Inform

31

В одноадресной команде а1 либо адрес ячейки (регистра), где хранится одно из чисел, участвующих в операции, либо адрес ячейки(регистра), где хранится результат операции.

Безадресная команда содержит только код операции, а информация для нее должна быть заранее помещена в определенные регистры машины (безадресные команды могут использоваться только совместно с командами другой адресности).

Пример: Поступила представленная на языке символического кодирования команда:

СЛ 0103 5102

Такую команду следует расшифровать так:

«сложить число, записанное в ячейке 0103 с числом, записанным в ячейке 5102, а затем результат (т.е. сумму) поместить в ячейку 0103».

Примечание: в кодах машины такая команда содержит только двоичные цифры записанных выше объектов.

Состав машинных команд

Современные ЭВМ выполняют несколько сотен различных команд. Например, стандартный набор современных ПК содержит около 240 машинных команд. Все машинные команды можно разделить на группы по видам выполняемых операций:

операции пересылки информации внутри ЭВМ;

арифметические операции;

логические операции над информацией;

операции обращения к внешним устройствам ЭВМ;

операции передачи управления;

обслуживающие и вспомогательные операции.

Пояснения требуют операции передачи управления (иначе, ветвления программы), которые служат для изменения естественного порядка выполнения команд. Бывают операции безусловной передачи управления и операции условной передачи управления.

Операции безусловной передачи управления требуют выполнения после данной команды не следующей по порядку, а той, адрес которой в явном или не в явном виде указан в адресной части.

Операции условной передачи управления требуют тоже передачи управления по адресу, указанному в адресной части команды, но только в том случае, если выполняется некоторое заранее оговорённое для этой команды условие. Это условие в явном или не в явном виде указано в коде операции.

32

Структурная схема ЭВМ и аппаратное обеспечение современных ПК

Структурная схема ЭВМ

ЭВМ — это устройство, выполненное на электронных приборах, предназначенное для автоматического преобразования информации под управлением программы.

Основные элементы электронной вычислительной машины (фон-неймановской структуры) и связи между ними показаны на рисунке.

Процессор

Процессор (ЦП) выполняет логические и арифметические операции, определяет порядок выполнения операций, указывает источники данных и приемники результатов. Работа процессора происходит под управлением программы.

При первом знакомстве с ЭВМ считают, что процессор состоит из четырех устройств: арифметико-логического устройства (АЛУ), устройства управления (УУ), регистров общего назначения (РОН) и кэш-памяти. АЛУ выполняет арифметические и логические операции над данными. Промежуточные результаты сохраняются в РОН. Кэшпамять служит для повышения быстродействия процессора, путем уменьшения времени его непроизводительного простоя. УУ отвечает за формирование адресов очередных команд, т.е. за порядок выполнения команд, из которых состоит программа.

Системная шина

Системная шина - это основная интерфейсная система ПК, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой.

Основной функцией системной шины является передача информации между процессором и остальными устройствами ЭВМ.

Все блоки, а точнее их порты ввода-вывода, через соответствующие разъемы подключаются к шине единообразно: непосредственно или через контроллеры (адаптеры). Управление системной шиной осуществляется непосредственно, либо, чаще через контроллер шины. Обмен информацией между ВУ и системной шиной выполняется с использованием ASCII-кодов.

Системная шина состоит из трех шин: шины управления, шины данных и адресной шины. По этим шинам циркулируют управляющие сигналы, данные (числа, символы), адреса ячеек памяти и номера устройств ввода-вывода.

Важнейшими функциональными характеристиками системной шины являются: количество обслуживаемых ею устройств и ее пропускная способность, т.е. максимально возможная скорость передачи информации. Пропускная способность шины зависит от ее разрядности (есть шины 8-, 16-, 32- и 64-разрядные) и тактовой частоты, на которой шина работает.

33

Виды памяти и их сравнительные характеристики .

Память предназначена для записи, хранения, выдачи команд и обрабатываемых данных.

Существует несколько разновидностей памяти: оперативная, постоянная, внешняя, кэш, CMOS (КМОП), регистровая. Существование целой иерархии видов памяти объясняется их различием по быстродействию, энергозависимости, назначению, объему и стоимости. Многообразие видов памяти помогает снять противоречие между высокой стоимостью памяти одного вида и низким быстродействием памяти другого вида.

Память современных компьютеров строится на нескольких уровнях, причем память более высокого уровня меньше по объему, быстрее и в пересчете на один байт имеет большую стоимость, чем память более низкого уровня.

Регистровая память

Регистровая память — наиболее быстрая (ее иногда называют сверхоперативной).

Она представляет собой несколько регистров общего назначения (РОН), которые размещены внутри процессора. Регистры используются при выполнении процессором простейших операций: пересылка, сложение, счет и т.д.

Наилучшим вариантом было бы размещение всей памяти на одном кристалле с процессором. Однако из-за существующих технологических сложностей изготовления памяти большого объема пришлось бы большое число микросхем отправить в брак.

КЭШ-память Кэш-память по сравнению с регистровой памятью имеет больший объем, но

меньшее быстродействие. В ЭВМ число запоминающих устройств с этим видом памяти может быть различным. В современных ЭВМ имеется два-три запоминающих устройства этого вида.

КЭШ-память – это буферная, не доступная для пользователя быстродействующая память, автоматически используемая компьютером для ускорения операций с информацией, хранящейся в более медленно действующих запоминающих устройствах.

Кэш-память первого уровня располагается внутри процессора, а кэш память второго уровня — вне процессора (на так называемой материнской плате).

В переводе с английского языка слово cache (кэш) означает «тайник», так как кэшпамять не доступна для программиста (она автоматически используется компьютером). Кэш-память используется для ускорения выполнения операций за счет запоминания на некоторое время полученных ранее данных, которые будут использоваться процессором в ближайшее время. Введение в компьютер кэш-памяти позволяет сэкономить время, которое без нее тратилось на пересылку данных и команд из процессора в оперативную память (и обратно). Работа кэш-памяти строится так, чтобы до минимума сократить время непроизводительного простоя процессора (время ожидания новых данных и команд).

Этот вид памяти уменьшает противоречие между быстрым процессором и относительно медленной оперативной памятью.

Кэш-память первого уровня, которая размещается на одном кристалле с процессором, принято обозначать символами L1. Кэш-память, которая располагается на материнской плате (второй уровень), обозначается символами L2.

На структурной схеме показана только кэш-память L1.

Энергозависимая память CMOS (КМОП-память) служит для запоминания конфигурации данного компьютера (текущего времени, даты, выбранного системного диска и т.д.). Для непрерывной работы этого вида памяти на материнской плате ЭВМ устанавливают отдельный малогабаритный аккумулятор или батарею питания.

Оперативное запоминающее устройство Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) используется для кратковременного

хранения переменной (текущей) информации и допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения процессором вычислительных операций. Это значит, что процессор может выбрать из ОЗУ команду или обрабатываемые данные (режим считывания) и, после арифметической или логической обработки данных, поместить полученный результат в ОЗУ (режим записи). Размещение новых данных в ОЗУ возможно на тех же местах (в тех же ячейках), где находились исходные данные. Понятно, что прежние команды (или данные) будут стерты.

35

объявила о создании диска емкостью 1000 Мб, а фирма IBM – 8700 Мб и

10800 Мб).

5.Накопители на оптических компакт-дисках CD-ROM (неперезаписываемые и перезаписываемые). Емкость 250 – 1500 Мб.

6.Магнитооптические диски с однократной записью (CC WORM). Емкость 120 –1000 Мб.

7.Накопители на магнитооптических дисках (чтение/запись). Емкость современных НМОД доходит до 2,6 Гб (ожидаются до 5,2 Гб). Но перезаписывающие дисководы очень дороги (около тысячи долларов).

Основные достоинства НОД (накопители на оптических дисках):

•сменяемость и компактность носителей;

•большая информационная емкость;

•высокая надежность и долговечность CD;

•меньшая (по сравнению с НМД) чувствительность к загрязнениям и вибрациям;

•нечувствительность к электромагнитным полям.

Устройства ввода информации

Кустройствам ввода информации относятся:

•клавиатура – устройство для ручного ввода числовой, текстовой и управляющей информациии в ПК;

•ручные манипуляторы мышь, трекбол, джойстик, трекпойнт, трекпад;

•сканер (читающие автоматы);

•сенсорные экраны;

•световое перо;

•информационные перчатки, информационный костюм, шлем, джойстринг;

•диджитайзер (графический планшет);

•цифровая видеокамера, фотокамера, микрофон и др.

Устройства вывода информации

К устройствам вывода информации относятся:

•дисплей (монитор);

•принтер (бывают матричные, струйные, лазерные);

•плоттер (графопостроитель – для вывода графической информации из ПК на бумажный носитель), плоттеры бывают векторные с вычерчиванием изображения с помощью пера и растровые: струйные, лазерные. Основные характеристики всех плоттеров – скорость вычерчивания – 100-1000 мм/с, у лучших моделей возможны цветное изображение и передача полутонов; наибольшая разрешающая способность и четкость изображения у лазерных плоттеров, но они самые дорогие;

•акустические колонки и др.

Модем выполняет функции и устройств ввода и устройств вывода информации. Он позволяет соединяться с другими удаленными компьютерами с помощью телефонных линии связи и обмениваться информацией между ЭВМ.

Многие из названных выше устройств относятся к условно-выделенной группе –

средствам мультимедиа.

Средства мультимедия

Средства мультимедия (multimedia – многосредовость) – это комплекс аппаратных и программных средств, позволяющих человеку общаться с компьютером, используя самые разные, естественные для себя среды: звук, видео, графику, тексты, анимацию и др.

К средствам мультимедиа относятся:

•ВЗУ большой емкости на оптических дисках (CD – компактные диски );

•устройства речевого ввода-вывода (микрофоны, звуковые мыши, синтезаторы звука: динамики, звуковые колонки);

36

•сканеры;

•высококачественные видео- и звуковые платы;

•платы видеозахвата, снимающие изображение с видеомагнитофона или с видеокамеры;

•высококачественные акустические и видеовоспроизводящие системы с усилителями, звуковыми колонками, большими видеоэкранами;

Очевидно, что конструкция современной ЭВМ много сложнее рассмотренной конструкции. На структурной схеме не изображены тактовый генератор, который подключен к процессору, адаптеры (или контроллеры), включенные между системной шиной и каждым устройством ввода-вывода и другие блоки (дополнительные – математический сопроцессор, контроллер прямого доступа к памяти, сопроцессор вводавывода, котроллер прерываний).

Математический сопроцессор широко используется для ускоренного выполнения операций над двоичными числами с плавающей запятой, над двоично-кодированными десятичными числами. Математический сопроцессор работает параллельно с основным МП, но под управлением последнего. Последние модели МП, начиная с МП 80486 DX, имеют встроенный сопроцессор.

Прерывания

Важнейшую роль играет в ПК контроллер прерываний.

Прерывание – временный останов выполнения одной программы в целях оперативного выполнения другой, в данный момент наиболее важной (приоритетной) программы.

Прерывания возникают при работе с компьютером постоянно. Достаточно сказать, что все процедуры ввода-вывода информации выполняются по прерываниям (естественно, пользователь их не замечает). Кроме этого, запросы на прерывание могут возникать из-за сбоев в аппаратуре, переполнения разрядной сетки, деления на ноль и т.д.

Контроллер прерываний обслуживает процедуры прерывания, принимает запрос на прерывание от ВУ, определяет уровень приоритета этого запроса и выдает сигнал прерывания в МП. МП, получив этот сигнал, приостанавливает выполнение текущей программы и переходит к выполнению программы обслуживания этого прерывания, после ее завершения восстанавливается выполнение прерванной программы.

Приведенный вид структурной схемы ЭВМ является неймановской структурой, названной так в честь американского ученого венгерского происхождения фон Неймана.

Конструктивно ПК выполнены в виде центрального системного блока, К которому через разъемы подключаются ВУ: дополнительные устройства памяти, клавиатура, дисплей, принтер и др.

Системный блок обычно включает в себя системную плату, блок питания, накопители на дисках, разъемы для дополнительных устройств и платы расширения с контроллерами – адаптерами ВУ.

На системной плате (материнской плате), как правило, размещаются:

•МП;

•математический сопроцессор;

•генератор тактовых импульсов;

•микросхемы ОЗУ и ПЗУ;

•адаптеры клавиатуры, НЖМД и НГМД;

•контроллер прерываний;

•таймер и др.

Принцип открытости архитектуры

Одной из плодотворных идей, положенных в основу персональных компьютеров, является открытость архитектуры. Согласно этой концепции:

1. Каждый пользователь может самостоятельно формировать конфигурацию своего компьютера по своему усмотрению. Это означает, что в зависимости от потребности пользователь может подключить к системной шине различные

37

устройства: модем, звуковую плату, клавиатуру электромузыкального инструмента, плату телевизионного приемника и т.п.

2.Открытость архитектуры позволяет легко модернизировать имеющийся компьютер, например, путем замены винчестера на жесткий диск большего объема, замены процессора, увеличения объема оперативной памяти и т.д.

3.Кроме этого, конкуренция среди производителей комплектующих привела к удешевлению компьютеров.

Однако, современный рынок компьютеров огромен, поэтому выбрать нужный блок довольно непросто. Без специальных знаний при определении конфигурации компьютера с требуемыми характеристиками практически не обойтись. В связи с этим рассмотрим основные характеристики ПК.

Функциональные характеристики ПК

Основными характеристиками ПК являются:

1. Быстродействие, производительность, тактовая частота.

Единицами измерения быстродействия служат:

•МИПС (MIPS – Mega Instruction Per Second) – миллион операций над числами с фиксированной запятой (точкой);

•МФЛОПС (MFLOPS – Mega Floating Operations Per Second) – миллион операций над числами с плавающей запятой (точкой);

•ГФЛОПС (GFLOPS) – миллиард операций в секунду над числами с плавающей запятой (точкой).

Оценка производительности ЭВМ всегда приблизительная, ибо при этом ориентируются на некоторые усредненные или, наоборот, на конкретные виды операций. Реально при решении различных задач используются и различные наборы операций. Поэтому для характеристики ПК вместо производительности обычно указывают тактовую частоту, более объективно определяющую быстродействие машины, так как каждая операция требует для своего выполнения вполне определенного количества тактов. Зная тактовую частоту, можно достаточно точно определить время выполнения любой машинной операции.

Пример: тактовый генератор с частотой 33 МГц обеспечивает выполнение 7 млн. коротких операций (сложение и вычитание с фиксированной запятой, пересылки информации) в секунду; тактовый генератор с частотой 100 МГц обеспечивает выполнение 20 млн. коротких операций в секунду.

У машин с процессором Pentium быстродействие 100-200 млн. операций в секунду при тактовой частоте 60-133 МГц. У машин с процессором Pentium Pro (P6) быстродействие достигает 300 млн. операций в секунду при тактовой частоте 150-200 МГц.

Фирмой Intel разработаны и широко используются микропроцессоры Pentium-2 с тактовой частотой 300, 350 и 400 МГц, производительность которого на 100% больше, чем у процессора Pentium. Процессоры типа Celeron несколько хуже, чем Pentium-2, но зато существенно дешевле. Еще более быстродействующий процессор Pentium-3 имеет тактовую частоту 450-500 МГц. Разработан процессор Pentium-4 с частотой 1000 МГц.

2. Разрядность машины и кодовых шин интерфейса.

Разрядность – это максимальное количество разрядов двоичного числа, над которым одновременно может выполняться машинная операция, в том числе и операция передачи информации; чем больше разрядность, тем, при прочих равных условиях, будет больше и производительность ПК.

3. Типы системного и локальных интерфейсов.

Разные типы интерфейсов обеспечивают разные скорости передачи информации между узлами машины, позволяют подключать разное количество внешних устройств и различные их виды.

4. Емкость оперативной памяти.

38

Емкость оперативной памяти чаще всего измеряется в мегабайтах (Мбайт), реже в килобайтах (Кбайт). Напоминаю, 1 Мбайт = 1024 Кбайт = 10242 байт.

Многие современные прикладные программы при оперативной памяти емкостью меньше 8 Мбайт просто не работают либо работают, но очень медленно.

Следует иметь в виду, что увеличение емкости основной памяти в 2 раза, помимо всего прочего, дает повышение эффективной производительности ЭВМ при решении сложных задач примерно в 1,7 раза.

5. Емкость накопителя на жестких магнитных дисках.

Емкость винчестера измеряется обычно в мегабайтах или гигабайтах. Многие программные продукты требуют для работы до 1 гигабайта (1Гбайт = 1024 Мбайт) внешней памяти.

6. Тип и емкость накопителей на гибких магнитных дисках.

Сейчас применяются в основном накопители на гибких магнитных дисках, использующие дискеты диаметром 3,5 (1 дюйм = 25,4 мм). Они имеют стандартную емкость 1,44 Мбайта.

7. Виды и емкость КЭШ-памяти.

Следует иметь в виду, что наличие КЭШ-памяти емкостью 256 Кбайт увеличивает производительность ПК примерно на 20%.

КЭШ-память емкостью 256-512 Кбайт – обязательный атрибут высокопроизводительных систем на процессорах Pentium. Однако у них встроенная КЭШ-память имеет небольшую емкость (16 Кбайт), а основная ее часть находится вне процессора на материнской плате. Поэтому обмен данными с ней происходит не не внутренней частоте МП, а на частоте тактового генератора, что снижает общее быстродействие компьютера. В МП Pentium Pro Кэш-памать емкостью 256-512 Кбайт находится в самом микропроцессоре.

8. Тип видеомонитора (дисплея) и видеоадаптера.

Наиболее часто в современных ПК используются мониторы VGA с разрешающей способностью 640*480 точек при передаче 16 цветов и 320*200 для 256 цветов, и

мониторы SVGA с разрешающей способностью 800*600, 1024*768, 1280*1024, 1600*1200

при передаче до 16,8 млн. цветов. Размер экрана монитора от 9 до 21 дюйма (23-54 см), но чаще всего 14 дюймов (35,5 см) или 15 дюймов (37,8 см). Размер точки (зерна) от 0,32 мм до 0,21 мм. Чем он меньше, тем лучше.

9.Тип принтера.

10.Напичие математического сопроцессора.

Математический сопроцессор позволяет в десятки раз ускорить выполнение операций над двоичными числами с плавающей запятой и над двоично-кодированными десятичными числами.

11.Имеющееся программное обеспечение и вид операционной системы

12.Аппаратная и программная совместимость с другими типами ЭВМ.

Аппаратная и программная совместимость с другими типами ЭВМ означает возможность использования на компьютере соответственно тех же технических элементов и программного обеспечения, что и на других типах машин.

13.Возможность работы в вычислительной сети.

14.Возможность работы в многозадачном режиме.

Многозадачный режим позволяет выполнять вычисления одновременно по нескольким программам (многопрограммный режим) или для нескольких пользователей (много-пользовательский режим). Совмещение во времени работы нескольких устройств машины, возможное в таком режиме, позволяет значительно увеличить эффективное быстродействие ЭВМ.

15. Надежность.

39

Надежность – это способность системы выполнять полностью и правильно все заданные ей функции. Надежность ПК измеряется обычно средним временем наработки на отказ.

16.Стоимость.

17.Габариты и масса.

Рекомендации по выбору ПК

Условно все компьютеры можно разделить на две группы:

•ПК группы Brand Name, собранные в широко известных фирмах (IBM, Compaq, Hewlett Packard и др.);

•прочие компьютеры группы No Name, сборку которых осуществляли не на фирмах, имеющих известное имя.

Компьютеры Brand Name должны иметь товарные знаки, указывающие на изготовителя, торгующую фирму, кроме этого, сертификаты соответствия по совместимости, качеству, безопасности, энергосбережению, внешнему излучению и др.

Компьютеры Brand Name очень дороги, тем более имеющие многочисленные сертификаты. Поэтому часто приходится ограничиться выбором компьютера «прочие».

Здесь очень важно правильно выбрать конфигурацию компьютера: тип основного МП и материнской платы; объем основной и внешней памяти, виды системного и локального интерфейсов, тип видеоадаптера и видеомонитора, тип клавиатуры, мыши, модема и др.

Важнейшей характеристикой является производительность компьютера. Некоторые основные факторы повышения производительности ПК: увеличение тактовой частоты; увеличение разрядности МП; наличие и объем КЭШ-памяти; наличие математического сопроцессора, объем ОЗУ и его быстродействие и др. Важно знать, что быстродействие современного компьютера зависит не только от тактовой частоты, характеристик МП, ОП, НЖМД (накопители на жестких магнитных дисках) и видеосистемы, но в значительной степени и от интерфейса.

40

Программные продукты и их основные характеристики

Основные понятия

Возможности компьютера как технической основы системы обработки данных связаны с используемым программным обеспечением (программами).

Программа (program, routine) – упорядоченная последовательность команд (инструкций) компьютера для решения задачи.

Программное обеспечение (software) – совокупность программ обработки данных и необходимых для их эксплуатации документов.

Программы предназначены для машинной реализации задач. Термины задача и приложение имеют очень широкое употребление в контексте информатики и программного обеспечения.

Задача (problem, task) – проблема, подлежащая решению.

Приложение (application) – программная реализация на компьютере решения задачи.

Таким образом, задача означает проблему, подлежащую реализации с использованием средств информационных технологий, а приложение, реализованное на компьютере решение задачи. Приложение, являясь синонимом слова «программа», считается более удачным термином и широко используется в информатике.

Термин задача употребляется также в сфере программирования, особенно в режиме мультипрограммирования (одновременного выполнения нескольких задач) и мультипроцессорной обработки (в ЭВМ имеется несколько процессоров) как единица работы вычислительной системы, требующая выделения вычислительных ресурсов (процессорного времени, основной памяти и т.п.). В данной лекции этот термин употребляется в смысле первого определения.

Существует большое разнообразие классификаций задач. С позиций специфики разработки и вида программного обеспечения будем различать 2 класса задач – технологические и функциональные.

Технологические задачи ставятся и решаются при организации технологического процесса обработки информации на компьютере. Технологические задачи являются основой для разработки сервисных средств программного обеспечения в виде утилит, сервисных программ, библиотек процедур и др., применяемых для обеспечения работоспособности компьютера, разработки других программ или обработки данных функциональных задач.

Функциональные задачи требуют решения при реализации функций управления в рамках информационных систем предметных областей. Например, управление деятельностью торгового предприятия, планирование выпуска продукции, управление перевозкой грузов и т.д. Функциональные задачи в совокупности образуют предметную область и полностью определяют ее специфику.

Предметная (прикладная) область (application domain) – совокупность связанных между собой функций, задач управления, с помощью которых достигается выполнение поставленных целей.

Процесс создания программ можно представить как последовательность действий, представленных на рис.3.1.

Рис.3.1. Схема процесса создания