Определение. Конъюнкцией высказываний называют такое сложное высказывание Y, которое истинно только тогда, когда истинны все входящие в него простые высказывания.
Диаграмма Эйлера-Венна операции И изображена на рис.3.2. Таблица истинности операции логического умножения имеет следующий вид:
| X | Y | X И Y |
| Нет (0) | Нет (0) | Нет (0) |
| Нет (0) | Да (1) | Нет (0) |
| Да (1) | Нет (0) | Нет (0) |
| Да (1) | Да (1) | Да (1) |
При записи конъюнкции применяют и такие обозначения: X И Y, X & Y или X Ù Y.
3.6.3.Логическое сложение (дизъюнкция или логическое ИЛИ)
Определение. Дизъюнкцией высказываний называется такое сложное высказывание Y, которое истинно тогда, когда истинно хотя бы одно из входящих в него простых высказываний.
Диаграмма Эйлера-Венна операции ИЛИ изображена на рис.3.3. Таблица истинности операции логического сложения имеет следующий вид:
| X | Y | X ИЛИ Y |
| Нет (0) | Нет (0) | Нет (0) |
| Нет (0) | Да (1) | Да (1) |
| Да (1) | Нет (0) | Да (1) |
| Да (1) | Да (1) | Да (1) |
При записи дизъюнкции применяют также следующие обозначения: X ИЛИ Y, X + Y, X Ú Y.
3.7.Логические выражения.
С помощью основного набора булевых операций можно построить более сложные логические высказывания.
Пример: Построим логическое выражение из простых логических операций для описания сложного логического умозаключения «Я буду читать, если есть хорошая книга и есть свободное время или если я ищу ответ на интересующий меня вопрос и надеюсь найти его в этой книге».
Введем следующие обозначения:
Х1 — переменная, характеризующее фактор «есть хорошая книга», 1 – есть, 0 – нет;
Х2 — переменная, определяющая условие «есть свободное время», 1 – есть, 0 – нет;
Х3 — параметр «ищу ответ на вопрос», 1 – да (ищу), 0 –нет (не ищу);
Х4 — фактор «надеюсь найти ответ», 1 – да (надеюсь), 0 – нет (не надеюсь);
Ф(Х1, Х2, Х3, Х4) — логическое выражение, описывающее приведенное высказывание.
Тогда сложная функция, определяющая условие, при котором я буду читать, может быть записывается с помощью логического выражения:
Ф(Х1, Х2, Х3, Х4) = (Х1 И X2) ИЛИ (X3 И X4),
при этом таблица истинности такого выражения имеет вид:
Таблица. 3.2.
| X1 | X2 | X3 | X4 | Ф(Х1, Х2, Х3, Х4) |
| Нет (0) | Нет (0) | Нет (0) | Нет (0) | Нет (0) |
| Да (1) | Нет (0) | Нет (0) | Нет (0) | Нет (0) |
| Нет (0) | Да (1) | Нет (0) | Нет (0) | Нет (0) |
| Нет (0) | Нет (0) | Да (1) | Нет (0) | Нет (0) |
| Нет (0) | Нет (0) | Нет (0) | Да (1) | Нет (0) |
| Да (1) | Да (1) | Нет (0) | Нет (0) | Да (1) |
| Да (1) | Нет (0) | Да (1) | Нет (0) | Нет (0) |
| Да (1) | Нет (0) | Нет (0) | Да (1) | Нет (0) |
| Нет (0) | Да (1) | Да (1) | Нет (0) | Нет (0) |
| Нет (0) | Да (1) | Нет (0) | Да (1) | Нет (0) |
| Нет (0) | Нет (0) | Да (1) | Да (1) | Да (1) |
| Да (1) | Да (1) | Да (1) | Нет (0) | Да (1) |
| Да (1) | Да (1) | Нет (0) | Да (1) | Да (1) |
| Да (1) | Нет (0) | Да (1) | Да (1) | Да (1) |
| Нет (0) | Да (1) | Да (1) | Да (1) | Да (1) |
| Да (1) | Да (1) | Да (1) | Да (1) | Да (1) |
Утверждение. В булевой алгебре существуют определенные взаимоотношения между логическими функциями И, ИЛИ, НЕ, которые позволяют производить замену функций И функцией ИЛИ и наоборот. Это взаимоотношения известны как теоремы де Моргана:
НЕ ( X1 И X2 ) = [НЕ ( X1)] ИЛИ [ НЕ ( X2)]
НЕ ( X1 ИЛИ X2 ) = [НЕ ( X1)] И [ НЕ ( X2)]
В булевой алгебре выведены ряд определений и правил, которые необходимы для анализа и синтеза логических схем, используемых в вычислительной технике.
Вот эти наиболее важные теоремы булевой алгебры [12] ):
Таблица. 3.3.
| 1а `0 = 1 | 1б `1 = 0 |
| 2а Х Ú 0 = Х | 2б Х & 1 = Х |
| 3а Х Ú 1 = 1 | 3б Х & 0 = 0 |
| 4а Х Ú Х = Х | 4б Х & Х = Х |
| 5а Х Ú ` Х = 1 | 5б Х & ` Х = 0 |
| 6а Х1 Ú Х2 = Х2 Ú Х1 | 6б Х1 & Х2 = Х2 & Х1 |
| 7а Х1 Ú (Х1 & Х2) = Х1 | 7б Х1 & (Х1 Ú Х2) = Х1 |
| 8а Х1 Ú ( ` Х1 & Х2) = Х1 Ú Х2 | 8б Х1 & ( ` Х1 Ú Х2) = Х1 & Х2 |
| 9а (Х1 Ú Х2) Ú Х3 = Х1 Ú (Х2 Ú Х3) | 9б (Х1 & Х2) & Х3 = Х1 & (Х2 & Х3) |
| 10а Х1 Ú (Х2 & Х3) = (Х1 Ú Х2) & (Х1 Ú Х3 ) | 10б Х1 & (Х2 Ú Х3) = (Х1 & Х2) Ú (Х1 & Х3) |
Утверждение. С помощью приведенных соотношений можно получать так называемые эквивалентные выражения, которые могут оказаться существенно проще, чем исходное логические выражения.
Пример: Пусть имеется следующее логическое выражение
(X1 Ú X2) & ( X1 Ú ` X2) Ú X3 .
Учитывая теорему 10а, получим
(X1 Ú X2) & ( X1 Ú ` X2) Ú X3 = (X1 Ú X2 & ` X2) Ú X3 .
Далее по теореме 5а имеем X2 & ` X2 = 0, тогда
(X1 Ú X2) & ( X1 Ú ` X2) Ú X3 = X1 Ú 0 Ú X3 ,
а по теореме 2а X1 Ú 0 = X1 и
(X1 Ú X2) & ( X1 Ú ` X2) Ú X3 = X1 Ú X3 .
Утверждение. По некоторому наперед заданному булевому выражению можно легко построить его таблицу истинности. Для этого в выражение подставляют вместо переменных их возможные значения и вычисляют значение выражения.
Примечание.
Количество состояний логической функции (или строк), которые должны быть отражены в таблице истинности определяется по формуле 2 n , где n — количество логических переменных.
Пример: Пусть необходимо построить таблицу истинности для выражения
Ф(Х1, Х2) = ( ` X1 & X2) Ú (X1 & ` X2)
Поскольку Ф(Х1, Х2) является функцией от двух переменных, то таблица истинности должна содержать 22 = 4 строки. Таблица истинности рассматриваемого логического выражения имеет следующий вид:
| Х1 | X2 | ` X1 | ` X2 | ` X1 & X2 | X1 & ` X2 | Ф(Х1, Х2) |
| 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 |
| 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
3.8.Базовые логические элементы.
Определение. Схемные реализации базовых логических операций НЕ И, ИЛИ называются логическими элементами.
Логические элементы являются теми самыми элементарными «кирпичиками», из которых в настоящее время строятся практически все компоненты компьютера — центральный процессор, память, устройства управления и т.д.
3.8.1.Логический элемент НЕ.
Логический элемент НЕ преобразует сигнал в противоположный, и обозначается на схеме следующим образом (см. рис.3.4). Его таблица истинности имеет вид:
| X | Y = НЕ X |
| 1 | 0 |
| 0 | 1 |
3.8.2.Логический элемент И.
Логический элемент И реализует логическую операцию И для двух сигналов и обозначается на схеме следующим образом (см. рис.3.5). Таблица истинности элемента И имеет вид:
| X1 | X2 | Y = X1 И X2 |
| 0 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 1 | 1 |
3.8.3.Логический элемент ИЛИ.
Логический элемент ИЛИ реализует логическую операцию ИЛИ для двух сигналов и обозначается на схеме следующим образом (см. рис.3.6). Таблица истинности элемента ИЛИ имеет вид:
| X1 | X2 | Y = X1 ИЛИ X2 |
| 0 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 1 | 1 |
Довольно часто в вычислительных и цифровых устройствах используются комбинированные базовые логические элементы, реализующие одновременно две операции — И и НЕ либо ИЛИ и НЕ. Рассмотрим их несколько подробнее.
3.8.4.Логический элемент И-НЕ.
Логический элемент И-НЕ реализует сложную двухступенчатую логическую операцию для двух сигналов и обозначается на схеме следующим образом (см. рис.3.7). Таблица истинности элемента И-НЕ имеет вид:
| X1 | X2 | Y = НЕ (X1 И X2) |
| 0 | 0 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 1 | 0 |
3.8.5.Логический элемент ИЛИ-НЕ.
Логический элемент ИЛИ-НЕ реализует сложную двухступенчатую логическую операцию для двух сигналов и обозначается на схеме следующим образом (см. рис.3.8). Таблица истинности элемента ИЛИ-НЕ:
| X1 | X2 | Y = НЕ (X1 ИЛИ X2) |
| 0 | 0 | 1 |
| 1 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 1 | 0 |
Примечание.
Базовые логические элементы И-НЕ, ИЛИ-НЕ часто еще называются штрих Шеффера (И-НЕ) и стрелка Пирса (ИЛИ-НЕ). При записи логических операций, реализуемых этими элементами используются следующие обозначения: X1/X2 (И-НЕ) и X1 X2 (ИЛИ-НЕ).
Существует помимо перечисленных еще множество других логических элементов, которые представляют собой комбинацию из вышеперечисленных. Один из таких элементов рассмотрим подробнее. Это логический элемент исключающее ИЛИ.
3.8.5.Логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ.
Операция, выполняемая таким элементом, называется сложение по модулю два и обозначается плюсом в кружочке, т. е. вот таким символом Å. В виде уравнения такая логическая операция функция записывается как: Y = X1 Å X2. Читается это, как "либо икс один, либо икс два". Обозначение элемента исключающее ИЛИ следующее (рис.3.9), а его таблица истинности имеет вид:
| X1 | X2 | Y = X1 Å X2. |
| 0 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 1 | 0 |
3.9.Построение сумматоров на логических элементах.
Наличие логических элементов, реализующих логические операции, позволяет реализовать простейшие операции двоичной арифметики, а именно операции сложения и вычитания (через сложение с использованием дополнительных кодов). Рассмотрим, как из логических элементов можно сконструировать устройство для сложения двух двоичных чисел — так называемый одноразрядный сумматор. Это устройство должно формировать на выходе следующие сигналы:
0 + 0 = 0 (перенос в старший разряд) 0 (в данном разряде)
0 + 1 = 0 1
1 + 0 = 0 1
1 + 1 = 1 0
Составим таблицу истинности для этого сумматора, обозначив слагаемые X и Y, а результаты P (перенос в старший разряд) и Z (в данном разряде).
| X | Y | P | Z |
| 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 | 1 |
| 1 | 0 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 1 | 0 |
Логические выражения для формирования выходных сигналов данного разряда Z и переноса в старший разряд P имеют следующий вид:
P = X и Y
Z = (Х или Y) и [ не (X и Y) ]
Тогда схема одноразрядного сумматора будет иметь вид, представленный на рис.3.10. Такая схема зачастую называется одноразрядным полусумматором. Если необходимо построить многоразрядный (двух- и более) сумматор двоичных чисел, то в этом случае одноразрядный сумматор должен быть несколько усложнен; он должен быть видоизменен таким образом, чтобы учитывать перенос из предыдущего разряда.
Рис.3.10.Схема одноразрядного сумматора (полусумматора) на логических элементах.
3.10.Тренировочные тестовые задания по разделу 3.
(правильные ответы см. в конце пособия).
§ Система счисления — это?
§ Произвольная последовательность цифр 0,1,2,3,…,8,9
§ Бесконечная последовательность цифр 0,1,0,1,0,1,…
§ Множество натуральных чисел
§ Знаковая система, в которой числа записываются по определенным правилам с помощью символов некоторого алфавита (например, цифр)
§ Совокупность символов некоторого алфавита, например, I, V, X, D, C, M, R, A,…
§ В позиционной системе счисления весовые значения цифр каждого разряда записи числа зависят?
§ От значения числа
§ От значения соседних знаков
§ От позиции, которую занимает знак в записи числа
§ От значения знака в старшем разряде записи числа
§ От значения суммы соседних знаков
§ Какая из указанных систем счисления не используется в компьютерах?
§ Двадцатеричная
§ Двоичная
§ Шестнадцатеричная
§ Восьмеричная
§ Двоично-десятичная
§ Сколько чисел можно записать при использовании шести первых разрядов двоичной системы счисления?
§ 32
§ 64
§ 128
§ 1024
§ 16
§ Укажите максимальное число в десятичном представлении, которое можно записать девятью начальными двоичными разрядами?
§ 1024
§ 255
§ 511
§ 1023
§ 512
§ Числу 1310 в десятичной системе при переводе его в двоичную систему соответствует запись
§ 10012
§ 01102
§ 10102
§ 11112
§ 11012
§ Двоичному числу 1110,12 в десятичной системе соответствует число?
§ 13,2510
§ 14,510
§ 1510
§ 1410
§ 12,510
§ Числу 13214, заданному в системе счисления с основанием 4, в десятичной системе соответствует число?
§ 12110
§ 11210
§ 11310
§ 5310
§ 12210
§ Шестнадцатеричному числу 1816 в десятичной системе соответствует число?
§ 1610
§ 2410
§ 910
§ 1010
§ 1210
§ Шестнадцатеричному числу D3F,416 в десятичной системе соответствует число?
§ 3328,5,10
§ 339110
§ 3391,2510
§ 3931,510
§ 11310
§ Какая из приведенных двоичных записей соответствует десятичному числу 5210?
§ 1110112
§ 1011102
§ 1110102
§ 1101002
§ 1111102
§ Десятичному числу 13210 в пятеричной системе счисления соответствует запись?
§ 11125
§ 10105
§ 10125
§ 1125
§ 6605
§ Десятичному числу 55510 в восьмеричной системе счисления соответствует запись?
§ 11538
§ 10518
§ 15538
§ 10058
§ 10538
§ Десятичному числу 58506 в шестнадцатеричной системе счисления соответствует запись?
§ 99FA16
§ A38A16
§ E48A16
§ 9D8A16
§ F58B16
§ Какая из приведенных восьмеричных записей соответствует двоичному числу 11011001,10112?
§ 661,548
§ 331,548
§ 331,138
§ 664,138
§ 662,548
§ Какая из приведенных шестнадцатеричных записей соответствует двоичному числу 110 1110 0101, 1010 112?
§ DC5,AC16
§ 6E5,2B16
§ DC6,2B16
§ 6E5,AC16
§ 6D5,AC16
§ Какая из приведенных двоичному записей соответствует восьмеричному числу 57,28?
§ 101111,012
§ 111001,00010112
§ 101111,0001012
§ 111001,012
§ 111111,012
§ Укажите самое большое число?
§ 1613
§ 1610
§ 168
§ 1612
§ 1616
§ Какая из приведенных записей десятичного вещественного числа соответствует нормализованной записи с плавающей запятой, принятой в компьютерах?
§ 15,25·102
§ 152,5·101
§ 1525,0
§ 0,1525·104
§ 1525
§ Какая из приведенных запись вещественного двоичного числа 101101 является нормализованной?
§ 1011,01·210
§ 1011,01·22
§ 0,101101·26
§ 1,01101·2101
§ 0,101101·2110
§ Чему равна сумма двоичных чисел 1011,101 и 1110,001?
§ 10101,100
§ 11001,110
§ 11111,101
§ 11001,1001
§ 00101,110
§ Чему равна сумма шестнадцатеричных чисел 9C52,616 и 3BF6,D16?
§ D844,316
§ D894,516
§ D849.316
§ E849,316
§ D869,116
§ Чему равна разность двоичных чисел 1010,012 и 101,112?
§ 11,102
§ 10,012
§ 10,102
§ 10,112
§ 100,102
§ Чему равна разность восьмеричных чисел 7530,62 и 4271,718?
§ 3257,718
§ 3336,718
§ 3236,718
§ 3266,018
§ 3239,918
§ Чему равен дополнительный двоичный код десятичного числа 4110?
§ 0101102
§ 1010102
§ 0110002
§ 0101112
§ 1001102
§ Какой вид примет логическое выражение (X & Y) Ú (Х Ú Y ) & (Х Ú Z ) после упрощения с использованием теорем Х1 & (Х2 Ú Х3) = (Х1 & Х2) Ú (Х1 & Х3 ), Х1 Ú (Х1 & Х2) = Х1, Х1 & (Х1 Ú Х2) = Х1 ?
§ (Y Ú Z )
§ Y
§ Х & Y
§ Х + Y & Z
§ (Х & Z )
§ Какому логическому элементу соответствует приведенная таблица истинности?
| X1 | X2 | Y = ? |
| 0 | 0 | 1 |
| 1 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 1 | 0 |
.
| 1. | ИЛИ-НЕ |
| 2. | И |
| 3. | Исключающее ИЛИ |
| 4. | И-НЕ |
| 5. | ИЛИ |
.
_________ .
§ Чему равно логическое выражение A . & ( C Ú D) & B после упрощения?
§ ` A & ` C & ` D Ú ` B
§ ` A Ú ` C & ` D Ú ` B
§ ` A Ú ` C & ` D & ` B
§ ` A Ú ` C Ú ` D Ú ` B
§ ` A & ` C Ú ` D & ` B
. .
§ Чему равно логическое выражение (A & B Ú C ) & (A & B Ú C ) после упрощения?
§ A
§ A & B
§ 0
§ 1
§ ` A
§ Какое выражение из представленных описывает работу следующей переключательной схемы ?
1. 
A & B
2. A Ú ` B
3. ` A & B
4. ` A Ú B
5. A & ` B
§ 
Какое будет состояние в точках A, B, C ниже представленной логической схемы при следующем состоянии входных сигналов: X1 = 0, X2 = 1, X3 = 0 ?
§ A = 1, B = 0, C = 0
§ A = 0, B = 1, C = 0
§ A = 1, B = 1, C = 0
§ A = 1, B = 0, C = 1
§ A = 0, B = 0, C = 1
§ Какую логическую функцию реализует логический элемент И-НЕ?
.
§ Х1 & X2
. .
§ Х 1 Ú X 2
. ______ .
§ Х 1 & X2
. . .
§ Х 1 Å X2
. .
§ Х 1 Å X2
Компьютер
24.Архитектура компьютера.
25.Базовая аппаратная конфигурация персонального компьютера (ПК).
26.Системный блок.
27.Микропроцессоры ПК.
28.Классификация памяти ПК.
29.Периферийные (внешние) устройства ПК.
30.Классификация программного обеспечения ПК.
31.Файловая система и файловая структура.
32.Правовая охрана программ и данных.
4.1.Архитектура компьютера.
Определение. Компьютер [13] ) (от англ. computer — вычислитель) — это программируемое электронное устройство, способное обрабатывать данные и производить вычисления.
Существует два основных класса компьютеров:
§ ц ифровые компьютеры, обрабатывающие данные в виде двоичных кодов;
§ а налоговые компьютеры, обрабатывающие непрерывно меняющиеся физические величины (например, электрическое напряжение, ток и т.д.).
Примечание.
Поскольку в настоящее время подавляющее большинство компьютеров являются цифровыми, далее будем рассматривать только этот класс компьютеров и слово "компьютер" употреблять в значении "цифровой компьютер".
Основу компьютеров образует аппаратура (HardWare), построенная, в основном, с использованием электронных и электромеханических элементов и устройств. Принцип действия компьютеров состоит в выполнении программ (SoftWare) — заранее заданных, четко определённых последовательностей арифметических, логических и других операций. Любая компьютерная программа представляет собой последовательность отдельных команд.
Определение. Команда — это описание операции, которую должен выполнить компьютер. Как правило, у команды есть свой код (условное обозначение), исходные данные (операнды) и результат.
Результат каждой команды вырабатывается по точно определенным для неё правилам. Совокупность всех команд, выполняемых данным компьютером, называется системой команд.
Разнообразие современных компьютеров очень велико, но их структуры основаны на общих логических принципах, позволяющих выделить в любом компьютере следующие основные устройства:
§ Память (запоминающее устройство, ЗУ). Функции памяти: приём информации из других устройств, её запоминание и выдача по запросу в другие устройства компьютера;
§ Процессор, включающий в себя устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ). Функции процессора: обработка информации по заданной программе и программное управление работой всех устройств компьютера;
§ устройства ввода и вывода информации;
Все устройства компьютера соединены между собой каналами связи, по которым передается информация. На схеме (рис. 4.1) жирными стрелками показаны пути и направления движения информации, а простыми стрелками — пути и направления передачи управляющих сигналов.
Рис. 4.1.Общая схема компьютера.
В составе процессора имеется ряд специализированных ячеек памяти, называемых регистрами. Регистр выполняет функцию кратковременного хранения операнда или команды. Основным элементом регистра является электронная схема, называемая триггером, которая способна хранить одну двоичную цифру (разряд двоичного кода). Существует несколько типов регистров, отличающихся видом выполняемых операций.
Примечание.
Некоторые важные регистры имеют свои названия, например:
§ с четчик команд — регистр УУ, содержимое которого соответствует адресу очередной выполняемой команды. Служит для автоматической выборки команд программы из ячеек памяти;
§ р егистр команд — регистр УУ, служащий для хранения команды в период ее выполнения. Часть его разрядов используется для хранения кода операции, остальные — для хранения кодов адресов операндов.
В основу построения подавляющего большинства компьютеров положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом:
§ Принцип программного управления — из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически в определенной последовательности. Выборка команд программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд, который последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды. Если же после выполнения очередной команды нужно перейти не к следующей по порядку, а к какой-то другой, то в программе используются команды условного или безусловного переходов, заносящие в счетчик команд номер требуемой ячейки памяти. Выборка команд из памяти прекращается после завершения работы программы или её временной остановки. Таким образом, процессор выполняет любую программу автоматически, без вмешательства человека
§ Принцип однородности памяти — Программы и данные хранятся в ячейках одной общей памяти, поэтому над ними можно выполнять одни и те же действия. Это открывает целый ряд возможностей. Например, некоторая программа в процессе своего выполнения может подвергаться переработке, что позволяет задавать в ней самой правила получения отдельных ее частей. Более того, команды одной программы могут быть получены как результаты исполнения другой программы
Примечание.
На этом принципе основаны методы трансляции — перевода текста программы с языка программирования высокого уровня на язык машинных кодов.
§ Принцип адресности — Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек и процессору в произвольный момент времени доступна любая из них. Существует возможность давать областям памяти имена, чтобы к запомненным в них значениям можно было бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен
Примечание.
Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-неймановских. Но существуют компьютеры, в которых, например, может не выполняться принцип программного управления, т.е. они могут работать без счетчика команд, указывающего текущую выполняемую команду программы. Для обращения к какой-либо переменной, хранящейся в памяти, этим компьютерам не обязательно давать ей имя. Такие компьютеры называются не-фон-неймановскими.
В основу архитектуры современных компьютеров положен магистрально-модульный принцип, позволяющий пользователю самому комплектовать нужную ему аппаратную конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию. Модульная организация компьютера опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между его устройствами.
Магистраль (системная шина) включает в себя три многоразрядные шины: шину данных, шину адреса и шину управ ления. К магистрали подключаются процессор и опера тивная память, а также периферийные устройства ввода, вывода и хранения информации, которые обмениваются данными на машинном языке (последовательностями нулей и единиц в форме электрических импульсов). Дадим краткую характеристику каждой из шин:
1. Шина данных. По этой шине данные передаются между различными устройствами в любом направлении. Например, считанные из оперативной памяти данные могут быть переданы процессору для обработки, а результат затем отправлен обратно в оперативную память для хранения. Разрядность шины данных определяется количеством двоичных разрядов, которые могут передаваться по ней одновременно, и для разных моделей компьютеров может составлять 8,16,32 и 64 бита.
2. Шина адреса. Выбор устройства или ячейки памяти, куда пересылаются или откуда считываются данные, производит процессор. Каждое устройство или ячейка оперативной памяти имеет свой адрес, который передается по адресной шине, причем только в одном направлении — от процессора к оперативной памяти и устройствам (однонаправленная шина).
Разрядность шины адреса определяет объем адресуемой памяти (адресное пространство), то есть количество однобайтовых ячеек оперативной памяти, которые могут иметь уникальные адреса. Количество адресуемых ячеек памяти можно рассчитать по формуле:
N = 2 I ,
где I — разрядность шины адреса (16,20,24,32,36 бит). Таким образом, максимально возможное количество адресуемых ячеек памяти современного компьютера равно:
N = 236 = 68 719 476 736 .
1. Шина управления. По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали между устройствами и осуществляющие его синхронизацию.
4.2.Базовая аппаратная конфигурация персонального компьютера (ПК).
Рассмотрим устройство компьютера на примере самой распространенной компьютерной системы — персонального компьютера.
Определение. Персональным компьютером (ПК) называют сравнительно недорогой универсальный микрокомпьютер, рассчитанный на одного пользователя. Персональные компьютеры обычно проектируются на основе принципа открытой архитектуры, который заключается в следующем:
Регламентируются и стандартизируются только описание принципа действия компьютера и его конфигурация (определенная совокупность аппаратных средств и соединений между ними). Это позволяет собирать ПК из отдельных узлов и деталей, разработанных и изготовленных независимыми фирмами-производителями;
ПК легко расширяется и модернизируется за счёт наличия внутренних разъёмов, к которым пользователь может подключать разнообразные устройства, удовлетворяющие заданному стандарту, и тем самым устанавливать конфигурацию машины в соответствии со своими личными предпочтениями
Общая схема, отражающая основные функциональные компоненты компьютерной системы и их взаимосвязь, изображена на рисунке 4.2.
Рис. 4.2. Общая структура персонального компьютера.
Для соединения друг с другом различных устройств компьютера они должны иметь одинаковый интерфейс (от англ. interface) — средство сопряжения, в котором все физические и логические параметры согласуются между собой. Если интерфейс является общепринятым, например, утверждённым на уровне международных соглашений, то он называется стандартным.
Периферийные (внешние) устройства подключаются к шине не напрямую, а через свои контроллеры (адаптеры) и порты (см. рис.4.3).
Рис. 4.3. Схема согласования интерфейсов
§ Контроллеры и адаптеры представляют собой наборы электронных цепей, которыми снабжаются устройства компьютера с целью совместимости их интерфейсов. Контроллеры, кроме этого, осуществляют непосредственное управление периферийными устройствами по запросам микропроцессора.
§ Порты устройств представляют собой электронные схемы, содержащие регистры ввода-вывода и позволяющие подключать периферийные устройства к компьютеру.
Портами также называют устройства стандартного интерфейса: последовательный, параллельный и игровой порты (или интерфейсы).
Последовательный порт обменивается данными с процессором побайтно, а с внешними устройствами — побитно. Параллельный порт получает и посылает данные побайтно. Через игровой порт обычно подключается джойстик. Клавиатура и монитор подключаются к своим специализированным портам.
Современный персональный компьютер может быть реализован в стационарном (настольном), портативном (переносном) или карманном ( handheld) вариантах.
Основные разновидности портативных компьютеров:
§ Laptop (наколенник). По размерам близок к обычному портфелю. По основным характеристикам (быстродействие, память) примерно соответствует настольным ПК.
§ Notebook (блокнот, записная книжка). По размерам он ближе к книге крупного формата, помещается в портфель-дипломат. Комплектуется модемом и приводом CD ROM. Многие современные ноутбуки имеют в своём составе взаимозаменяемые блоки со стандартными разъёмами. В одно и то же гнездо можно по мере надобности вставлять привод компакт-дисков, накопитель на магнитных дисках, запасную батарею или съёмный винчестер.
§ Palmtop (наладонник) — самый маленький современный персональный компьютер, умещается на ладони. Магнитные диски в нём заменяет энергонезависимая электронная память. Нет и накопителей на дисках — обмен информацией с обычными компьютерами идет по линиям связи. Если Palmtop дополнить набором деловых программ, записанных в его постоянную память, получится персональный цифровой помощник (Personal Digital Assistant).
Основные конструктивные компоненты современного настольного персонального компьютера [14]):
§ системный блок;
§ монитор;
§ клавиатура ;
§ манипулятор (как правило, типа «мышь»).
В системном блоке размещаются:
§ блок питания;
§ системная плата;
§ платы расширения;
§ накопитель на жёстких магнитных дисках;
§ накопитель на гибких магнитных дисках;
§ накопитель на компакт-дисках (CD) и др.
Корпус системного блока может иметь горизонтальную (DeskTop) или вертикальную (Tower — башня) компоновку.
4.3.Системный блок.
Основным аппаратным компонентом компьютера является системная или материнская (MotherBoard) плата. На системной плате реализована магистраль обмена информацией, имеются разъемы для установки процессора и оперативной памяти и т. д. Контроллеры и адаптеры периферийных устройств, либо сами эти устройства, выполненные в виде плат расширения (DаughterBoard — дочерняя плата), подключаются к системной шине посредством разъёмов расширения — слотов (от англ. slot — щель, паз).
Быстродействие различных компонентов компьютера (процессора, оперативной памяти и контроллеров периферийных устройств) может существенно различаться. Для согласования быстродействия на системной плате устанавливаются специальные микросхемы, образующие микропроцессорный комплект ( ChipSet — чипсет), включающий в себя контроллер оперативной памяти (так называемый северный мост) и контроллер периферийных устройств (южный мост).
Северный мост обеспечивает обмен информацией между процессором и оперативной памятью по системной шине. В процессоре используется внутреннее умножение частоты, поэтому его частота в несколько раз больше, чем частота системной шины. В современных компьютерах частота процессора может превышать частоту системной шины в 10 и более раз (например, частота процессора 1 ГГц, а частота шины — 100 МГц). К северному мосту также подключается видеокарта (графический адаптер). Для этого обычно используется специальная шина AGP (Accelerated Graphic Port — ускоренный графический порт).
Южный мост обеспечивает обмен информацией между се верным мостом и портами для подключения периферийного оборудования. К южному мосту подключается шина PCI ( Peripheral Component Interconnect bus — шина взаимодействия пери ферийных устройств), которая обеспечивает обмен информа цией с контроллерами периферийных устройств. Частота контроллеров меньше частоты системной шины, например, если частота системной шины составляет 100 МГц, то частота шины PCI обычно в три раза меньше — 33 МГц. Контроллеры периферийных устройств (звуковая плата, сетевая плата, внутренний модем и др.) устанавливаются в слоты расширения системной платы.
У стройства хранения информации (жесткие диски, CD - ROM, DVD - ROM) подключаются к южному мосту по шине ATA ( AT Attachment – подключенный к АТ ) в режиме UDMA ( Ultra Direct Memory Access — прямое подклю чение к памяти ).
Мышь и внешний модем подключаются посредством последовательных портов ( СОМ1, COM2) .
Принтер подключается через параллельный порт ( LPT ).
Для подключения сканеров и цифровых камер обычно используется порт USB ( Universal Serial Bus — универсальная последовательная шина).
Клавиатура и мышь подключаются обычно через порт PS/2.
4.4.Микропроцессоры ПК.
Определение. Центральный процессор (CPU, от англ. Central Processing Unit) — это основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера [15] ).
Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров и физически представляют собой сверхбольшие интегральные схемы (СБИС). Использование современных высоких технологий позволяет разместить на СБИС процессора огромное количество (около 42 миллионов в процессоре Pentium 4) функциональных элементов (транзисторов) с размерами порядка 0,13 микрон (1 микрон = 10-6 метра).
Важнейшей характеристикой, определяющей быстродействие процессора (его вычислительную мощность), является тактовая частота, то есть количество тактов в секунду.
Определение. Такт — это промежуток времени между началами подачи двух последовательных импульсов специальной микросхемой — генератором тактовой частоты (тактовых импульсов), синхронизирующим работу узлов компьютера.
На выполнение процессором каждой базовой операции (например, сложения) отводится определенное количество тактов. Ясно, что чем больше тактовая частота, тем больше операций в секунду выполняет процессор. Тактовая частота измеряется в мегагерцах (МГц) и гигагерцах (ГГц) (1 МГц = миллион тактов в секунду, 1 ГГц = миллиард тактов в секунду). За 20 с небольшим лет тактовая частота процессоров увеличилась почти в 500 раз, от 5 МГц (процессор 8086, 1978 год) до 3,4 ГГц (процессор Pentium 4, 2004 год).
Другой характеристикой процессора, влияющей на его производительность, является разрядность, определяемая количеством двоичных разрядов, которые могут передаваться или обрабатываться процессором одновременно. Часто уточняют разрядность процессора и пишут 64/32, что означает, что процессор имеет 64-разрядную шину данных и 32-разрядную шину адреса.
В первом отечественном школьном компьютере «Агат» (1985 год) был установлен процессор, имевший разрядность 8/16, соответственно одновременно он обрабатывал 8 бит информации, а его адресное пространство составляло 64 килобайта.
Производительность процессора является его интеграль ной характеристикой, зависящей от частоты, разрядности, а также от особенностей архитектуры (наличие кэш-памяти и др.).
Примечание.
В вычислительной системе может быть несколько параллельно работающих процессоров. Такие системы называются многопроцессорными.
4.5.Классификация памяти ПК.
Память компьютера построена из двоичных запоминающих элементов (битов), объединенных в группы по 8 бит, которые называются байтами.
Все байты пронумерованы. Номер байта называется его адресом. Байты могут объединяться в ячейки, которые называются словами. Для каждого компьютера характерна определенная длина слова — два, четыре или восемь байт. Это не исключает использования ячеек памяти другой длины (например, полуслово, двойное слово). Используются и более крупные производные единицы объема памяти: Килобайт, Мегабайт, Гигабайт, а в последнее время Терабайт и Петабайт.
В современных компьютерах используется множество разнообразных запоминающих устройств, которые отличаются между собой по назначению, временным характеристикам, объёму хранимой информации и стоимости хранения одинакового объёма информации. Различают два основных вида памяти — внутреннюю и внешнюю.
4.5.1.Внутренняя память.
В состав внутренней памяти входят оперативная память, кэш-память и специальная память.
4.5.1.1.Оперативная память
Определение. Оперативная память (ОЗУ — оперативное запоминающее устройство, от англ. RAM — Random Access Memory — память с произвольным доступом ) — это быстродействующее запоминающее устройство, непосредственно связанное с процессором и предназначенное для записи, считывания и хранения выполняемых программ и обрабатываемых данных.
Примечание.
Оперативная память используется только для временного хранения данных и программ, так как после выключения питания её содержимое стирается.
Обычно ОЗУ выполняется на интегральных микросхемах динамической памяти DRAM ( Dynamic RAM ). Каждый информационный бит в DRAM запоминается в виде электрического заряда конденсатора, образованного в структуре полупроводникового кристалла. Из-за токов утечки конденсаторы быстро разряжаются и их периодически (примерно каждые 2 миллисекунды) подзаряжают специальные устройства. Этот процесс называется регенерацией памяти (Refresh Memory). Микросхемы DRAM имеют ёмкость 16 - 256 Мбит и более. Из них собираются модули памяти. Большинство компьютеров комплектуются модулями типа DIMM (Dual-In-line Memory Module — модуль памяти с двухрядным расположением контактов). В современных компьютерных системах применяются также высокоскоростные модули Rambus DRAM (RIMM) и DDR DRAM.
Модули памяти характеризуются объемом (16, 32, 64, 128, 256, 512 и более Мбайт), числом микросхем в модуле, частотой работы (100, 133, 266, 333, 400 и более МГц), временем доступа к данным (наносекунды) и числом контактов (72, 168 или 184). С 2001 г. начат выпуск модулей памяти емкостью 2 Гбайта.
Рекомендуемый объем оперативной памяти для современных ПК — от 128 до 512 Мбайт.
4.5.1.2.Кэш-память.
Определение. Кэш (от англ. Cache — тайник), или сверхоперативная память — высокоскоростное ЗУ небольшого объёма, являющееся своеобразным буфером между микропроцессором и гораздо менее быстродействующей оперативной памятью и компенсирующее разницу в скорости обмена данными между ними.
Кэш-память управляется контроллером, который, анализируя выполняемую программу, пытается «предвидеть», какие данные и команды вероятнее всего понадобятся в ближайшее время процессору и загружает их в кэш-память. При этом возможны как "попадания" в кэш, так и "промахи". В случае попадания, то есть, если в кэш переданы нужные данные, извлечение их из памяти происходит без задержки. Если же требуемая информация в кэше отсутствует, то процессор считывает её непосредственно из оперативной памяти. Соотношение числа попаданий в кэш и промахов определяет эффективность кэширования.
Кэш-память реализуется на микросхемах статической памяти SRAM (Static RAM), более быстродействующих, чем DRAM. Современные микропроцессоры имеют встроенную кэш-память, так называемый кэш первого уровня размером 8, 16 или 32 Кбайт. Кроме того, на системной плате компьютера может быть установлен кэш второго уровня ёмкостью 256, 512 Кбайт и более.
4.5.1.3.Специальная память.
К устройствам специальной памяти относятся постоянная память (ROM), перепрограммируемая постоянная память (Flash Memory), память CMOS RAM, питаемая от батарейки, видеопамять и некоторые другие виды памяти.
Определение. Постоянная память (ПЗУ — постоянное запоминающее устройство, от англ. ROM — Read Only Memory — память только для чтения) — энергонезависимая память, используемая для хранения данных, не требующих изменения. Информация в микросхему ПЗУ специальным образом записывается при ее изготовлении.
Определение. Перепрограммируемая постоянная память (Flash Memory) — энергонезависимая память, допускающая многократную перезапись своего содержимого.
В микросхему ПЗУ или Flash-памяти записывается BIOS.
Определение. BIOS (Basic Input/Output System — базовая система ввода-вывода) — совокупность программ, предназначенных для автоматического тестирования устройств компьютера после включения питания, загрузки операционной системы в оперативную память, а также некоторых других программ.
Роль BIOS двоякая: с одной стороны, это неотъемлемый элемент аппаратуры, а с другой — важный модуль любой операционной системы.
Определение. CMOS RAM (Complementary Metal Oxide Semiconductor) — это память с независимым энергопитанием (от батарейки), используемая для хранения настроек конфигурации компьютерной системы, задаваемых пользователем специальной программой Setup в составе BIOS.
Определение. Видеопамять (VRAM – Video RAM ) — разновидность оперативного ЗУ, в котором хранятся закодированные изображения. Это ЗУ организовано так, что его содержимое доступно сразу двум устройствам — процессору и дисплею. Поэтому изображение на экране меняется одновременно с обновлением видеоданных в памяти.
4.5.2.Внешняя память.
Основной функцией внешней памяти компьютера (ВЗУ — внешних запоминающих устройств) является способность долговременного хранения больших объемов информации.
Примечание.
В отличие от оперативной памяти внешняя память не имеет прямой связи с процессором. Информация от ВЗУ к процессору и наоборот передаётся примерно по следующей схеме (рис.4.4):
Рис.4.4. Схема взаимодействия ВЗУ с процессором.
Определение. Устройство, обеспечивающее запись/считывание инфор мации, называется накопителем, а сама информация хранится на носителях (например, дискетах).
4. По способу доступа к информации на носителях все накопители делятся на устройства произвольного (прямого) и последовательного доступа.
5. По принципу записи/считывания информации накопители бывают магнитные, оптические, магнитооптические и на микросхемах памяти ( Flash -память ).
Магнитные накопители.
У магнитных накопителей принцип записи информации основан на явлении намагничивания ферромагнетиков магнитным полем, хранение информации связано с длительным сохранением этой намагниченности, а считывание базируется на явлении электромагнитной индукции. К подобным устройствам внешней памяти относятся накопители на гибких магнитных дисках, на жестких магнитных дисках, на магнитной ленте и на сменных магнитных дисках большой ёмкости.
Гибкие магнитные диски (дискеты). Носитель информации, изготовленный из покрытого магнитным слоем гибкого материала (лавсана) и помещённый в жесткий пластиковый корпус, называется дискетой ( FD — от англ. F loppy D isk ). Запись/считывание данных выполняется в накопителе на гибких магнитных дисках ( FDD — от англ. F loppy D isk D rive, дисковод ), который вращает дискету с постоянной угловой скоростью 360 об/мин, причём только при обращении к ней. Информация на дискету записывается по концентрическим дорожкам (трекам), которые делятся на сектора (рис.4.5.). Емкость сектора постоянна и составляет 512 байт. Количество дорожек и секторов зависит от типа и формата дискеты. При записи или считывании информации магнитная головка дисковода устанавливается сразу на определенную дорожку диска, т.е. FDD является устройством произвольного (прямого) доступа. Накопитель связан с процессором через контроллер гибких дисков. Стандартная информационная емкость дискеты невелика и составляет 1,44 Мбайт. Скорость записи и считывания информации — около 50 Кбайт/с.
Примечание.
Гибкие магнитные диски необходимо предохранять от воздействия сильных магнитных полей и нагревания, т.к. это может привести к размагничиванию носителя и потере информации.
В настоящее время наибольшее распространение получили дискеты размером 3,5 дюйма (89 мм) со следующими характеристиками: 2 рабочие поверхности по 80 дорожек на каждой, 18 секторов на дорожке, ёмкость 1,44 Мбайт.
Жесткие магнитные диски. Накопитель на жёстких магнитных дисках (HDD — от англ. Hard Disk Drive, или HD — Hard Disk), он же «винчестер» — это наиболее распространённое внешнее запоминающее устройство большой ёмкости. В нём носителями информации являются круглые металлические пластины размером, как правило, 3,5 дюйма — платтеры (их может быть несколько), поверхности которых покрыты слоем магнитного материала.
Как и у дискеты, рабочие поверхности платтеров разделены на концентрические дорожки, а дорожки — на сектора. Магнитные головки записи/считывания вместе с их несущей конструкцией (блок головок) и платтеры заключены в герметически закрытый корпус. HDD также является устройством произвольного (прямого) доступа к данным. В отличие от дискеты, платтеры винчестера вращаются постоянно, а не только при записи/считывании информации, при этом над ними образуется слой воздуха, который обеспечивает воздушную подушку для зависания магнитных головок на высоте менее микрона над поверхностью пластин. Винчестер связан с процессором через контроллер жесткого диска. У современных моделей скорость вращения шпинделя (вращающего вала) обычно составляет 5400, 7200, 10000 и более об/мин, среднее время поиска данных — около 10 мс, средняя скорость передачи данных — до 60 Мбайт/с. Все HDD имеют встроенную кэш-память (обычно 2 — 8 Мбайт), которая существенно повышает их производительность. Информационная емкость современных жестких дисков находится в пределах от 20 до 160 и более Гбайт.
1. Магнитные ленты . Накопитель на магнитных лентах стример — от англ. tape streamer) — это устройство внешней памяти последовательного доступа, предназначенное для резервного копирования и хранения больших объёмов информации. В качестве носителя здесь применяются кассеты с магнитной лентой (картриджи) ёмкостью до нескольких десятков Гбайт и более. Встроенные в стример средства аппаратного сжатия позволяют автоматически уплотнять информацию перед её записью и восстанавливать после считывания, что увеличивает объём сохраняемой информации. Недостатком стримеров является их сравнительно низкая скорость записи, поиска и считывания информации.
2. Сменные магнитные диски большой ёмкости . В последнее время всё шире используются накопители на сменных гибких и жестких магнитных дисках, которые позволяют не только увеличивать объём хранимой информации, но и переносить информацию между компьютерами. Объёмы сменных дисков — от сотен Мбайт до нескольких Гбайт.
Дата: 2018-12-28, просмотров: 480.
