ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 17.07.2024
Просмотров: 1163
Скачиваний: 0
Возможности ПК определяются характеристиками его функциональных блоков. Замена одних блоков на другие в настоящее время не представляет особой проблемы, и при необходимости можно достаточно быстро произвести модернизацию ПК. Однако современный рынок компьютерной техники столь разнообразен, что довольно не просто выбрать нужный блок, определить конфигурацию ПК с требуемыми характеристиками. Без специальных знаний здесь практически не обойтись.
Цель главы – дать основное представление о структуре и функциях аппаратной части персонального компьютера, помочь пользователю сориентироваться на рынке технических средств компьютерной индустрии.
ПОСЛЕ ИЗУЧЕНИЯ ГЛАВЫ ВЫ ДОЛЖНЫ ЗНАТЬ:
ØФормы представления информации в персональном компьютере
ØОсновные понятия алгебры логики
ØСтруктурную схему персонального компьютера и назначение основных функциональных блоков
ØТипы и функциональные характеристики современных микропроцессоров
ØНазначение основных функциональных узлов микропроцессора: устройства управления, арифметико-логического устройства и интерфейсной системы
ØФункции и характеристики системной шины и ее компонентов
ØВиды, организацию и основные характеристики КЭШ-памяти
ØФизическую и логическую организацию, а также характеристики основной памяти
ØНазначение, разновидности и основные характеристики накопителей на жестких и гибких магнитных дисках, на оптических дисках и магнитных лентах
ØНазначение, разновидности и основные характеристики видеомониторов
ØНазначение, разновидности и основные характеристики принтеров и сканеров
ØОсновные характеристики персонального компьютера и принципы его выбора
4.1.ИНФОРМАЦИОННО-ЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ
§Представление информации в ЭВМ
§Логические основы построения ПК
§Программное управление ЭВМ
ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ В ЭВМ
Системы счисления и формы представления чисел
Информация в ЭВМ кодируется, как правило, в двоичной или в двоично-десятичной системе счисления.
Система счисления – это способ наименования и изображения чисел с помощью символов, имеющих определенные количественные значения.
Взависимости от способа изображения чисел системы счисления делятся на позиционные и непозиционные.
Впозиционной системе счисления количественное значение каждой цифры зависит от ее места (позиции) в числе. В непозиционной системе счисления цифры не меняют своего количественного
значения при изменении их расположения в числе. Количество (Р) различных цифр, используемых для изображения числа в позиционной системе счисления, называется основанием системы счисления. Значения цифр лежат в пределах от 0 до Р-1. В общем случае запись любого смешанного числа в системе счисления с основанием Р будет представлять собой ряд вида:
93
где нижние индексы определяют местоположение цифры в числе (разряд):
§положительные значения индексов – для целой части числа (т разрядов);
§отрицательные значения – для дробной (s разрядов),
Пример 4.1. Позиционная система счисления – арабская десятичная система, в которой: основание Р=10, для изображения чисел используются 10 цифр (от 0 до 9). Непозиционная система счисления – римская, в которой для каждого числа используется специфическое сочетание символов (XIV, CXXVII и т.п.).
Максимальное целое число, которое может быть представлено в т разрядах:
Минимальное значащее (не равное 0) число, которое можно записать в s разрядах дробной части:
Имея в целой части числа т, а в дробной s разрядов, можно записать всего Р m+s разных чисел. Двоичная система счисления имеет основание Р=2 и использует для представления информации
всего две цифры: 0 и 1. Существуют правила перевода чисел из одной системы счисления в другую, основанные в том числе и на соотношении (1).
Пример 4.2.
Ввычислительных машинах применяются две формы представления двоичных чисел:
§естественная форма или форма с фиксированной запятой (точкой);
§нормальная форма или форма с плавающей запятой (точкой).
С фиксированной запятой все числа изображаются в виде последовательности цифр с постоянным для всех чисел положением запятой, отделяющей целую часть от дробной.
Пример 4.3. В десятичной системе счисления имеются 5 разрядов в целой части числа (до запятой) и 5 разрядов в дробной части числа (после запятой); числа, записанные в такую разрядную сетку, имеют вид:
+00721,35500; +00000,00328; -10301,20260.
Эта форма наиболее проста, естественна, но имеет небольшой диапазон представления чисел и поэтому не всегда приемлема при вычислениях.
Пример 4.4. Диапазон значащих чисел (N) в системе счисления с основанием Р при наличии т разрядов в целой части и s разрядов в дробной части числа (без учета знака числа) будет:
При Р = 2, m = 10 и s = 6: 0,015 ≤ N ≤ 1024.
Если в результате операции получится число, выходящее за допустимый диапазон, происходит переполнение разрядной сетки, и дальнейшие вычисления теряют смысл. В современных ЭВМ естественная форма представления используется как вспомогательная и только для целых чисел.
С плавающей запятой каждое число изображается в виде двух групп цифр. Первая группа цифр называется мантиссой, вторая – порядком, причем абсолютная величина мантиссы должна быть меньше 1, а порядок – целым числом. В общем виде число в форме с плавающей запятой может быть представлено так:
94
где М – мантисса числа
r – порядок числа ( r – целое число); Р – основание системы счисления.
Пример 4.5. Приведенные в примере 4.3 числа в нормальной форме запишутся так: +0,721355*103 ; +0,328*10-3 ; -0,103012026* 105 .
Нормальная форма представления имеет огромный диапазон отображения чисел и является основной в современных ЭВМ.
Пример 4.6. Диапазон значащих чисел в системе счисления с основанием Р при наличии т разрядов у мантиссы и s разрядов у порядка (без учета знаковых разрядов порядка и мантиссы) будет:
При Р=2, т=10 и s=6 диапазон чисел простирается примерно от 10-19 до 1019.
Знак числа обычно кодируется двоичной цифрой, при этом код 0 означает знак "+", код 1 – знак "-".
Примечание. Для алгебраического представления чисел (т.е. для представления положительных и отрицательных чисел) в машинах используются специальные коды: прямой, обратный и дополнительный. Причем два последних позволяют
заменить неудобную для ЭВМ операцию вычитания на операцию сложения с отрицательным числом; дополнительный код обеспечивает более быстрое выполнение операций, поэтому в ЭВМ применяется чаще именно он.
Двоично-десятичная система счисления получила большое распространение в современных ЭВМ ввиду легкости перевода в десятичную систему и обратно. Она используется там, где основное внимание уделяется не простоте технического построения машины, а удобству работы пользователя. В
этой системе счисления все десятичные цифры отдельно кодируются четырьмя двоичными цифрами (табл. 4.1) и в таком виде записываются последовательно друг за другом.
Таблица 4.1. Таблица двоичных кодов десятичных и шестнадцатеричных цифр
Цифра |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
А |
В |
С |
D |
Е |
F |
Код |
0000 |
0001 |
0010 |
0011 |
0100 |
0101 |
0110 |
0111 |
1000 |
1001 |
1010 |
1011 |
1100 |
1101 |
1110 |
1111 |
Пример 4.7. Десятичное число 9703 в двоично-десятичной системе выглядит так: 1001011100000011.
При программировании иногда используется шестнадцатеричная система счисления, перевод чисел из которой в двоичную систему счисления весьма прост – выполняется поразрядно (полностью аналогично переводу из двоично-десятичной системы).
Для изображения цифр, больших 9, в шестнадцатеричной системе счисления применяются буквы А = 10, В = 11, С = 12, D = 13, Е = 14, F = 15.
Пример 4.8. Шестнадцатеричное число F17B в двоичной системе выглядит так: 1111000101111011.
Варианты представления информации в ПК
Вся информация (данные) представлена в виде двоичных кодов. Дня удобства работы введены следующие термины, обозначающие совокупности двоичных разрядов (табл. 4.2). Эти термины обычно используются в качестве единиц измерения объемов информации, хранимой или обрабатываемой в
95
ЭВМ.
Таблица 4.2. Двоичные совокупности
Количество двоичных |
1 |
8 |
16 |
8*1024 |
8*10242 |
8*10243 |
8*10244 |
разрядов в группе |
|
|
|
|
|
|
|
Наименование единицы |
Бит |
Байт |
Параграф |
Килобайт |
Мегабайт |
Гигабайт |
Терабайт |
измерения |
(Кбайт) |
(Мбайт) |
(Гбайт) |
(Тбайт) |
Последовательность нескольких битов или байтов часто называют полем данных. Биты в числе (в слове, в поле и т.п.) нумеруются справа налево, начиная с 0-го разряда.
В ПК могут обрабатываться поля постоянной и переменной длины.
Поля постоянной длины: |
|
слово – 2 байта |
двойное слово – 4 байта |
полуслово – 1 байт |
расширенное слово – 8 байт |
слово длиной 10 байт – 10 байт |
|
Числа с фиксированной запятой чаще всего имеют формат слова и полуслова, числа с плавающей запятой – формат двойного и расширенного слова.
Поля переменной длины могут иметь любой размер от 0 до 256 байт, но обязательно равный целому числу байтов.
Пример 4.9. Структурно запись числа -193(10) = -11000001(2) в разрядной сетке ПК выглядит следующим образом.
Число с фиксированной запятой формата слово со знаком:
|
Знак числа |
Абсолютная величина числа |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N разряда |
15 |
14 |
13 |
12 |
11 |
10 |
9 |
8 |
|
7 |
6 |
5 |
4 |
3 |
2 |
1 |
0 |
Число |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
Число с плавающей запятой формата двойное слово:
|
Знак |
|
|
Порядок |
|
|
|
|
|
|
|
Мантисса |
|
|
|
|
||||
|
числа |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N разряда |
31 |
30 |
29 |
28 |
27 |
26 |
25 |
24 |
23 |
22 |
21 |
20 |
19 |
18 |
17 |
16 |
15 |
... |
1 |
0 |
Число |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
... |
0 |
0 |
Двоично-кодированные десятичные числа могут быть представлены в ПК полями переменной длины
втак называемых упакованном и распакованном форматах.
Вупакованном формате для каждой десятичной цифры отводится по 4 двоичных разряда (полбайта),
при этом знак числа кодируется в крайнем правом полубайте числа (1100 – знак "+" и 1101 – знак "-"). Структура поля упакованного формата:
Здесь и далее: Цф – цифра, Знак – знак числа.
Упакованный формат используется обычно в ПК при выполнении операций сложения и вычитания двоично-десятичных чисел.
В распакованном формате для каждой десятичной цифры отводится по целому байту, при этом старшие полубайты (зона) каждого байта (кроме самого младшего) в ПК заполняются кодом 0011 (в соответствии с ASCII-кодом), а в младших (левых) полубайтах обычным образом кодируются десятичные цифры. Старший полубайт (зона) самого младшего (правого) байта используется для кодирования знака числа.
96
Структура поля распакованного формата: Распакованный формат используется в ПК при вводе-выводе информации в ПК, а также при
выполнении операций умножения и деления двоично-десятичных чисел.
Коды ASCII
Распакованный формат представления двоично-десятичных чисел (иногда его называют "зонный") является следствием использования в ПК ASCII-кода для представления символьной информации.
Код ASCII (American Standard Code for Information Interchange – Американский стандартный код для обмена информацией) имеет основной стандарт и его расширение (табл. 4.3). Основной стандарт для кодирования символов использует шестнадцатиричные коды 00 - 7F, расширение стандарта – 80 - FF. Основной стандарт является международным и используется для кодирования управляющих символов, цифр и букв латинского алфавита; в расширении стандарта кодируются символы псевдографики и буквы национального алфавита (естественно, в разных странах разные).
Таблица 4.3. Таблица кодов ASCII
ЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ ПК
Основы алгебры логики
Для анализа и синтеза схем в ЭВМ при алгоритмизации и программировании решения задач широко используется математический аппарат алгебры логики.
Алгебра логики – это раздел математической логики, значения всех элементов (функций и аргументов) которой определены в двухэлементном множестве: 0 и 1. Алгебра логики оперирует с логическими высказываниями.
97
Высказывание – это любое предложение, в отношении которого имеет смысл утверждение о его истинности или ложности. При этом считается, что высказывание удовлетворяет закону исключенного третьего, т.е. каждое высказывание или истинно, или ложно и не может быть одновременно и истинным, и ложным.
Пример 4.11. Высказывания: "Сейчас идет снег" – это утверждение может быть истинным или ложным; "Вашингтон – столица США" – истинное утверждение; "Частное от деления 10 на 2 равно 3" – ложное утверждение.
В алгебре логики все высказывания обозначают буквами а, b, с и т.д. Содержание высказываний учитывается только при введении их буквенных обозначений, и в дальнейшем над ними можно производить любые действия, предусмотренные данной алгеброй. Причем если над исходными элементами алгебры выполнены некоторые разрешенные в алгебре логики операции, то результаты операций также будут элементами этой алгебры.
Простейшими операциями в алгебре логики являются операции логического сложения (иначе, операция ИЛИ, операция дизъюнкции) и логического умножения (иначе, операция И, операция конъюнкции). Для обозначения операции логического сложения используют символы + или V, а логического умножения – символы * или .
Правила выполнения операций в алгебре логики определяются рядом аксиом, теорем и следствий. В частности, для алгебры логики выполняются законы:
1)сочетательный:
2)переместительный:
3)распределительный:
Справедливы соотношения:
Наименьшим элементом алгебры логики является 0, наибольшим элементом – 1. В алгебре логики также вводится еще одна операция – операция отрицания (иначе, операция НЕ, операция инверсии), обозначаемая чертой над элементом.
По определению:
Справедливы, например, такие соотношения: Функция в алгебре логики – это алгебраическое выражение, содержащее элементы алгебры логики а,
b, с ..., связанные между собой операциями, определенными в этой алгебре.
Пример 4.12. Примеры логических функций:
98