Лекция 2 Основные функции ЭВМ как универсального средства обработки информации

Под архитектурой компьютера понимается совокупность сведений об основных устройствах компьютера и их назначении, о способах представления программ и дан­ных в машине, об особенностях ее организации и функционирования.

Принципы ЭВМ заключаются в следующем:

1. ЭВМ – это машина с хранимой (в памяти ЭВМ) программой, представленной в виде последовательности команд.

2. Выполняемые ЭВМ команды и операнды, т.е. данные, над которыми выполняется задаваемая командой операция, представлены в ЭВМ в виде двоичного кода с определенным количеством разрядов.

3. Память ЭВМ организована в виде последовательности запоминаю-

щих ячеек, в каждой из которых может храниться (запоминаться)

некоторый двоичный код – число или код символа алфавита, представляющие обрабатываемые данные, код команды ЭВМ. В конкретный момент времени можно обратиться для записи или чтения к любой одной из этих ячеек независимо от ее расположения в памяти, указав адрес (порядковый номер этой ячейки. Таким способом организованная память называется памятью с произвольным доступом.

4. В ЭВМ используется общая память как для хранения данных, так и

для хранения команд. При этом в кодах самих данных и команд отсут ствуют признаки, позволяющие явно отличать их друг от друга. Процессор различает данные и команды только по контексту выполняемой программы.

5. Предназначение данных, их тип и способ использования также явно не указываются. Они определяются и различаются по контексту вы полняемой программы.

Типичная цифровая ЭВМ включает в себя три основных компонента:

процессор, память и внешние устройства. Ее обобщенная блок-схема представлена ниже.

Процессор или центральный процессор (ЦП) – это устройство, предназначенное для выполнения основных операций по обработке данных, арифметических и логических операций над числами, управления работой других частей ЭВМ.

Память или оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) – предна

значено для хранения кодов команд, составляющих выполняемую ЭВМ программу, и данных или операндов, т.е. двоичных чисел или кодов, над которыми процессор ЭВМ выполняет задаваемые командами операции.

Через устройства ввода-вывода или внешние (периферийные) устройства осуществляется взаимодействие ЭВМ с внешним миром.

Компоненты ЭВМ связаны друг с другом с помощью специальной шины или канала ЭВМ, представляющих собой набор линий связи, предназначенных для передачи информационных и управляющих сигналов между компонентами ЭВМ.

При реализации современных ЭВМ используется мо­дульный принцип. Суть этого принципа сводится к тому, что ЭВМ строится из набора устройств и блоков - модулей, реализующих законченные функции и не зависящих от других модулей.

В конструктивном отношении модуль также представляет со­бой законченный элемент. Отдельные модули могут быть соеди­нены между собой в необходимую конфигурацию без изменения схем (функций) отдельных модулей.

Основные преимущества модульного принципа:

• возможность совершенствования ЭВМ без изменения ее функциональной организации даже в процессе эксплуатации путем замены отдельных блоков на новые (более быстродейст­вующие, меньшие по размерам, потребляющие меньше энергии, более дешевые) или посредством добавления новых модулей;

• возможность компоновки из модулей большого числа раз­личных по характеристикам ЭВМ, наилучшим образом приспо­собленных для конкретного применения;

• сокращение времени восстановления работоспособности ЭВМ при отказах упрощением поиска неисправностей и ремонта.

Модули между собой соединяются при помощи шин. Физиче­ски шина представляет собой проводник электрического тока и состоит из линий связи. Каждая такая линия в один момент време­ни позволяет передать одну двоичную цифру (0 или 1), т. е. бит информации. В общем случае по шинам информация может пере­даваться в обоих направлениях.

Обычно шина ЭВМ функционально делится на три группы линий связи: адресную шину, шину данных и шину управления. Адресная шина переносит информацию о том, где искать инструкции (команды) или данные в памяти ЭВМ то есть адреса соответствующих ячеек памяти; шина данных переносит эти данные или инструкции для центрального процессора; шина управления обеспечивает передачу сигналов управления между процессором и внешними устройствами.

Совокупность шин, связывающих два модуля, и алгоритм, определяющий порядок обмена информацией между ними, назы­ваются интерфейсом (сопряжением).

Интерфейс характеризуется шириной (или разрядностью) составляющих его шин (в первую очередь информационных) и скоростью обмена информацией. В первых моделях ПК использовали 8- и 16-разрядные шины данных, рассчитанные на передачу и обработку соответственно байта и слова информации (стандарт ISA). До недавнего времени в большинстве моделей ПК применяли стандарты EISA, VCA, VL-BUS, ориентированные на 32-разрядную передачу данных. В последних моделях ПК используют 64-разрядные шины данных. Разрядность шины адреса определяет величину адресного пространства внутренней памяти (число байт ОЗУ и ПЗУ), к кото­рому может непосредственно обращаться процессор компьютера.

Первые модели ПК имели 16-разрядную адресную шину и с помощью специального способа адресации обеспечивали доступ ЦП к 1 Мбайту ОЗУ и ПЗУ. У современных моделей 32- и 64-разрядные шины адреса, и они обеспечивают доступ более чем к 4 Гбайтам внутренней памяти компьютера.

Наиболее простой и естественный способ соединения уст­ройств (модулей) между собой для образования ЭВМ - использо­вание единого интерфейса - интерфейса, к которому подключают­ся все устройства, входящие в состав ЭВМ. Такой способ органи­зации реализован в ПК (рис. 1).

Рис. 3 Модульный принцип реализации ПК

Основу ПК составляет электронная плата, которая называется системной, или материнской, так как на ней располагаются основ­ные устройства компьютера: микропроцессор и микросхемы внут­ренней памяти (ОЗУ и ПЗУ). Кроме того, на системной плате раз­мещается ряд дополнительных операционных и других устройств, обеспечивающих функционирование компьютера.

Все устройства, находящиеся на системной плате, подключа­ются к шинам единого интерфейса, который также расположен на плате, и образуют единую электронную схему ПК.

Как было отмечено ранее, основными функциями компьютера являются хране­ние, обработка, прием и передача данных. Для выполнения этих функций в ком­пьютере предусмотрены различные устройства. Каждое из них выполняет ту или иную конкретную функцию. В состав любого современного компьютера входят:

· память — группа устройств, которые обеспечивают хранение программ и данных;

· процессор — одно или несколько устройств, которые обеспечивают задавае­мую программой обработку данных;

· устройства ввода-вывода — группа устройств, которые обеспечивают обмен, то есть прием и передачу данных между пользователем и машиной или между двумя или более машинами.

Различные устройства компьютера подсоединяют друг к другу с помощью стан­дартизированных и унифицированных аппаратных средств — кабелей, разъемов и т. д. При этом устройства обмениваются друг с другом информацией и управляю­щими сигналами, которые также приводятся к некоторым стандартным формам.

Совокупность этих стандартных средств и форм образует конкретный интерфейс того или иного устройства или компьютера в целом." Интерфейсом называется совокупность унифицированных стандартных соглашений, аппаратных и программных средств, методов и правил взаимодействия устройств или программ, а также устройств или программ с пользователем. Заметим, что для обозначения совокупности устройств, которые могут быть включены в состав компьютера той или иной модели, а также средств их соеди­нения используется термин аппаратное обеспечение.

Основы хранения информации в компьютере

Как было отмечено ранее, информация всегда имеет форму сообщения, а сооб­щение кодируется тем или иным набором знаков, символов, цифр. Теоретически и экспериментально было показано, что самым удобным и эффективным является использование в вычислительной технике двоичного кода, то есть набора симво­лов, алфавита, состоящего из пары цифр {0,1}. Поскольку двоичный код исполь­зуется для хранения информации в вычислительных машинах, его еще называют машинным кодом.

Цифры 0 и 1, образующие набор {0, 1}, обычно называют двоичными цифрами, потому что они используются как алфавит в так называемой двоичной системе счисления. Система счисления представляет собой совокупность правил и прие­мов наименования и записи чисел, а также получения значения чисел из изобра­жающих их символов. Количество знаков в алфавите системы счисления обычно отражается в ее названии: двоичная, троичная, восьмеричная, десятичная, шестнадцатеричная и т. д. С точки зрения технической реализации компьютера, гораздо проще работать всего с двумя цифрами двоичной системы {0, 1}.

Элементарное устройство памяти компьютера, которое применяется для хранения одной двоичной цифры машинного кода программы или данных, называется дво­ичным разрядом или битом.

Слово «бит» произошло от английского термина bit, представляющего собой сокращение словосочетания Binary digit (двоичная цифра). Технически бит может быть реализован самыми разными способами. Однако каким именно

конкретным способом это сделано в компьютере — для нас совершенно безраз­лично. Важно лишь понимание назначения, свойств и функций бита.

· Бит может находиться только в одном из двух возможных состояний, одно из которых принято считать изображением цифры «О», а другое — изображени­ем цифры «1». Свое состояние бит сохраняет сколь угодно долго, пока оно не будет изменено принудительно, следовательно, бит может хранить записан­ную в нем информацию.

· В любой момент можно узнать, в каком из двух состояний находится бит — в состоянии «О» или в состоянии «1», при этом текущее состояние бита оста­нется неизменным. Другими словами, можно прочитать записанную в бит информацию (без ее потери).

· Всегда, когда в этом возникнет необходимость, и вне зависимости от текуще­го состояния можно перевести бит из одного состояния в другое. Иначе гово­ря, в бит можно записать новую информацию.

· Итак, бит обеспечивает базу для хранения информации, одной из трех важней­ших функций компьютера.

Бит — это очень маленькая порция информации. Поэтому так же как для изобра­жения десятичных чисел используется несколько десятичных разрядов — разряд единиц разряд десятков, сотен и т. д., так и для изображения двоичных чисел и дво­ичных машинных кодов используется несколько двоичных разрядов, несколько бит.

Для хранения двоичных чисел в компьютере служит устройство, которое приня­то называть ячейкой памяти. Ячейки образуются из нескольких битов, так же как двоичные числа образуются из двоичных разрядов. А всю память компьюте­ра можно образно представить себе как автоматическую камеру хранения, со­стоящую из большого количества отдельных ячеек, в каждую из которых можно положить, записать некоторое двоичное число, двоичный машинный код.

В общем случае ячейки различных компьютеров могут состоять из различного количества битов. Однако это создает значительные сложности для организации обмена информацией между разными моделями компьютеров. Поэтому, начиная с машин третьего поколения, стандартными являются ячейки, которые состоят из восьми битов.

Элемент памяти компьютера, состоящий из 8 битов, называется байтом.

При компьютерной обработке информации приходится иметь дело с текстовой, графической, числовой, звуковой и другой информацией. Для хранения данных различной природы применяются разные способы кодировки. Кроме того, для одной и той же разновидности информации также могут использоваться различ­ные способы кодировки, которые отличаются друг от друга эффективностью, а также различными требованиями к ресурсам компьютера.

Чем больше строк и точек, тем четче и лучше изображение. В настоящее время минимально допустимым считается разрешение 800 х 600, то есть 800 точек на строку и 600 строчек на экран.

Строки, из которых состоит изображение, можно просматривать сверху вниз друг за другом, как бы составив из них одну сплошную линию. После полного просмот­ра первой строки просматривается вторая, за ней третья, потом четвертая и т. д. до последней строки экрана. Этот процесс очень похож на принятый в большинстве стран мира способ чтения текстов, когда строчки просматриваются друг за другом слева направо и сверху вниз. Такой способ работы со строками называется строч­ной разверткой, или сканированием. А так как каждая из строк представляет со­бой последовательность пикселов, то все изображение, вытянутое в линию, также можно считать линейной последовательностью элементарных точек. В рассмат­риваемом случае эта последовательность состоит из 800 • 600 = 480 000 пикселов. Вначале рассмотрим принципы кодирования монохромного изображения, то есть изображения, состоящего из любых двух контрастных цветов — черного и белого, зеленого и белого, коричневого и белого и т. д. Для простоты обсуждения будем считать, что один из цветов — черный, а второй — белый. Тогда каждый пиксел изображения может иметь либо черный, либо белый цвет. Поставив в соответст­вие черному цвету двоичный код «0», а белому — код «1» (либо наоборот), мы сможем закодировать в одном бите состояние одного пиксела монохромного изо­бражения. А так как байт состоит из 8 бит, то на строчку, состоящую из 800 точек, потребуется 100 байтов памяти, а на все изображение — 60 000 байтов. Однако полученное таким образом изображение будет чрезмерно контрастным. Реальное черно-белое изображение состоит не только из белого и черного цве­тов. В него входят множество различных промежуточных оттенков — серый, светло-серый, темно-серый и т. д. Если кроме белого и черного цветов использо­вать только две дополнительные градации, скажем светло-серый и темно-серый, то для того чтобы закодировать цветовое состояние одного пиксела потребу­ется уже два бита. При этом кодировка может быть, например, такой: черный, цвет — 00₂, темно-серый — 01₂, светло-серый — 10₂, белый — 11₂. Общепринятым на сегодняшний день, дающим достаточно реалистичные моно­хромные изображения считается кодирование состояния одного пиксела с помо­щью одного байта, которое позволяет передавать 256 различных оттенков серого цвета от полностью белого, до полностью черного. В этом случае для передачи всего растра из 800 х 600 пикселов потребуется уже не 60 000, а все 480 000 байтов.

Цветное изображение может формироваться различными способами. Один из них — метод RGB (от слов Red, Green, Blue — красный, зеленый, синий), кото­рый опирается на то, что глаз человека воспринимает все цвета как сумму трех основных цветов — красного, зеленого и синего. Например, сиреневый цвет — это сумма красного и синего, желтый цвет — сумма красного и зеленого и т. д. Для получения цветного пиксела в одно и то же место экрана направляется не один, а сразу три цветных луча. Упрощая ситуацию, будем считать, что для кодирования каждого из цветов достаточно одного бита. Нуль в бите будет означать, что в суммарном цвете данный основной отсутствует, а единица — при­сутствует. Следовательно, для кодирования одного цветного пиксела потребуется 3 бита — по одному на каждый цвет. Пусть первый бит соответствует красному цвету, второй — зеленому и третий — синему. Тогда код 101₂ обозначает сирене­вый цвет — красный есть, зеленого нет, синий есть, а код 110₂ — желтый цвет — красный есть, зеленый есть, синего нет. При такой схеме кодирования каждый пиксел может иметь один из восьми возможных цветов. Если же каждый из цве­тов кодировать с помощью одного байта, как это принято для реалистического монохромного изображения, появится возможность передавать по 256 оттенков каждого из основных цветов. А всего в этом случае обеспечивается передача 256 • 256 • 256 = 16 777 216 различных цветов, что довольно близко к реальной чувствительности человеческого глаза. Таким образом, при данной схеме коди­рования цвета на изображение одного пиксела требуется 3 байта, или 24 бита па­мяти. Этот способ представления цветной графики принято называть режимом True Color (true color — истинный цвет) или полноцветным режимом.

Полноцветный режим требует очень много памяти. Так, для обсуждавшегося выше растра 800 х 600 при использовании метода RGB требуется 1 440 000 байтов. В целях экономии памяти разрабатываются различные режимы и графические форматы, которые немного хуже передают цвет, но требуют гораздо меньше памя­ти. В частности, можно упомянуть режим High Color (high color — богатый цвет), в котором для передачи цвета одного пиксела используется 16 битов и, следова­тельно, можно передать 65 535 цветовых оттенков, а также индексный режим, который базируется на заранее созданной для данного рисунка таблице исполь­зуемых в нем цветовых оттенков. Затем нужный цвет пиксела выбирается из этой таблицы с помощью номера — индекса, который занимает всего один байт памяти. При записи изображения в память компьютера кроме цвета отдельных точек необходимо фиксировать много дополнительной информации — размеры рисунка, разрешение, яркость точек и т. д. Конкретный способ кодирования всей требуемой при записи изображения в память компьютера информации образует графиче­ский формат. Форматы кодирования графической информации, основанные на передаче цвета каждого отдельного пиксела, из которого состоит изображение, относят к группе растровых или BMP (Bit MaP — битовая карта) форматов.

Аудио-и видеоинформация

Развитие способов кодирования звуковой информации, а также движущихся изо­бражений — анимации¹ и видеозаписей — происходило с запаздыванием относи­тельно рассмотренных выше разновидностей информации. Приемлемые способы хранения и воспроизведения с помощью компьютера звуковых и видеозаписей.

Заметим, что под анимацией понимается похожее на мультипликацию «оживление» изображений, но выполненое с помощью средств компьютерной графики. Анимация представляет собой последовательность незначительно отличающихся друг от друга, по­лученных с помощью компьютера картинок, которые фиксируют близкие по времени со­стояния движения какого-либо объекта.

появились только: в 90-х гг. XX в. Эти способы работы со звуком и видео полу­чили название мультимедийных технологий.

Звук представляет собой довольно сложное непрерывное колебание воздуха. Не­прерывные сигналы часто называют еще и аналоговыми. Оказывается, что такие непрерывные сигналы можно приближенно, но с достаточной точностью пред­ставлять в виде суммы некоторого числа простейших синусоидальных коле­баний. Причем каждое слагаемое, то есть каждая синусоида, может быть точно задано некоторым набором числовых параметров — амплитудой, фазой и часто­той, которые можно рассматривать как код звука в некоторый момент времени. Такой подход к записи звука называется преобразованием в цифровую форму, оцифровыванием или дискретизацией, так как непрерывный звуковой сигнал заменяется дискретным (то есть состоящим из обособленных, раздельных эле­ментов) набором значений сигнала — отсчетов сигнала — в некоторые последо­вательные моменты времени Количество отсчетов сигнала в единицу времени называется частотой дискретизации. В настоя­щее время при записи звука в мультимедийных технологиях применяются час­тоты 8,11, 22, 44 кГц до 192 кГц.Ч астота дискретизации 44 кГц означает, что одна секун­да непрерывного звучания заменяется набором из 44 тысяч отдельных отсчетов сигнала. Чем выше частота дискретизации, тем лучше качество оцифрованно­го звука.

Качество преобразования звука в цифровую форму определяется не только частотой дискретизации, но и количеством битов памяти, отводимых на запись кода одного отсчета. Этот параметр принято называть разрядностью преобразования. В настоящее время обычно используется разрядность 8,16 и 24 бит. На описанных выше принципах основывается формат WAV (от WAVeform-audio — волновая форма аудио) кодирования звука. Получить запись звука в этом формате можно от подключаемых к компьютеру микрофона, проигрывателя, магнитофона, теле­визора и других стандартно используемых устройств работы со звуком. Однако формат WAV занимает большой объем памяти (при записи стереофонического звука с частотой дискретизации 44 кГц и разрядностью 16 бит на одну минуту записи требуется около 10 миллионов байтов памяти).

Кроме волнового формата WAV, для записи звука широко применяется формат MIDI (Musical Instruments Digital Interface — цифровой интерфейс музыкаль­ных инструментов). Фактически, этот формат представляет собой набор инструк­ций, команд так называемого музыкального синтезатора — устройства, которое имитирует звучание реальных музыкальных инструментов. Получить запись звука в формате MIDI можно только от специальных электромузыкальных инструмен­тов, которые поддерживают интерфейс MIDI. Формат MIDI обеспечивает вы­сокое качество звука и требует значительно меньше памяти, чем формат WAV. Кодирование видеоинформации еще более сложная проблема, чем кодирование звуковой информации, так как нужно позаботиться не только о дискретизации непрерывных движений, но и о синхронизации изображения со звуковым сопро­вождением. В настоящее время для этого используется формат, которой называ­ется AVI (Audio-Video Interleaved — чередующееся аудио и видео).

Основные мультимедийные форматы AVI и WAV очень требовательны к памя­ти. Поэтому на практике применяются различные способы компрессии, то есть сжатия звуковых и видеокодов. В настоящее время стандартными стали способы сжатия, предложенные MPEG (Moving Pictures Experts Group — группа экспер­тов по движущимся изображениям). В частности, стандарт MPEG-1 включает в себя несколько популярных в настоящее время форматов записи звука. Так, например, при записи в формате МРЗ при практически том же качестве звука требуется в десять раз меньше памяти, чем при использовании формата WAV. Существуют специальные программы, которые преобразуют записи звука из фор­мата WAV в формат МРЗ. Стандарт MPEG-2 описывает методы сжатия видео­записей, которые обеспечивают телевизионное качество изображения и стереозву­ковое сопровождение и имеют приемлемые требования к памяти. Стандарт MPEG-4 по­зволяет записать полнометражный цветной фильм со звуковым сопровождением на компакт-диск.