Классификация ЭВМ по принципу действия

Для количественного определения (оценки) любой физической величины необходимо определить единицу измерения, которая в теории измерений носит название меры. Как уже отмечалось, информацию перед обработкой, передачей и хранением необходимо подвергнуть кодированию. Кодирование производится с помощью специальных алфавитов (знаковых систем). В информатике, изучающей процессы получения, обработки, передачи и хранения информации с помощью вычислительных (компьютерных) систем, в основном используется двоичное кодирование, при котором используется знаковая система, состоящая из двух символов 0 и 1. По этой причине в формулах (1.1) и (1.2) в качестве основания логарифма используется цифра 2.

Исходя из вероятностного подхода к определению количества информации эти два символа двоичной знаковой системы можно рассматривать как два различных возможных события, поэтому за единицу количества информации принято такое количество информации, которое содержит сообщение, уменьшающее неопределенность знания в два раза (до получения событий их вероятность равна 0,5, после получения – 1, неопределенность уменьшается соответственно: 1/0,5 = 2, т. е. в 2 раза). Такая единица измерения информации называется битом (от англ. слова binary digit – двоичная цифра). Таким образом, в качестве меры для оценки количества информации на синтаксическом уровне, при условии двоичного кодирования, принят один бит.

Следующей по величине единицей измерения количества информации является байт, представляющий собой последовательность, составленную из восьми бит, т. е.

1 байт = 23 бит = 8 бит.

В информатике также широко используются кратные байту единицы измерения количества информации, однако в отличие от метрической системы мер, где в качестве множителей кратных единиц применяют коэффициент 10n, где п = 3, 6, 9 и т. д., в кратных единицах измерения количества информации используется коэффициент 2n. Выбор этот объясняется тем, что компьютер в основном оперирует числами не в десятичной, а в двоичной системе счисления.

Кратные байту единицы измерения количества информации вводятся следующим образом:

1 Килобайт (Кбайт) = 210 байт = 1024 байт,

1 Мегабайт (Мбайт) = 210 Кбайт = 1024 Кбайт,

1 Гигабайт (Гбайт) = 210 Мбайт = 1024 Мбайт,

1 Терабайт (Тбайт) = 210 Гбайт = 1024 Гбайт,

1 Петабайт (Пбайт) = 210 Тбайт = 1024 Тбайт,

1 Экзабайт (Эбайт) = 210 Пбайт = 1024 Пбайт.

Единицы измерения количества информации, в названии которых есть приставки «кило», «мега» и т. д., с точки зрения теории измерений не являются корректными, поскольку эти приставки используются в метрической системе мер, в которой в качестве множителей кратных единиц используется коэффициент 10n, где п = 3, 6, 9 и т. д. Для устранения этой некорректности международная организацией International Electrotechnical Commission, занимающаяся созданием стандартов для отрасли электронных технологий, утвердила ряд новых приставок для единиц измерения количества информации: киби (kibi), меби (mebi), гиби (gibi), теби (tebi), пети (peti), эксби (exbi). Однако пока используются старые обозначения единиц измерения количества информации, и требуется время, чтобы новые названия начали широко применяться.

Вероятностный подход используется и при определении количества информации, представленной с помощью знаковых систем. Если рассматривать символы алфавита как множество возможных сообщений N, то количество информации, которое несет один знак алфавита, можно определить по формуле (1.1). При равновероятном появлении каждого знака алфавита в тексте сообщения для определения количества информации можно воспользоваться формулой (1.2).

Количество информации, которое несет один знак алфавита, тем больше, чем больше знаков входит в этот алфавит. Количество знаков, входящих в алфавит, называется мощностью алфавита. Количество информации (информационный объем), содержащееся в сообщении, закодированном с помощью знаковой системы и содержащем определенное количество знаков (символов), определяется с помощью формулы:

где V – информационный объем сообщения; / = log2N, информационный объем одного символа (знака); К – количество символов (знаков) в сообщении; N – мощность алфавита (количество знаков в алфавите).Поясним вышесказанное в п. 1.2 на примерах.

Вопрос №19

Сколько бит в одном килобите?

1000 бит

Вопрос №20

Сколько бит в одном килобайте?

8192 бит

 

Вопрос № 22

Система исчисле́ния — символический метод записи чисел, представление чисел с помощью письменных знаков                                                                                                                                                                         Система исчисления:                                                                                                                                                          -даёт представления множества чисел (целых и/или вещественных);                                                                                -даёт каждому числу уникальное представление (или, по крайней мере, стандартное представление);                                                                                                                                                                             -отражает алгебраическую и арифметическую структуру чисел.                                                                         Системы исчисления подразделяются на позиционные, непозиционные и смешанные.                             Чем больше основание системы исчисления, тем меньшее количество разрядов (то есть записываемых цифр) требуется при записи числа в позиционных системах счисления.                                Основная статья: Позиционная система исчисления                                                                                                                                  В позиционных системах исчисления один и тот же числовой знак (цифра) в записи числа имеет различные значения в зависимости от того места (разряда), где он расположен. Изобретение позиционной нумерации, основанной на поместном значении цифр, приписывается шумерам и вавилонянам; развита была такая нумерация индусами и имела неоценимые последствия в истории человеческой цивилизации. К числу таких систем относится современная десятичная система исчисления, возникновение которой связано со счётом на пальцах. В средневековой Европе она появилась через итальянских купцов, в свою очередь заимствовавших её у мусульман.        Под позиционной системой исчисления обычно понимается b-ричная система исчисления, которая определяется целым числом b > 1, называемым основанием системы исчисления. Целое число x в b-ричной системе исчисления представляется в виде конечной линейной комбинации степеней числа b.                                                                                                                                                  Наиболее употребляемыми в настоящее время позиционными системами являются:

1 — единичная[1] (счёт на  пальцах, зарубки, узелки «на  память» и др.);

2 — двоичная (в дискретной математике, информатике,  программировании);

3 — троичная;

4 — четверичная;

5 — пятеричная;

8 — двенадцатеричная (счёт дюжинами);

16 — шестнадцатеричная  (используется в программировании, информатике);

60 — шестидесятеричная  (единицы измерения времени, измерение  углов и, в частности, координат,  долготы и широты).

Вопрос № 61

Состав вычислительной системы называется ее конфигурацией. Разлмчают аппаратную и программную конфигурацию. Современные компьютеры имеют блочную конструкцию. Аппаратную конфигурацию, необходимую для выполнения конкретных видов работ, можно собрать из готовых блоков и гибко изменять по мере необходимости.

Согласование между отдельными блоками выполняется с помощью  устройств, называемых аппаратными  интерфейсами. Стандарты на аппаратные интерфейсы называются протоколами. Аппаратные интерфейсы разделятся на последовательные и параллельные.                                      Конечная цель выполнения любой программы  – управление аппаратными средствами. Программное и аппаратное обеспечение  работают в непрерывном взаимодействии, и их разделение является довольно условным.                                                                                                               Между программами, также как  между аппаратными средствами, существует взаимосвязь, поэтому можно говорить о программном интерфейсе. Программный  интерфейс основан на протоколах – соглашениях о взаимодействии программ. Всё программное обеспечение  вычислительной системы разбивается  на несколько взаимодействующих  между собой уровней (рис. 18). Каждый следующий уровень опирается  на программное обеспечение предшествующих уровней. Такое разделение программного обеспечения упрощает разработку и эксплуатацию программ. Каждый следующий уровень повышает функциональные возможности всей системы.

Вопрос № 62

Способы адресацииАдресный код - это информация об адресе операнда, содержащаяся в команде. Исполнительный адрес - это номер ячейки памяти, к которой производится фактическое обращение.   В современных ЭВМ адресный код, как правило, не совпадает с исполнительным адресом. Выбор способов адресации, формирования исполнительного адреса и преобразования адресов является одним из важнейших вопросов разработки ЭВМ. Рассмотрим способы адресации, используемые в современных ЭВМ :

1) Подразумеваемый операнд. 

В команде может не содержаться  явных указаний об операнде; в этом случае операнд подразумевается  и фактически задается кодом операции команды.

2) Подразумеваемый адрес. 

В команде может не содержаться  явных указаний об адресе участвующего в операции операнда или адресе, по которому должен быть размещен результат  операции, но этот адрес подразумевается.

3) Непосредственная адресация. 

В команде содержится не адрес  операнда, а непосредственно сам  операнд. При непосредственной адресации  не требуется обращения к памяти для выборки операнда и ячейки памяти для его хранения. Это способствует уменьшению времени выполнения программы  и занимаемого ею объема памяти. Непосредственная адресация удобна для хранения различного рода констант.

4) Прямая адресация. 

В адресной части команды  может быть непосредственно указан исполнительный адрес. 5) Относительная (базовая) адресация.

При этом способе адресации  исполнительный адрес определяется как сумма адресного кода команды  и базового адреса, как правило  хранящегося в специальном регистре - регистре базы .

Относительная адресация  позволяет при меньшей длине  адресного кода команды обеспечить доступ к любой ячейке памяти. Для  этого число разрядов в базовом  регистре выбирают таким, чтобы можно  было адресовать любую ячейку оперативной  памяти, а адресный код команды  используют для представления лишь сравнительно короткого "смещения". Смещение определяет положение операнда относительно начала массива, задаваемого  базовым адресом.  

6) Укороченная адресация. 

Для уменьшения длины кода команды часто применяется так  называемая укороченная адресация. Суть ее сводится к тому, что в  команде задаются только младшие  разряды адресов, а старшие разряды  при этом подразумеваются нулевыми. Такая адресация позволяет использовать только небольшую часть фиксированных  ячеек в начале всей адресуемой области  памяти, и поэтому применяется  лишь сов­местно с другими способами  адресации.

Регистровая адресация является частным случаем укороченной, когда  в качестве фиксированных ячеек  с короткими адресами используются регистры (ячейки сверхоперативной или  местной памяти) процессора. Например, если таких регистров 16, то для адреса достаточно четырех двоичных разрядов. Регистровая адресация наряду с  сокращением длины адресов операндов  позволяет увеличить скорость выполнения операций, так как уменьшается  число обрашений к оперативной   памяти.

7) Косвенная адресация. 

Адресный код команды  в этом случае указывает адрес  ячейки памяти, в которой находится  адрес операнда или команды. Косвенная  адресация широко используется в  малых и микроЭВМ, имеющих короткое машинное слово, для преодоления ограничений короткого формата команды (совместно используются регистровая и косвенная адресация).

8) Адресация слов переменной  длины. 

Эффективность вычислительных систем, предназначенных для обработки  данных, повышается, если имеется возможность  выполнять операции со словами переменной длины. В этом случае в машине может  быть предусмотрена адресация слов переменной длины, которая обычно реализуется  путем указания в команде местоположения в 

памяти начала слова и  его длины.

9) Стековая адресация. 

Стековая память, реализующая  безадресное задание операндов, особенно широко используется в микропроцессорах и миниЭВМ.

Стек представляет собой  группу последовательно пронумерованных  регистров или ячеек памяти, снабженных указателем стека, в котором автоматически  при записи и считывании устанавливается  номер (адрес) последней занятой  ячейки стека (вершины стека). При  операции записи заносимое в стек слово помещается в следующую  по порядку свободную ячейку стека, а при считывании из стека извле­кается последнее поступившее в него слово.

10) Автоинкрементная и  автодекрементная адресации. 

Поскольку регистровая косвенная  адресация требует предварительной  загрузки регистра косвенным адресом  из оперативной памяти, что связано  с потерей времени, такой тип  адресации особенно эффективен при  обработке массива данных, если имеется  механизм автоматического приращения или уменьшения содержимого регистра при каждом обращении к нему. Такой  механизм называется соответственно автоинкрементной и автодекрементной адресацией. В  этом случае достаточно один раз загрузить  в регистр адрес первого обрабатываемого  элемента массива, а затем при  каждом обращении к регистру в  нем будет формироваться адрес  следующего элемента массива.

При автоинкрементной адресации  сначала содержимое регистра используется как адрес операнда, а затем  получает приращение, равное числу  байт в элементе массива. При автодекрементной адресации сначала содержимое указанного в команде регистра уменьшается  на число байт в элементе массива, а затем используется как адрес  операнда.

Автоинкрементная и автодекрементная адресации могут рассматриваться  как упращенный вариант индексации - весьма важного механизма преобразования адресных частей команд и организации вычислительных циклов, поэтому их часто называют автоиндексацией.

11) Индексация.  

Для реализуемых на ЭВМ  методов решения математических задач и обработки данных характерна цикличность вычислительных процессов, когда одни и те же процедуры выполняются  над различными операндами, упорядоченно расположенными в памяти. Поскольку  операнды, обрабатываемые при повторениях  цикла, имеют разные адреса, без использования  индексации требовалось бы для каждого  повторения составлять свою последовательность команд, отличающихся адресными частями.