Министерство сельского хозяйства и продовольствия Республики Беларусь

Главное управление образования, науки и кадров

УО «Ошмянский государственный аграрно-экономический колледж»

ЛЕКЦИИ

по дисциплине

"Организация и функционирование ЭВМ"

для учащихся

специальности 2-40 01 01«Программное обеспечение информационных технологий»

Ошмяны 2010 г.

АННОТАЦИЯ

На лекционный материал по дисциплине "Организация и функционирование ЭВМ" для учащихся специальности 2-40 01 01 «Программное обеспечение информационных технологий», разработанный преподавателем УО «Ошмянский государственный аграрно-экономический колледж» М.Г. Шаткевич.

Актуальность методического материала, его значение. Данный набор лекций представляет собой комплекс материалов, необходимых для качественной организации работы учащихся на практических занятиях по освоению дисциплины " Организация и функционирование ЭВМ" для учащихся специальности 2-40 01 01 «Программное обеспечение информационных технологий»,

Лекции разработаны в строгом соответствии с действующим в УО «Ошмянский государственный аграрно-экономический колледж» Положением об учебно-методических комплексах дисциплин. В состав комплекса вошли лекции по всем разделам дисциплины «Организация и функционирование ЭВМ».

Возможность практического применения. Комплекс лекций может быть рекомендован преподавателям при подготовке и проведении занятий по дисциплине "Организация и функционирование ЭВМ" для учащихся специальности 2-40 01 01 «Программное обеспечение информационных технологий», а также учащимся дневной формы обучения при самостоятельном изучении.

Заключение цикловой комиссии. Комплекс лекций рассмотрен на заседании цикловой комиссии юридических дисциплин и информационных технологий, рекомендован к внутриколледжскому использованию (протокол №___ от «____»______________________20___г.).

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 4

Раздел 1. Математические основы цифровой схемотехники 5

Представление информации в ЭВМ 5

Представление о системах счисления. 6

Преобразование чисел из одной системы счисления в другую. 7

Коды с выявлением ошибок 9

Коды с исправлением ошибок 10

Раздел 2. Алгебра логики и теоретические основы синтеза цифровых устройств 11

Элементы математической логики 11

Формы логических функций и их использование для синтеза логических схем 13

Логические элементы и схемы. Классификация логических устройств 15

Методы минимизации логических функций 17

Раздел 3. Синтез комбинационных схем 18

Этапы построения логической схемы 18

Мультиплексоры и демультиплексоры 20

Дешифраторы и шифраторы 22

Компараторы, сумматоры 24

Раздел 4. Триггерные элементы цифровых устройств 25

Классификация триггеров и их общие характеристики. Асинхронный RS-триггер и его разновидности 25

Асинхронные триггеры с одним входом 27

Cинхронные триггеры 29

Синхронные триггеры со статическим управлением. 29

Синхронные триггеры, построенные по принципу двухступенчатого запоминания информации. 29

Раздел 5. Синтез цифровых автоматов 31

Регистры. Регистр сдвига 31

Счетчики по mod M. Реверсивные счетчики. Синтез последовательных схем 33

Раздел 6. Современное состояние и перспективы развития элементной базы и средств вычислительной техники 35

Введение

Курс Организация и функционирование ЭВМ построен на фундаментальном утверждении о том, что: Компьютер можно рассматривать как иерархию структурных уровней организации.

Это утверждение в равной мере относится как к аппаратной организации, так и к структуре и организации программного обеспечения. На верхнем уровне иерархии находятся проблемно ориентированные программные средства, такие, как Mathcad (для решения математических задач), Visual Basic для офисных приложений, уровнем ниже расположены процедурно ориентированные языки (Си/Си++, Паскаль)..., самый нижний уровень это уровень физической реализации цифровых логических элементов.

Основная цель курса: знакомство с уровнем физической реализации и с некоторыми теоретическими основами, используемыми для описания нижних уровней организации:

• принцип цифрового представления данных в технических устройствах;

• основы алгебры логики и ее использование для описания функционирования цифровых устройств;

• системы счисления;

• некоторые основные понятия цифровой схемотехники: комбинационные логические устройства и устройства с памятью (триггеры, регистры, счетчики).

Значительная часть изучаемых вопросов носит прикладной характер, и существенно помогает в обоснованном выборе подходящих приемов в конкретных ситуациях, позволяя иной раз существенно повысить эксплуатационные характеристики программных модулей (уменьшить объем потребной памяти, либо время выполнения).

Целью преподавания дисциплины «Организация и функционирование ЭВМ» является изучение физических основ построения и функционирования современных средств вычислительной техники, принципов построения и работы элементов, узлов и устройств ЭВМ. Дисциплина включает сведения об арифметических, логических и схемотехнических основах построения ЭВМ и является базовой для последующего изучения дисциплины «Микропроцессорная техника».

Дисциплина базируется на знаниях, полученных учащимися при изучении дисциплин «Математика», «Информатика».

Для изучения учебного материала предусматриваются практические и лабораторные работы. Программа дисциплины рассчитана на 68 часов, из них 34 часа – лекции, 24 часа – практические занятия, 10 часов – лабораторные занятия.

Список литературы

1. Бабич Н. П., Жуков И. А. Компьютерная схемотехника. Методы построения и

2. проектирования: Учебное пособие. – К.: «МК-Пресс», 2004

3. Жмакин А. П. Архитектура ЭВМ. - СПб.: БХВ-Петербург, 2006

4. Лысиков Б.Г. Цифровая и вычислительная техника.- Мн.: УП Экоперспектива, 2002

5. Новиков Ю. В. Основы цифровой схемотехники. Базовые элементы и схемы. Методы проектирования. М.: Мир, 2001

6. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника.- СПб.: БХВ-Петербург, 2004

7. Бойко В. И. Схемотехника электронных схем. Микропроцессоры и микроконтроллеры. - СПб.: БХВ-Петербург, 2004

8. Цилькер Б. Я., Орлов С.А. Организация ЭВМ и систем. – СПб.: Питер, 2004

9. Информатика: учебник/ Б.В. Соболь – Ростов н/Д: Феникс, 2006

Раздел 1. Математические основы цифровой схемотехники Представление информации в эвм

Компьютер - это электронная машина, которая работает с сигналами. Все числа в компьютере закодированы "двоичным кодом", то есть представлены с помощью всего двух символов 1 и 0, которые легко представляются сигналами. Представление текстовых данных.

Любой текст состоит из последовательности символов. Текстовая информация, как и любая другая, хранится в памяти компьютера в двоичном виде. Для этого каждому символу ставится в соответствие некоторое неотрицательное число, называемое кодом символа, и это число записывается в память ЭВМ в двоичном виде. Конкретное соответствие между символами и их кодами называется системой кодировки. В персональных компьютерах обычно используется система кодировки ASCII (American Standard Code for Information Interchange - американский стандартный код для обмена информации).

Представление изображений.

Все известные форматы представления изображений (как неподвижных, так и движущихся) можно разделить на растровые и векторные. В векторном формате изображение разделяется на примитивы. Каждый примитив описывается своими геометрическими координатами. В растровых форматах используется разный способ хранения пикселей.

Представление звуковой информации.

Множество отдельных компаний разработали свои корпоративные стандарты, но среди них можно выделить два основных направления. Метод FM (Frequency Modulation) основан та том, что теоретически любой сложный звук можно разложить на последовательность простейших гармонических сигналов разных частот, каждый из которых представляет собой правильную синусоиду, а, следовательно, может быть описан числовыми параметрами, т.е. кодом. Метод таблично волнового (Wave-Table) синтеза характерны заранее подготовленные таблицы, в которых хранятся образцы звуков для множества различных музыкальных инструментов. В технике такие образцы называют сэмплами.

Представление целых чисел в компьютере.

Целые числа в компьютере хранятся в формате с фиксированной запятой.

Прямой код числа.

Представление числа в привычной форме "знак"-"величина", при которой старший разряд ячейки отводится под знак, а остальные - под запись числа в двоичной системе, называется прямым кодом двоичного числа. Например, прямой код двоичных чисел 1001 и -1001 для 8-разрядной ячейки равен 00001001 и 10001001 соответственно. Положительные числа в ЭВМ всегда представляются с помощью прямого кода. Отрицательные целые числа не представляются в ЭВМ с помощью прямого кода, для их представления используется так называемый дополнительный код.

Дополнительный код числа.

Дополнительный код положительного числа равен прямому коду этого числа. Дополнительный код отрицательного числа m равен 2k-|m|, где k - количество разрядов в ячейке. Алгоритм получения дополнительного кода отрицательного числа: Для получения дополнительного k-разрядного кода отрицательного числа необходимо

1. модуль отрицательного числа представить прямым кодом в k двоичных разрядах;

2. значение всех бит инвертировать:все нули заменить на единицы, а единицы на нули(таким образом, получается k-разрядный обратный код исходного числа);

3. к полученному обратному коду прибавить единицу.

Нормализованная запись числа.

Нормализованная запись отличного от нуля действительного числа - это запись вида a= m*Pq, где q - целое число (положительное, отрицательное или ноль), а m - правильная P-ичная дробь, у которой первая цифра после запятой не равна нулю, то есть . При этом m называется мантиссой числа, q - порядком числа. Примеры:

3,1415926 = 0, 31415926 * 10+1

0,00001078 = 0,1078 * 8-4

0 = 0,0 * 10+0

Представление чисел с плавающей запятой.

При представлении чисел с плавающей запятой часть разрядов ячейки отводится для записи порядка числа, остальные разряды - для записи мантиссы.

Алгоритм представления числа с плавающей запятой.

Перевести число из p-ичной системы счисления в двоичную;

1. представить двоичное число в нормализованной экспоненциальной форме;

2. рассчитать смещённый порядок числа;

3. разместить знак, порядок и мантиссу в соответствующие разряды сетки.

Пример: Представить число -25,625 в машинном виде с использованием 4 байтового представления (где 1 бит отводится под знак числа, 8 бит - под смещённый порядок, остальные биты - под мантиссу).

-25,625₁₀= -100011,101₂ -100011,101₂ = -1,00011101₂ * (24)

Представление о системах счисления.

Система счисления (СС) - совокупность приемов и правил для записи чисел цифровыми знаками. В зависимости от способов изображения чисел цифрами, системы счисления делятся на непозиционные и позиционные. Непозиционной системой называется такая, в которой количественное значение каждой цифры не зависит от занимаемой ей позиции в изображении числа (римская система счисления). Позиционной системой счисления называется такая, в которой количественное значение каждой цифры зависит от её позиции в числе (арабская система счисления). Количество знаков или символов, используемых для изображения числа, называется основанием системы счисления. Каждая СС имеет свои правила арифметики (таблица умножения, сложения). Если основание системы q превышает 10, то цифры, начиная с 10, при записи обозначают прописными буквами латинского: A,B,...,Z. При этом цифре 10 соответствуею знак 'A', цифре 11 - знак 'B' и т.д. В позиционной СС число можно представить через его цифры с помощью следующего многочлена относительно q: A=a₁*q⁰+a₂*q¹+...+a_n*qⁿ (1)

Выражение (1) формулирует правило для вычисления числа по его цифрам в q-ичной СС.

Преобразование чисел из одной системы счисления в другую.

Правила перевода целых чисел

Из десятичной системы счисления - в двоичную и шестнадцатеричную:

1. исходное целое число делится на основание системы счисления, в которую переводится (2 или 16); получается частное и остаток;

2. если полученное частное не делится на основание системы счисления так, чтобы образовалась целая часть, отличная от нуля, процесс умножения прекращается, переходят к шагу в). Иначе над частным выполняют действия, описанные в шаге а);

3. все полученные остатки и последнее частное преобразуются в соответствии с таблицей в цифры той системы счисления, в которую выполняется перевод;

4. формируется результирующее число: его старший разряд - полученное последнее частное, каждый последующий младший разряд образуется из полученных остатков от деления, начиная с последнего и кончая первым. Таким образом, младший разряд полученного числа - первый остаток от деления, а старший - последнее частное.

Выполнить перевод числа 19 в двоичную систему счисления:

Из произвольной системы счисления - в десятичную. В этом случае рассчитывается полное значение числа по формуле (1).

Выполнить перевод числа 10011₂ в десятичную систему счисления. Имеем: 10011₂ = 1*2⁴ + 0*2³ + 0*2² + 1*2¹ + 1*2⁰ = 16+0+0+2+1 = 19.

Из двоичной системы счисления в шестнадцатеричную и обратно:

1. исходное число разбивается на тетрады (т.е. 4 цифры), начиная с младших разрядов. Если количество цифр исходного двоичного числа не кратно 4, оно дополняется слева незначащими нулями до достижения кратности 4;

2. каждая тетрада заменятся соответствующей шестнадцатеричной цифрой в соответствии с таблицей;

3. для обратного перевода чисел обратный алгоритм.

Правила перевода правильных дробей

Из десятичной системы счисления - в двоичную и шестнадцатеричную:

1. исходная дробь умножается на основание системы счисления, в которую переводится (2 или 16);

2. в полученном произведении целая часть преобразуется в соответствии с таблицей в цифру нужной системы счисления и отбрасывается - она является старшей цифрой получаемой дроби;

3. оставшаяся дробная часть вновь умножается на нужное основание системы счисления с последующей обработкой полученного произведения в соответствии с шагами а) и б).

4. процедура умножения продолжается до тех пор, пока ни будет получен нулевой результат в дробной части произведения или ни будет достигнуто требуемое количество цифр в результате;

5. формируется результат: последовательно отброшенные в шаге б) цифры составляют дробную часть результата, причем в порядке уменьшения старшинства.

Выполнить перевод числа 0,847 в двоичную систему счисления. Перевод выполнить до четырех значащих цифр после запятой.

Имеем:

В данном примере процедура перевода прервана на четвертом шаге, поскольку получено требуемое число разрядов результата. Очевидно, это привело к потере ряда цифр. Таким образом, 0,847 = 0,1101₂.

Правило перевода дробных чисел

Отдельно переводится целая часть числа, отдельно - дробная. Результаты складываются.