Представление нечисловых данных.

Хотя самые первые компьютеры работали в основном с числами, современные машины часто используются для выполнения нечисловых приложений, например, для обработки текстов или управления базами данных. Для этих приложений нужны другие, нечисловые, типы данных. Они часто поддерживаются командами уровня архитектуры набора команд. Здесь очень важны символы, хотя не каждый компьютер обеспечивает аппаратную поддержку для них. Наиболее распространенными символьными кодами являются ASCII и UNICODE. Они поддерживают 7-разрядные и 16-разрядные символы соответственно. Эти коды обсуждались в главе 2.

На уровне архитектуры набора команд часто имеются особые команды, предназначенные для операций со строками. Эти строки иногда разграничиваются специальным символом в конце. Вместо терминального символа для определения конца строки может использоваться поле длины строки. Строковые команды позволяют выполнять копирование, поиск и редактирование строк, а также другие действия.

К нечисловым относится также очень важный логический тип данных, содержащий булевы значения. Этих значений два: истина и ложь. Теоретически булево значение можно представлять единственным битом: 0 — ложь, 1 — истина (или наоборот). На практике же используется байт или слово, поскольку отдельные биты в байте не имеют собственных адресов и, следовательно, к ним трудно обращаться. В обычных системах применяется следующее соглашение: 0 означает ложь, а любое другое значение — истину.

Единственная ситуация, в которой булево значение представлено одним битом — это массив битов, поэтому 32-разрядное слово может содержать 32 булевых значения. Такая структура данных называется битовым отображением, или

битовой картой. Битовое отображение встречается в различных контекстах, например, оно позволяет отслеживать свободные блоки на диске — в этом случае каждый быт отображает состояние каждого блока. Если диск содержит п блоков, тогда битовое отображение будет содержать п бит.

Последний тип данных — это указатели, которые представляют собой машинные адреса. Мы уже неоднократно рассматривали указатели. В машинах Mic-x регистры SP, PC, LV и СРР — это примеры указателей. Доступ к переменной на фиксированном расстоянии от указателя (а именно так работает команда IL0AD) широко поддерживается всеми машинами.

ДАННЫЕ НЕЧИСЛОВЫЕ - совокупность математических конструктов и соотношений между ними, отражающая интересующую исследователя эмпирическую систему с отношениями, но не являющаяся совокупностью действительных чисел. Данные нечисловые широко распространены в социологических исследованиях.

Организация машины.

Архитектура ЭВМ – это многоуровневая иерархия аппаратно-программных средств, из которых строится ЭВМ. Каждый из уровней допускает многовариантное распределение (построение) и применение. Конкретная реализация уровней определяет особенности структурного построения ЭВМ.

ЭВМ – это устройство, выполненное на электронных приборах, предназначенное для автоматического преобразования информации под управлением программы. Структурная схема ЭВМ представлена на рис.

Структурная схема ЭВМ

АЛУ – арифметико-логическое устройство

РОН – устройство регистров общего назначения

КЭШ – КЭШ память

УУ – устройство управления

ПЗУ – постоянное запоминающее устройство

ОЗУ – оперативное запоминающее устройство

ВЗУ – внешнее запоминающее устройство

Приведенный вид структурной схемы ЭВМ является фоннеймановской структурой, названной так в честь американского ученого венгерского происхождения Фон Неймана.

Процессор выполняет логические и арифметические операции, определяет порядок выполнения операций, указывает источники данных и приемники результатов. Процессором управляет программа.

Промежуточные результаты сохраняются в РОН. КЭШ память служит для повышения быстродействия процессора путем уменьшения времени его непроизводительного простоя. УУ отвечает за формирование адресов очередных команд, т.е. за порядок выполнения команд, из которых состоит программа. Команда обеспечивает выработку в УУ управляющих сигналов, под действием которых процессор выполняет элементарные операции.

КЭШ память или память блокнотного типа представляет собой буферное запоминающее устройство для хранения активных страниц, объемом десятки и сотни Кбайтов. В современных ПК она делится на уровни: на КЭШ L1, L2 и L3 (Е_n = 2-4Мбайт с временем доступа 8-10 тактов).

КЭШ память, как более быстродействующая, предназначается для ускорения выборки команд программы и обрабатываемых данных. Основной объем программ пользователей и данных размещается в ОЗУ (емкость млн. машинных слов, время выборки – 10-20 тактов процессора).

Основной функцией системной шины является передача информации между процессором и остальными устройствами ЭВМ. Системная шина состоит из трех шин:

1 шины управления

2 шины данных

3 адресной шины

По этим шинам циркулируют управляющие сигналы, данные (числа, символы), адреса ячеек памяти и номера устройств ввода-вывода.

Память предназначена для записи, хранения, выдачи команд и обрабатываемых данных.

Существуют несколько разновидностей памяти:

1 оперативная

2 постоянная

3 внешняя

4 КЭШ память

5 CMOS (КМОП)

6 регистровая

Существование иерархии видов памяти объясняется их различием по быстродействию, энергозависимости, назначению, объему и стоимости.

Память современных компьютеров строится на нескольких уровнях, причем память более высокого уровня меньше по объему, быстрее и в пересчете на один байт имеет большую стоимость, чем память более низкого уровня.

Регистровая память – наиболее быстрая (ее иногда называют сверхоперативной). Она представляет собой несколько регистров общего назначения (РОН), которые размещены внутри процессора. Регистры используются при выполнении процессором простейших операций: пересылка, сложение, счет и т.д.

КЭШ память по сравнению с регистровой памятью имеет большой объем, но меньшее быстродействие. КЭШ память 1-го уровня располагается внутри процессора, а КЭШ память 2-го уровня – вне процессора (на так называемой материнской плате).

КЭШ память используется для ускорения выполнения операций за счет запоминания на некоторое время полученных ранее данных, которые будут использоваться процессором в ближайшее время. Работа КЭШ памяти строится так, чтобы до минимума сократить время непроизводительного простоя процессора (время ожидания новых данных и команд).

Энергозависимая память CMOS (КМОП-память) служит для запоминания конфигурации данного компьютера (текущего времени, даты, выбранного системного диска и т.д.).

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) используется для хранения переменной информации, программ, составляемых пользователем, исходных, конечных и промежуточных данных, получающихся при работе процессора. ОЗУ допускает изменения своего содержимого в ходе выполнения процессором вычислительных операций.

В постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) хранится информация, которая не изменяется при работе ЭВМ. Такую информацию составляет тест – мониторные программы (они проверяют работоспособность ПК в момент его включения), драйверы (программы, управляющие работой отдельных устройств ЭВМ, например, клавиатурой) и др.

Внешние запоминающие устройства предназначены для долговременного хранения информации. К ВЗУ относятся накопители на магнитных лентах, накопители на жестком диске (винчестеры), накопители на гибких дисках и т.д.

Устройство ввода и вывода

К устройствам ввода информации относятся клавиатура; ручные манипуляторы; мышь, трекбол, джойстик, трекпойнт, джойстринг, диджитайзер трекпад, сканер; световое перо; информационные перчатки; костюм; шлем; цифровая видеокамера; микрофон и т.д.

Устройства ввода информации в компьютер.

Клавиатура

Сейчас основным широко распространенным устройством ввода информации в компьютер является клавиатура (клавишное устройство). Она реализует диалоговое общение пользователя с ПК:

- ввод команд пользователя, обеспечивающий доступ к ресурсам ПК;

- запись, корректировку и отладку программ;

- ввод данных и команд в процессе решения задачи.

В настоящее время принят стандарт клавиатуры MFII. Условно мы можем выделить пять групп клавиш, несущих свою функциональную отгрузку:

1 группа алфавитно-цифровых клавиш предназначена для ввода знаковой информации. Каждая клавиша может работать в нескольких режимах (регистрах) и, соответственно, может использоваться для ввода нескольких символов;

2 группа функциональных клавиш (от F1 и F12) определяющих. Функции работающей в данный момент программы:

3 служебные клавиши: Shift, Enter, Ctrl, Alt, Tab, Esc, Back space, Print Screen, Scroll Lock, Pause/Brear;

4 две группы клавиш управления курсором. Курсором называется экранный элемент, указывающий место ввода знаковой информации. Одна группа, клавиш со стрелками выполняет смещение курсора в направлении, указанном стрелкой. Другая имеет следующие клавиши: Page Up/Page Down – перевод курсора на одну страницу вверх или вниз.

Home и End – переводят курсор в начало или конец текущей строки.

Insert – переключает режимы вставки и замены.

Delete – предназначена для удаления знаков, находящихся справа от

текущего положения курсора;

1 группа клавиш малой цифровой клавиатуры или дополнительной панели в основном предназначена для ввода чисел. Однако они же могут дублировать клавиши управления курсором. Переход от одного режима их использования к другому осуществляется нажатием клавиши Num Lock.

Данная классификация строго условна, так как в действительности, в зависимости от выполняемой программы, почти любая клавиша может исполнять и функциональные, и служебные обязанности, а также может блокироваться программой. Поэтому в описании каждого программного продукта обязательно имеется раздел с изложением функций клавиатуры.

Мышь

Она служит для ввода данных или одиночных команд, выбираемых из меню или текстограмм графических оболочек, выведенных на экран монитора.

Мышь подключается к компьютеру при помощи специального шнура и требует специальной программной поддержки.

Для работы с мышью необходима плоская поверхность, с этой целью используют резиновые коврики (Mouse Pad).

Так как с помощью мыши нельзя вводить в компьютер серии команд. поэтому мышь и клавиатура - не взаимозаменяемые устройства. Назначение графических оболочек - в обеспечении инициализации множества команд без длительного набора их с клавиатуры. Это снижает вероятность опечаток и экономит время. На объекте в виде текстограммы выбирается пункт меню или символ и щелчком кнопки мыши инициализируется. Конечно, при наборе или осуществлении некоторых функций применение мыши может быть нерациональным, если, например, эти функции выполняются нажатием функциональных клавиш.

В настоящее время также существует оптическая мышь, где сигнал передается с помощью луча мыши на специальный коврик и анализируется электроникой. Пока менее распространена бесхвостая (бескабельная) инфракрасная мышь (принцип ее действия похож на действие пультов дистанционного управления) и радиомышь.

Трекбол

В портативных ПК (Lapton, Notebook) мышь обычно заменяют особым встроенным в клавиатуру шариком на подставке с двумя клавишами по бокам, называемым трекбол.

Принцип его работы такой же, как принцип работы мыши. Несмотря на наличие трекбола, пользователь портативной ПК может использовать и обычную мышь.

Джойстик

К ручным манипуляторам относится и джойстик, представляющий собой подвижную рукоять с одной или двумя кнопками, имеющими то же назначение, что и клавиши мыши.

Это устройство ввода наиболее распространено в области компьютерных игр. В игровых приставках используются цифровые джойстики, а в компьютерах - аналоговые. Аналоговый джойстик имеет перед цифровым множество преимуществ, самыми главными являются более широкая точность управления и отсутствие необходимости в применении специальной карты и переходника для подключения к компьютеру.

Световое перо

Для ввода рисунков в ПК может использоваться, так называемое, световое перо. Оно применяется сравнительно редко, так как пригодно для работы с крупными объектами, но очень ненадежно при выборе малых объектов.

Световое перо получило дальнейшее развитие при его совместном использовании с дигитайзером (диджитайзером), где пером просто пишут, затем специальные программы переводят рукописный текст или рисунок в цифровой код. Профессиональные световые перья могут определять толщину линий, силу нажатия на перо и другие параметры.

Дигитайзер

Является стандартным устройством ввода для профессиональных графических работ. С помощью программного обеспечения движение руки преобразовывается в формат векторной графики. Дигитайзер способен определять и обрабатывать абсолютно точные координаты, что недоступно другим устройствам ввода.

Сканер

Для непосредственного считывания графической информации с бумажного или иного носителя в ПК применяется оптические сканеры. Сканируемое изображение считывается и преобразуется в цифровую форму элементами специального устройства: CCD - чипами. Существует множество видов и моделей сканеров. Какой из них выбрать, зависит от задач, для которых сканер предназначается. Самые простые сканеры распознают только два цвета: черный и белый. Такие сканеры используют для чтения штрихового кода.

Ручные сканеры - самые простые и дешевые. Основной недостаток в том, что человек сам перемещает сканер по объекту, и качество полученного изображения зависит от умения и твердости руки. Другой недостаток - небольшая ширина полоса сканирования, что затрудняет чтение широких оригиналов.

Барабанные сканеры применяются в профессиональной типографической деятельности. Принцип заключается в том, что оригинал на барабане освещается источником света, а фотосенсоры переводят отраженное излучение в цифровое значение.

Листовые сканеры. Их основное отличие от двух предыдущих в том, что при сканировании неподвижно закреплена линейка с CCD - элементами, а лист со сканируемым изображением движется относительно нее с помощью специальных валиков.

Планшетные сканеры. Это самый распространенный сейчас вид для профессиональных работ. Сканируемый объект помещается на стеклянный лист, изображение построчно с равномерной скоростью считывается головкой чтения с CCD - сенсорами, расположенной снизу. Планшетный сканер может быть оборудован специальным устройством слайд-приставкой для сканирования диапозитивов и негативов.

Слайд-сканеры используются для сканирования микроизображений.

Проекционные сканеры. Относительно новое направление. Цветной проекционный сканер является мощным многофункциональным средством для ввода в компьютер любых цветных изображений, включая трехмерные. Он вполне может заменить фотоаппарат.

В наше время у сканеров появилось еще одно применение - считывание рукописных текстов, которые затем специальными программами распознавания символов преобразуются в коды ASC II и в дальнейшем могут обрабатываться текстовыми редакторами.

Устройства вывода информации

Дисплей (монитор)

Позволяет вывести на экран алфавитно-цифровую или графическую информацию в удобном для чтения и контроля пользователем виде. В соответствии с этим, существует два режима работы: текстовой и графический. В текстовом режиме экран представлен в виде строк и столбцов. В графическом формате параметры экрана задаются числом точек по горизонтали и числом точечных строк по вертикали. Количество горизонтальных и вертикальных линий экрана называется разрешением. Чем оно выше, тем больше информации можно отобразить на единице площади экрана.

Цифровые мониторы. Самый простой - монохромный монитор позволяет отображать только черно-белое изображение.

Цифровые RGB - мониторы (Red-Green-Blue) поддерживают и монохромный режим, и цветной (с 16 оттенками цвета).

Аналоговые мониторы. Аналоговая передача сигналов производится в виде различных уровней напряжения. Это позволяет формировать палитру с оттенками разной степени глубины.

Мультичастотные мониторы. Видеокарта формируем сигналы синхронизации, которые относятся к горизонтальной частоте строк и вертикальной частоте повторения кадров. Эти значения монитор должен распознавать и переходить в соответствующий режим. По возможности настройки можно выделить: одночастотные мониторы, которые воспринимают сигналы только одной фиксированной частоты; многочастотные, которые воспринимают несколько фиксированных частот; мультичастотные, настраивающиеся на произвольные значения частот синхроносигналов в некотором диапазоне.

Жидкокристаллические дисплеи (LCD). Их появление связано в результате снижения габаритов и веса переносных компьютеров.

Основной их недостаток - невозможность быстрого изменения картинок или быстрого движения курсора мыши и т.п. Такие экраны нуждаются в дополнительной подсветке или во внешнем освещении. Преимущества данных экранов - в значительном сокращении спектра вредных воздействий.

Газоплазменные мониторы. Не имеют ограничений LCD -экранов. Их недостаток - большое потребление электроэнергии. Особо надо выделить группу сенсорных экранов, так как они позволяют не только выводить на экран данные, но и вводить их, то есть попадают в класс устройств ввода/вывода. Эта относительно новая технология не получила еще широкого распространения. Такие экраны обеспечивают самый простой и короткий путь общения с компьютером: достаточно просто указать на то, что вас интересует. Устройство ввода полностью интегрировано в мониторе. Используются в информационно справочных системах.

Пользователи ПК проводят в непосредственной близости от работающих мониторов многие часы подряд. В связи с этим фирмы-производители дисплеев усилили внимание к оснащению их специальными средствами защиты от всех видов воздействий, которые негативно сказываются на здоровье пользователя. В настоящее время распространяются мониторы с низким уровнем излучения (LR-мониторы, от Low Radiation). Используются и другие методы, повышающие комфортность работы с дисплеями.

Принтер

Это широко распространенное устройство вывода информации на бумагу, его название образовано от английского глагола to print - печатать.

Существуют разные типы принтеров:

Типовой принтер работает аналогично электрической печатающей машинке. Достоинства: четкое изображение символов, возможность изменения шрифтов при замене типового диска. Недостатки: шум при печати, низкая скорость печати (30-40 зн./сек.), невозможна печать графического изображения.

Матричные (игольчатые) принтеры - это самые дешевые аппараты, обеспечивающие удовлетворительное качество печати для широкого круга рутинных операций (главным образом для подготовки текстовых документов). Применяются в сберкассах, в промышленных условиях, где необходима рулонная печать, печать на книжках и плотных карточках и других носителях из плотного материала. Достоинства: приемлемое качество печати при условии хорошей красящей ленты, возможности печати "под копирку". Недостатки: достаточно низкая скорость печати, особенно графических изображений, значительный уровень шума. Среди матричных принтеров есть и достаточно быстрые устройства (так называемые, Shattle-принтеры).

Более высокое качество печати обеспечивают струйные принтеры, которые особенно удобны для вывода цветных изображений. Применение чернил разного цвета дает сравнительно недорогое изображение приемлемого качества. Цветную модель называют CMYB (Саун-Мадента-Yellow-Black) по названиям основных цветов, образующих палитру: циан, пурпурный, желтый, черный.

Струйные принтеры значительно меньше шумят. Скорость печати зависит от качества.

Лазерные принтеры. Имеет еще более высокое качество печати, приближенное к фотографическому. Они стоят намного дороже, однако скорость печати в 4-5 раз выше, чем у матричных и струйных.

Недостатком лазерных принтеров является довольно жесткие требования к качеству бумаги - она должна быть достаточно плотной и не должна быть рыхлой, недопустима печать на бумаге с пластиковым покрытием и т.д.

Модем

Термин модем представляет собой сокращение двух слов Модулятор/ДЕ-Модулятор. Модем делает как раз то, что следует из его названия — модулирует и демодулирует сигналы. Но и это слишком сложно — модем преобразует биты данных, приходящие от вашего ПК, в аналоговый сигнал, который может быть передан по телефонной линии (модуляция). Затем другой модем преобразует сигнал, переданный по телефонной линии, в биты данных, воспринимаемые ПК (демодуляция). Таким образом, модемы дают возможность двум компьютерам «разговаривать» между собой, пересылая данные в обоих направлениях по телефонной линии. Компьютер, отправляющий данные, передает их модему, который преобразует цифровые данные в аналоговый сигнал и далее передает их по телефонной линии. Принимающий модем преобразует аналоговый сигнал в цифровые данные, которые в свою очередь передаются ПК.

Главной характеристикой модемов является скорость передачи данных: В настоящее время оно достигло 56 000 бод (бит в секунду).