмкостью 4 Мбит (512 Кбайт) фирм Toshiba и NEC, обеспечивающие время доступа 150 и 120 нс соответственно. Очевидно, эти характеристики сопоставлены с DRAM.

Дальше всего от традиционного понимания ПЗУ отстоит ЭСППЗУ. Оно предоставляет стирать своё содержимое не ультрафиолетовыми лучами, а электрическими сигналами. Но, конечно же, время перезаписи информации в этом устройстве существенно выше, чем в ОЗУ, что не позволяет использовать его в качестве последнего. Однако ЭСППЗУ можно считать заменителем НМД небольшой ёмкости. К примеру, еще в 1987 г. фирма Seeq Technology выпустила кристаллы ЭСППЗУ ёмкостью 1 Мбит (128 Кбайт).

) Кэш память - очень быстрая память малого объема служит для увеличения производительности компьютера, согласования работы устройств различной скорости. Кэш-память может быть встроена сразу в процессор или размещаться на материнской плате

Кэш или кеш (англ. cache, от фр. cacher — «прятать»; произносится [kæʃ] — «кэш») — промежуточный буфер с быстрым доступом, содержащий информацию, которая может быть запрошена с наибольшей вероятностью. Доступ к данным в кэше идёт быстрее, чем выборка исходных данных из оперативной (ОЗУ) и быстрее внешней (жёсткий диск или твердотельный накопитель) памяти, за счёт чего уменьшается среднее время доступа и увеличивается общая производительность компьютерной системы.

Функционирование

Диаграмма кэша памяти ЦПУ

Кэш — это память с большей скоростью доступа, предназначенная для ускорения обращения к данным, содержащимся постоянно в памяти с меньшей скоростью доступа (далее «основная память»). Кэширование применяется ЦПУ, жёсткими дисками, браузерами, веб-серверами, службами DNS и WINS.

Кэш состоит из набора записей. Каждая запись ассоциирована с элементом данных или блоком данных (небольшой части данных), которая является копией элемента данных в основной памяти. Каждая запись имеет идентификатор, определяющий соответствие между элементами данных в кэше и их копиями в основной памяти.

Когда клиент кэша (ЦПУ, веб-браузер, операционная система) обращается к данным, прежде всего исследуется кэш. Если в кэше найдена запись с идентификатором, совпадающим с идентификатором затребованного элемента данных, то используются элементы данных в кэше. Такой случай называется попаданием кэша. Если в кэше не найдена запись, содержащая затребованный элемент данных, то он читается из основной памяти в кэш, и становится доступным для последующих обращений. Такой случай называется промахом кэша. Процент обращений к кэшу, когда в нём найден результат, называется уровнем попаданий или коэффициентом попаданий в кэш.

Например, веб-браузер проверяет локальный кэш на диске на наличие локальной копии веб-страницы, соответствующей запрошенному URL. В этом примере URL — это идентификатор, а содержимое веб-страницы — это элементы данных.

Если кэш ограничен в объёме, то при промахе может быть принято решение отбросить некоторую запись для освобождения пространства. Для выбора отбрасываемой записи используются разные алгоритмы вытеснения.

При модификации элементов данных в кэше выполняется их обновление в основной памяти. Задержка во времени между модификацией данных в кэше и обновлением основной памяти управляется так называемой политикой записи.

В кэше с немедленной записью каждое изменение вызывает синхронное обновление данных в основной памяти.

В кэше с отложенной записью (или обратной записью) обновление происходит в случае вытеснения элемента данных, периодически или по запросу клиента. Для отслеживания модифицированных элементов данных записи кэша хранят признак модификации (изменённый или «грязный»). Промах в кэше с отложенной записью может потребовать два обращения к основной памяти: первое для записи заменяемых данных из кэша, второе для чтения необходимого элемента данных.

В случае, если данные в основной памяти могут быть изменены независимо от кэша, то запись кэша может стать неактуальной. Протоколы взаимодействия между кэшами, которые сохраняют согласованность данных, называют протоколами когерентности кэша.

Аппаратная реализация

Кэш центрального процессора

Основная статья: Кэш процессора

В связи с ростом частоты, на которой функционируют процессоры, и повышением производительности подсистемы оперативной памяти (ОЗУ), «бутылочным горлышком» вычислительной системы стал интерфейс передачи данных.

Кэш-память может давать значительный выигрыш в производительности в случае, когда тактовая частота ОЗУ значительно меньше тактовой частоты процессора. Ряд моделей процессоров обладают собственным кэшем для минимизации времени доступа к оперативной памяти (ОЗУ), которая медленнее, чем регистры (эти регистры и буфера ввода/вывода могут считаться кэшем нулевого уровня). Тактовая частота для кэш-памяти обычно ненамного меньше частоты ЦП.

В процессорах с поддержкой виртуальной адресации часто вводят небольшой быстродействующий буфер трансляций адресов (TLB). Его скорость важна, так как он опрашивается на каждом обращении в память.

Проблема синхронизации между различными кэшами (как одного, так и множества процессоров) решается когерентностью кэша.

Существует три варианта обмена информацией между кэш-памятью различных уровней, или, как говорят, кэш-архитектуры: инклюзивная, эксклюзивная и неэксклюзивная.

Инклюзивная архитектура предполагает дублирование информации кэша верхнего уровня в нижнем (предпочитает фирма Intel).

Эксклюзивная кэш-память предполагает уникальность информации, находящейся в различных уровнях кэша (предпочитает фирма AMD).

В неэксклюзивной кэши могут вести себя как угодно.

Уровни кэша

Кэш центрального процессора разделён на несколько уровней. Максимальное количество кэшей — четыре. В универсальном процессоре в настоящее время число уровней может достигать трёх. Кэш-память уровня N+1, как правило, больше по размеру и медленнее по скорости доступа и передаче данных, чем кэш-память уровня N.

• Самым быстрым является кэш первого уровня — L1 cache (level 1 cache). По сути, она является неотъемлемой частью процессора, поскольку расположена на одном с ним кристалле и входит в состав функциональных блоков. В современных процессорах обычно L1 разделен на два кэша — кэш команд (инструкций) и кэш данных (Гарвардская архитектура). Большинство процессоров без L1 не могут функционировать. L1 работает на частоте процессора, и, в общем случае, обращение к нему может производиться каждый такт. Зачастую является возможным выполнять несколько операций чтения/записи одновременно.

• Вторым по быстродействию является кэш второго уровня — L2 cache, который обычно, как и L1, расположен на одном кристалле с процессором. В ранних версиях процессоров L2 реализован в виде отдельного набора микросхем памяти на материнской плате. Объём L2 от 128 кбайт до 1−12 Мбайт. В современных многоядерных процессорах кэш второго уровня, находясь на том же кристалле, является памятью раздельного пользования — при общем объёме кэша в nM Мбайт на каждое ядро приходится по nM/nC Мбайта, где nC — количество ядер процессора.

• Кэш третьего уровня наименее быстродействующий, но он может быть очень большим — более 24 Мбайт. L3 медленнее предыдущих кэшей, но всё равно значительно быстрее, чем оперативная память. В многопроцессорных системах находится в общем пользовании и предназначен для синхронизации данных различных L2.

• Существует четвёртый уровень кэша, применение которого оправдано только для многопроцессорных высокопроизводительных серверов и мейнфреймов. Обыкновенно он реализован в виде отдельной микросхемы.

Ассоциативность кэша

Одна из фундаментальных характеристик кэш-памяти — уровень ассоциативности — отображает её логическую сегментацию, которая вызвана тем, что последовательный перебор всех строк кэша в поисках необходимых данных потребовал бы десятков тактов и свёл бы на нет весь выигрыш от использования встроенной в ЦП памяти. Поэтому ячейки ОЗУ жёстко привязываются к строкам кэш-памяти (в каждой строке могут быть данные из фиксированного набора адресов), что значительно сокращает время поиска.

При одинаковом объёме кэша, схема с большей ассоциативностью будет наименее быстрой, но наиболее эффективной (после четырёхпотоковой реализации, прирост «удельной эффективности» на один поток растет мало).

Программная реализация

Алгоритм вытеснения

Основная статья: Алгоритмы кэширования

Если список свободных буферов пуст, то выполняется алгоритм вытеснения буфера. Алгоритм вытеснения существенно влияет на производительность кэша. Существуют следующие алгоритмы:

1. LRU (англ. Least Recently Used) — вытесняется буфер, неиспользованный дольше всех;
2. MRU (англ. Most Recently Used) — вытесняется последний использованный буфер;
3. LFU (англ.) (англ. Least Frequently Used) — вытесняется буфер, использованный реже всех;
4. ARC (англ.) (англ. Adaptive Replacement Cache) — алгоритм вытеснения, комбинирующий LRU и LFU, запатентованный IBM.

Применение того или иного алгоритма зависит от стратегии кэширования данных. LRU наиболее эффективен, если данные гарантированно будут повторно использованы в ближайшее время. MRU наиболее эффективен, если данные гарантированно не будут повторно использованы в ближайшее время. В случае, если приложение явно указывает стратегию кэширования для некоторого набора данных, то кэш будет функционировать наиболее эффективно.

Системная шина

Системная шина (FSB) – канал, по которому процессор соединен с другими устройствами компьютера.

К шине напрямую подключен только процессор, другие устройства компьютера подключены к ней через разнообразные контроллеры. Центральный процессор через Системную шину (FSB)подключается к системному контроллеру (Северный Мост илиNorth Bridge). Северный мост оснащен контроллером ОЗУ (или же этот контроллер встроен в центральный процессор), а также контроллеры шин для подключения периферийных устройств.

Также к системному контроллеру подключают периферийные устройства с высокой производительностью – видеокарта с шиной PCI Express 16x, а устройства с меньшой производительностью (устройства с шиной PCI или микросхема BIOS) будут подключены уже к Южному Мосту (South Bridge), который, через специальную шину, подключен к северному мосту. Набор из северного и южного мостов называют чипсетом. Несложно сделать вывод, что чем выше частота шины, тем выше производительность, а значит, повышается скорость обмена данными между материнской платой и процессором. При выборе процессора и материнской платы следует обращать внимание на частоты их шин. Желательно чтобы они совпадали. Если частота шины процессора выше частоты материнской платы, то процессор работать не буду. Но если, к примеру, у процессора частота шины 1066 МГц, а материнская плата поддерживает процессоры с частотой 1333 МГц, то процессор будет работать, но только она своих 1066 МГц.

Внешняя память компьютера

Внешняя память - это память, предназначенная для длительного хранения программ и данных. Целостность содержимого ВЗУ не зависит от того, включен или выключен компьютер

Дисковод(накопитель) - устройство записи/считывания информации. Накопители имеют собственное имя – буква латинского алфавита, за которой следует двоеточие. Для подключения к компьютеру одного или несколько дисководов и управления их работой нужен Дисковый контроллер

Носитель информации (носитель записи) – материальный объект, способный хранить информацию. Информация записывается на носитель посредством изменения физических, химических и механических свойств запоминающей среды

По типу доступа к информации внешнюю память делят на два класса:

Устройства прямого (произвольного) доступа – время обращения к информации не зависит от места её расположения на носителе;

Устройство последовательного доступа – такая зависимость существует

В состав внешней памяти входят:1) накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД); 2) накопители на гибких магнитных дисках (НГМД); 3) накопители на магнитооптических компакт дисках; 4) накопители на оптических дисках (CD-ROM); 5) накопители на магнитной ленте и др.

Устройства ввода

Устройства ввода - это устройства, которые переводят информацию с языка человека на машинный язык.

К устройствам ввода относятся:

Клавиатура– клавишное устройство для ввода числовой и текстовой информации;

Стандартная клавиатура содержит:

1) набор алфавитно-цифровых клавиш;

2) дополнительно управляющие и функциональные клавиши;

3) клавиши управления курсором;

4) малую цифровую клавиатуру

Координатные устройства ввода- манипуляторы для управления работой курсора (Мышь, Трекбол, Тачпад, Джойстик)

У мыши и трекбола вращение металлического шара, покрытого резиной, передается двум пластмассовым валам, положение которых рассчитывается инфракрасными оптопарами и затем преобразуется в электрический сигнал, управляющий движением указателя мыши на экране. Тачпад -манипулятор для портативных компьютеров, встроен в ПК, перемещение курсора осуществляется путем прикосновения к тачпаду пальцев. Джойстик – манипулятор для управления электронными играми.

Сканер– устройство ввода и преобразования в цифровую форму изображений и текстов. Существуют планшетные и ручные сканеры.

Цифровые камеры – формируют любые изображения сразу в компьютерном формате;

Микрофон– ввод звуковой информации. Звуковая карта преобразует звук из аналоговой формы в цифровую.

Сенсорные устройства ввода :

Сенсорный экран - чувствительный экран. Общение с компьютером осуществляется путем прикосновения пальцем к определенному месту экрана. Им оборудуют места операторов и диспетчеров, используют в информационно-справочных системах

Дигитайзер – устройство преобразования готовых (бумажных) документов цифровую форму

Световое перо – светочувствительный элемент. Если перемещать перо по экрану, то можно им рисовать. Обычно применяют в карманных компьютерах, системах проектирования и дизайна

Устройства вывода

Устройства вывода - это устройства, которые переводят информацию с машинного языка в формы, доступные для человеческого восприятия.

К устройствам вывода относятся:

Монитор(дисплей) - универсальное устройство визуального отображения всех видов информации

Различают алфавитно-цифровые и графические мониторы, а также монохромные мониторы и мониторы цветного изображения - активно-матричные и пассивно-матричные жкм.

Разрешающая способность выражается количеством элементов изображения по горизонтали и вертикали. Элементами графического изображения считаются точки – пиксели (picture element). Элементами текстового режима также являются символы. Современные видеоадаптеры (SuperVGA) обеспечивают высокие разрешения и отобража