Архитектура ЭВМ и систем: цели и задачи курса

1. Лекция 1

Архитектура ЭВМ и систем:
цели и задачи курса
Приобретение знаний, сведений, навыков о
структуре и принципах организации
современных вычислительных устройств
Систематизация имеющейся информации

2. Архитектура ЭВМ и систем: цели и задачи курса

Архитектура ЭВМ и систем
Машины - ?
Вычислительная система (ВС) - это
взаимосвязанная совокупность аппаратных
средств вычислительной техники и
программного обеспечения,
предназначенная для сбора, обработки и
хранения информации.
Информация (лат. informatio) - сведения,
разъяснения.

3. Архитектура ЭВМ и систем

Информация
«Кто владеет информацией – тот владеет
миром» Натан Ротшильд, битва при
Ватерлоо
Сбор, обработка информации

4. Информация

Эволюция общества: машины
Преобразование материи
каменные топоры,
ткацкие станки,
выработка металлов,
строительство
Преобразование энергии
химических реакций (порох),
паровые машины,
электростанции,
двигатели внутреннего сгорания
технологии создания накопителей электрической энергии
(аккумуляторы)
Преобразование информации

5. Эволюция общества: машины

Эволюция вычислительных
устройств: начало
V век до нашей эры - абак
16 век –
счеты
17 век – 20 век –
арифмометр

6. Эволюция вычислительных устройств: начало

Эволюция вычислительных
устройств: машины
1642 год Машина Паскаля –
Сын сборщика налогов
В 19 лет начал работу над
суммирующей машиной
Принцип связанных колес
50 вариантов машины
1673 год – Лейбниц – машина для
астрономических расчетов
(сложение, вычитание, умножение,
деление)
Для голландского математика и астронома Христиана ом Гюйгенса.
«Поскольку это недостойно таких замечательных людей, подобно
рабам, терять время на вычислительную работу, которую можно
было бы доверить кому угодно при использовании машины»

7. Эволюция вычислительных устройств: машины

Эволюция вычислительных
устройств: станок Жаккарда
1804 год Жозев Мари Жаккар
Программируемый ткацкий станок: нить
опускается или поднимается в зависимости
от того, есть ли отверстие на перфокарте

8. Эволюция вычислительных устройств: станок Жаккарда

Эволюция вычислительных
устройств: машина Беббиджа
1822 г. Разностная машина Чарлза
Бэббиджа предназначалась для расчетов
математических таблиц
1834г. По замыслу Аналитическая
машина Бэббиджа должна была
производить разнообразные
вычисления, следуя набору
инструкций. «Мельница» и «склад» АЛУ и память. Перфокарты.

9. Эволюция вычислительных устройств: машина Беббиджа

Эволюция вычислительных
устройств: компьютер Марк-1
1943 год - компьютер Марк-1
для баллистических расчетов
на электромеханических реле
в десятичной системе
перфоленты
сложение 0,3 с, умножение 3 с
Полгода расчетов за день
длина почти 17 метров
высота более 2,5 м.
около 750 тыс. деталей,
протяженность проводов около
800 км.
большой шум во время работы
от переключений реле,
отработал 16 лет.

10. Эволюция вычислительных устройств: компьютер Марк-1

Эволюция вычислительных
устройств: компьютер ЭНИАК
1945 год
17468 ламп (выход из строя) –
десятичная система счисления
6 м в высоту и 26 м в длину
В 1000 раз быстрее Марк-1
Отсутствует память:
операторы устанавливали в
нужное положение около 6000
переключателей, а затем
переключали кабели. На
подготовку задачи, с
решением которой машина
справлялась за 20 с, иногда
требовалось два дня.

11. Эволюция вычислительных устройств: компьютер ЭНИАК

Фон-неймановская
архитектура
Использование двоичной системы счисления для представления
данных и команд.
Код программы и данные размещаются в одной и той же памяти
машины. Учитывая ненадежность ЭВМ первых поколений, слишком
много времени уходило на операцию ввода данных.
Память состоит из пронумерованных ячеек, любая из которых
доступна процессору
Программа записывается в памяти в виде последовательного кода;
процессор, заканчивая выполнение одной команды, переходит к
следующей. Исключения составляют команды перехода

12. Фон-неймановская архитектура

Центральный Процессор
управление всеми
устройствами
регистры
логические и
арифметические операции

13. Центральный Процессор

Основные части
вычислительной системы
Общая шина
Передача данных,
управляющих
сигналов
Управление,
обработка
информации
Хранение
информации
Монитор,
клавиатура, мышь

14. Основные части вычислительной системы

Архитектура ЭВМ
Архитектура компьютера — принцип
построения и организации работы
вычислительного устройства, включая
определение функционального состава
основных узлов и блоков, а также структуры
управляющих и информационных связей
между ними.
Архитектура определяет принципы действия,
информационные связи и взаимное
соединение основных логических узлов
компьютера.

15. Архитектура ЭВМ

Многопроцессорные системы

16. Многопроцессорные системы

Многомашинные
вычислительные системы

17. Многомашинные вычислительные системы

Системы с параллельными
процессорами

18. Системы с параллельными процессорами

В рамках данного курса
изучаются
Основные компоненты любой
вычислительной системы
процессор
память
системная магистраль как элемент, связующий
процессор, память и устройства ввода/вывода.
устройства ввода/вывода
И их взаимодействие.

19. В рамках данного курса изучаются

Информация
Числа
Текст
Изображение
Звук
Видео
представляется
в двоичном коде
и
хранится в
памяти
вычислительной
системы

20. Информация

Двоичная система счисления
Включено/
выключено
1/0
Десятичная система
счисления:
0,1,2,3,4,5,6,7,8,9
Двоичная система
счисления: 0,1

21. Двоичная система счисления

Сопоставление систем
счисления

22. Сопоставление систем счисления

Добавим шестнадцатеричную
систему счисления

23. Добавим шестнадцатеричную систему счисления

Память
Данные хранятся в
двоичном коде
Состоит из ячеек
Каждая ячейка – бит
- содержит 1 или 0
8 бит = 1 байт
Машинное слово = 2
байт, 4 байта,
зависит от
архитектуры
0 0 1 0
1 0 1 0
байт
память
Адреса
ячеек
памяти
0000
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
1000
1001
1010
1011
1100
1101
1110
1111

24. Память

Информация
Дискретные сигналы
Азбука Морзе
• Электронные
вычислительные
машины
Аналоговые сигналы
измерения скорости,
температуры, звука
• Аналоговые
вычислительные
машины
Автопилоты
Отличная скорость работы
Узкий круг задач

25. Информация

Дискретные данные

26. Дискретные данные

Компьютерное кодирование
целых чисел
Целое положительное число: 1607 в 2-х байтах.
160710 = 110 0100 01112
0000 0110 0100 0111
Целое отрицательное число: -1607 в 2-х байтах.
-160710 = -110010001112
прямой код:
1000 0110 0100 0111
обратный код:
1111 1001 1011 1000
дополнительный код (добавление единицы в
младший разряд): 1111 1001 1011 1001

27. Компьютерное кодирование целых чисел

Зачем нужен обратный код?
9 10= 1001 2
5 10= 0101 2
-5 10= 1010 2 ОК
9-5=9+(-5)=?
9-5=4

28. Зачем нужен обратный код?

Зачем нужен дополнительный
код?
9 10= 1001 2
5 10= 0101 2
-5 10= 1010 2 ОК
-5 10= 1011 2 ДК
9-5=9+(-5)=?
9-5=4

29. Зачем нужен дополнительный код?

Компьютерное кодирование
дробных чисел
Формат с плавающей точкой предполагает запись числа
как произведение мантиссы на основание системы в
степени целого числа:
0,0345 = 0,345*10-1
0,0345 = 3,45*10-2
0,0345 = 0,000345*102
Нормализованное
представление:
0< мантисса<1
0,0345 = 0,345*10-1
365,123 = 0,365123*103
В памяти хранятся
мантисса как целое
число и порядок
345 и -1
365123 и 3

30. Компьютерное кодирование дробных чисел

Кодирование текста. Таблица
символов ASCII

31. Кодирование текста. Таблица символов ASCII

Кодирование текста: ASCII
Текст в символах ASCII
H
E
L
O
!
4F
21
Шестнадцатеричная форма
48
45
4C
4C
Двоичная форма (бинарная)
01001000
L
01000101 01001011 01001011 01001111 00100001
Десятичная форма
72
69
76
76
79
33

32. Кодирование текста: ASCII

Кодирование текста: Стандарт
UNICOD
0000 0100 0011 0010
0000 0000 0000 0000 0
0010

33. Кодирование текста: Стандарт UNICOD

название диапазон кодов описание
Cyrillic
+
0400
0410
0420
0430
0440
0450
0460
0470
0
Ѐ
А
Р
а
р
ѐ
Ѡ
Ѱ
(hex)
от
0400
до
045F
0460
0400
047F
04FF
1
Ё
Б
С
б
с
ё
ѡ
ѱ
2
Ђ
В
Т
в
т
ђ
Ѣ
Ѳ
3
Ѓ
Г
У
г
у
ѓ
ѣ
ѳ
4
Є
Д
Ф
д
ф
є
Ѥ
Ѵ
символы из ISO 8859-5, перемещённые
вверх на 864 позиции
исторические буквы
дополнительные символы для разных
языков, использующих кириллицу
5
Ѕ
Е
Х
е
х
ѕ
ѥ
ѵ
6
І
Ж
Ц
ж
ц
і
Ѧ
Ѷ
7
Ї
З
Ч
з
ч
ї
ѧ
ѷ
8
Ј
И
Ш
и
ш
ј
Ѩ
Ѹ
9
Љ
Й
Щ
й
щ
љ
ѩ
ѹ
A
Њ
К
Ъ
к
ъ
њ
Ѫ
Ѻ
B
Ћ
Л
Ы
л
ы
ћ
ѫ
ѻ
C
Ќ
М
Ь
м
ь
ќ
Ѭ
Ѽ
D
Ѝ
Н
Э
н
э
ѝ
ѭ
ѽ
E
Ў
О
Ю
о
ю
ў
Ѯ
Ѿ
F
Џ
П
Я
п
я
џ
ѯ
ѿ

34. Кодирование текста: Стандарт UNICOD

Развитие стандарта UNICOD
0000 0100 0011 0010
0000 0000 0000 0000 0000 0100 0011 0010
• 32-битная форма (UTF-32), под каждый
символ отводится 32 бита = 4 байта.
полностью совместима с UTF-16 и UTF-8,
• 16-битная форма (UTF-16),
• 8-битная форма (UTF-8): была разработана
для совместимости с ASCII.

35. Развитие стандарта UNICOD

Кодирование графики:
псевдографика

36. Кодирование графики: псевдографика

Кодирование графики
Растровое
Векторное

37. Кодирование графики

Векторная графика
Объекты в виде геометрических примитивов
(линия, прямоугольник, окружность и т.д).
Каждый объект, описывается с помощью
специального языка (математических уравнения
линий, дуг, окружностей и т.д.).
Объект имеет свойства (размер, положение, цвет
заливки, прозрачность)
Сложные объекты (ломаные линии,
геометрические фигуры) как совокупность
элементарных графических объектов.
Могут изменять свои размеры без потери
качества

38. Векторная графика

Примеры создания векторного
изображения
0
90
180 270 360
0
90
180 270 360

39. Примеры создания векторного изображения

Растровая графика
Изображения представляют
собой однослойную сетку
точек, называемых
пикселями (pixel, от англ.
picture element),
Код пикселя содержит
информацию о его цвете:
любой цвет может быть
представлен в виде суммы
различной яркости красного,
зеленого и синего цветов.
При изменении размера
ухудшается качество

40. Растровая графика

Кодирование растрового
изображения

41. Кодирование растрового изображения

Кодирование изображения

42. Кодирование изображения

Размер приведенного
изображения
01
01
01
01
01
01
01
01
01
01
01
01
01
10
01
01
01
01
01
01
01
10
10
10
01
01
01
01
01
10
10
10
10
10
01
01
01
10
10
10
10
10
10
10
01
01
01
01
01
00
01
01
01
01
01
01
01
01
00
01
01
01
01
01
01
01
01
00
01
01
01
01
01
01
00
01
00
01
01
01
01
01
01
00
00
00
01
01
01
01
01
01
01
01
01
01
01
01
01
Для кодирования
каждой точки требуется
Количество точек

43. Размер приведенного изображения

Квантование при кодировании
растрового изображения
Для записи
цвета
выделяется
определенное
количество бит
Не любой
оттенок цвета
можно
записать
Квантование
цвета

44. Квантование при кодировании растрового изображения

Цветное изображение:
упрощенная одель RGB
R G B
цвет
0
0 0
черный
0
0 1
синий
0
1 0
зеленый
0
1 1
голубой
1
0 0
красный
1
0 1
пурпурный
1
1 0
желтый
1
1 1
белый

45. Цветное изображение: упрощенная одель RGB

Модель Red Green Blue
RGB: на каждый цвет
выделяется не один бит, а 2
байта (FF16 или 25510).

46. Модель Red Green Blue

Размер изображения
Количество точек
Размер фотографии
Для кодирования
каждой точки требуется

47. Размер изображения

Звук
Громко - тихо
Выше - ниже

48. Звук

Кодирование звука
Измеряется амплитуда
колебаний (десятки
тысяч раз в секунду)
Результат записывается
в двоичном коде
MIDI-формат –
запись в
соответствии с
нотной
грамотой

49. Кодирование звука

Преобразование напряжения
(аналогового сигнала) в
цифровой сигнал
U
U
t
t
U
U
U3
U4
U2
U1
t
U5
U6
U7
t

50. Преобразование напряжения (аналогового сигнала) в цифровой сигнал

U
память
U1
U3
U2
U3
U4
U2
U5
U6
U1
U4
U5
U6
U7
U7
t

51. Преобразование напряжения (аналогового сигнала) в цифровой сигнал

Оценка качества аналогового
сигнала в цифровой форме
Для записи уровня сигнала выделяется
определенное количество бит
Не любое значение сигнала можно записать, а
только с определенной точностью
110
U
U3
101
100
U4
U2
U5
U6
U1
011
010
001
U7
000
t
память
U1
010
U2
011
U3
101
U4
100
U5
011
U6
010
U7
001

52. Оценка качества аналогового сигнала в цифровой форме

Аналоговый сигнал не кодируется без потери
качества

53. Оценка качества аналогового сигнала в цифровой форме

Для КАЧЕСТВЕННОГО кодирования
на каждую секунду проводится
Квантование одного
измерения
Секунда звучания
Размер
мелодии 3
минуты

54. Оценка качества аналогового сигнала в цифровой форме

Кодирование видеоинформации
Как представляется видео-информация

55. Кодирование видео-информации

Непрерывный видео-поток
Для того, чтобы последовательность кадров
воспринималась человеческим глазом
непрерывным потоком, в секунду
демонстрируются 25-30 кадров
Каков размер несжатого
видео-потока минутной
длительности при
размере картинки
640*480 пикселей?

56. Непрерывный видео-поток

Совмещение аудио и видео
Потоки видео- и
аудио-информации
должны
соответствовать
друг другу
Необходима
синхронизация

57. Совмещение аудио и видео

Средства обработки
Специализированные программы обработки видео
предоставляют возможность совмещения нескольких
видео-, аудио-потоков и текстовой информации

58. Средства обработки

Сжатие видео-файлов
Видео-файлы редко хранятся в несжатом виде
Сжатие видео-файлов основывается на
различных алгоритмах сжатия каждого кадра
(КОДЕКИ)
Для сжатия последующие кадры в потоке
используют похожесть областей в предыдущих
кадрах для увеличения степени сжатия.