Файл: Конспект лекций по курсу Информатика для студентов дневной формы обучения по специальности 220200 Автоматизированные системы обработки информации и управления.pdf

22 11 1011 13
В
12 1100 14
C
13 1101 15
D
14 1110 16
Е
15 1111 17
F
16 10000 20 10 17 10001 21 11
Двоичная арифметика
Преимущество двоичной системы счисления над десятичной с точки зрения ЦВМ состоит в следующем:
- требуются элементы с двумя устойчивыми состояниями;
- существенно упрощаются арифметические операции;
- оборудования требуется в 1,5 раза меньше;
- позволяет применить аппарат математической логики для анализа и синтеза схем.
Недостатки двоичной системы счисления состоят в следующем:
- большая длина записи чисел;
- при вводе и выводе информации требуется перевод в десятичную систему счисления.
Рассмотрим, как выполняются основные действия в двоичной арифметике.
Сложение Вычитание Умножение Деление
0+0=0 0-0=0 0х0=0 0:1=0 0+1=1 1-0=1 0х1=0 1:1=1 1+0=1 1-1=0 1х0=0 1+1=10 10-1=1 1х1=1
Правила арифметики во всех позиционных системах счисления одинаковы, т.е. сложение, умножение и вычитание начинают с младших разрядов, деление - со старших.
При сложении единица переноса складывается с цифрами соседнего старшего разряда. При вычитании единица заёма старшего разряда дает две единицы в младшем соседнем разряде.
Пример 8.
Умножение двоичных чисел аналогично умножению десятичных, но т.к. умножаем только на 0 и 1, то умножение сводится к операции сдвига и сложения. Положение точки, отделяющей целую часть от дробной части, определяется так же, как и при умножении десятичных чисел.
Пример 9.
1011,1 х 101,01 10111 10111 - сдвинутое на 2 разряда влево множимое
10111 - сдвинутое на 4 разряда влево множимое
111100,011 1) 110111,01 55,25 2) 11011,10 27,5
+ 10011,10 +19,5 - 1101,01 -13,25 1001010,11 74,75 1110,01 14,25

23
Перевод чисел из одной системы счисления в другую
Задача перевода из одной системы счисления в другую часто встречается при программировании и особенно часто — при программировании на языке Ассемблера.
Например, при определении адреса ячейки памяти, для получения двоичного или шестнадцатеричного эквивалента десятичного числа. Отдельные стандартные процедуры языков программирования Паскаль, Бейсик, HTML и Си требуют задания параметров в шестнадцатеричной СС. Отыскать неисправность в ЭВМ практически невозможно без представлений о двоичной СС.
Сначала рассмотрим перевод из двоичной системы счисления в шестнадцатеричную и наоборот. Это наиболее просто в связи с тем, что 16=2 4
Правило 1
. Для перевода шестнадцатеричного числа в двоичное надо каждую цифру заменить четырехразрядным двоичным числом. Незначащие нули отбросить.
Пример 10.
305,4 16
=0011 0000 0101,0100 2
=1100000101,01 2
Ещё пример: Перевести число 7D2.ЕН из шестнадцатеричной СС в двоичную СС.
Решение
Переводимое число Результат
↑
↑
=
↓
↓
↓
↓
2 16
)
111 0
1111101001
(
)
1110 0010 2
1101 0111 7
(
E
D
Результат
число
е
Переводимо
4 4
4 3
4 4
4 2
1 4
4 4
4 4
3 4
4 4
4 4
2 1
Отмеченные крайние нули следует отбросить.
Правило 2.
Для перевода числа из двоичной системы счисления в шестнадцатеричную надо число разбить на четверки влево и вправо от запятой. Крайние группы, если необходимо дополнить нулями. Затем каждую четверку двоичных цифр заменить соответствующей шестнадцатеричной цифрой.
Пример 11.
1010111,1101101 2
=0101 0111,1101 1010 2
=57,DA
16
Ещё пример: перевести число 10111110001.001В из двоичной СС в шестнадцатеричную СС. Решение.
Рассмотрим общие правила перевода чисел из одной системы счисления в другую.
Эти правила зависят от того, в какой системе счисления осуществляются арифметические операции, связанные с преобразованием чисел, - в той, в какой представлено исходное число, или в той, в которую оно переводится.
Правило 3.
Задано число С, представленное в системе счисления с основанием S:
C = C
n
C
n-1
…C
1
C
0
C
-1
C
-m
Нужно перевести его в h-систему, выполняя действия в новой системе счисления (в h-системе).

24
Для этого нужно представить его в виде суммы степеней S :
C= C
n
S
n
+C
n-1
S
n-1
+…+C
1
S
1
+C
0
S
0
+C
-1
S
-1
+…+C
-m
S
-m
, где основание S, коэффициенты c и номера разрядов i выражены в новой h-системе.
Все действия надо выполнять в h-системе.
Пример 12.
1) Перевести 2Е5,А
16
в десятичную систему счисления:
2Е5,А
16
=2
⋅ 16 2
+14
⋅16 1
+5
⋅16 0
+10
⋅16
-1
=741,625 10 2) Перевести 52 10
в двоичную систему счисления:
52 10
=101
⋅1010 1
+10
⋅1010 0
=110010+10=110100 2
3) Перевести 1101,101 в десятичную систему счисления:
1101,101 2
= 1
⋅ 2 3
+1
⋅ 2 2
+0
⋅ 2 1
+1
⋅ 2 0
+1
⋅ 2
-1
+0
⋅ 2
-2
+1
⋅ 2
-3
=13,625 10
Этот способ удобен при S1>

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 кэш- память 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.

34
ОЗУ используется для хранения программ, составляемых пользователем, а также
исходных, конечных и промежуточных данных, получающихся при работе процессора.
В качестве запоминающих элементов в ОЗУ используются либо триггеры
(статическое
ОЗУ), либо конденсаторы (динамическое ОЗУ).
ОЗУ — это энергозависимая память, поэтому при выключении питания информация, хранившаяся в ОЗУ, теряется безвозвратно.
По быстродействию ОЗУ уступает кэш-памяти и тем более сверхоперативной памяти
— РОН. Но стоимость ОЗУ значительно ниже стоимости упомянутых видов памяти.
Постоянное запоминающее устройство
В постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ)
хранится информация, которая не изменяется при работе ЭВМ. Такую информацию составляют загрузочные программы ОС, тест-мониторные программы (они проверяют работоспособность компьютера в момент его включения), драйверы (программы, управляющие работой отдельных устройств ЭВМ, например, клавиатурой) и др.
ПЗУ является энергонезависимым устройством, поэтому информация в нем сохраняется даже при выключении электропитания.
Перспективным видом постоянной памяти является память с электрическим способом стирания и записи информации (FLASH-память), которая при острой необходимости позволяет перепрограммировать ПЗУ и тем самым оперативно улучшать характеристики ЭВМ.
Общая емкость основной памяти ПК обычно лежит в пределах от 1 до 32 Мбайт.
Емкость ОЗУ на один-два порядка превышает емкость ПЗУ: ПЗУ занимает 128 (256)
Кбайт, остальной объем – это ОЗУ.
Внешние запоминающие устройства
Внешние запоминающие устройства
(ВЗУ) предназначены для долговременного хранения информации. К ВЗУ относятся накопители на магнитной ленте (магнитофоны, стримеры), накопители на жестких дисках (винчестеры), накопители на гибких дисках, проигрыватели оптических дисков. ВЗУ по сравнению с ОЗУ имеют, в основном, больший объем памяти, но существенно меньшее быстродействие.
Виды запоминающих устройств:
1. Накопители на гибких (НГМД) магнитных дисках, иначе, на флоппи-дисках или на дискетах (ГМД бывают диаметром 5,25 и 3,5 дюйма, соответственно емкостью 1,2 и 1,44 Мб).
2. Накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД) типа «винчестер»
1
(диаметр диска чаще всего 3,5 дюйма (89 мм), но есть и другие: 5,25 (133 мм) и 1,8 (45 мм); высота корпуса дисковода у настольных ПК – 25 мм, у серверов – 41 мм и у портативных ПК – 12 мм). Емкость НЖМД: 250 – 4000 Мб, до 5000 Мб. В ПК имеется обычно один НЖМД. Однако в MS DOS (дисковая операционная система фирмы Microsoft) программными средствами один физический диск может быть разделен на несколько «логических» дисков, тем самым имитируется несколько
НМД на одном накопителе.
3. Накопители на сменных жестких магнитных дисках, использующие эффект
Бернулли (емкость 20 – 230 Мбайт).
4. В ПК используются также диски с высокой плотностью записи (похожи на обычные дискеты, но имеют более жесткую конструкцию). Среди накопителей, использующих такие диски, есть:
• накопители на флоптических дисках, иначе floptical-накопители
(стандартная емкость 20,8 Мб);
• накопители сверхвысокой плотности записи, иначе, VHD-накопители
(сейчас выпускаются емкостью 120-240 Мбайт; фирма Hewlett Packard
1
Термин винчестер возник из жаргонного названия первой модели жесткого диска емкостью 16 Кб (IBM,
1973г), имевшего 30 дорожек по 30 секторов, что случайно совпало с калибром «30/30» известного охотничьего ружья «Винчестер».

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
К устройствам 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);