Представление информации в информационных системах

Путилин А.Б.

Организация ЭВМ и систем

Учебное пособие для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки дипломированных специалистов по направлению «Информатика и вычислительная техника»

специальность 230105 (220400) – Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем;

специальность 200106 (190900) – Информационно-измерительная техника и технологии.

Москва

УДК 389.14.07

Организация ЭВМ и систем.

Учебное пособие для вузов / А.Б. Путилин. – М.:2008 г.,

Учебное пособие предназначено для студентов и специалистов в области

вычислительной и информационно-измерительной техники и используется в составе учебно-методического комплекса дисциплины «Организация ЭВМ и систем» и использует дистанционные образовательные технологии.

В учебном пособии представлен материал курсов дисциплин «Организация ЭВМ и систем», «Вычислительная техника в измерительных информационных системах», «Микропроцессоры и ЭВМ в приборостроении». Рассмотрены общие вопросы построения и использования аналоговых и цифровых вычислительных устройств. Приведены методы и устройства аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования. Рассмотрены архитектуры микропроцессоров и особенности использования микропроцессорных систем. Приводятся особенности организации и базовые структуры ЭВМ.

Москва, 2008

Предисловие

В книге последовательно рассматриваются вопросы использования элементной базы, принципов построения и программирования вычислительных устройств для систем обработки информации.

Некоторые темы можно отнести к классическим разделам как вычислительной техники, так и, например, модульной электроники, микропроцессорной техники и техники программирования.

Программное обеспечение рассмотрено на примере языков высокого уровня нашедших широкое применение. Материал изложен таким образом, что позволяет решать конкретные задачи даже начинающему изучение студенту и не требует знакомства с дополнительной литературой.

В первой главе рассмотрены основные понятия об информации и информационных процессах.

Вторая и третья главы посвящены анализу принципов построения аналоговых и цифровых вычислительных устройств.

Четвертая глава включает в себя материал по системам счисления и математической логике. На конкретных примерах рассматривается преобразование кодов, синтез и минимизация логических схем.

В главах с пятой по девятую рассматриваются комбинационные и последовательностные цифровые устройства их синтез и особенности применения.

Десятая глава посвящена применению АЦП и ЦАП для преобразования сигналов.

В одиннадцатой главе рассматриваются принципы построения микропроцессоров.

В главах двенадцатой и тринадцатой изложен материал по программно-модульным интерфейсам и интерфейсам персональных ЭВМ.

Оглавление

Введение…………….................................................................................................................... 10

Глава 1. Представление информации в информационных системах................................. 11

1.1. Понятие об информации и информационных процессах............................................. 12

1.2. Сигналы и информация...................................................................................................... 12

1.3. Виды информации и их классификация.......................................................................... 13

1.4. Структура информации...................................................................................................... 19

1.5. Дискретизация сигналов при вводе в ЭВМ....................................................................... 23

Контрольные вопросы................................................................................................................ 25

Глава 2. Аналоговые вычислительные устройства............................................................... 26

2.1. Методы моделирования...................................................................................................... 26

2.2. Методы построения АВУ..................................................................................................... 29

2.3. Основные характеристики АВУ......................................................................................... 30

2.4. Функциональные устройства............................................................................................ 31

2.5. Суммирующие и вычитающие устройства...................................................................... 32

2.6. Дифференцирующие устройства........................................................................................ 43

2.7. Интегрирующие устройства............................................................................................... 47

Контрольные вопросы................................................................................................................ 53

Глава 3. Цифровые вычислительные устройства................................................................... 54

3.1. Основные понятия и определения цифровой вычислительной техники...................... 54

3.2. Характеристики ЭВМ........................................................................................................... 55

3.3. Поколения ЭВМ.................................................................................................................... 57

Контрольные вопросы................................................................................................................ 59

Глава 4. Математическое введение в цифровую вычислительную технику...................... 60

4.1. Системы счисления, используемые в ЭВМ....................................................................... 60

4.2. Формы представления числовой информации................................................................ 66

4.3. Машинные коды чисел........................................................................................................ 68

4.4. Кодирование алфавитно-числовой информации........................................................... 71

4.5. Элементы алгебры логики................................................................................................... 72

4.6. Функционально полные системы..................................................................................... 75

4.7. Минимизация функций алгебры логики........................................................................... 78

Контрольные вопросы................................................................................................................ 82

Глава 5. Комбинационные цифровые устройства................................................................. 83

5.1. Понятие о комбинационных и последовательностных цифровых

устройствах …………………………………………………………………………………………….83

5.2. Базовые интегральные логические элементы.................................................................. 83

5.3. Синтез КЦУ............................................................................................................................ 86

Контрольные вопросы................................................................................................................ 89

Глава 6. Типовые КЦУ................................................................................................................ 90

6.1. Дешифраторы........................................................................................................................ 90

6.2. Шифраторы........................................................................................................................... 92

6.3. Мультиплексоры.................................................................................................................. 93

6.4. Сумматоры........................................................................................................................... 94

Контрольные вопросы................................................................................................................ 98

Глава 7. Анализ работы КЦУ..................................................................................................... 99

7.1. Быстродействие КЦУ........................................................................................................... 99

7.2. Состязания в КЦУ.............................................................................................................. 101

Контрольные вопросы.............................................................................................................. 104

Глава 8. Понятие о ПЦУ........................................................................................................... 105

8.1. Основные определения и структура ПЦУ....................................................................... 105

8.2. Классификация триггеров................................................................................................ 106

8.3. Асинхронный RS-триггер с прямыми входами.............................................................. 107

8.4. Синхронный RS-триггер со статическим управлением................................................ 109

8.5. Универсальный JK-триггер............................................................................................... 112

8.6. Т-триггеры........................................................................................................................... 114

8.7. D-триггер ………………………………………………………………………………………...115

Контрольные вопросы.............................................................................................................. 116

Глава 9. Типовые ПЦУ............................................................................................................. 117

9.1.Регистры ………………………………………………………………………………….……..117

9.2. Счетчики ………………………………………………………………………………………...124

9.3. Сумматоры на основе ПЦУ…………………………………………………………………..129

9.4. Построение запоминающих устройств……….…………...………………………………131

Контрольные вопросы.............................................................................................................. 138

Глава 10. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи.............................. 139

10.1. аналого-цифровые преобразователи (АЦП)................................................................. 139

10.2. АЦП с интегрированием.................................................................................................. 139

10.3. АЦП с последовательным сравнением......................................................................... 141

10.4. АЦП с преобразованием измеряемой величины в

кодируемый временной интервал........................................................................................... 143

10.5. АЦП двоичного поразрядного уравновешивания...................................................... 146

10.6. Основные характеристики АЦП……………………………………………………………148

10.7. Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП)………………………………………………..150

Контрольные вопросы.............................................................................................................. 153

Глава 11. Общая характеристика микропроцессоров......................................................... 154

11.1. Использование микропроцессоров в ИИТ.................................................................... 154

11.2. Структура микропроцессоров........................................................................................ 155

11.3. Классификация микропроцессоров.............................................................................. 159

11.4. Программное управление МП........................................................................................ 161

11.5. Особенности построения модульных МП.................................................................... 194

11.6. Принципы организации ЭВМ с использованием МП................................................. 198

Контрольные вопросы.............................................................................................................. 208

Глава 12. Интерфейсы программно-модульных и

магистрально-модульных систем......................................................................................... 208

12.1. Программно-модульный интерфейс IEC 625-1.

Общая характеристика интерфейса....................................................................................... 208

12.2. Логическая организация интерфейса.......................................................................... 209

12.3. Схемы поддержки и БИС для интерфейса..................................................................... 213

12.4. Локальные системы на базе интерфейса...................................................................... 214

12.5. Интерфейсы магистраль-модульных и мультимикропроцессорных систем.

Развитие интерфейсов системы КАМАК................................................................................ 216

12.6. Интерфейсы системы Multibus...................................................................................... 220

12.7. Интерфейс системы Fastbus........................................................................................... 224

Контрольные вопросы.............................................................................................................. 230

Глава 13. Интерфейсы и шины персональных ЭВМ............................................................. 221

13.1 Общая характеристика интерфейсов............................................................................. 231

13.2 Последовательный и параллельный интерфейсы......................................................... 232

13.3 Универсальная последовательная шина USB.............................................................. 233

13.4 Интерфейс портативных компьютеров (PCMCIA)......................................................... 235

13.5 Шины персональных компьютеров ЭВМ серии PC/AT

(ISA, EISA, MCA, PCI)................................................................................................................. 239

13.6 Локальные шины (Local bus и VL-bus).......................................................................... 248

13.7 Интерфейс FireWare.......................................................................................................... 251

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ………………………………………………………………………..253

Литература ………………………………………………………………………………………...254

термины и определения……………………………………………………………………………..255

Введение

Развитие вычислительной техники связано с созданием первых вычислительных устройств для управления и декодирования. Блок схема введенная Дж. Фон Нейманом представляла собой модель, по уровню реализации близкую большинству информационных структур.

Информационная техника во многом опирается на успехи, достигнутые в области электроники, вычислительной техники и современной теории обработки сигналов.

В современных информационно-измерительных системах используются, как правило, следующие компоненты: датчики, осуществляющие преобразование одной физической величины в другую; согласующие устройства или интерфейсы, реализующие связь и согласование между элементами системы и вычислительное устройство, обеспечивающее выполнение алгоритмов обработки и анализа сигналов с последующим отображением результатов или передачей командных воздействий на управление объектом измерения.

По существу, именно вычислительное устройство позволяет обеспечивать не только математическую обработку измерительной информации, но и создавать широкий класс виртуальных измерительных приборов, обеспечивающих весь спектр традиционных измерений.

Сохраняют свое значение и аналоговые вычислительные устройства, которые либо самостоятельно в реальном масштабе времени выполняют простейшие вычислительные операции, не дискретизируя сигнал, либо выступают в качестве промежуточных согласующих схем.

Совершенствование цифровых вычислительных устройств привело к появлению нового класса программно­­-управляемых устройств - микропроцессоров. Успехи в развитии микроэлектронного производства способствовали появлению как специальных сигнальных процессоров, использующих в одном корпусе однокристальную микроЭВМ и ряд преобразователей электрических сигналов в цифровой код, так и суперЭВМ, обладающих рекордным быстродействием, большими объемами памяти и возможностями связи и управления на большом расстоянии.

В этой связи, важное значение приобретает оптимальное программирование, которое возможно при использовании как языков ассемблера, ориентированных на определенную элементную базу, так и универсальных языков программирования высокого уровня.

Глава 1

Представление информации в информационных системах