Файл: Методические указания к практическим работам по дисциплине Вычислительные системы и сети Специальность 5В070200 Автоматизация и управление.doc

Екибастузский инженерно-технический институт

им. академика К.И. Сатпаева

Кафедра «Автоматизация и информационные системы»


«УТВЕРЖДАЮ»

Проректор по УМР

__________М.Ж. Турсунов

«___»_____________20__ г.




МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ПРАКТИЧЕСКИМ РАБОТАМ
по дисциплине «Вычислительные системы и сети»
Специальность: 5В070200 - «Автоматизация и управление»
Форма обучения: очная

Екибастуз – 2019 г.
Составители:

Профессор, к. ф.-м. н. Ст. преподаватель

____________

Беркуцкий В.Я. Курманова Б.Т.

^{(должность, звание) (подпись) (Фамилия И.О.)}

Рекомендованы на заседании кафедры «Автоматизация и информационные системы»

Протокол № ___ «__» ____________ 20___ г.

Заведующий кафедрой: к.т.н., доцент

Акишев Т.Б.

Одобрены учебно-методическим советом инженерно-экономического факультета
Протокол №___ «___» __________ 20___ г.
Председатель: _______________________ М.Ж. Турсунов


Офис: ул. Энергетиков, 54, ауд. № 25А

Тел: 8 (7187) 76-12-86

Е- mail: eitiekb@mail.ru

СОДЕРЖАНИЕ

---

Практическая работа№1

Представление информации в вычислительных комплексах

1.1 Двоичные числа

Чтобы сделать ВС более надежными и простыми, их аппаратура строится из простейших электронных схем, которые могут находиться только в двух состояниях. Одно из них обозначается 0, а другое – 1. Такая схема предназначена для длительного или краткого хранения самой мелкой единицы информации – бита (от «BInary digiT» – двоичная цифра).

Любое число можно представить в виде цепочки битов. Такое представление числа называется двоичным числом. Цепочка из восьми битов называется байтом (рисунок 1).

10011011
старший бит (бит 7) младший бит (бит 0)

Рисунок 1 - Пример байта

Величина двоичного числа определяется относительной позицией каждого бита и его значением. Позиционный вес младшего бита 2^о = 1(10). 1(10) – единица в десятичной системе счисления. Следующий бит имеет вес 2¹ = 2(10). Вес любой позиции получается удвоением веса предыдущей позиции (рисунок 2).

7 6 5 4 3 2 1 0 позиция

2⁷ 2⁶ 2⁵ 2⁴ 2³ 2² 2¹ 2⁰

128 64 32 16 8 4 2 1 вес

Рисунок 2 - Веса позиций байта

Для преобразования десятичного числа в двоичное надо сделать ряд вычитаний. Каждое вычитание даст значение одного бита. Прежде всего, вычтите из десятичного числа наибольший возможный двоичный вес и запишите 1 в эту позицию бита. Затем из результата вычтите новый наибольший возможный двоичный вес и запишите 1 в эту новую позицию бита. Так - до получения нулевого результата. Например, преобразование числа 50 в двоичное:

_ 50

32. 
    (бит 5 = 1)
    

_18

16. 
    (бит 4 = 1)
    

_2

2. 
   (бит 1 = 1)
   

---

0

Записывая 0 в остальные позиции битов (биты 0,2,3) получаем окончательный результат: 110010.

Для выполнения обратного преобразования следует сложить десятичные веса тех позиций, в которых стоит 1:

32 (бит 5) + 16 (бит 4) + 2 (бит 1) = 50

Байт может представлять десятичные положительные числа от 0 (00000000) до 255 (11111111). Память ЭВМ состоит из блоков памяти по 1024 байта. Число 1024 есть 2¹⁰. Число 1024 имеет стандартное обозначение К. Следовательно, ЭВМ, имеющая 48 К памяти, содержит 48 x 1024 = 49152 байта.

Машинным словом будем называть битовую строку длиной 16 битов. Одно слово содержит 2 байта (рисунок 3).

Каждый бит слова имеет свой вес (рисунок 4). Просуммировав все веса, найдем максимальное целое число без знака, которое можно записать в одно слово, оно равно 2¹⁶ – 1 = 65535.

Двоичное содержимое байта или слова может рассматриваться (интерпретироваться) как число без знака и как число со знаком. Число без знака занимает все 16 битов слова или 8 битов байта. Оно может быть только положительным. Просуммируем два таких числа:

00111100 60

+ 00110101 + 53

01110001 113

Если слово (байт) содержит число со знаком, то в старшем бите содержится знак ( 0 есть +, 1 есть - ), а оставшиеся 15 или 7 битов содержат само число.

15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0



старший байт младший байт
Рисунок 3 - Структура машинного слова
15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

1

1

1

1

1

1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

---

128 64 32 16 8 4 2 1

256

512

1024

2048

4096

8192

16384

32768 Рисунок 4- Веса позиций слова

Отрицательное число хранится в дополнительном коде. Для получения дополнительного кода числа из его абсолютного значения используется следующее правило:

1. 
   все биты числа (в том числе и знаковый) инвертируются;
   
2. 
   к полученному числу прибавляется 1. Например, получим дополнительный код числа –65.
   

65(10) = 01000001(2)

10111110

+ 1

10111111 = -65(10)

Для получения абсолютного значения отрицательного числа повторяют эти же самые два действия. Например:

-65(10)= 10111111

01000000

+ 1

01000001 = 65(10)

Сумма +65 и –65 должна составить ноль:

01000001 (+65)

+ 10111111 (-65)

00000000

В данном примере у нас произошли два интересных переноса: 1) в знаковый (7-й) разряд; 2) за пределы байта. Первая единица переноса обрабатывается как обычно, а вторая теряется. Оба переноса считаются правильными.

Вычитание двух положительных чисел заменяется суммированием первого числа с дополнением второго. Таким образом, как суммирование, так и вычитание выполняет одно и то же аппаратное устройство – сумматор. Кроме этого достоинства использование дополнения имеет еще одно - число ноль имеет единственное представление, т.е. нет двух нулей – положительного и отрицательного.

Приведем целые числа в окрестностях 0:

+ 3 00000011

+ 2 00000010

+ 1 00000001

0 00000000

- 1 11111111

- 2 11111110

- 3 11111101

Отсюда видно, что нулевые биты в отрицательном двоичном числе фактически определяют его величину: рассмотрите весовые значения нулевых битов, как если бы это были единичные биты, сложите эти значения и прибавьте 1.

---

1.2 Шестнадцатеричные числа

В то время как процессор и другие устройства ЭВМ используют только двоичное представление информации, такое представление очень неудобно для человека, который анализирует содержимое памяти ЭВМ. Введение шестнадцатеричных чисел значительно облегчает эту задачу.
Допустим, что мы хотим проанализировать содержимое четырех последовательных байтов (двух слов). Разделим мысленно каждый байт пополам и запишем для каждого полубайта соответствующее десятичное значение:
0101 1001 0011 0101 1011 1001 1100 1110

5 9 3 5 11 9 12 14

Чтобы не использовать для некоторых полубайтов две десятичные цифры, рассмотрим систему счисления: 10 = А, 11 = В, 12 = С, 13 = D, 14 = E, 15 = F. Теперь содержимое тех же самых четырех байтов выглядит более удобно:

59 35 В9 СЕ

Такая система счисления включает «цифры» от 0 до F и так как таких цифр 16, то она называется шестнадцатеричной. На рисунке 5 приведено соответствие между двоичными, десятичными и шестнадцатеричными числами от 0 до 15(10).
Двоичн. Десят. Шестн. Двоичн. Десят. Шестн.

0000 0 0 1000 8 8

0001 1 1 1001 9 9

0010 2 2 1010 10 А

0011 3 3 1011 11 В

0100 4 4 1100 12 С

0101 5 5 1101 13 D

0110 6 6 1110 14 Е

0111 7 7 1111 15 F
Рисунок 5 - Соответствие между двоичными, десятичными и шестнадцатеричными числами

Подобно двоичным и десятичным цифрам каждая шестнадцатеричная цифра имеет вес, кратный основанию счисления. Таким образом, каждая цифра имеет вес в 16 раз больше, чем соседняя справа цифра. Крайняя правая цифра имеет вес 16⁰ = 1, следующая 16¹ = 16, 16² = 256, 16³ = 4096, 16⁴ = 65536.

Например, шестнадцатеричное число 3АF имеет десятичное значение:

(3  16²) + (А  16¹) + (F  16⁰) = (3  256) + (10  16) + (15  1) = 943

Для обозначения шестнадцатеричного числа часто используют букву Н (или h), например: 3AFh. Над шестнадцатеричными числами можно выполнять арифметические операции подобно тому, как они выполняются над десятичными числами. Например, найдем сумму 6Аh и B5h:

6A

+B5


_ В5

6А

4В

11F

Разность В5 – 6А:

1.3 Представление текстовой информации

Текст состоит из символов, поэтому символ можно считать минимальным элементом текста. Если собрать все возможные символы, которые могут встретиться в тексте: латинские буквы, буквы кириллицы, знаки препинания и т.д., и каждому из этих символов присвоить свой уникальный номер (называемый кодом символа), то текст можно записать в виде набора чисел. С помощью 8 бит можно закодировать 256 различных символов. Этого хватит, чтобы закодировать различными комбинациями бит буквы латинского алфавита и кириллицы, как строчные, так и заглавные, знаки препинания, цифры, символы арифметических действий и некоторые другие распространенные символы, такие как «$» или «&». Комбинация из восьми бит получила свое собственное название – байт.

Так как коды символам можно присвоить по-разному, для того, чтобы не было путаницы, было решено ввести стандарт кодирования символов. Для английского языка такой стандарт существует, он называется ASCII (AmericanStandardCodeforInformationInterchange – стандартный американский код для информационного обмена).

С кодированием русских букв дела обстоят хуже. В настоящее время применяется как минимум три различные кодировки символов кириллицы: Win-1251, КОИ-8 и CP866. Если русский текст записан в одной кодировке, а Вы пытаетесь просмотреть его, используя другую кодировку, то получите совершенно нечитаемый набор букв или символов. Решить такую проблему можно с помощью специальных программ, переводящих текст из одной кодировки в другую.

В ASCII закреплены две таблицы кодирования: базовая и расширенная.

В базовой таблице определены значения кодов с 0 по 127, а в расширенной – с 128 по 255. В базовой таблице находятся буквы латинского алфавита, цифры, математические знаки и знаки препинания. Кроме того, за кодами с 0 по 31 закреплены специальные управляющие символы: перевод строки, возврат каретки и т.д. Расширенная таблица ASCII содержит буквы западноевропейских языков и так называемые символы псевдографики, с помощью которых можно, например, рисовать таблицы.

В кодировки русского языка расширенная таблица изменена. В таблице 1 и таблице 2 приведены базовая таблица ASCII-символов и кодировка CP866, используемая в операционной системе MS-DOS. В течение долгого времени понятия «байт» и «символ» были почти синонимами. Однако, в конце концов, стало ясно, что 256 различных символов – это не так много. Математикам требуется использовать в формулах специальные математические знаки, переводчикам необходимо создавать тексты, где могут встретиться символы из различных алфавитов, экономистам необходимы символы валют ($,£,¥). Для удовлетворения нужд всех людей 256 символов явно недостаточно. Для решения этой проблемы была разработана универсальная система кодирования текстовой информации – Unicode. В этой кодировке каждый символ кодируется не одним, а двумя байтами. Таким образом, доступно не 256, а 2¹⁶=65536 различных кодов. Этого количества хватает на латинский алфавит, кириллицу, иврит, различные африканские и азиатские языки, в том числе наиболее часто употребляющиеся китайские иероглифы, различные специализированные символы, в том числе математические, экономические, технические и многие другие. Кроме этого, часть кодов даже осталась неиспользованной. Главный недостаток Unicode состоит в том, что все тексты в этой кодировке становятся в два раза длиннее.

Таблица 1

Базовая таблица ASCII

32	пробел	48	0	64	@	80	P	96	`	112	P
33	!	49	1	65	A	81	Q	97	a	113	Q
34	«	50	2	66	B	82	R	98	b	114	R
35	#	51	3	67	C	83	S	99	c	115	S
36	$	52	4	68	D	84	T	100	d	116	T
37	%	53	5	69	E	85	U	101	e	117	U
38	&	54	6	70	F	86	V	102	f	118	V
39	'	55	7	71	G	87	W	103	g	119	W
40	(	56	8	72	H	88	X	104	h	120	X
41	)	57	9	73	I	89	Y	105	i	121	Y
42	*	58	:	74	J	90	Z	106	j	122	Z
43	+	59	;	75	K	91	[	107	k	123	{
44	,	60	<	76	L	92	\	108	l	124	|
45	-	61	=	77	M	93	]	109	m	125	}
46	.	62	>	78	N	94	^	110	n	126

Таблица 2

Кодировка CP866 (DOS)

128	А	144	Р	160	а	176	░	192	└	208	╨	224	р	240	Е
129	Б	145	С	161	б	177	▒	193	┴	209	╤	225	с	241	е
130	В	146	Т	162	в	178	▓	194	┬	210	╥	226	т	242	Є
131	Г	147	У	163	г	179	│	195	├	211	╙	227	у	243	є
132	Д	148	Ф	164	д	180	┤	196	─	212	╘	228	ф	244	Ї
133	Е	149	Х	165	е	181	╡	197	┼	213	╒	229	х	245	ї
134	Ж	150	Ц	166	ж	182	╢	198	╞	214	╓	230	ц	246	Ў
135	З	151	Ч	167	з	183	╖	199	╟	215	╫	231	ч	247	ў
136	И	152	Ш	168	и	184	╕	200	╚	216	╪	232	ш	248	°
137	Й	153	Щ	169	й	185	╣	201	╔	217	┘	233	щ	249	∙
138	К	154	Ъ	170	к	186	║	202	╩	218	┌	234	ъ	250	·
139	Л	155	Ы	171	л	187	╗	203	╦	219	█	235	ы	251	√
140	М	156	Ь	172	м	188	╝	204	╠	220	▄	236	ь	252	№
141	Н	157	Э	173	н	189	╜	205	═	221	▌	237	э	253	¤
142	О	158	Ю	174	о	190	╛	206	╬	222	▐	238	ю	254	■
143	П	159	Я	175	п	191	┐	207	╧	223	▀	239	я	255

---