ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 24.06.2021
Просмотров: 1834
Скачиваний: 5
11
Тема 2. Элементы и узлы ЭВМ
Лекция 2
Цель: связь между алгеброй логики и двоичным кодированием информации в памяти
компьютера и в регистрах процессора
План:
1.
Структура ЭВМ и назначение ее элементов.
2.
Основные понятия логики. Логические операции.
3.
Элементарные функции алгебры логики
4.
Основные законы алгебры логики и правила преобразования логических выражений
5.
Триггеры. Сумматор
6.
Назначение и основные элементы центрального процессора. Микропроцессорная техника.
7.
Данные и команды в памяти компьютера и в регистрах процессора
Список рекомендуемой литературы:
4.
Пятибратов А.П., Гудыно Л.П., Кириченко А.А.. Вычислительные системы, сети и
телекоммуникации: Учебник. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Финансы и статистика, 2005.
5.
Симонович С.В. и др. Информатика: Базовый курс. СПб.: Питер, 2005.
6.
Под ред. Макаровой Н.В.. Информатика: Учебник. 3-е перераб. изд. М.: Финансы и
статистика, 2004.
7.
Куртер Дж., Маркви А. Microsoft Office 2000: учебный курс. СПб.: Питер, 2003.
8.
Бройдо В.Л., Ильина О.П. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации. СПб.:
Питер, 2008.
9.
Мелехин В.Ф. Вычислительные машины, системы и сети. Издательский центр
«Академия», 2006.
10.
Горнец Н.Н., Рощин А.Г., Соломенцев В.В. Организация ЭВМ и систем. М.: Издательский
центр «Академия», 2005.
7.2 Дополнительная литература
6.
Калабеков Б.А. / Цифровые устройства и микропроцессорные системы / М.: Радио и связь,
2003.
7.
К. Айден, О. Колесниченко, М. Крамер, Х. Фибельман, И. Шищигин / Аппаратные
средства РС / С-П.:BHV, 2004.
8.
Бройдо Д.С., Ильина О.В. / Архитектура вычислительных машин и систем.
9.
Корнеев В.В. / Современные микропроцессоры. Изд.2 / М.:Нолидж, 2000.
10.
Марк Минаси / Модернизация и обслуживание ПК / Киев «Век+», Москва «Энтроп»,
2000.
1.
Структура ЭВМ и назначение ее элементов. Архитектура и структура классической
ЭВМ
В 1946 году Джоном Нейманом на летней сессии Пенсильванского университета был
распространен отчет, заложивший основы развития вычислительной техники на несколько десятилетий
вперед. Последующий опыт разработки ЭВМ показал правильность основных выводов Неймана,
которые, естественно, в последующие годы развивались и уточнялись.
Основные рекомендации
, предложенные Нейманом для разработчиков ЭВМ
1.
Машины на электронных элементах должны работать не в десятичной, а в двоичной
системе счисления.
12
2.
Программа должна размещаться в одном из блоков машины – в
запоминающем
устройстве
(ЗУ), обладающем достаточной емкостью и соответствующими скоростями выборки и
записи команд программы.
3.
Программа так же, как и числа, с которыми оперирует машина, представляется в
двоичном коде. Таким образом, по форме представления команды и числа однотипны. Это
обстоятельство приводит к следующим важным последствиям:
o
промежуточные результаты вычислений, константы и другие числа могут размещаться в
том же ЗУ, что и программа;
o
числовая форма записи программы позволяет машине производить операции над
величинами, которыми закодированы команды программы.
4.
Трудности физической реализации ЗУ, быстродействие которого соответствовало бы
скорости работы логических схем, требует иерархической организации памяти.
5.
Арифметические устройства машины конструируются на основе схем, выполняющих
операцию сложения. Создание специальных устройств для вычисления других операций
нецелесообразно.
6.
В машине используется параллельный принцип организации вычислительного процесса
(операции над словами производятся одновременно по всем разрядам).
ЭВМ, построенная по принципам, определенным Нейманом, состоит из следующих основных
блоков (
запоминающего устройства
,
арифметико-логического устройства
и
устройства
управления
.
Рис. 2.1.
Структура классической ЭВМ
Запоминающее устройство
, или память – это совокупность ячеек, предназначенных для
хранения некоторого кода. Каждой из ячеек присвоен свой номер, называемый
адресом
. Информацией,
записанной в ячейке, могут быть как команды в машинном виде, так и данные.
Машинная команда
– это двоичный код, определяющий выполняемую операцию, адреса
используемых операндов и адрес ячейки ЗУ, по которому должен быть записан результат выполненной
операции.
Операции, определяемые кодом операции команды, выполняются в
арифметико-логическом
устройстве
(АЛУ).
Все действия в ЭВМ выполняются под управлением сигналов, вырабатываемых
устройством
управления
(УУ). Управляющие сигналы формируются на основе информации, содержащейся в
выполняемой команде, и признаков результата, сформированных предыдущей командой (если
выполняемая команда является, например, командой условного перехода).
Устройство управления
помимо сигналов, определяющих те или иные действия в различных блоках ЭВМ (например, вид
операции в АЛУ или сигнал считывания из ЗУ), формирует также адреса ячеек, по которым
13
производится обращение к памяти для считывания команды и операндов и записи результата
выполнения команды.
Устройство управления
формирует адрес команды, которая должна быть выполнена в данном
цикле, и выдает управляющий сигнал на чтение содержимого соответствующей ячейки
запоминающего
устройства
. Считанная команда передается в УУ. По информации, содержащейся в адресных полях
команды, УУ формирует адреса операндов и управляющие сигналы для их чтения из ЗУ и передачи в
арифметико-логическое устройство
. После считывания операндов
устройство управления
по коду
операции, содержащемуся в команде, выдает в АЛУ сигналы на выполнение операции. Полученный
результат записывается в ЗУ по адресу приемника результата под управлением сигналов записи.
Признаки результата (знак, наличие переполнения, признак нуля и так далее) поступают в
устройство
управления
, где записываются в специальный регистр признаков. Эта информация может
использоваться при выполнении следующих команд программы, например команд условного перехода.
2.
Основные понятия логики. Логические операции.
Первые учения о формах и способах рассуждений возникли в странах Древнего Востока (Китай,
Индия), но в основе современной логики лежат учения, созданные в 4 веке до нашей эры древне-
греческими мыслителями. Основы формальной логики заложил Аристотель, который впервые отделил
логические формы речи от ее содержания. Он исследовал терминологию логики, подробно разобрал
теорию умозаключений и доказательств, описал ряд логических операций, сформулировал основные
законы мышления.
Логика изучает внутреннюю структуру процесса мышления, который реализуется в таких
естественно сложившихся формах как понятие, суждение, умозаключение и доказательство.
Понятие.
Понятие — это форма мышления, отражающая наиболее существенные свойства предмета,
отличающие его от других предметов. В структуре каждого понятия нужно различать две стороны:
содержание и объем. Содержание понятия составляет совокупность существенных признаков предмета.
Чтобы раскрыть содержание понятия, следует выделить признаки, необходимые и достаточные для
выделения данного предмета по отношению к другим предметам.
Высказывание.
Высказывание (суждение) — это форма мышления, выраженная с помощью понятий, посредством
которой что-либо утверждают или отрицают о предметах, их свойствах и отношениях между ними.
О предметах можно судить верно или неверно, то есть высказывание может быть истинным или
ложным. Истинным будет суждение, в котором связь понятий правильно Отражает свойства и
отношения реальных вещей. Ложным суждение будет в том случае, когда связь понятий искажает
объективные отношения, не соответствует реальной действительности.
Обоснование истинности или ложности простых высказываний решается вне алгебры логики.
Например, истинность или ложность высказывания: «Сумма углов треугольника равна 180 градусов»
устанавливается геометрией, причем — в геометрии Евклида это высказывание является истинным, а в
геометрии Лобачевского — ложным.
В
естественном языке высказывания выражаются повествовательными предложениями.
Высказывание не может быть выражено повелительным или вопросительным предложением, оценка
истинности или ложности которых невозможна. Высказывания могут выражаться с помощью
математических, физических, химических и прочих знаков. Из двух числовых выражений можно
составить высказывания, соединив их знаками равенства или неравенства.
Высказывание называется простым, если никакая его часть сама не является высказыванием.
Высказывание, состоящее из простых высказываний, называются составным (сложным).
Пример1. Определить, что в суждении «Компьютер состоит из процессора, памяти и внешних
устройств» является субъектом, предикатом и связкой.
«Компьютер» — субъект, «процессора, памяти и внешних устройств» — предикат, «состоит» —
связка.
Умозаключение.
Умозаключение — это форма мышления, посредством которой из одного или нескольких суждений,
называемых посылками, по определенным правилам логического вывода получается новое знание о
предметах реального мира (вывод).
14
Умозаключения бывают дедуктивные, индуктивные и по аналогии. В дедуктивных умозаключениях
рассуждения ведутся от общего к частному. Например, из двух суждений: «Все металлы
электропроводны» и «Ртуть является металлом» путем умозаключения можно сделать вывод, что
«Ртуть электропроводка» .
В индуктивных умозаключениях рассуждения ведутся от частного к общему. Например, установив,
что отдельные металлы — железо, медь, цинк, алюминий и так далее — обладают свойством
электропроводности, можно сделать вывод, что все металлы электропроводны.
Умозаключение по аналогии представляет собой движение мысли от общности одних свойств и
отношений у сравниваемых предметов или процессов к общности других свойств и отношений.
Например, химический состав Солнца и Земли сходен по многим показателям, поэтому, когда на
Солнце обнаружили неизвестный еще на Земле химический элемент гелий, то по аналогии заключили:
такой элемент есть и на Земле.
Доказательство.
Доказательство есть мыслительный процесс, направленный на подтверждение или опровержение
какого-либо положения посредством других несомненных, ранее обоснованных доводов.
Доказательство по своей логической форме не отличается от умозаключения. Однако, если в
умозаключении заранее исходят из истинности посылок и следят только за правильностью логического
вывода, в доказательстве подвергается логической проверке истинность самих посылок.
Алгебра логики. Алгебра в широком смысле этого слова наука об общих операциях, аналогичных
сложению и умножению, которые могут выполняться над различными математическими объектами
(алгебра переменных и функций, алгебра векторов, алгебра множеств и т.д.). Объектами алгебры логики
являются высказывания.
Алгебра логики отвлекается от смысловой содержательности высказываний. Ее интересует только
один факт — истинно или ложно данное высказывание, что дает возможность определять истинность
или ложность составных высказываний алгебраическими методами.
Простые высказывания в алгебре логики обозначаются заглавными латинскими буквами:
А
= {Аристотель - основоположник логики}
В
= {На яблонях растут бананы}.
Истинному высказыванию ставится в соответствие 1, ложному — 0. Таким образом,
А
= 1,
В
= 0.
Составные высказывания на естественном языке образуются с помощью союзов, которые в алгебре
высказываний заменяются на логические операции. Логические операции задаются таблицами
истинности и могут быть графически проиллюстрированы с помощью диаграмм Эйлера-Венна.
Логическое умножение
Логическая операция КОНЪЮНКЦИЯ (логическое умножение):
в естественном языке соответствует союзу и;
в алгебре высказываний обозначение &;
в языках программирования обозначение And.
Конъюнкция - это логическая операция, ставящая в соответствие каждым двум простым
высказываниям составное высказывание, являющееся истинным тогда и только тогда, когда оба
исходных высказывания истинны.
Таблица истинности
А
В
А
&
В
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
Логическая операция ДИЗЪЮНКЦИЯ (логическое сложение):
в естественном языке соответствует союзу или;
обозначение Λ ;
в языках программирования обозначение Or.
15
Дизъюнкция - это логическая операция, которая каждым двум простым высказываниям ставит в
соответствие составное высказывание, являющееся ложным тогда и только тогда, когда оба исходных
высказывания ложны и истинным, когда хотя бы одно из двух образующих его высказываний
истинно.
Таблица истинности
А
В
А
V
В
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
1
Логическая операция ИНВЕРСИЯ (отрицание):
в естественном языке соответствует словам неверно, что... и частице не;
обозначение
;
в языках программирования обозначение Not;
Отрицание - это логическая операция, которая каждому простому высказыванию ставит в
соответствие составное высказывание, заключающееся в том, что исходное высказывание отрицается.
Таблица истинности
A
0
1
1
0
Логическая операция ИМПЛИКАЦИЯ (логическое следование):
в естественном языке соответствует обороту если ..., то ...;
обозначение
.
Импликация - это логическая операция, ставящая в соответствие каждым двум простым
высказываниям составное высказывание, являющееся ложным тогда и только тогда, когда условие
(первое высказывание) истинно, а следствие (второе высказывание) ложно.
А
В
А
В
0
0
1
0
1
1
1
0
0
1
1
1
Логическая операция ЭКВИВАЛЕНЦИЯ (равнозначность):
в естественном языке соответствует оборотам речи тогда и только тогда; в том и только в том
случае;
обозначения
, ~ .
Эквиваленция – это логическая операция, ставящая в соответствие каждым двум простым
высказываниям составное высказывание, являющееся истинным тогда и только тогда, когда оба
исходных высказывания одновременно истинны или одновременно ложны. Таблица истинности
эквиваленции:
А
В
А
В
0
0
1
0
1
0
1
0
0
1
1
1
Пример 2 Определите истинность составного высказывания:
(
А
&
В
) & (
C
V
D
),
состоящего из
простых высказываний:
А =
{Принтер – устройство вывода информации},