Центральный процессор: назначение, функции и принципы работы центрального процессора; определения основных элементов процессора; основные его характеристики
Информатика и информация: определение информатики; понятие информации, ее св-ва, определение кол-ва и единицы измерения.
Научным фундаментом процесса информатизации общества является новая научная дисциплина – информатика. Существует множество определений информатики, что связано с многогранностью ее функций, возможностей, средств и методов. Информатика – это область человеческой деятельности, связанная с процессами преобразования информации с помощью компьютеров и их взаимодействием со средой применения.
Термин информатика возник в 60 – 70 годах во Франции для названия области, занимающейся обработкой информации с помощью электронных вычислительных машин.
Цель информатики - получение обобщенных знаний о техническом, программном обеспечении персонального компьютера, приобретении навыков по построению алгоритмов и программ и их решении на ЭВМ.
Задачи информатики:
1. Исследование информационных процессов любой природы.
2. Разработке информационной техники и создание новейшей технологии по переработке информации.
3. Решение научных, экономических и инженерных задач с использованием ПЭВМ.
Главная функция информатики заключается в разработке методов и средств преобразования информации и их использовании в организации технологического процесса переработки информации.
Термин информатика используется не только для отображения достижений компьютерной техники, но и связывается с процессами передачи и обработки информации.
Понятие информации является основополагающим понятием информатики. Любая деятельность человека представляет собой процесс сбора и переработки информации, принятия на ее основе решений и их выполнения. Информация-сведения об объектах и явлениях окружающей среды, их параметрах, свойствах и состоянии, которые уменьшают имеющуюся о них степень неопределенности, неполноты знаний.
Свойства информации:
1. Релевантность – способность информации соответствовать нуждам потребителя.
2. Полнота – свойство информации исчерпывающе характеризовать рассматриваемый объект.
3. Своевременность – способность информации соответствовать нуждам потребителя в нужный момент времени.
4. Достоверность – свойство информации не иметь скрытых ошибок.
5. Доступность – свойство информации, характеризующее возможность ее получения данным потребителем.
6. Защищенность – свойство, характеризующее невозможность несанкционированного использования или изменения.
7. Эргономичность – свойство, характеризующее удобство формы и объема информации с точки зрения данного потребителя.
Количеством информацииназывают числовую характеристику сигнала, отражающую ту степень неопределенности (неполноту знаний), которая исчезает после получения сообщения в виде данного сигнала. Эту меру неопределенности в теории информации называют энтропией,а способ измерения количества информации называют - энтропийным. Количество информации, которое можно получить при ответе на вопрос типа «да-нет», называется битом (англ. bit – сокращенное от binary digit – двоичная единица). Бит – минимальная единица количества информации, т.к. получить информацию меньшую, чем 1 бит, невозможно. Связь между количеством информации и числом состояний системы устанавливается формулой Хартли:
i = log2N,
где i – количество информации в битах;
N – число возможных состояний.
Ту же формулу можно представить иначе:
N = 2i
Группа из 8 битов информации называется байтом. Если бит – минимальная единица информации, то байт ее основная единица. Существуют производные единицы информации: килобайт (Кбайт, Кбт), мегабайт (Мбайт, Мбт) и гигабайт (Гбайт, Гбт).
1 Кбт = 1024 байта = 210 (1024) байтов.
1 Мбт = 1024 Кбайта = 220 (1024 • 1024) байтов.
1 Гбт = 1024 Мбайта = 230 (1024 • 1024 • 1024) байтов.
Эти единицы чаще всего используют для указания объема памяти ЭВМ
Информационные процессы и их характеристика: определения информационных процессов, процессов сбора, передачи, накопления, обработки информации, их общая характеристика с примерами.
Процессы, осуществляющие сбор, передачу, обработку и накопление информации, называются информационными.
1. Сбор информации – это процесс получения информации из внешнего мира и приведение ее к виду, стандартному для данной информационной системы
Обмен информацией между воспринимающей информацию системой и окружающей средой осуществляется посредством сигналов. В качестве носителя сигнала могут выступать звук, свет, электрический ток, магнитное поле и т.д.
Процесс обработки сигнала можно охарактеризовать следующими шагами:
1. Первичный сигнал с помощью датчика преобразуется в эквивалентный ему электрический сигнал (электрический ток).
2. Вторичный (электрический) сигнал отцифровывается специальным устройством – аналогово–цифровым преобразователем (АЦП). АЦП величине электрического сигнала ставит в соответствие некоторое число. Датчик и АЦП, связанные вместе составляют цифровой измерительный прибор.
3. Если этот прибор оснастить устройством для хранения измеренной величины – регистром, то по команде от ЭВМ можно ввести это число в машину и подвергнуть необходимой обработке.
Современные системы сбора информации могут включать в себя тысячи цифровых измерительных приборов и всевозможных устройств ввода информации (от человека к ЭВМ, от ЭВМ к ЭВМ и т.д.).
2. Передача (обмен) информации – это процесс, в ходе которого источник информации ее передает, а получатель – принимает. Если в передаваемых сообщениях обнаружены ошибки, то организуется повторная передача этой информации. В результате обмена информацией между источником и получателем устанавливается своеобразный «информационный баланс», при котором в идеальном случае получатель будет располагать той же информацией, что и источник.
Обмен информацией производится с помощью сигналов , являющихся ее материальным носителем. Источниками информации могут быть любые объекты реального мира, обладающие определенными свойствами и способностями. Если объект относится к неживой природе, то он вырабатывает сигналы, непосредственно отражающие его свойства. Если объектом – источником является человек, то вырабатываемые им сигналы могут не только непосредственно отражать его свойства, но и соответствовать тем знакам, которые человек вырабатывает с целью обмена информацией.
Передача информации осуществляется различными способами: с помощью курьера, пересылка по почте, доставка транспортными средствами, дистанционная передача по каналам связи. Дистанционная передача по каналам связи сокращает время передачи данных. Для ее осуществления необходимы специальные технические средства. Некоторые технические средства сбора и регистрации, собирая автоматически информацию с датчиков, установленных на рабочих местах, передают ее в ЭВМ. Дистанционно может передаваться как первичная информация с мест ее возникновения, так и результатная в обратном направлении. В этом случае результатная информация отражается на различных устройствах: дисплеях, табло, печатающих устройствах. Поступление информации по каналам связи в центр обработки в основном осуществляется двумя способами: на машинном носителе или непосредственно в ЭВМ при помощи специальных программных и аппаратных средств.
3. Накоплениеинформации – процесс формирования исходного, несистематизированного массива информации. Принятую информацию получатель может использовать неоднократно. С этой целью он должен зафиксировать ее на материальном носителе (магнитном, фото, кино и др.). Среди записанных сигналов могут быть такие, которые отражают ценную или часто используемую информацию. Часть информации в данный момент времени особой ценности может не представлять, хотя, возможно, потребуется в дальнейшем. Накопление и хранение информации вызвано многократным ее использованием, применением постоянной информации, необходимостью комплектации первичных данных для их обработки.
4. Обработка информации – это упорядоченный процесс ее преобразования в соответствии с алгоритмом решения задачи. Процесс решения определяется принятым вычислительным алгоритмом.
Машинная обработка информации предполагает последовательно–параллельное во времени решение вычислительных задач. Это возможно при наличии определенной организации вычислительного процесса. Вычислительная задача формируется источником вычислительных задач (ИВЗ). Вычислительная задача по мере необходимости решения обращается с запросами в вычислительную систему.
Архитектура ЭВМ: определения компьютера, архитектуры и структуры ЭВМ; основа и принцип действия компьютера, понятие команды; общие логические принципы работы компьютера; главные устройства компьютера и их функции.
Компьютер (англ. computer — вычислитель) представляет собой программируемое электронное устройство, способное обрабатывать данные и производить вычисления, а также выполнять другие задачи манипулирования символами. Существует два основных класса компьютеров: цифровые компьютеры, обрабатывающие данные в виде двоичных кодов; аналоговые компьютеры, обрабатывающие непрерывно меняющиеся физические величины (электрическое напряжение, время и т.д.), которые являются аналогами вычисляемых величин.
Основу компьютеров образует аппаратура (HardWare), построенная, в основном, с использованием электронных и электромеханических элементов и устройств. Принцип действия компьютеров состоит в выполнении программ (SoftWare) — заранее заданных, четко определённых последовательностей арифметических, логических и других операций.
Любая компьютерная программа представляет собой последовательность отдельных команд.
Команда — это описание операции, которую должен выполнить компьютер. Как правило, у команды есть свой код (условное обозначение), исходные данные (операнды) и результат. Результат команды вырабатывается по точно определенным для данной команды правилам, заложенным в конструкцию компьютера.
Совокупность команд, выполняемых данным компьютером, называется системой команд этого компьютера. Компьютеры работают с очень высокой скоростью, составляющей миллионы — сотни миллионов операций в секунду.
При рассмотрении компьютерных устройств принято различать их архитектуру и структуру.
Архитектурой компьютера называется его описание на некотором общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и т.д. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного ЗУ, внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.
Структура компьютера — это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые различные устройства — от основных логических узлов компьютера до простейших схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации.
Разнообразие современных компьютеров очень велико. Но их структуры основаны на общих логических принципах, позволяющих выделить в любом компьютере следующие главные устройства:
· память (запоминающее устройство, ЗУ), состоящую из перенумерованных ячеек;
· процессор, включающий в себя устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ);
· устройство ввода;
· устройство вывода.
Эти устройства соединены каналами связи, по которым передается информация.
Основные устройства компьютера и связи между ними представлены на схеме (рисунок. 5.1). Жирными стрелками показаны пути и направления движения информации, а простыми стрелками — пути и направления передачи управляющих сигналов.
Рисунок. 5.1. Общая схема компьютера
Функции памяти:
· приём информации из других устройств;
· запоминание информации;
· выдача информации по запросу в другие устройства машины.
Функции процессора:
· обработка данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операций;
· программное управление работой устройств компьютера.
Центральный процессор: назначение, функции и принципы работы центрального процессора; определения основных элементов процессора; основные его характеристики.
Центральный процессор (CPU, от англ. Central Processing Unit) — это основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера. Центральный процессор в общем случае содержит в себе:
·арифметико-логическое устройство;
·шины данных и шины адресов;
·регистры;
·счетчики команд;
·кэш — очень быструю память малого объема (от 8 до 512 Кбайт);
·математический сопроцессор чисел с плавающей точкой.
Функции процессора:
· обработка данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операций;
· программное управление работой устройств компьютера.
Та часть процессора, которая выполняет команды, называется арифметико-логическим устройством (АЛУ), а другая его часть, выполняющая функции управления устройствами, называется устройством управления (УУ). Обычно эти два устройства выделяются чисто условно, конструктивно они не разделены.
В составе процессора имеется ряд специализированных дополнительных ячеек памяти, называемых регистрами.
Регистр выполняет функцию кратковременного хранения числа или команды. Над содержимым некоторых регистров специальные электронные схемы могут выполнять некоторые манипуляции. Например, "вырезать" отдельные части команды для последующего их использования или выполнять определенные арифметические операции над числами. Основным элементом регистра является электронная схема, называемая триггером, которая способна хранить одну двоичную цифру (разряд двоичного кода). Регистр представляет собой совокупность триггеров, связанных друг с другом определённым образом общей системой управления. Существует несколько типов регистров, отличающихся видом выполняемых операций. Некоторые важные регистры имеют свои названия, например:
· сумматор — регистр АЛУ, участвующий в выполнении каждой операции;
· счетчик команд — регистр УУ, содержимое которого соответствует адресу очередной выполняемой команды; служит для автоматической выборки программы из последовательных ячеек памяти;
· регистр команд — регистр УУ для хранения кода команды на период времени, необходимый для ее выполнения. Часть его разрядов используется для хранения кода операции, остальные — для хранения кодов адресов операндов.
Команда — это описание элементарной операции, которую должен выполнить компьютер.
В общем случае, команда содержит следующую информацию:
· код выполняемой операции;
· указания по определению операндов (или их адресов);
· указания по размещению получаемого результата.
В зависимости от количества операндов, команды бывают:
· одноадресные;
· двухадресные;
· трехадресные;
· переменноадресные.
Память ЭВМ: определения и функции памяти, запоминающих элементов (ЗУ), основные характеристики ЗУ; классификация ЗУ по способу организации доступа; определения оперативной, сверхоперативной, внешней памяти.
Память – совокупность отдельных устройств, которые запоминают, хранят, выдают информацию. Функции памяти:
· приём информации из других устройств;
· запоминание информации;
· выдача информации по запросу в другие устройства машины.
Отдельные устройства памяти называют запоминающими устройствами (ЗУ). Память компьютера построена из двоичных запоминающих элементов — битов, объединенных в группы по 8 битов, которые называются байтами. (Единицы измерения памяти совпадают с единицами измерения информации). Все байты пронумерованы. Номер байта называется его адресом. Байты могут объединяться в ячейки, которые называются также словами. Широко используются и более крупные производные единицы объема памяти: Килобайт, Мегабайт, Гигабайт, а также, в последнее время, Терабайт и Петабайт.
Производительность компьютеров в значительной мере определяется составом и характеристиками отдельных запоминающих устройств, которые различают по принципу действия, техническим характеристикам, назначениям. Основные операции с памятью – процедура записи, процедура чтения (выборка). Процедуры записи и чтения также называют обращением к памяти. За одно обращение к памяти «обрабатывается» для различных устройств различные единицы данных (байт, слово, двойное слово, блок). Основные технические характеристики – емкость, быстродействие (время обращения к ЗУ).В некоторых ЗУ считывание данных сопровождается их разрушением. В этом случае цикл обращения к памяти всегда должен содержать регенерацию данных (ЗУ динамического типа). Этот цикл состоит из трех шагов: время от начала операции обращения до того момента, как данные станут доступны (время доступа);Ø считывание;Ø регенерация; Ø процедура записи:Ø время доступа;Ø время подготовки (приведение в исходное состояние поверхности магнитного диска при записи)Ø запись;
В зависимости от вида реализуемых операций память бывает двусторонней (память с любым обращением) и односторонней. Вторая сторона позволяет производить чтение-запись. Односторонняя память предназначена только для чтения или только для записи.
По способу организации доступа к данным все ЗУ разделяются на:
· ЗУ с произвольным доступом. Цикл обращения таких устройств не зависит от того, в каком физическом месте ЗУ находятся требуемые данные. Такой способ доступа характерен для полупроводниковых ЗУ. Число записанных одновременно битов данных за одно обращение называют шириной выборки (доступа). К таким устройствам относятся те ЗУ, доступ к которым должен быть очень быстрым (оперативная память, сверхоперативная память)
· ЗУ с прямым или циклическим доступом. В таких устройствах носитель информации непрерывно вращается. В результате требуемые данные доступны для чтения-записи через некоторый фиксированный промежуток времени. Такие ЗУ называют ЗУ циклического доступа (например, жесткий диск).
· ЗУ с последовательным доступом. При последовательном доступе, прежде чем найти нужный участок ЗУ, нужно «просмотреть» либо все предыдущие участки памяти, либо предыдущий последовательно один за другим (накопитель на магнитной ленте).
Различают два основных вида памяти — внутреннюю и внешнюю
Оперативная память (ОП) обеспечивает хранение информации, которое непосредственно используется процессором (АЛУ, УУ) в ходе выполнения программ, следовательно ее характеристики непосредственным образом влияют на производительность компьютера. Быстродействие памяти меньше быстродействия процессора (7нс – время обращения к памяти, к процессору в 5 раз меньше). В современных компьютерах существует сверхоперативная память (кэш) – буфер между процессором и ОП. Кэш имеет небольшую емкость и обеспечивает временное хранение активных участков программ, активных участков данных, некоторой служебной информации для управления вычислительным процессом. Обмен между кэш и ОП происходит поблочно. Приблизительно на том же уровне располагается регистр, емкость которого мала, но быстродействие самое высокое и вписано в цикл работы процессора.
В ОП хранятся не все средства, которые необходимы для решения данной задачи, следовательно всегда должна быть внешняя память (ВП) большого объема, которая обеспечивает надежное хранение всех данных, необходимых для решения данной задачи. ВП принципиально процессору недоступна. Обмен между ВП и ОП реализуется системами управления памяти (аппаратно-программные средства), которые пользователю недоступны. ВП имеет емкость на несколько порядков больше, чем у ОП, время обращения к ВП исчисляется в мкс.