Вычислительные машины, системы и сети. Лекция 2. Тема 2. Формы представления информации

1.

Вычислительные машины, системы
и сети
Лекция 2
Формы представления
информации. Архитектура ЭВМ.
к.т.н., доцент, Тычинина Юлия Александровна

2 Формы представления информации
Во всех вычислительных машинах используются
электрические сигналы (чаще всего – напряжения
постоянного тока). Для передачи электрических сигналов
нужны лишь провода, эти сигналы легко преобразовать с
помощью различных полупроводниковых схем.
При использовании в качестве носителя информации
напряжения постоянного тока возможны две формы
представления
численного
значения
какой-либо
переменной, например, Х:
1) в виде одного сигнала – напряжения постоянного тока,
которое пропорционально величине Х. Такая форма
называется аналоговой (представление с помощью сходной
величины – аналога) или непрерывной.
Аналоговый сигнал — сигнал данных, у которого каждый
из представляющих параметров описывается функцией
времени и непрерывным множеством возможных
значений.

3.

2 Формы представления информации
2) в виде нескольких сигналов – нескольких напряжений постоянного тока,
которые, например, пропорциональны числу единиц в Х, числу десятков в Х,
числу сотен в Х и т.д. Эта форма называется дискретной (с помощью набора
напряжений, каждое из которых соответствует одной из цифр представляемой
величины).
Дискретный сигнал — сигнал данных, у которого каждый из представляющих
параметров описывается функцией дискретного времени и конечным множеством
возможных значений.
При дискретном представлении каждое значение из набора исходных данных
задачи, результатов её решения может быть представлено в ЭВМ в виде
нескольких электрических сигналов, один из которых соответствует числу единиц в
значении, другой – числу десятков, третий – числу сотен и т.д. Однако такое
естественное для нас представление не является наилучшим с технических
позиций. Устройство, предназначенное для обработки подобных сигналов, должно
различать в каждом из них десять состояний. Значительно проще построить
устройство, которое различало бы всего два состояния сигнала (его наличие или
отсутствие). Это обстоятельство натолкнуло создателей первых ЭВМ на применение
двоичной системы счисления при внутреннем представлении чисел в машине.

4.

2 Формы представления информации
Бит, байт и слово.
Двоичный разряд обычно называют битом (BInary digiT). Таким
образом, число 1001 является 4-битовым двоичным числом, а 100111011 –
9-ти битовым числом. Крайний слева бит числа называется старшим
разрядом, крайний справа – младшим разрядом.
Эволюция вычислительной и информационной техники вызвала
появление 8-битовой единицы для обмена информацией между
устройствами. Такая 8-битовая единица носит название байта.
Машинное слово — машинно-зависимая и платформозависимая
величина, измеряемая в битах или байтах, равная разрядности
регистров процессора и/или разрядности шины данных. На ранних
компьютерах размер слова совпадал также с минимальным размером
адресуемой информации (разрядностью данных, расположенных по
одному адресу); на современных компьютерах минимальным адресуемым
блоком информации обычно является байт, а слово состоит из нескольких
байтов.

5.

2 Формы представления информации
Современные ЭВМ – это цифровые машины, но
обрабатывать необходимо аналоговые данные, поэтому
необходимо преобразовывать аналоговые сигналы в
цифровые и обратно. Для этого используются АЦП и ЦАП.
Пример системы регулирования уровня в резервуаре:

6.

2 Формы представления информации
В преобразователе сигналов из аналоговой
формы в цифровую можно выделить следующие
процессы:
дискретизацию,
квантование,
кодирование.
Дискретизация – преобразование аналогового
сигнала в цифровой. Процесс дискретизации
заключается в том, что из непрерывного во времени
сигнала выбираются отдельные его значения,
соответствующие моментам времени, следующим
через определенный временной интервал Т(Δt).
Интервал Т(Δt) называется тактовым интервалом
времени, а моменты времени t1, t2, … в которые
берутся отсчеты, — тактовыми моментами времени.
Дискретные
значения
сигнала
следует
отсчитывать с таким малым тактовым интервалом Т,
чтобы по ним можно было бы восстановить сигнал в
аналоговой форме без искажений.
Дискретизация по
времени

7.

2 Формы представления информации
Квантование
–
операция
преобразования
аналогового сигнала в дискретный сигнал посредством
разбиения диапазона значений аналогового сигнала на
конечное число непересекающихся интервалов. Суть
квантования в округлении мгновенных значений
аналогового сигнала до некоторой заданной
фиксированной величины - шага квантования.
Различают квантование по времени и квантование по
амплитуде сигнала (по уровню). Полученные в
результате
дискретизации
значения
исходного
аналогового напряжения заменяются ближайшими к
ним уровнями квантования.
При оцифровке сигнала уровень квантования
называют также глубиной дискретизации или
битностью. Глубина дискретизации измеряется в битах
и обозначает количество бит, выражающих амплитуду
сигнала. Чем больше глубина дискретизации, тем
точнее цифровой сигнал соответствует аналоговому.
Квантование по
уровню

8.

2 Формы представления информации
Сигнал, к которому применены дискретизация и
квантование, называется цифровым.
Каждому интервалу присваивается n-разрядный
двоичный код — номер интервала, записанный
двоичным числом. Каждому отсчёту сигнала
присваивается код того интервала, в который
попадает значение напряжения этого отсчёта. Таким
образом, аналоговый сигнал представляется
последовательностью двоичных чисел,
соответствующих величине сигнала в определённые
моменты времени, то есть цифровым сигналом.
Кодирование – представление аналогового
сигнала в виде двоичного кода.
Цифровой сигнал

9.

10.

3 Понятие архитектуры ЭВМ
Система – совокупность элементов,
взаимодействующих друг с другом и образующие
определённую целостность.
Архитектура компьютера, архитектура ЭВМ —
концептуальная структура вычислительной машины,
т.е. компоновка основных частей ЭВМ, таких как ЦП,
ОЗУ, УВВ и т.д., определяющая способы обработки
информации и принципы взаимодействия
технических средств и программного обеспечения.

11.

3 Понятие архитектуры ЭВМ
3.1 Гарвардская архитектура
Отличительными признаками Гарвардской архитектуры являются:
1. Хранилище инструкций и хранилище данных представляют собой разные
физические устройств.
2. Канал инструкций и канал данных также физически разделены.
3. Различные адресные пространства для команд и данных.
В компьютере с использованием гарвардской архитектуры процессор
может читать инструкции и выполнять доступ к памяти данных в то же самое
время, даже без кэш-памяти. Таким образом, компьютер с гарвардской
архитектурой может быть быстрее (при определенной сложности схемы),
поскольку доставка инструкций и доступ к данным не претендуют на один и
тот же канал памяти.

12.

3 Понятие архитектуры ЭВМ
3.1 Гарвардская архитектура
Соответствующая схема реализации доступа к памяти имеет один
очевидный недостаток — высокую стоимость. При разделении каналов
передачи адреса и данных на кристалле процессора, последний должен
иметь в два раза больше выводов. Способом решения этой проблемы
стала идея использовать общую шину данных и шину адреса для всех
внешних данных, а внутри процессора использовать шину данных, шину
команд и две шины адреса. Такую концепцию стали называть
модифицированной Гарвардской архитектурой.
Часто требуется выбрать три составляющие — два операнда. Для этого
существует кэш-память. В ней может храниться инструкция — обе шины
остаются свободными, и появляется возможность передать два операнда
одновременно. Использование кэш-памяти вместе с разделёнными
шинами получило название «Super Harvard Architecture» («SHARC») —
расширенная Гарвардская архитектура.
Примером могут послужить процессоры «Analog Devices»: ADSP-21xx —
модифицированная Гарвардская Архитектура, ADSP-21xxx(SHARC) —
расширенная Гарвардская Архитектура.
Гарвардская архитектура используется в ПЛК и микроконтроллерах,
таких, как Microchip PIC (Ядро dsPIC/PIC24 построено по
модифицированной гарвардской архитектуре с расширенной системой
команд), Atmel AVR, Intel 4004, Intel 8051.

13.

3 Понятие архитектуры ЭВМ
3.2 Архитектура фон Неймана
Архитектура фон Неймана — широко известный принцип
совместного хранения программ и данных в памяти
компьютера. Вычислительные системы такого рода часто
обозначают термином «Машина фон Неймана», однако,
соответствие этих понятий не всегда однозначно. В общем
случае, когда говорят об архитектуре фон Неймана (нем. von
Neumann),
подразумевают
физическое
отделение
процессорного модуля от устройств хранения программ и
данных.

14.

3 Понятие архитектуры ЭВМ
3.2 Архитектура фон Неймана
Принципы фон-Неймана
Впервые эти принципы были опубликованы им в 1945 году в его предложениях
по машине EDVAC. Эта ЭВМ была одной из первых машин с хранимой программой,
т.е. с программой, хранимой в памяти машины, а не считываемой с перфокарты или
другого подобного устройства.
В целом эти принципы сводятся к следующему:
1. Основными блоками фон-неймановской машины являются устройство
управления, арифметико-логическое устройство, память и устройства ввода-вывода.
2. Для работы с памятью используется линейное пространство адресов, которым
присваиваются порядковые номера 0, 1, 2….
3. Информация кодируется в двоичной форме и разделяется на единицы,
называемые словами.
4. Программы и данные хранятся в памяти. Разнотипные слова (команды, данные
различных типов) различаются по способу использования, но не по способу
кодирования (т.е. нет различий ни между данными и командами ни в семантике
данных).

15.

3 Понятие архитектуры ЭВМ
3.2 Архитектура фон Неймана
Принципы фон-Неймана
5. Алгоритм представляется в форме
последовательности управляющих слов,
которые определяют смысл операции. Эти
управляющие слова называются
командами. Совокупность команд,
представляющая алгоритм, называется
программой.
6. Устройство управления и арифметическое
устройство, объединяются в одно,
называемое центральным процессором.
Они определяют действия, подлежащие
выполнению, путем считывания команд из
оперативной памяти. Обработка
информации, предписанная алгоритмом,
сводится к последовательному выполнению
команд в порядке, однозначно
определяемом программой.
Архитектура
фон-Неймана

English Русский Rules