Технология двоичной логики

Вопрос  10. Технология двоичной логики.

Современные информационные технологии практически полностью базируются на двоичной логике — то есть, все вычисления производятся на уровне нулей и единиц.

В двоичной форме можно записывать не только числа, но и тексты, звуки, графику и видео. Это означает, что логические операции можно проводить также с текстовыми, звуковыми, графическими и любыми иными объектами. Ограничено только одно: они должны быть предварительно записаны в двоичной форме, потому что на самом деле логические операции происходят не с информационными объектами, а с двоичными разрядами (битами), которые их предоставляют.

Логические значение - вот свойство суждения. Но с точки зрения информатики у него есть недостаток: оно не обладает уникальностью. Логических значений бывают всего два: ИСТИНА и ЛОЖЬ, а суждений в одном сообщении может быть гораздо больше. Так что повторы значений неизбежны.

В ходе автоматических вычислений некоторые приемы повторяются так часто, что стали стандартными. Работая с компьютерами, мы встречаемся с ними постоянно, хотя и не замечаем этого, потому что внутренние операции вычислительной техники глубоко скрыты от глаз пользователей.

Самая простая операция двоичной логике – обнуления байта. Потребность в нулевых байтов очень велика. Если, например, в какой-то ячейке памяти компьютера надо организовать счетчик, значит, представительно надо обнулить эту ячейку (говорят: инициализировать - подготовить к работе).

Можно сказать, что в вычислительной технике всегда есть потребность в нулях и удовлетворить ее не так просто, как хотелось бы думать.

Также в вычислительной технике очень часто приходится сравнивать различные значения с нулем. Например, когда на персональном счете пользователя мобильного телефона заканчиваются средства, список доступных услуг заметно сокращается. Очевидно, в рабочем компьютере оператора связи в этот момент включается особый режим обслуживания абонента.

Для сравнения с нулем в электронных устройствах используется логическая операция ИЛИ.

Конечно, сравнение числа с нулем – очень важная операция, но не всегда надо сравнивать числа именно с нулем. Иногда приходиться сравнивать числа друг с другом, например, когда надо убедиться в наличии или отсутствии равенства между ними.

В арифметике две величины А и B сравниваются очень просто: надо из одной вычесть другую и результат сравнить с нулем. Но для вычислительной технике такой подход неприемлем, потому что электронные микросхемы не понимают, что такое «вычесть». Они работают с электронными сигналами и выполняют только операции двоичной логики.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вопрос 20. Виды архитектуры ЭВМ (открытая, закрытая, Гарвардская).

Архитектура ЭВМ может быть закрытого типа или открытого. Компьютеры первого и второго поколения имели архитектуру закрытого типа с ограниченным набором внешнего оборудования. Такая архитектура характерна для компьютеров, базовая система логических элементов которых построена на электронных лампах и транзисторах. Введение любого дополнительного функционального блока в такие архитектуры сопряжено с увеличением потребляемой мощности, занимаемой площади и увеличением стоимости всей системы. Поэтому компьютер, выполненный по этой архитектуре, не имел возможности подключения дополнительных устройств, не предусмотренных разработчиком.

Компьютеры закрытой архитектуры эффективны при решении чисто вычислительных задач. Схема такой архитектуры приведена ниже. Здесь устройство управления обеспечивает выполнение команд программы и управляет всеми узлами системы. Канал ввода и вывода допускает подключение только определенного числа внешних устройств.

 Архитектура компьютера  закрытого типа

Значительные успехи в миниатюризации электронных схем не просто способствовали уменьшению размеров базовых функциональных узлов ЭВМ, но и создали предпосылки для существенного роста быстродействия процессора. Возникло противоречие между высокой скоростью обработки информации внутри машины и медленной работой устройств ввода/вывода. Для решения этой проблемы центральный процессор стали освобождать от функций обмена, передавая эти функции специальным электронным схемам управления работой внешних устройств. Такие схемы имели различные названия, последнее время все чаще используется термин контроллер внешнего устройства. Контроллер можно рассматривать как специализированный процессор, управляющий работой внешнего устройства по специальным встроенным программам обмена, причем без участия центрального процессора.

 Архитектура компьютера  открытого типа (шинная архитектура)

Для получения более высокого быстродействия на существующей элементной базе используются архитектуры, в которых процесс обработки информации распараллеливается. Существуют три основных подхода к построению архитектур таких компьютеров:

• многопроцессорные;
• магистральные;
• матричные.

Архитектура простых многопроцессорных систем выполняется по схеме с общей шиной. Два или более процессоров и несколько модулей памяти размещаются на общей шине. Каждый процессор для обмена с памятью проверяет, свободна ли шина, и если она свободна, занимает её. Если же шина занята, то процессор ждёт, когда она освободится. Производительность такой системы ограничена пропускной способностью шины.

Магистральный принцип является самым распространенным при построении ЭВМ. Процессор такой системы разделен на ряд устройств, выполняющих арифметические и логические операции, и быструю регистровую память для хранения обрабатываемых данных. Таким образом, создаётся своеобразный конвейер преобразования данных: регистры — обрабатывающие устройства — регистры — и т.д. Конечные результаты вычислений записываются в общее запоминающее устройство.

Наиболее сложную архитектуру имеют матричные вычислительные системы. В них используется несколько процессоров, объединённых в матрицу процессорных элементов. Каждый процессор снабжен локальной памятью и при необходимости может производить обмен со своими соседями или с общим запоминающим устройством. В первом случае программы и данные нескольких задач или независимых частей одной задачи загружаются в локальную память процессоров и выполняются параллельно. Во втором случае процессоры одновременно выполняют одну и ту же команду, но над разными данными. Обмен данными с периферийными устройствами выполняется через периферийный процессор, подключенный к общему запоминающему устройству.

Гарвардская архитектура

Гарвардская архитектура — архитектура ЭВМ, отличительным признаком которой является раздельное хранение и обработка команд и данных. Архитектура была разработана Говардом Эйкеном в конце 1930-х годов в Гарвардском университете.

Классическая гарвардская архитектура

Типичные операции (сложение и умножение) требуют от любого вычислительного устройства нескольких действий: выборку двух операндов, выбор инструкции и её выполнение, и, наконец, сохранение результата. Идея, реализованная Эйкеном, заключалась в физическом разделении линий передачи команд и данных. В первом компьютере Эйкена «Марк I» для хранения инструкций использовалась перфорированная лента, а для работы с данными — электромеханические регистры. Это позволяло одновременно пересылать и обрабатывать команды и данные, благодаря чему значительно повышалось общее быстродействие.

Модифицированная гарвардская архитектура

Соответствующая схема реализации доступа к памяти имеет один очевидный недостаток — высокую стоимость. При разделении каналов передачи команд и данных на кристалле процессора последний должен иметь почти в два раза больше выводов (т.к. шины адреса и данных составляют основную часть выводов микропроцессора). Способом решения этой проблемы стала идея использовать общую шину данных и шину адреса для всех внешних данных, а внутри процессора использовать шину данных, шину команд и две шины адреса. Такую концепцию стали называть модифицированной Гарвардской архитектурой.

Такой подход применяется в современных сигнальных процессорах. Еще дальше по пути уменьшения стоимости пошли при создании однокристальных ЭВМ — микроконтроллеров.

В них одна шина команд и данных применяется и внутри кристалла.

Разделение шин в модифицированной Гарвардской структуре осуществляется при помощи раздельных управляющих сигналов: чтения, записи или выбора области памяти.

Расширенная гарвардская архитектура

Часто требуется выбрать три составляющие : два операнда и инструкцию (в алгоритмах цифровой обработки сигналов это наиболее распространенная задача в БПФ и КИХ, БИХ фильтрах). Для этого существует кэш-память. В ней может храниться инструкция — следовательно, обе шины остаются свободными, и появляется возможность передать два операнда одновременно. Использование кэш-памяти вместе с разделёнными шинами получило название «Super Harvard Architecture» («SHARC») — расширенная Гарвардская архитектура.

Примером могут служить процессоры «Analog Devices»: ADSP-21xx — модифицированная Гарвардская Архитектура, ADSP-21xxx(SHARC) — расширенная Гарвардская Архитектура.

Гибридные модификации с архитектурой фон-Неймана

Первым компьютером, в котором была использована идея гарвардской архитектуры, был Марк I. Гарвардская архитектура используется в ПЛК и микроконтроллерах, таких, как Atmel AVR, Intel 4004, Intel 8051.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вопрос 30. Понятие алгоритмического языка и их классификация.

Прогресс компьютерных технологий определил процесс появления новых разнообразных знаковых систем для записи алгоритмов – языков программирования. Смысл появления такого языка – оснащенный набор вычислительных формул дополнительной информации, превращает данный набор в алгоритм.

Язык программирования служит двум связанным между собой целям: он дает программисту аппарат для задания действий, которые должны быть выполнены, и формирует концепции, которыми пользуется программист, размышляя о том, что делать. Первой цели идеально отвечает язык, который настолько "близок к машине", что всеми основными машинными аспектами можно легко и просто оперировать достаточно очевидным для программиста образом. Второй цели идеально отвечает язык, который настолько "близок к решаемой задаче", чтобы концепции ее решения можно было выражать прямо и коротко.

Можно писать программы непосредственно на машинном языке, хотя это и сложно. На заре компьютеризации(в начале 1950-х г.г.), машинный язык был единственным языком, большего человек к тому времени не придумал. Для спасения программистов от сурового машинного языка программирования, были созданы языки высокого уровня (т.е. немашинные языки), которые стали своеобразным связующим мостом между человеком и машинным языком компьютера.

 Классификация языков программирования

1. Машинно – ориентированные языки

Машинно – ориентированные языки – это языки, наборы операторов и изобразительные средства которых существенно зависят от особенностей ЭВМ (внутреннего языка, структуры памяти и т.д.). Машинно –ориентированные языки позволяют использовать все возможности и особенности Машинно – зависимых языков:

- высокое качество создаваемых  программ (компактность и скорость  выполнения);

- возможность использования  конкретных аппаратных ресурсов;

- предсказуемость объектного  кода и заказов памяти;

- для составления эффективных  программ необходимо знать систему  команд и особенности функционирования  данной ЭВМ;

- трудоемкость процесса  составления программ ( особенно на машинных языках и ЯСК), плохо защищенного от появления ошибок;

- низкая скорость программирования;

- невозможность непосредственного  использования программ, составленных  на этих языках, на ЭВМ других  типов.

1.2. Языки Символического Кодирования

Использование символических адресов – первый шаг к созданию ЯСК. Команды ЭВМ вместо истинных (физических) адресов содержат символические адреса. По результатам составленной программы определяется требуемое количество ячеек для хранения исходных промежуточных и результирующих значений. Назначение адресов, выполняемое отдельно от составления программы в символических адресах, может проводиться менее квалифицированным программистом или специальной программой, что в значительной степени облегчает труд программиста.

1.3. Автокоды

Есть также языки, включающие в себя все возможности ЯСК, посредством расширенного введения макрокоманд - они называются Автокоды.

1.4. Макрос

Язык, являющийся средством для замены последовательности символов описывающих выполнение требуемых действий ЭВМ на более сжатую форму - называется Макрос (средство замены).

Макрос одинаково может работать, как с программами, так и с данными.

2. Машинно – независимые языки

Машинно – независимые языки – это средство описания алгоритмов решения задач и информации, подлежащей обработке. Они удобны в использовании для широкого круга пользователей и не требуют от них знания особенностей организации функционирования ЭВМ и ВС.

Подобные языки получили название высокоуровневых языков программирования. Программы, составляемые на таких языках, представляют собой последовательности операторов, структурированные согласно правилам рассматривания языка(задачи, сегменты, блоки и т.д.). Операторы языка описывают действия, которые должна выполнять  система после трансляции программы на МЯ.