- •«Калининградский государственный технический университет»
- •230100.62 «Информатика и вычислительная техника» и
- •230700.62 «Прикладная информатика»
- •Оглавление
- •Введение
- •1. Основные понятия информатики и информации
- •1.1. Информатизация общества
- •1.2. Понятие информатики
- •1.3. Понятие и характерные черты информации
- •1.4. Классификация информации
- •1.5. Свойства информации
- •2. Кодирование информации
- •2.1. Виды сигнала как материального носителя информации
- •2.2. Преобразования сигнала
- •2.3. Системы счисления
- •2.4. Правила перевода чисел
- •2.4.1. Правила перевода целых чисел
- •2.4.2. Правила перевода правильных дробей
- •2.4.3. Правило перевода неправильных дробей
- •2.5. Правила выполнения простейших арифметических действий
- •2.6. Кодирование дискретного сигнала
- •2.7. Кодирование по образцу
- •2.7.1. Прямые коды
- •2.7.2.Ascii-коды
- •2.7.3. Коды, учитывающие частоту информационных элементов
- •2.7.4. Коды Грея
- •2.8. Криптографическое кодирование
- •2.8.1. Метод простой подстановки
- •2.8.2. Метод Виженера
- •2.9. Эффективное кодирование
- •2.9.1. Универсальные методы
- •2.9.1.1. Метод Шеннона-Фано
- •2.9.1.2. Метод Хаффмена
- •2.9.1.3. Повышение эффективности кодирования универсальными кодами
- •2.9.1.4. Декодирование эффективных кодов
- •2.9.2. Специальные методы эффективного кодирования
- •2.9.2.1. Методы эффективного кодирования числовых последовательностей
- •2.9.2.2. Методы эффективного кодирования словарей
- •Основной вспомогательный
- •2.9.2.3. Методы эффективного кодирования естественно-языковых текстов
- •2.10. Помехозащитное кодирование
- •2.10.1. Искажение кодовых комбинаций
- •2.10.2. Кодовое расстояние и корректирующая способность кода
- •2.10.3. Коды, исправляющие ошибки
- •3. Измерение дискретного сигнала
- •3.1. Структурный подход к измерению информации
- •3.1.1. Геометрическая мера
- •3.1.2. Комбинаторная мера
- •3.1.3. Аддитивная мера
- •3.2. Статистический подход к измерению информации
- •3.3. Семантический подход к измерению информации
- •3.3.1. Целесообразность информации
- •3.3.2. Полезность информации
- •3.3.3. Истинность информации
- •3.4. Качество информации
- •Технические средства информатики
- •4.1. Структура компьютера и принципы его функционирования
- •4.2. Виды современных компьютеров
- •4.3. Структурные элементы компьютера
- •4.3.1. Память
- •4.3.1.1. Внутренняя память
- •4.3.1.2. Внешняя память
- •4.3.2. Устройство управления
- •4.3.3. Арифметико-логическое устройство
- •4.3.3.1. Формы представления целых чисел
- •4.3.3.2. Формы представления вещественных чисел
- •4.3.3.3. Коды представления числовых данных
- •4.3.3.4. Принципы выполнения арифметической операции сложения
- •Приложение 1. Положения комбинаторики, используемые в измерении информации
Технические средства информатики
4.1. Структура компьютера и принципы его функционирования
В 1946 – 1948 годах в Принстонском университете (США) коллективом исследователей под руководством Джона фон Неймана был разработан проект ЭВМ, который никогда не был реализован, но идеи которого используются и по сей день. Этот проект получил название машины фон Неймана или Принстонской машины. В его состав входила схема (рассматривается ниже) и принципы функционирования вычислительной машины:
1) принцип программного управления: работа ЭВМ регламентируется программой, что позволяет, вводя разные программы, решать разные задачи. Команды, из которых состоит программа, интерпретируются специально введенным в схему устройством – устройством управления. Структура отдельной команды имеет вид:
<код операции> <операнды>,
где <код операции> определяет, какая операция должна выполняться,
<операнды> - список (возможно, одноэлементный) тех констант, адресов или имен переменных, над которыми выполняется данная операция.
В зависимости от числа операндов различают одно-, двух- и трехадресные машинные команды. Каждая команда имеет определенный объем, измеряемый байтами.
Этот принцип был самым прогрессивным среди включенных в проект, поскольку обеспечивал универсальность ЭВМ. В соответствии с принципом программного управления любая ЭВМ – это совокупность аппаратной (технической) и программной частей;
2) принцип условного перехода: команды из программы не всегда выполняются одна за другой. Возможно присутствие в программе команд условного перехода, которые меняют последовательное выполнение команд в зависимости от значений данных;
3) принцип размещения программы в памяти: программа, требуемая для работы ЭВМ, предварительно размещается в памяти компьютера, а не вводится команда за командой;
4) принцип иерархии памяти: память ЭВМ не однородна. Для часто используемых данных выделяется память меньшего объема, но большего быстродействия; для редко используемых данных выделяется память большего объема, но меньшего быстродействия;
5) принцип двоичной системы счисления: для внутреннего представления данных и программ в памяти ЭВМ применяется двоичная система счисления, которую можно проще реализовать технически.
Структура Принстонской машины представлена на рис. 4.1.
Арифметико-логическое
устройство Устройство
ввода Память
Устройство
управления Устройство
вывода 1 2 3 4 5 6 7 8 9
информацион-
ная связь
управляющая
связь
Рис. 4.1. Схема Принстонской машины
Рассмотрим назначение отдельных элементов этой схемы и их взаимосвязь в процессе функционирования ЭВМ.
Через устройство ввода (УВв) впамять (П) вводится программа – набор команд, предписывающих ЭВМ выполнять требуемые действия (на схеме связь 1). При вводе программы (а позже и данных) выполняется отображение вводимой информации во внутреннее представление, принятое в ЭВМ.
После размещения программы в памяти устройство управления (УУ) выбирает последовательно команду за командой из памяти (связь 2) и интерпретирует ее по следующим правилам:
если выбранная команда является командой ввода данных, УУ посылает управляющий сигнал (связь 3) в УВв для начала ввода данных. Данные также вводятся по связи 1 и размещаются в памяти П;
если выбранная команда связана с выполнением арифметических или логических операций, то в память П из УУ посылается сигнал (связь 4) на выборку указанных в команде данных с последующей их пересылкой в арифметико-логическое устройство (АЛУ)(связь 5), а в само АЛУ передается сигнал с кодом нужной операции (связь 7). АЛУ выполняет арифметические и логические действия над переданными операндами. После выполнения требуемых действия, АЛУ возвращает результат в память П (связь 6);
если выбранная команда является командой вывода, УУ генерирует управляющий сигнал устройству вывода (УВыв) (связь 8) на начало операции по выводу данных. Сами данные выбираются из памяти П по связи 9.
УВыв выводит информацию из ЭВМ и преобразует ее из внутреннего представления во внешнее.
В соответствии с принципом иерархии памяти блок Память на рис. 4.1 делится на два блока – внешняяивнутренняя память. Внешняя память традиционно отводится для долговременного хранения данных и программ, а сама оперативная обработка данных в соответствии с программой, как это было рассмотрено выше, выполняется во внутренней памяти.
В современных компьютерах блоки УУ и АЛУ объединены в блок, называемый процессором. В состав процессора, кроме указанных блоков, входят также несколько регистров – специальных небольших областей памяти, куда процессор помещает промежуточные результаты и некоторую другую информацию, необходимую ему в ближайшие такты работы.