Основи зберігання інформації в комп'ютері. Зберігання даних в пам'яті ЕОМ Основи організації зберігання інформації в ЕОМ

Завдання накопичення (зберігання), обробки і передачі інформації стояли перед людством на всіх етапах його розвитку. Кожному етапу відповідав певний рівень розвитку засобів інформаційного праці, прогрес розвитку яких щоразу надавав людському суспільству нову якість. Раніше були виділені основні етапи роботи з інформацією, і вони є загальними для всіх наук при обробці інформації за допомогою ЕОМ. Науковим фундаментом для їх вирішення стала така наука, як інформатика.

Інформатика - комплексна науково-технічна дисципліна, що займається вивченням структури і загальних властивостей інформації, інформаційних процесів, розробкою на цій основі інформаційної техніки і технології, а також рішенням наукових і інженерних проблем створення, впровадження та ефективного використання комп'ютерної техніки і технології у всіх сферах суспільної практики.

Витоки інформатики можна шукати в глибині століть. Багато століть тому потреба висловити і запам'ятати інформацію привела до появи мови, писемності, рахунки. Люди намагалися винаходити, а потім удосконалювати способи зберігання, обробки і поширення інформації. До сих пір збереглися свідоцтва спроб наших далеких предків зберігати інформацію - примітивні наскельні малюнки, записи на берестяної корі і глиняних дощечках, потім рукописні книги.

Поява в ХVI столітті друкарського верстата дозволило значно збільшити можливості людини обробляти і зберігати потрібні відомості. Це стало важливим етапом розвитку людства. Інформація в друкованому вигляді була основним способом зберігання та обміну і продовжувала їм залишатися аж до середини ХХ століття. Тільки з появою ЕОМ виникли принципово нові, набагато більш ефективні способи збору, зберігання, обробки і передачі інформації (рис. 1.1).

Малюнок 1.1. Розвиток способів зберігання інформації

Розвивалися способи передачі інформації. Примітивний спосіб передачі послань від людини до людини змінився більш прогресивної поштовим зв'язком. Поштовий зв'язок давала досить надійний спосіб обміну інформацією. Однак не слід забувати, що таким чином могли передаватися тільки повідомлення, написані на папері. А головне - швидкість передачі повідомлення була порівнянна лише зі швидкістю пересування людини. Винахід телеграфу, телефону дало принципово нові можливості обробки і передачі інформації.

Поява електронно-обчислювальних машин дозволило обробляти, а згодом і передавати інформацію зі швидкістю, в кілька мільйонів разів перевищує швидкість обробки (рис. 1.2) і передачі інформації людиною (рис. 1.3).

Малюнок 1.2. Розвиток способів обробки інформації

Малюнок 1.3. Розвиток способів передачі інформації

Основу сучасної інформатики утворюють три складові частини, кожна з яких може розглядатися як відносно самостійна наукова дисципліна (рис. 1.4).

Теоретична інформатика - частина інформатики, що займається вивченням структури і загальних властивостей інформації та інформаційних процесів, розробкою загальних принципів побудови інформаційної техніки і технології. Вона заснована на використанні математичних методів і включає в себе такі основні математичні розділи, як теорія алгоритмів і автоматів, теорія інформації та теорія кодування, теорія формальних мов і граматик, дослідження операцій та ін.).

Засоби інформатизації (технічні та програмні) - розділ, що займається вивченням загальних принципів побудови обчислювальних пристроїв і систем обробки і передачі даних, а також питань, пов'язаних з розробкою систем програмного забезпечення.

Інформаційні системи і технології - розділ інформатики, пов'язаний з вирішенням питань аналізу потоків інформації, їх оптимізації, структурування в різних складних системах, з розробкою принципів реалізації в даних системах інформаційних процесів.

Інформатика знаходить широке застосування в різних областях сучасного життя: у виробництві, науці, освіті та інших сферах діяльності людини.

Розвиток сучасної науки передбачає проведення складних і дорогих експериментів, таких, як, наприклад, при розробці термоядерних реакторів. Інформатика дозволяє замінити реальні експерименти машинними. Це економить колосальні ресурси, дає змогу обробити отримані результати найсучаснішими методами. Крім того, такі експерименти займають набагато менше часу, ніж справжні. А в деяких областях науки, наприклад, в астрофізиці, проведення реального експерименту просто неможливо. Тут в основному всі дослідження проводяться за допомогою обчислювальних і модельних експериментів.

Малюнок 1.4. Структура інформатики як наукової дисципліни

Подальший розвиток інформатики, як і будь-який інший науки, тягне за собою нові досягнення, відкриття, а отже, і нові області застосування, які, може бути, важко сьогодні уявити.

Інформатика - дуже широка сфера наукових знань, що виникла на стику декількох фундаментальних і прикладних дисциплін.

Як комплексна наукова дисципліна інформатика пов'язана (рис. 1.5):

З філософією і психологією - через вчення про інформацію і теорію пізнання;

З математикою - через теорію математичного моделювання, дискретну математику, математичну логіку і теорію алгоритмів;

З лінгвістикою - через вчення про формальні мовами і про знакові системи;

З кібернетикою - через теорію інформації і теорію управління;

З фізикою і хімією, електронікою і радіотехнікою - через «матеріальну» частина комп'ютера та інформаційних систем.

Малюнок 1.5. Зв'язок інформатики з іншими науками

Роль інформатики в розвитку суспільства надзвичайно велика. Вона є науковим фундаментом процесу інформатизації суспільства. З нею пов'язані прогресивне збільшення можливостей комп'ютерної техніки, розвиток інформаційних мереж, Створення нових інформаційні технології, Які призводять до значних змін у всіх сферах суспільства: у виробництві, науці, освіті, медицині і т. Д.

Головна функція інформатики полягає в розробці методів і засобів перетворення інформації з використанням комп'ютера і в застосуванні їх при організації технологічного процесу перетворення інформації.

Виконуючи свою функцію, інформатика вирішує наступні завдання:

Досліджує інформаційні процеси в соціальних системах;

Розробляє інформаційну техніку і створює новітні технології перетворення інформації на основі результатів, отриманих в ході дослідження інформаційних процесів;

Вирішує наукові та інженерні проблеми створення, впровадження та забезпечення ефективного використання комп'ютерної техніки і технології у всіх сферах людської діяльності.

1.2. Поняття інформації. Загальна характеристика процесів збору, передачі, обробки та накопичення інформації

Все життя людини так чи інакше пов'язана з накопиченням і обробкою інформації, яку він отримує з навколишнього світу, використовуючи п'ять органів почуттів - зір, слух, смак, нюх і дотик. Як наукова категорія «інформація» є предметом вивчення для самих різних дисциплін: інформатики, кібернетики, філософії, фізики, біології, теорії зв'язку і т. Д. Не дивлячись на це, суворого наукового визначення, що ж таке інформація, до теперішнього часу не існує, а замість нього зазвичай використовують поняття про інформацію. Поняття відрізняються від визначень тим, що різні дисципліни в різних областях науки і техніки вкладають в нього різний зміст, з тим щоб воно найбільшою мірою відповідало предмету і завданням конкретної дисципліни. Є безліч визначень поняття інформації - від найбільш загального філософського (інформація є відображенням реального світу) до найбільш приватного прикладного (інформація є відомості, що є об'єктом переробки).

Спочатку сенс слова «інформація» (від лат. Informatio - роз'яснення, виклад) трактувався як щось властиве тільки людській свідомості та спілкування: «знання, відомості, повідомлення, звістки, що передаються людьми усним, письмовим або іншим способом».

Інформація не є ні матерією, ні енергією. На відміну від них, вона може виникати і зникати.

Особливість інформації полягає в тому, що проявляється вона лише при взаємодії об'єктів, причому обмін інформацією може відбуватися не взагалі між будь-якими об'єктами, а тільки між тими з них, які представляють собою організовану структуру (систему). Елементами цієї системи можуть бути не тільки люди: обмін інформацією може відбуватися в тваринний і рослинний світ, між живою і неживою природою, людьми і пристроями.

Інформація - найбільш важливий ресурс сучасного виробництва: він знижує потребу в землі, праці, капіталу, зменшує витрату сировини і енергії, викликає до життя нові виробництва, є товаром, причому продавець інформації не втрачає її після продажу, може накопичуватися.

Поняття «інформація» зазвичай передбачає наявність двох об'єктів - «джерела» інформації і «приймача» (споживача, адресата) інформації.

Інформація передається від джерела до приймача в матеріально-енергетичній формі у вигляді сигналів (наприклад, електричних, світлових, звукових і т. Д.), Що розповсюджуються в певному середовищі.

Сигнал (від лат. Signum - знак) - фізичний процес (явище), що несе повідомлення (інформацію) про подію або стан об'єкта спостереження.

Інформація може надходити в аналоговому (безперервному) вигляді або дискретно (у вигляді послідовності окремих сигналів). Відповідно розрізняють аналогову і дискретну інформацію.

Поняття інформації можна розглядати з двох позицій: у широкому сенсі слова - це оточуючий нас світ, обмін інформацією між людьми, обмін сигналами між живою і неживою природою, людьми і пристроями; у вузькому сенсі слова інформація - це будь-які відомості, які можна зберегти, перетворити і передати.

Інформація - специфічний атрибут реального світу, що представляє собою його об'єктивне відображення в вигляді сукупності сигналів і виявляється при взаємодії з «приймачем» інформації, що дозволяє виділяти, реєструвати ці сигнали з навколишнього світу і з того чи іншого критерію їх ідентифікувати.

З цього визначення випливає, що:

Інформація об'єктивна, так як це властивість матерії - відображення;

Інформація проявляється у вигляді сигналів і лише при взаємодії об'єктів;

Одна і та ж інформація різними одержувачами може бути інтерпретована по-різному в залежності від «настройки» «приймача».

Людина сприймає сигнали за допомогою органів почуттів, які «ідентифікуються» мозком. Приймачі інформації в техніці сприймають сигнали за допомогою різної вимірювальної і реєструючої апаратури. При цьому приймач, що володіє більшою чутливістю при реєстрації сигналів і більш досконалими алгоритмами їх обробки, дозволяє отримати великі обсяги інформації.

Інформація має певні функції. Основними з них є:

Пізнавальна - отримання нової інформації. Функція реалізується в основному через такі етапи обігу інформації, як:

- її синтез (виробництво)

- уявлення

- зберігання (передача в часі)

- сприйняття (споживання)

Комунікативна - функція спілкування людей, що реалізується через такі етапи обігу інформації, як:

- передача (в просторі)

- розподіл

Управлінська - формування доцільної поведінки керованої системи, яка отримує інформацію. Ця функція інформації нерозривно пов'язана з пізнавальної та комунікативної і реалізується через всі основні етапи обігу, включаючи обробку.

Без інформації не може існувати життя в будь-якій формі і не можуть функціонувати будь-які інформаційні системи, створені людиною. Без неї біологічні і технічні системи представляють купу хімічних елементів. Спілкування, комунікації, обмін інформацією притаманні всім живим істотам, але в особливій мірі людині. Будучи акумульованої і обробленої з певних позицій, інформація дає нові відомості, призводить до нового знання. Отримання інформації з навколишнього світу, її аналіз і генерування складають одну з основних функцій людини, що відрізняє його від решти живого світу.

У загальному випадку роль інформації може обмежуватися емоційним впливом на людину, однак найбільш часто вона використовується для вироблення керуючих впливів в автоматичних (чисто технічних) і автоматизованих (людино-машинних) системах. У подібних системах можна виділити окремі етапи (фази) звернення інформації, кожен з яких характеризується певними діями.

Послідовність дій, виконуваних з інформацією, називають інформаційним процесом.

Основними інформаційними процесами є:

- збір (сприйняття) інформації;

- підготовка (перетворення) інформації;

- передача інформації;

- обробка (перетворення) інформації;

- зберігання інформації;

- відображення (відтворення) інформації.

Так як матеріальним носієм інформації є сигнал, то реально це будуть етапи обігу і перетворення сигналів (рис. 1.6).

Малюнок 1.6. Основні інформаційні процеси

На етапі сприйняття інформації здійснюється цілеспрямоване вилучення та аналіз інформації про будь-якому об'єкті (процесі), в результаті чого формується образ об'єкта, проводяться його впізнання і оцінка. Головне завдання на цьому етапі - відокремити корисну інформацію від заважає (шумів), що в ряді випадків пов'язане зі значними труднощами.

На етапі підготовки інформації здійснюється її первинне перетворення. На цьому етапі проводяться такі операції, як нормалізація, аналого-цифрове перетворення, шифрування. Іноді етап підготовки розглядається як допоміжний на етапі сприйняття. В результаті сприйняття і підготовки виходить сигнал у формі, зручній для передачі, зберігання або обробки.

На етапі передачі інформація пересилається з одного місця в інше (від відправника одержувачу - адресату). Передача здійснюється по каналах різної фізичної природи, найпоширенішими з яких є електричні, електромагнітні та оптичні. Витяг сигналу на виході каналу, схильного дії шумів, носить характер вторинного сприйняття.

На етапах обробки інформації виявляються її загальні і суттєві взаємозалежності, що представляють інтерес для системи. Перетворення інформації на етапі обробки (як і на інших етапах) здійснюється або засобами інформаційної техніки, або людиною.

Під обробкою інформації розуміється будь-яке її перетворення, що проводиться за законами логіки, математики, а також неформальним правилам, заснованим на «здоровий глузд», інтуїції, узагальненому досвіді, що склалися поглядах і нормах поведінки. Результатом обробки є теж інформація, але або представлена \u200b\u200bв інших формах (наприклад, впорядкована по якихось ознаках), або яка містить відповіді на поставлені питання (наприклад, рішення деякої задачі). Якщо процес обробки формалізуємо, він може виконуватися технічними засобами. Кардинальні зрушення в цій області відбулися завдяки створенню ЕОМ як універсального перетворювача інформації, в зв'язку з чим з'явилися поняття даних та обробки даних.

Даними називають факти, відомості, представлені в формалізованому вигляді (закодовані), занесені на ті чи інші носії і допускають обробку за допомогою спеціальних технічних засобів (в першу чергу ЕОМ).

Обробка даних передбачає виробництво різних операцій над ними, в першу чергу арифметичних і логічних, для отримання нових даних, які об'єктивно необхідні (наприклад, при підготовці відповідальних рішень).

На етапі зберігання інформацію записують в пристрій для подальшого використання. Для зберігання інформації використовуються в основному напівпровідникові і магнітні носії.

Етап відображення інформації повинен передувати етапам, пов'язаних з участю людини. Мета цього етапу - надати людині потрібну йому інформацію за допомогою пристроїв, здатних впливати на його органи почуттів.

Будь-яка інформація має низку властивостей, які в сукупності визначають ступінь її відповідності потребам користувача (якість інформації). Можна навести чимало різноманітних властивостей інформації, так як кожна наукова дисципліна розглядає ті властивості, які їй найбільш важливі. З точки зору інформатики найбільш важливими представляються наступні:

Актуальність інформації - властивість інформації зберігати цінність для споживача протягом часу, т. Е. Не наражатися на «моральному» старіння.

Повнота інформації - властивість інформації, що характеризується мірою достатності для вирішення певних завдань. Повнота інформації означає, що вона забезпечує прийняття правильного (оптимального) рішення. Оцінюється щодо цілком певного завдання або групи завдань.

Адекватність інформації - властивість, яка полягає у відповідності змістовної інформації станом об'єкта. Порушення ідентичності пов'язано з технічним старінням інформації, при якому відбувається розбіжність реальних ознак об'єктів і тих же ознак, відображених в інформації.

Збереження інформації - властивість інформації, що характеризується ступенем готовності визначених інформаційних масивів до цільового застосування і визначається здатністю контролю і захисту інформації забезпечити постійну наявність і своєчасне надання інформаційного масиву, необхідних для автоматизованого вирішення цільових і функціональних завдань системи.

Достовірність інформації - властивість інформації, що характеризується ступенем відповідності реальних інформаційних одиниць їх істинного значення. Необхідний рівень достовірності інформації досягається шляхом впровадження методів контролю і захисту інформації на всіх стадіях її переробки, підвищення надійності комплексу технічних і програмних засобів інформаційної системи, а також адміністративно-організаційними заходами.

Інформаційне суспільство

Сучасне суспільство характеризується різким зростанням обсягів інформації, що циркулює в усіх сферах людської діяльності. Це призвело до інформатизації суспільства.

Під інформатизацією суспільства розуміють організований соціально-економічний і науково-технічний процес створення оптимальних умов для задоволення інформаційних потреб і реалізації прав фізичних та юридичних осіб на основі формування і використання інформаційних ресурсів - документів в різній формі подання.

Метою інформатизації є створення інформаційного суспільства, коли більшість людей зайнято виробництвом, зберіганням, переробкою, реалізацією та використанням інформації. Для вирішення цього завдання виникають нові напрямки в науковій і практичній діяльності членів суспільства. Так виникли інформатика та інформаційні технології.

Характерними рисами інформаційного суспільства є:

1) відсутність проблеми інформаційної кризи, усунення протиріччя між інформаційною лавиною і інформаційним голодом;

2) пріоритет інформації перед іншими ресурсами;

3) створення інформаційної економіки як головної форми розвитку суспільства;

4) формування автоматизованої генерації, зберігання, обробки і використання знань за допомогою новітньої інформаційної техніки і технології.

5) інформаційні технології, набуваючи глобального характеру, охоплюють всі сфери соціальної діяльності людини;

6) утворення інформаційного єдності всієї людської цивілізації;

7) реалізація вільного доступу кожної людини до інформаційних ресурсів всієї цивілізації;

8) рішення гуманістичних принципів управління суспільством і впливу на навколишнє середовище.

Крім перерахованих позитивних результатів процесу інформатизації суспільства, можливі й негативні тенденції, які супроводжують цей процес:

1) надмірний вплив засобів масової інформації;

2) вторгнення інформаційних технологій в приватне життя людини;

3) складність адаптації деяких людей до інформаційного суспільства;

4) проблема якісного відбору достовірної інформації.

На даний момент ближче всіх країн до інформаційного суспільства знаходяться США, Японія, Англія, країни Західної Європи.

1.3. системи числення

Система числення - це спосіб запису чисел за допомогою заданого набору спеціальних знаків (цифр).

Існують системи позиційні і непозиційної.

У непозиційних системах числення вага цифри не залежить від позиції, яку вона займає в числі. Так, наприклад, в римській системі числення в числі XXXII (тридцять два) вага цифри X в будь-якій позиції дорівнює просто десяти.

У позиційних системах числення вага кожної цифри змінюється в залежності від її позиції в послідовності цифр, що зображують число.

Будь-яка позиційна система характеризується своєю основою. Підстава позиційної системи числення - це кількість різних знаків або символів, які використовуються для зображення цифр в даній системі.

За основу можна взяти будь-яке натуральне число - два, три, чотири, шістнадцять і т. Д. Отже, можливо безліч позиційних систем.

Десяткова система числення

Прийшла в Європу з Індії, де вона з'явилася не пізніше VI століття н. е. У цій системі 10 цифр: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, проте інформацію несе не тільки цифра, але і місце, на якому цифра стоїть (тобто її позиція). У десятковій системі числення особливу роль відіграють число 10 і його ступеня: 10, 100, 1000 і т. Д. Сама права цифра числа показує число одиниць, друга праворуч - число десятків, наступна - число сотень і т. д.

Двійкова система числення

У цій системі всього дві цифри - 0 і 1. Особливу роль тут відіграє число 2 і його ступеня: 2, 4, 8 і т. Д. Сама права цифра числа показує число одиниць, наступна цифра - число двійок, наступна - число четвірок і т. д. Двійкова система числення дозволяє закодувати будь-яке натуральне число - представити його у вигляді послідовності нулів та одиниць. У двійковому вигляді можна представляти не тільки числа, а й будь-яку іншу інформацію: тексти, картинки, фільми та аудіозаписи. Інженерів двійкове кодування приваблює тим, що легко реалізується технічно.

Вісімкова система числення

У цій системі числення 8 цифр: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. Цифра 1, зазначена в самому молодшому розряді, означає, як і в десятковому числі, просто одиницю. Та ж цифра 1 в наступному розряді означає 8, у наступному - 64 і т. Д. Число 100 (вісімкове) є не що інше, як 64 (десяткове). Щоб перевести в двійкову систему, наприклад, число 611 (вісімкове), треба замінити кожну цифру еквівалентної їй двійковій тріадою (трійкою цифр). Легко здогадатися, що для перекладу багатозначного двійкового числа в вісімкову систему потрібно розбити його на тріади справа наліво і замінити кожну тріаду відповідної вісімковій цифрою.

Шістнадцяткова система числення

Запис числа в вісімковій системі числення досить компактна, але ще компактніше вона виходить в шістнадцятковій системі. Як перші 10 з 16 шістнадцяткових цифр взяті звичні цифри 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, а ось в якості інших 6 цифр використовують перші букви латинського алфавіту: A, B, C, D, E, F. Цифра 1, записана в самому молодшому розряді, означає просто одиницю. Та ж цифра 1 в наступному - 16 (десяткове), в наступному - 256 (десяткове) і т. Д. Цифра F, зазначена в самому молодшому розряді, означає 15 (десяткове). Переклад з шістнадцятковій системи в двійкову і назад здійснюється аналогічно тому, як це робиться для вісімковій системи.

Таблиця 1. Відповідність між першими декількома натуральними числами всіх трьох систем числення

1.4. кодування інформації

В даний час у всіх обчислювальних машинах інформація може надаватися за допомогою електричних сигналів. При цьому можливі дві форми її подання - у вигляді безперервного сигналу (за допомогою схожої величини - аналога) і у вигляді декількох сигналів (за допомогою набору напруг, кожне з яких відповідає одній з цифр подається величини).

Перша форма подання інформації називається аналогової, або безперервною. Величини, представлені в такій формі, можуть приймати принципово будь-які значення в певному діапазоні. Кількість значень, які може приймати така величина, нескінченно велике. Звідси назви - безперервна величина і безперервна інформація. Слово безперервність чітко виділяє основна властивість таких величин - відсутність розривів, проміжків між значеннями, які може приймати ця аналогова величина. При використанні аналогової форми для створення обчислювальної машини потрібно менше число пристроїв (кожна величина репрезентується одним, а не декількома сигналами), але ці пристрої будуть складнішими (вони повинні розрізняти значно більше число станів сигналу). Безперервна форма подання використовується в аналогових обчислювальних машинах (АВМ). Ці машини призначені в основному для вирішення завдань, що описуються системами диференціальних рівнянь: дослідження поведінки рухомих об'єктів, моделювання процесів і систем, вирішення завдань параметричної оптимізації та оптимального управління. Пристрої для обробки безперервних сигналів мають вищу швидкодію, вони можуть інтегрувати сигнал, виконувати будь-яке його функціональне перетворення і т. П. Однак через складність технічної реалізації пристроїв виконання логічних операцій з безперервними сигналами, Тривалого зберігання таких сигналів, їх точного вимірювання АВМ не можуть ефективно вирішувати завдання, пов'язані зі зберіганням і обробкою великих обсягів інформації.

Друга форма подання інформації називається дискретної (цифрової). Такі величини, що приймають не всі можливі, а лише цілком певні значення, називаються дискретними (переривчастими). На відміну від безперервної величини, кількість значень дискретної величини завжди буде кінцевим. Дискретна форма подання використовується в цифрових електронно-обчислювальних машинах (ЕОМ), які легко вирішують завдання, пов'язані зі зберіганням, обробкою і передачею великих обсягів інформації.

Для автоматизації роботи ЕОМ з інформацією, що відноситься до різним типам, Дуже важливо уніфікувати їх форму представлення - для цього зазвичай використовується прийом кодування.

Кодування - це представлення сигналу в певній формі, зручною або придатною для подальшого використання сигналу. Говорячи суворіше, це правило, яке описує відображення одного набору знаків в інший набір знаків. Тоді відображається набір знаків називається вихідним алфавітом, а набір знаків, який використовується для відображення, - кодовою алфавітом, або алфавітом для кодування. При цьому кодування підлягають як окремі символи вихідного алфавіту, так і їх комбінації. Аналогічно для побудови коду використовуються як окремі символи кодового алфавіту, так і їх комбінації.

Сукупність символів кодового алфавіту, що застосовуються для кодування одного символу (або однієї комбінації символів) вихідного алфавіту, називається кодовою комбінацією, або, коротше, кодом символу. При цьому кодова комбінація може містити один символ кодового алфавіту.

Символ (або комбінація символів) вихідного алфавіту, якому відповідав би кодова комбінація, називається вихідним символом.

Сукупність кодових комбінацій називається кодом.

Взаємозв'язок символів (або комбінацій символів, якщо кодуються не окремі символи вихідного алфавіту) початкового алфавіту з їх кодовими комбінаціями складає таблицю відповідності (або таблицю кодів).

Як приклад можна привести систему запису математичних виразів, азбуку Морзе, морську прапорцевим абетку, систему Брайля для сліпих і ін.

В обчислювальній техніці також існує своя система кодування - вона називається двійковим кодуванням і заснована на представленні даних послідовністю усього двох знаків: 0 та 1 (використовується двійкова система числення). Ці знаки називаються двійковими цифрами, або бітами (binary digital).

Якщо збільшувати на одиницю кількість розрядів в системі двійкового кодування, то збільшується в два рази кількість значень, яке може бути виражено в даній системі. Для розрахунку кількості значень використовується наступна формула:

де N - кількість незалежно кодованих значень,

а m - розрядність двійкового кодування, прийнята в даній системі.

Наприклад, яка кількість значень (N) можна закодувати 10-ю розрядами (m)?

Для цього будуємо 2 в 10 ступінь (m) і отримуємо N \u003d 1024, т. Е. В двійковій системі кодування 10-ю розрядами можна закодувати 1024 незалежно кодованих значення.

Кодування текстової інформації

Для кодування текстових даних використовуються спеціально розроблені таблиці кодування, засновані на зіставленні кожного символу алфавіту з певним цілим числом. Восьми двійкових розрядів достатньо для кодування 256 різних символів. Цього вистачить, щоб висловити різними комбінаціями восьми бітів все символи англійської та російської мов, як малі, так і великі, а також знаки пунктуації, символи основних арифметичних дій і деякі загальноприйняті спеціальні символи. Але не все так просто, і існують певні складності. У перші роки розвитку обчислювальної техніки вони були пов'язані з відсутністю необхідних стандартів, а в даний час, навпаки, викликані достатком одночасно діючих і суперечливих стандартів. Практично для всіх поширених на земній кулі мов створені свої кодові таблиці. Для того щоб весь світ однаково кодували текстові дані, потрібні єдині таблиці кодування, що до сих пір поки ще не стало можливим.

Кодування графічної інформації

Кодування графічної інформації засноване на тому, що зображення складається з найдрібніших точок, що утворюють характерний візерунок, званий растром. Кожна точка має свої лінійні координати і властивості (яскравість), отже, їх можна виразити за допомогою цілих чисел - растрове кодування дозволяє використовувати двійковий код для представлення графічної інформації. Чорно-білі ілюстрації подаються в комп'ютері у вигляді комбінацій точок з 256 градаціями сірого кольору - для кодування яскравості будь-якої точки достатньо восьмирозрядного двійкового числа.

Для кодування кольорових графічних зображень застосовується принцип декомпозиції (розкладання) довільного кольору на основні складові. При цьому можуть використовуватися різні методи кодування кольорової графічної інформації. Наприклад, на практиці вважається, що будь-який колір, видимий людським оком, можна отримати шляхом механічного змішування основних кольорів. В якості таких складових використовують три основні кольори: червоний (Red, R), зелений (Green, G) і синій (Blue, B). Така система кодування називається системою RGB.

На кодування кольору однієї точки кольорового зображення треба затратити 24 розряду. При цьому система кодування забезпечує однозначне визначення 16,5 млн різних квітів, що насправді близько до чутливості людського ока. Режим подання кольорової графіки з використанням 24 двійкових розрядів називається повнокольоровим (True Color).

Кожному з основних кольорів можна поставити у відповідність додатковий колір, тобто колір, що доповнює основний колір до білого. Відповідно додатковими кольорами є: блакитний (Cyan, C), пурпурний (Magenta, M) і жовтий (Yellow, Y). Такий метод кодування прийнятий в поліграфії, але в поліграфії використовується ще і четверта фарба - чорна (Black, K). Дана система кодування позначається CMYK, і для подання кольорової графіки в цій системі треба мати 32 двійкових розряди. Такий режим називається повнокольоровим (True Color).

Якщо зменшувати кількість двійкових розрядів, використовуваних для кодування кольору кожної точки, то можна скоротити обсяг даних, але при цьому діапазон кодованих квітів помітно скорочується. Кодування кольорової графіки 16-розрядних двійковими числами називається режимом High Color.

кодування звукової інформації

Прийоми і методи кодування звукової інформації прийшли в обчислювальну техніку найбільш пізно і до сих пір далекі від стандартизації. Безліч окремих компаній розробили свої корпоративні стандарти, хоча можна виділити два основних напрямки.

Метод FM (Frequency Modulation) заснований на тому, що теоретично будь-який складний звук можна розкласти на послідовність найпростіших гармонійних сигналів різної частоти, кожен з яких представляє правильну синусоїду, а отже, може бути описаний числовими параметрами, тобто кодом. У природі звукові сигнали мають неперервний спектр, тобто є аналоговими. Їх розкладання в гармонійні ряди і подання у вигляді дискретних цифрових сигналів виконують спеціальні пристрої - аналогово-цифрові перетворювачі (АЦП). Зворотне перетворення для відтворення звуку, закодованого числовим кодом, виконують цифро-аналогові перетворювачі (ЦАП). При таких перетвореннях частина інформації втрачається, тому якість звукозапису зазвичай виходить не цілком задовільним і відповідає якості звучання найпростіших електро музичних інструментів з «забарвленням», характерним для електронної музики.

Метод таблично-хвильового синтезу (Wave-Table) краще відповідає сучасному рівню розвитку техніки. Є заздалегідь підготовлені таблиці, в яких зберігаються зразки звуків для безлічі різних музичних інструментів. У техніці такі зразки називаються семплами. Числові коди висловлюють тип інструменту, номер його моделі, висоту тону, тривалість і інтенсивність звуку, динаміку його зміни. Оскільки в якості зразків використовуються «реальні» звуки, то якість звуку, отриманого в результаті синтезу, виходить дуже високим і наближається до якості звучання реальних музичних інструментів.

Одиниці виміру даних

Найменшою одиницею виміру інформації є байт, рівний восьми бітам. Одним байтом можна закодувати одне з 256 значень. Існують і більш великі одиниці, такі як кілобайт (Кбайт), мегабайт (Мбайт), гігабайт (Гбайт) і терабайт (Тбайт).

1 байт \u003d 8 біт

1 Кбайт \u003d 1024 байт

1 Мбайт \u003d 1024 Кбайт \u003d 2 20 байт

1 Гбайт \u003d 1024 Мбайт \u003d 2 30 байт

1 Тбайт \u003d 1024 Гбайт \u003d 2 40 байт

Контрольні питання

1. Що вивчає інформатика?

2. Як розвивалися способи збору, зберігання і передачі інформації?

3. Яка структура сучасної інформатики?

4. Що таке інформація?

5. Які функції виконує інформація?

6. Дайте характеристику основним інформаційним процесам.

7. У чому основна відмінність даних від інформації?

8. Якими властивостями володіє інформація?

9. Що розуміється під інформатизацією суспільства?

10. Якими характерними рисами володіє інформаційне суспільство?

11. Що таке системи числення і які вони бувають? Наведіть приклади.

12. Дайте характеристику основним позиційним системам числення.

13. У яких двох видах може бути представлена \u200b\u200bінформація? Охарактеризуйте їх і наведіть приклади.

14. Що таке кодування? Наведіть приклади кодування з життя.

15. Що є основною одиницею подання інформації в ЕОМ?

16. Як кодуються різні види інформації в ЕОМ?

17. За допомогою яких одиниць вимірюють інформацію?

3.1.Представленіе даних в ЕОМ

При проведенні математичних розрахунків числа всередині ЕОМ можуть бути представлені за допомогою природної і нормальної форм записи.

Прикладом записи в природній формі може служити число 456,43. Для запису такого числа машинне слово (операнд) ділиться на два фіксованих поля (частини). Перше поле відводиться для запису цілої частини числа, а друге - для запису дробової частини числа. Старший розряд призначається для вказівки знака числа.

В обчислювальній техніці прийнято відокремлювати цілу частину числа від дробової частини точкою. Так як в цьому випадку положення точки між цілою і дробовою частиною чітко визначено, то таке подання чисел називають поданням з фіксованою точкою. Нижче на рис. 3.1 показано машинне слово довжиною 16 розрядів (2 байта).

машинне словоє структурною одиницею інформації ЕОМ. За допомогою машинних слів записують числа, символи та команди. У сучасних ЕОМ довжина машинних слів становить 32 ... 128 розрядів. Фізично кожен розряд машинного слова являє собою окремий елемент пам'яті (тригер або запам'ятовує конденсатор).

Мал. 3.2. Подання цілого числа

Нормальна форма запису числа має такий вигляд:

де m - мантиса числа; p - порядок; d - заснування системи числення.

Порядок вказує місце розташування в числі точки, яка відділяє цілу частину числа від дробової. Залежно від порядку точка пересувається (плаває) по мантисі. Така форма представлення чисел називається формою з плаваючою точкою. Мал. 3.3 ілюструє форму числа з плаваючою точкою на прикладі 32 розрядного машинного слова.

Наприклад, нехай m \u003d 0.3, d \u003d 10, а порядок буде різним:

0.3 · 10 -1 \u003d 0.03; 0.3 · 10 -2 \u003d 0.003; 0.3 × 10 2 \u003d 30; 0.3 · 10 3 \u003d 300.

З наведеного прикладу видно, що завдяки зміні порядку точка переміщається (плаває) по мантисі. При цьому, якщо порядок негативний, точка зміщується по мантисі вліво, а якщо позитивний, то вправо.

31

…

…

Мал. 3.3. Подання числа з плаваючою точкою

В цьому випадку машинне слово ділиться на два основних поля. В одному полі записується мантиса числа, у другому - вказується порядок числа. Діапазон представлення чисел з плаваючою точкою значно більше діапазону представлення чисел з фіксованою точкою. Однак швидкодія ЕОМ при обробці чисел з плаваючою точкою набагато нижче, ніж при обробці чисел з фіксованою точкою.

3.2.Представленіе команд в ЕОМ

Програма роботи ЕОМ складається з послідовності команд.

під командою розуміється інформація, що забезпечує вироблення керуючих сигналів, які формуються в пристрої управління процесора, для виконання машиною певної дії.

Поле команди складається з двох частин: операційної і адресному. В операційній частини вказується код операції (КОП). Код визначає дію, яке має виконати ЕОМ (арифметичне - додавання, віднімання, логічне - інверсія і т.д.).

Адресна частина команди містить адреси операндів (чисел або символів), що беруть участь в операції. під адресою розуміється номер комірки ОЗУ або ПЗУ, де записана необхідна для виконання команди інформація.

Таким чином, ЕОМ (точніше, процесор) виконує дію, яке визначається кодом операції, над даними, місце розташування яких зазначено в адресній частині команди.

Кількість вказуються в команді адрес може бути різним. Залежно від числа адрес розрізняють наступні формати команд: одно-, дво- і трехадресние. Бувають і безадресні команди. На рис. 3.4 представлена \u200b\u200bструктура різних команд.

КОП	А1
КОП	А1	А2
КОП	А1	А2	А3

Операційна Адресна частина команди

частина команди

Мал. 3.4. структура команди

трьохадресних команда, Що виконує, наприклад, операцію складання, повинна містити код операції додавання і три адреси.

Дії, що виконуються цією командою, описуються наступною послідовністю операцій.

1. Взяти число, яке зберігається за першою адресою А1.

2. Взяти число, яке зберігається за другим адресою А2, і скласти з першим числом.

3. Результат додавання записати по третьому адресою А3.

У разі двоадресний команди третя адреса відсутня, і результат можна записати або по другому адресою (з втратою інформації, яка була там записана), або залишити в регістрі суматора, де проводилася операція додавання. Тоді для звільнення регістра суматора потрібна додаткова команда перезапису числа по необхідному адресою. При організації складання двох чисел, що зберігаються за адресами А1 і А2 з записом результату в А3 з використанням одноадресних команд, Потрібно вже три команди.

1. Виклик в суматор (АЛУ) числа, що зберігається за адресою А1.

2. Виклик числа, що зберігається за адресою А2 і складання його з першим числом.

3. Запис результату за адресою А3.

Таким чином, чим менше адрес містить команда, тим більше число команд потрібно для складання однієї і тієї ж програми роботи машини.

Збільшуючи число адрес в команді, доводиться збільшувати довжину машинного слова, щоб відвести в ньому необхідні поля для адресної частини команд. Зі збільшенням обсягу пам'яті ЕОМ збільшується довжина поля, необхідного для вказівки однієї адреси. У той же час не всі команди повністю використовують адресні поля. Наприклад, для команди записи числа по заданому адресою вимагається лише одне адресне поле. Невиправдане збільшення довжини машинного слова для використання багатоадресних команд призводить до зменшення швидкодії ЕОМ, тому що необхідно обробляти поля більшої довжини.

Існують безадресні команди, які містять тільки код операції, а необхідні дані заздалегідь вкладаються в певні регістри процесора.

Сучасні ЕОМ автоматично виконують кілька сотень різних команд. Всі машинні команди можна розділити на групи за видами виконуваних операцій:

· Операції пересилання даних;

· Арифметичні операції;

· Логічні операції;

· Операції звернення до зовнішніх пристроїв ЕОМ;

· Операції передачі управління;

· Обслуговуючі та допоміжні операції.

При проектуванні нових процесорів розробникам доводиться вирішувати складне завдання вибору довжини команди і визначення списку необхідних команд (системи команд). Суперечливі вимоги до конфігурації команд привели до створення процесорів з різними форматами команд (архітектури CISC і RISC).

3.3.Кодовая таблиця

кодова таблиця - це внутрішнє (закодоване) представлення в машині букв, цифр, символів і керуючих сигналів. Так, латинська буква А в кодової таблиці представлена \u200b\u200bдесятковим числом 65D (всередині ЕОМ це число буде представлено двійковим числом 01000001В), латинська буква С - числом 67D, латинська буква М - 77D і т.д. Таким чином, слово «САМАРА», написане великими латинськими літерами буде циркулювати всередині ЕОМ у вигляді цифр:

67D-65D-77D-65D-80D-65D.

Якщо говорити точніше, то всередині ЕОМ дане слово зберігається і використовується у вигляді двійкових чисел:

01000011В-01000001В-01001101В-01000001В-0101000В-01000001В

Аналогічно кодуються цифри (наприклад, 1 - 49D, 2 - 59D) і символи (наприклад,! - 33D, + - 43D).

Поряд з алфавітно-цифровими символами в кодової таблиці закодовані сигнали. Наприклад, код 13D змушує друкує головку принтера повернутися в початок поточного рядка, а код 10D переміщує папір, заправлену в принтер, на один рядок вперед.

Кодова таблиця може бути представлена \u200b\u200bне тільки з по-міццю десяткової СС, а й за допомогою шістнадцятковій СС. Зауважимо ще раз, що всередині ЕОМ циркулюють сигнали, представлені в двійковій системі числення, а в кодової таблиці для більшої зручності читання користувачем - в десятковій або шістнадцятковій СС.

Кожна буква, цифра, знак пунктуації або керуючий сигнал кодуються восьмирозрядним двійковим числом. За допомогою восьмирозрядного числа (однобайтового числа) можна уявити (закодувати) 256 довільних символів - букв, цифр і будь-яких графічних образів.

У всьому світі в якості стандарту прийнята кодова таблиця ASCII (American Standard Code for Information Interchange - Американський стандарт кодів для обміну інформацією). Таблиця ASCII регламентує (строго визначає) рівно половину можливих символів (латинські літери, арабські цифри, розділові знаки, сигнали). Для їх кодування використовуються коди від 0D до 127D.

Друга половина кодової таблиці ASCII (з кодами від 128 до 255) не визначена американським стандартом і призначена для розміщення символів національних алфавітів інших країн (зокрема, кирилиці - російських букв), псевдографічні символів, деяких математичних знаків. У різних країнах, на різних моделях ЕОМ, в різних операційних системах можуть використовуватися і різні варіанти другої половини кодової таблиці (їх називають розширеннями ASCII). Наприклад, таблиця, яка використовується в операційній системі MS-DOS, називається СР-866. Використовуючи цю таблицю для кодування слова «САМАРА», записаного російськими буквами, отримаємо такі коди:

145D-128D-140D-128D-144D-128D.

При роботі в операційній системі Windows використовується таблиця кодів СР-1251, в якій кодування латинських букв збігається з кодуванням таблиць СР-866 і ASCII, а друга половина таблиці має власну розкладку (кодування) символів. Тому слово «САМАРА», написане великими російськими літерами, буде мати всередині ЕОМ інше уявлення:

209D-192D-204D-192D-208D-192D.

Таким чином, зовні однакове слово (наприклад, «САМАРА») всередині ЕОМ може бути представлено по-різному. Природно, це викликає певні незручності. При роботі в Інтернет національний текст часом стає нечитабельним. Найбільш імовірною причиною в цьому випадку є розбіжність кодувань другої половини кодових таблиць.

Загальним недоліком всіх однобайтових кодових таблиць (в них для кодування використовуються восьмирозрядних двійкові числа) є відсутність в коді символу будь-якої інформації, яка підказує машині, яка в даному випадку використовується кодова таблиця.

співтовариством фірм Unicode запропонована в якості стандарту інша система кодування символів. У цій системі для подання (кодування) одного символу використовуються два байти (16 бітів), і це дозволяє включити в код символу інформацію про те, якої мови належить символ і як його потрібно відтворювати на екрані монітора або на принтері. Два байти дозволяють закодувати 65 536 символів. Правда, обсяг інформації, яку займає одним і тим же текстом, збільшиться вдвічі. Зате тексти завжди будуть «читаються» незалежно від використаного національного мови та операційної системи.

3.4.Організація зберігання даних на магнітних дисках

3.4.1. диски

диски - пристрої для постійного зберігання інформації. Будь-який комп'ютер має накопичувач на жорсткому магнітному диску, призначений для читання і запису на незнімний жорсткий магнітний диск (вінчестер), і накопичувач (або дисковод) для гнучких магнітних дисків, який використовується для читання і запису на гнучкі магнітні диски (дискети). Крім цього можуть бути дисководи для роботи з компакт-дисками, магнитооптическими дисками і т.д.

Будь жорсткий диск або магнитооптический диск можна розділити на кілька частин, які для користувача будуть виглядати на екрані так само, як і фізично існуючі диски. Ці частини називаються логічними дисками. Кожен логічний диск має ім'я (букву), за яким до нього можна звертатися. Таким чином, логічний диск - це частина звичайного жорсткого диска, Що має власне ім'я. Наприклад, жорсткий диск об'ємом 3 Гб може бути розділений на два логічних диска: диск С: об'ємом 2 Гб і диск D: об'ємом 1 Гбайт.

Диск, на якому записана операційна система, називається системним (або завантажувальним) Диском. В якості завантажувального диска найчастіше використовується жорсткий диск С :.

В операційних системах DOS і Windows кожному диску можна додатково давати імена (label - мітка), які відображають їх зміст, наприклад: Системний, Графіка, Тексти, Дистрибутиви і т.д.

3.4.2. файли

Інформація на дисках (жорстких дисках, дискетах, магніто оптичних дисках, Компакт-дисках і т.д.) зберігається в файлах.

файл - це набір взаємопов'язаних даних, які сприймаються комп'ютером як єдине ціле, що мають загальне ім'я, що знаходяться на диску або іншому носії інформації. У файлах можуть зберігатися тексти програм, документи, готові до виконання програми, малюнки і т.д.

Щоб операційна система та інші програми могли звертатися до файлів, файли повинні мати позначення. Це позначення називають ім'ям файлу. Файл зазвичай складається з двох частин - власне імені (в DOS довжиною від 1 до 8 символів, в Windows - від 1 до 254 символів) і розширення довжиною до 3 символів. Ім'я та розширення відокремлюються один від одного крапкою. Часто ім'я і розширення разом також називають ім'ям. Приклади імен файлів:

vova.doc tetris.exe doc.arj config.sys

Ім'я та розширення можуть складатися з великих і малих латинських букв (можливі і російські літери), цифр і символів, крім керуючих символів і символів \\ /: *?< > ; , + \u003d. Російські літери в іменах файлів слід вживати з обережністю - деякі програми не «розуміють» імен з російськими буквами. Імена файлів можуть включати символи "-" (дефіс), "_" (підкреслення), "$" (долар), "#" (решітка), "&" (амперсанд, друкарське "і" в країнах англійської мови), " @ "(" собака "),"! ","% ", дужки, лапки," ^ "(" кришка ")," ' "(апостроф)," ~ "(тильда або" хвиля ").

Розширення імені файлу є необов'язковим. Воно, як правило, описує зміст файла, тому використання розширення дуже зручно. Багато програм встановлюють певне розширення імені файлу, і по ньому можна дізнатися, яка програма створила файл. Крім того, багато програм (наприклад, програми-оболонки) дозволяють по розширенню імені файлу викликати відповідну програму і відразу завантажити в неї даний файл. Приклади типових розширень:

com, exe - виконані файли (готові до виконання програми); якщо виділити файл з таким розширенням і натиснути клавішу Enter, то програма негайно почне працювати;

bat - командні (Batch) файли;

txt, doc, wp, wri - текстові файли (документи). Розширення doc дає своїм документам програма MS Word, wp - WordPerfect, wri - MS Write. У файлах з розширенням txt зазвичай знаходиться текст без будь-якого оформлення (text-only, тільки текст);

bak - остання версія тексту (резервна копія);

tif, pcx, bmp, pic, gif, jpg, cdr - графічні файли різних форматів;

arj, zip, lzh, rar - по-особливому стислі (заархівовані) файли;

hlp - файли допомоги, підказок до різними програмами;

drv, ega, vga, sys, dll і ряд інших - службові програми і програми-драйвери, за допомогою яких комп'ютер навчається працювати з різними моніторами, клавіатурами, принтерами, пахвами, використовувати російську мову. Ці програми не запускаються як виконані файли;

ttf, fon, fnt, sfp, stl, xfr - шрифти для різних програм;

bas, c, pas, asm - містять текст програм на мовах Бейсік, Сі, Паскаль, Асемблер.

Можуть бути файли і з іншими розширеннями.

Найважливіша характеристика файлу - його розмір. Він вимірюється в байтах, Кбайтах, Мбайтах.

3.4.3. папки

Імена файлів реєструються на дисках в каталогах (або директоріях). У Windows каталоги називають папками.

папки - це спеціальне місце на диску, в якому зберігаються імена файлів, відомості про розмір файлів, часу їх останнього оновлення, Атрибути (властивості) файлів і т.д. Якщо в папці зберігається ім'я файлу, то кажуть, що цей файл знаходиться в цій папці. На кожному диску може бути кілька папок.

Кожна папка має ім'я. Вимоги до імен папок ті ж, що і до імен файлів. Як правило, розширення імені для папок не використовується, хоча і не забороняється.

Повне ім'я файлумає такий вигляд (дужками [і] позначають необов'язкові елементи):

[Дисковод:] [шлях \\] ім'я файлу

шлях - це послідовність з імен папок (каталогів) або символів "..", розділених символом "\\". Шлях задає маршрут від поточної або кореневої папки диска до тій папці, в якій знаходиться файл. Якщо шлях починається з символу "\\", то маршрут обчислюється від кореневої папки диска, інакше - від поточної папки. Кожне ім'я папки в шляху відповідає входу в папку з таким ім'ям, символ ".." відповідає входу в папку на рівень вище. наприклад:

A: \\ text1.txt - файл text1.txt знаходиться в кореневій папці диска A:;

C: \\ WORKS \\ PASCAL \\ prog1.pas - файл prog1.pas знаходиться в папці PASCAL, яка, в свою чергу, знаходиться в папці WORKS, що знаходиться в кореневій папці диска C:.

3.4.4. Файлова структура диска

Для того щоб на новий магнітний диск можна було записати інформацію, він повинен бути попередньо відформатований. форматування - це підготовка диска для запису інформації.

Під час форматування на диск записується службова інформація (робиться розмітка), яка потім використовується для запису і читання інформації. Розмітка проводиться за допомогою електромагнітного поля, створюваного записуючої головкою дисковода.

Запис інформації здійснюється за доріжках, Причому кожна доріжка розбивається на сектори, Наприклад, по 1024 байта (рис. 3.5). Дискета діаметром 3,5 дюйма об'ємом 1,44 Мбайт містить 80 доріжок і 18 секторів.

Мал. 3.6. циліндр вінчестера

На малюнку видно два циліндра (перший і другий), утворені рівновіддаленими доріжками на трьох дисках вінчестера. При роботі вінчестера кілька головок одночасно зчитують інформацію з доріжок одного циліндра.

Щоб звернутися до даних у файлі, треба знати адресу першого сектора з тих, в яких зберігаються дані файлу. Адреса сектора визначається трьома координатами: номер доріжки (циліндра), номер поверхні і номер сектора.

Операційна система (ОС) бере на себе зберігання цих відомостей для кожного файлу. Для реалізації доступу до файлу ОС використовують кореневої каталог, таблицю розміщення файлів FAT (File Allocation Table) і завантажувальний сектор диска. Ці елементи утворюють системну область диска(Або дискети) і створюються в процесі ініціалізації (форматування) диска.

Завантажувальний сектор, таблиця розміщення файлів, кореневий каталог і залишився вільним простір пам'яті диска, зване областю даних, є елементами файлової структури диска.

Жорсткий диск може бути розбитий на кілька розділів. Тому в початкових секторах жорсткого диска поміщається інформація про кількість розділів, їх місцезнаходження і розмірах. Розділи жорсткого диска в подальшому розглядаються як автономні диски, кожен з яких окремо инициализируется, має власне буквене позначення (C :, D :, E :, F: і т.д.) і свої елементи файлової структури.

завантажувальний сектор(Boot Record) - це візитна картка диска, в якій записані дані, необхідні для роботи з диском. Він розміщується на кожному диску в логічному секторі з номером 0. У завантажувальний сектор записуються такі характеристики:

ідентифікатор системи, якщо на диску записана операційна система;

розмір секторів диска в байтах;

кількість секторів в кластері;

кількість елементів в каталозі;

кількість секторів на диску і т.д.

Якщо диск підготовлений як системний (завантажувальний), то завантажувальний сектор містить програму завантаження операційної системи. В іншому випадку, він містить програму, яка при спробі завантаження з цього диска операційної системи виводить повідомлення про те, що даний диск не є системним.

За завантажувальним сектором на диску слід таблиця розміщення файлів.

Таблиця розміщення файлів(File Allocation Table - скорочено FAT) містить опис порядку розташування всіх файлів в секторах даного диска, а також інформацію про дефектних ділянках диска. За FAT-таблицею слід її точна копія, що підвищує надійність збереження цієї дуже важливої \u200b\u200bтаблиці.

В процесі роботи користувачів на комп'ютері вміст диска змінюється: додаються нові файли, видаляються непотрібні, деякі файли розширюються або зменшуються і т.д.

Виконання цих операцій вимагає наявності спеціального механізму розподілу запам'ятовує простору диска між файлами і забезпечення доступу до них. Цей механізм реалізований шляхом використання таблиці розміщення файлів.

При виконанні операцій читання-запису даних обмін інформацією між дисковим накопичувачем і пам'яттю комп'ютера здійснюється блоками. Мінімальний обсяг блоку дорівнює сектору. Для зменшення кількості звернень до диска за одне звернення може записуватися або зчитуватися інформація з кількох послідовно розташованих секторів, що утворюють своєрідний суперблок, званий кластером. Таким чином, кластер - кілька послідовно розташованих секторів, які зчитуються або записуються в файл за одне звернення до нього. Розмір кластера може бути різним.

Файлу, записуються на диск, виділяється ціле кількість кластерів, причому виділяються кластери можуть перебувати в різних місцях диска. На відміну від безперервних файлів, Що знаходяться в одній області пам'яті, файли, що займають на диску кілька областей, називаються фрагментованими. Призначення FAT - зберігати дані про місцезнаходження на диску фрагментів файлів.

Механізм доступу до файлів з використанням FAT реалізується в такий спосіб. Область даних диска розглядається як послідовність пронумерованих кластерів. Кожному кластеру ставиться у відповідність елемент FAT з тим же номером. Наприклад, елемент 2FAT відповідає кластеру 2 області даних диска, елемент 3FAT кластеру 3 і т.д. У каталозі, що містить відомості про файли на диску, для кожного файлу вказано номер першого кластера, займаного файлом. Цей номер називається точкою входу в FAT. Система, прочитавши в каталозі номер першого кластера файла, звертається до цього кластеру, наприклад записує в нього дані. У FAT перший кластер файлу містить номер другого кластера файлу або ознака кінця файлу і т.д. Приклад механізму доступу до файлів з використанням FAT представлений в табл. 3.1.

Таблиця 3.1

Механізм доступу до файлів з використанням FAT

Вхід в FAT

Номер елементів FAT

Значення елементів FAT

Для подання інформації в пам'яті ЕОМ (як числовий так і не числовий) використовується двійковий спосіб кодування.

Елементарна комірка пам'яті ЕОМ має довжину 8 біт (1 байт). Кожен байт має свій номер (його називають адресою). Найбільшу послідовність біт, яку ЕОМ може обробляти як єдине ціле, називають машинним словом. Довжина машинного слова залежить від розрядності процесора і може бути рівною 16, 32 бітам і т.д.

Для кодування символів досить одного байта. При цьому можна уявити 256 символів (з десятковими кодами від 0 до 255). набір символів персональних комп'ютерів найчастіше є розширенням коду ASCII (American Standart Code of Information Interchange - стандартний американський код для обміну інформацією).

У деяких випадках при поданні в пам'яті ЕОМ чисел використовується змішана двійковій-десяткова система числення, де для зберігання кожного десяткового знак потрібен напівбайт (4 біта) і десяткові цифри від 0 до 9 представляються відповідними двійковими числами від 0000 до 1001. Наприклад, упакований десятковий формат , призначений для зберігання цілих чисел з 18-ю значущими цифрами і займає в пам'яті 10 байт (старший з яких знаковий), використовує саме цей варіант.

Інший спосіб представлення цілих чисел - додатковий код. Діапазон значень величин залежить від кількості біт пам'яті відведених для їх зберігання. Наприклад, величини типу Integer лежать в діапазоні від
-32768 (-2 15) до 32677 (2 15 -1) і для їх зберігання відводиться 2 байти: типу LongInt - в діапазоні від -2 31 до 2 31 -1 і розміщуються в 4 байтах: типу Word - в діапазоні від 0 до 65535 (2 16 -1) використовується 2 байта і т.д.

Як видно з прикладів, дані можуть бути інтерпретовані як числа зі знаком, так і без знаків. У разі подання величини зі знаком найлівіший (старший) розряд вказує на позитивне число, якщо містить нуль, і на негативне, якщо - одиницю.

Взагалі, розряди нумеруються справа наліво, починаючи з нуля.

додатковий код позитивного числа збігається з його прямим кодом. Прямий код цілого числа може бути представлений таким чином: число переводитися в двійкову систему числення, а потім його двійкову запис зліва доповнюють такою кількістю незначних нулів, скільки вимагає тип даних, до якого належить число. Наприклад, якщо число 37 (10) \u003d 100101 (2) оголошено величиною типу Integer, то його прямим кодом буде 0000000000100101, а якщо величиною типу LongInt, то його прямий код буде. Для більш компактного запису частіше використовують шістнадцятковий код. Отримані коди можна переписати відповідно як 0025 (16) і 00000025 (16).

Додатковий код цілого негативного числа може бути отриманий за наступним алгоритмом:

1. записати прямий код модуля числа;
2. інвертувати його (замінити одиниці нулями, нулі - одиницями);
3. додати до інверсійної коду одиницю.

Наприклад, запишемо додатковий код числа -37, інтерпретуючи його як величину типу LongInt:

1. прямий код числа 37 есть1
2. інверсний код
3. додатковий код або FFFFFFDB (16)

При отриманні по додатковому коду числа, перш за все, необхідно визначити його знак. Якщо число виявиться позитивним, то просто перевести його код в десяткову систему числення. У разі негативного числа необхідно виконати наступний алгоритм:

1. відняти від коду 1;
2. інвертувати код;
3. перевести в десяткову систему числення. Отримане число записати зі знаком мінус.

Приклади. Запишемо числа, відповідні додатковим кодам:

1. 0000000000010111.

   Оскільки в старшому розряді записаний нуль, то результат буде позитивним. Це код числа 23.

2. 1111111111000000.

   Тут записаний код негативного числа, виконуємо алгоритм:

   1. 1111111111000000 (2) - 1 (2) = 1111111110111111 (2) ;
   2. 0000000001000000;
   3. 1000000 (2) = 64 (10)

Дещо інший спосіб застосовується для подання в пам'яті персонального комп'ютера дійсних чисел. Розглянемо уявлення величин з плаваючою точкою.

Будь-яке дійсне число можна записати в стандартному вигляді M * 10 p, де 1 ≤ M< 10, р- целое число. Например, 120100000 = 1,201*10 8 . Поскольку каждая позиция десятичного числа отличается от соседней на степень числа 10, умножение на 10 эквивалентно сдвигу десятичной запятой на 1 позицию вправо. Аналогично деление на 10 сдвигает десятичную запятую на позицию влево. Поэтому приведенный выше пример можно продолжить: 120100000 = 1,201*10 8 = 0,1201*10 9 = 12,01*10 7 ... Десятичная запятая плавает в числе и больше не помечает абсолютное место между целой и дробной частями.

У наведеній вище записи М називають мантиссой числа, а р - його порядком. Для того щоб зберегти максимальну точність, обчислювальні машини майже завжди зберігають мантиссу в нормалізованому вигляді, що означає, що мантиса в даному випадку є число, яке лежить між 1 (10) і 2 (10) (1 ≤ М< 2). Основные системы счисления здесь, как уже отмечалось выше,- 2. Способ хранения мантиссы с плавающей точкой подразумевает, что двоичная запятая находится на фиксированном месте. Фактически подразумевается, что двоичная запятая следует после первой двоичной цифры, т.е. нормализация мантиссы делает единичным первый бит, помещая тем самым значение между единицей и двойкой. Место, отводимое для числа с плавающей точкой, делится на два поля. Одно поле содержит знак и значение мантиссы, а другое содержит знак и значение порядка.

Персональний комп'ютер IBM PC з математичним співпроцесором 8087 дозволяє працювати з наступними дійсними типами (діапазон значень вказано за абсолютною величиною):

63

52

0

Можна помітити, що старший біт, відведений під мантиссу, має номер 51, тобто мантиса займає молодші 52 біта. Риса вказує тут на положення двійковій коми. Перед коми повинен стояти біт цілої частини мантиси, але оскільки вона завжди дорівнює одиниці, тут даний біт не потрібно і відповідний розряд відсутній в пам'яті (але він мається на увазі). Значення порядку зберігатися тут не як ціле число, представлене в додатковому коді. Для спрощення обчислень і порівняння дійсних чисел значення порядку в ЕОМ зберігається у вигляді зміщеного числа, Тобто до теперішнього значенням порядку, перед записом його в пам'ять, додається зсув. Зсув вибирається так, щоб мінімального значення порядку відповідав нуль. Наприклад, для типу Double порядок займає 11 біт і має діапазон від 2 -1023 до 2 1023, тому зсув дорівнює 1023 (10) \u003d 1111111111 (2). Нарешті, біт з номером 63 вказує на знак числа.

Таким чином, з вищесказаного випливає наступний алгоритм для отримання уявлення дійсного числа в пам'яті ЕОМ:

1. перевести модуль даного числа в двійкову систему числення;
2. нормалізувати двійкове число, тобто записати у вигляді М * 2 p, де М - мантиса (її ціла частина дорівнює 1 (2)) і р - порядок, записаний в десятковій системі числення;
3. додати до порядку зміщення і перевести зміщений порядок в двійкову систему числення;
4. враховуючи знак заданого числа (0 - позитивне; 1 - негативне), виписати його подання до пам'яті ЕОМ.

Приклад. Запишемо код числа -312,3125.

1. Двійковий запис модуля цього числа має вигляд +100111000,0101.
2. Маємо 100111000,0101 \u003d 1,001110000101 * 2 8.
3. Отримуємо зміщений порядок 8 + 1023 \u003d 1031. Далі маємо 1031 (10) \u003d 10000000111 (2).
4. остаточно
   

   63

   52

   0

   1. Перш за все, помічаємо, що це код позитивного числа, оскільки в розряді з номером 63 записаний нуль, Отримаємо порядок цього числа. 01111111110 (2) \u003d 1022 (10). 1022 - 1023 \u003d -1.
   2. Число має вигляд 1,1100011 * 2 -1 або 0,11100011.
   3. Перекладом в десяткову систему числення отримуємо 0,88671875.

   Ми розглянули види представлення інформації в пам'яті ЕОМ, тепер можна приступити до перевірки знань.

   Якщо ж вам потрібні варіанти на папері то

Обчислювальна техніка - це сукупність пристроїв, призначених для автоматичної або автоматизованої обробки даних в інформацію.

обчислювальна система - це конкретний набір пов'язаних між собою пристроїв. Центральним пристроєм більшості обчислювальних систем є електронна обчислювальна машина (ЕОМ) або комп'ютер.

комп'ютер- це пристрій, що складається з електронних і електромеханічних компонент, яке виконує операції введення, зберігання і обробки даних за певною програмою з метою отримання інформації, висновок якої здійснюється у формі, придатній для сприйняття людиною.

архітектура комп'ютера. Під архітектурою ЕОМ треба розуміти ту сукупність характеристик, яка необхідна користувачеві. Це, перш за все, основні пристрої і блоки ЕОМ, а також структура зв'язків між ними і програмне керування.

Загальні принципи побудови ЕОМ, які відносяться до архітектури:

• структура пам'яті ЕОМ;
• користувач може отримати доступ до пам'яті і зовнішніх пристроїв ";
• можливість зміни конфігурації;
• система команд;
• формати даних;
• організація інтерфейсу.

Виходячи з цього, можна дати визначення, що архітектура- це найбільш загальні принципи побудови ЕОМ, що реалізують програмне керування роботою і взаємодією основних її функціональних вузлів.

Класичні принципи побудови архітектури ЕОМ були запропоновані в роботі Дж. Фон Неймана. Г.Голдстейга і А. Беркса в 1946 році і відомі як "принципи фон Неймана". Ці принципи декларують такі положення архітектури:

• Використання двійковоїсистеми представлення даних. Переваги двійкової системи для технічної реалізації дало зручність і простоту виконання арифметичних і логічних операцій. ЕОМ стали обробляти і нечислові види інформації - текстову, графічну, звукову та інші. Двійкове кодування даних як і раніше становить інформаційну основу будь-якого сучасного комп'ютера.
• Принцип збереженої програми. Нейман першим здогадався, що програма може також зберігатися у вигляді нулів і одиниць, причому в тій же самій пам'яті, що й оброблювані нею числа. Відсутність принципової різниці між програмою і даними дало можливість ЕОМ самій формувати для себе програму відповідно до результатів обчислень. Фон Нейман не тільки висунув основоположні принципи логічного пристрою ЕОМ, але і запропонував її структуру, яка відтворювалася протягом перших двох поколінь ЕОМ.
• Принцип послідовного виконання операцій. Структурно пам'ять складається з пронумерованих осередків. Процесору в довільний момент часу доступна будь-яка осередок. Звідси випливає можливість давати імена областям пам'яті так. щоб до збережених в них значень можна було б згодом звертатися або міняти їх в процесі виконання програми з використанням привласнених імен.
• Принцип довільного доступу до осередків оперативної пам'яті . Програми та дані зберігаються в одній і тій же пам'яті. Тому ЕОМ не розрізняє, що зберігається в даній комірці пам'яті - число, текст або команда. Над командами можна виконувати такі ж дії, як і над даними.

Рис 3. Пристрій управління (УУ). Арифметико-логічний пристрій (АЛП). Пам'ять (ЗУ) зберігає інформацію (дані) і програми, включає оперативний пристрій (ОЗУ) і зовнішні запам'ятовуючі пристрої (ВЗУ).

Сучасна архітектура комп'ютера. Реальна структура комп'ютера значно складніша, ніж розглянута вище схема (Рис. 3). У сучасних комп'ютерах, зокрема мікрокомп'ютерах (персональних), все частіше відбувається відхід від традиційної архітектури фон Неймана, зумовлений прагненням розробників та користувачів до підвищення якості та продуктивності комп'ютерів (Рис. 4).

Якість ЕОМ характеризується багатьма показниками. Це і набір команд, які комп'ютер здатний розуміти і виконувати, швидкість роботи (швидкодія) центрального процесора, кількість периферійних пристроїв, приєднати до комп'ютера одночасно і багато іншого. При цьому головним показником, що характеризує комп'ютер (ЕОМ) є його швидкодія.

швидкодія - це кількість операцій, яке процесор здатний виконати за одиницю часу. На практиці, користувача більше цікавить продуктивність комп'ютера - показник його ефективної швидкодії, тобто здатності не просто швидко функціонувати, а швидко вирішувати конкретно поставлені завдання.

Як результат, всі ці та інші чинники спричинили принципове і конструктивне вдосконалення елементної бази комп'ютерів, тобто створення нових, більш швидких, надійних і зручних в роботі процесорів, запам'ятовуючих пристроїв, пристроїв введення-виведення і т.д. Тим її менш, слід враховувати, що швидкість роботи елементів неможливо збільшувати безмежно (існують сучасні технологічні обмеження та обмеження, зумовлені фізичними законами). Тому розробники комп'ютерної техніки шукають вирішення цієї проблеми удосконаленням архітектури ЕОМ.

Так з'явилися комп'ютери з многопроцессорной (або мультипроцессорной) архітектурою, в якій кілька процесорів працюють одночасно, а це означає, що продуктивність такого комп'ютера дорівнює сумі продуктивностей процесорів.

У потужних комп'ютерах, призначених для складних інженерних розрахунків і систем автоматизованого проектування (САПР), часто встановлюють два або чотири процесори. У надпотужних ЕОМ (такі машини можуть, наприклад, моделювати ядерні реакції в режимі реального часу, прогнозувати погоду в глобальному масштабі, моделювати повномасштабні сцени для кінематографа і мультиплікації) кількість процесорів досягає кількох десятків.

Мал. 4. Загальна структура сучасного мікрокомп'ютера

Всі основні архітектурні блоки складаються з окремих менших пристроїв, які виконують строго певні функції.

Зокрема, в центральний процесор входить арифметично-логічний пристрій ( АЛУ). внутрішнє пристрій у вигляді регістрів процесора і внутрішньої кеш-пам'яті, керуючий пристрій (УУ).

Пристрій введення, як правило, теж не є однією конструктивною одиницею. Оскільки види вхідної інформації різноманітні, джерел введення даних може бути кілька. Те ж стосується і пристроїв виведення.

процесор - це центральний обчислювальний блок в ЕОМ будь-якого типу. Він здійснює обчислення по зберігається в оперативній пам'яті програмою і забезпечує загальне управління комп'ютером.

Процесор, як мінімум, містить:

• Арифметико-логічний пристрій (АЛП), Призначене для виконання арифметичних і логічних операцій;

• Пристрій управління (УУ), Призначене для виконання загального управління обчислювальним процесом за програмою і координації всіх пристроїв ЕОМ. УУ в певній послідовності вибирає з оперативної пам'яті команду за командою. Потім: кожна, команда декодується, за потреби елементи даних із зазначених в команді комірок оперативної пам'яті передаються в АЛП. АЛУ налаштовується на виконання дії, зазначеного поточної командою (в цій дії можуть брати участь також пристрої введення-виведення); дається команда на виконання цієї дії. Цей процес буде продовжуватися до тих пір. поки не виникне одна з наступних ситуацій: вичерпано вхідні дані, від одного з пристроїв надійшла команда на припинення роботи, вимкнено живлення комп'ютера.

Оперативна пам'ять (ЗУ) - це архітектурний блок ЕОМ, призначений для тимчасового (оперативна пам'ять) і тривалого (постійна пам'ять) зберігання програм, вхідних і результуючих даних, а також проміжних результатів на пристроях зовнішньої пам'яті пристрою (ВЗУ).

Оперативна пам'ять (ОЗУ) - служить для прийому, зберігання та видачі інформації. У ній містяться програми і дані, доступні для використання мікропроцесором, а також проміжні та кінцеві результати обчислень. Процес виконання програми зводиться до перетворення вихідного стану пам'яті в заключне (кінцеве). ОЗУ є енергозалежною пристроєм, що означає втрату інформації при відключенні електроживлення. Швидкість роботи комп'ютера істотно залежить від швидкодії оперативної пам'яті. Тому постійно ведуться пошуки елементів для оперативної пам'яті, потребували б якомога менше часу на операції читанні-записи. Проблема вирішується побудовою багаторівневої пам'яті.

Оперативна пам'ять складається з двох-трьох частин: основна частина великої ємності будується на відносно повільних (більш дешевих) елементах, а додаткова (так звана кеш-пам'ять) складається з швидкодіючих елементів. Дані, до яких найчастіше звертається процесор, знаходяться в кеш-пам'яті, а більший обсяг оперативної інформації зберігається в основній пам'яті.

Постійний запам'ятовуючий пристрій (ПЗУ). Незалежне пристрій, призначений для довготривалого зберігання службової та первинної інформації. Представлено у вигляді мікросхем, розташованих на материнській (системної) плати.

Зовнішнєпристрій (ВЗУ). Енергонезалежні пристрої, що забезпечують надійне зберігання і видачу інформації. У них зберігаються часто використовувані програми і дані (див. Пристрої, зберігання). Однак швидкість обміну даними між постійною пам'яттю та центральним процесором, в переважній більшості випадків, значно менше, ніж у оперативної пам'яті.

Пристрої введення (УВВ) і виводу (УВ), Відносяться до категорії периферійних пристроїв. раніше роботою пристроїв введення-виведення керував центральний процесор, що займало чимало часу. Архітектура сучасних ЕОМ передбачає наявність каналів прямого доступу до оперативної пам'яті для обміну даними з пристроями введення-виведення без участі центрального процесора, а також передачу більшості функцій управління периферійними пристроями спеціалізованим процесорам, що розвантажує центральний процесор і підвищує його продуктивність.

система переривань. перериваннямназивається ситуація, що вимагає яких-небудь дій мікропроцесора при виникненні певної події. Під системою переривань розуміють програмно-апаратний комплекс, що забезпечує виконання та обробку переривань.

Процесор повинен оперативно реагувати на різні події, що відбуваються в комп'ютері в результаті дій оператора або без його відома. Як приклади такого роду можна привести натискання клавіш на клавіатурі, спроба поділу на нуль (в ході виконання програми), збій харчування (інші збої в роботі обладнання), заплановані звернення до ядру операційної системи та інше. Необхідну реакцію на переривання забезпечує система переривання.

Обробка переривань зводиться до припинення виконання поточної послідовності команд, замість якої починає інтерпретуватися інша послідовність, що відповідає даному типу переривання і звана оброблювачем переривання. Після її реалізації, виконання програми може бути продовжено, якщо це можливо чи доцільно, що залежить від типу переривання.

Система портів введення-виведення забезпечує безпосереднє підключення адаптера периферійного пристрою до системної шини, тобто, по суті, є точкою такого підключення периферійного пристрою до комп'ютерної системи. Кожен порт введення-виведення має свою адресу, при цьому периферійного пристрою може бути присвоєно кілька портів введення-виведення. Сукупність портів введення-виведення утворюють систему портів введення-виведення. Спрощено порт введення-виведення можна вважати регістром, в який записується, інформація для передачі її е Л периферійний пристрій або з якого зчитується інформація, отримана з периферійного пристрою.

З точки зору користувача, порт - це інтерфейс (роз'єм) для підключення пристрою (клавіатури, мишки, дисплея, принтера, навушників і т.д.) до комп'ютера. Зазвичай порти вводу-виводу розташовуються на задній панелі корпусу системного модуля, частина з них може виноситися і на передню панель.

Адаптер, контролер. Поняття «адаптер периферійного пристрою» можна вважати синонімом терміна «контролер», проте останній частіше вживається для пристрою реалізують більш складні функції з управління периферійними пристроями (Рис. 5).

Мал. 5.Відеоконтроллер. Управляє відображенням на дисплеї на дисплей

Розвинені контролери периферійних пристроїв включають в свій склад спеціалізовані мікропроцесори і пам'ять. Це саме можна сказати і до периферійних пристроїв зі складними алгоритмами роботи, які вимагають наявності здійснених блоків управління. З точки зору користувача, (адаптер або контролер) являє собою плату з набором мікросхем і портів введення-виведення, в його завдання входить управління підключеним до нього пристроєм. Це може бути дисплей, принтер, аудіо пристрої та ін.

адаптер інтерфейсу - це засіб сполучення центральної частини ЕОМ з периферійними пристроями, в яких всі фізичні і логічні параметри відповідають заздалегідь визначеними параметрами (певним протоколу) і широко використовуються в інших пристроях.

Мал. 6. Адаптер інтерфейсу

Сучасна архітектура комп'ютерної системи. Зберігши принципи побудови архітектури ЕОМ по Нейману, сучасна архітектура збагатилася додатковими принципами і сьогодні архітектура ЕОМ визначають наступні принципи:

• Принцип програмного управління. Забезпечує автоматизацію процесу обчислень на ЕОМ, Згідно з цим принципом, для вирішення кожного завдання складається програма, яка визначає послідовність дій комп'ютера. Ефективність програмного керування тоді, коли задача розв'язується за тією самою програмою багато разів (хоч і за різних початкових даних).
• Принцип програми, що зберігається в пам'яті. Згідно з цим принципом, команди програми подаються, як і дані, у вигляді чисел і обробляються так само, як і числа, а сама програма перед виконанням завантажується в оперативну пам'ять, що прискорює процес її виконання.
• Принцип довільного доступу до пам'яті. Відповідно до цього принципу, елементи програм я даних можуть записуватися в довільне місце оперативної пам'яті, що дозволяє звернутися по будь-якому заданому адресою (до конкретної ділянки пам'яті) без перегляду попередніх.
• Принцип поділу функцій. Процесор керує всіма операціями на вищому рівні, в той час як конкретну інтерпретацію його загальних команд для окремих пристроїв реалізують спеціальні вузли знаходяться - контролери. Процесор може обробляти інформацію тільки в тому випадку, якщо вона вже піддалася первинній обробці. Цю функцію беруть на себе контролери пристрою введення. Вони призводять вхідні дані до єдиного стандарту. Потім дані пересилаються в оперативну пам'ять, де вони розкладаються по осередках і забезпечуються посиланнями (адресами), необхідними для їх використання. Висновок інформації відбувається також за посередництва керуючих пристроїв виведення, які знову виробляють переформатувати дані в потрібний стандарт. В принципі, всі пристрої комп'ютера мають свої контролери (накопичувачі, монітор, принтер, плоттер, стример і ін.) Виходячи з цього, можна сформулювати один з важливих принципів роботи ЕОМ.

функціональні підсистеми. В процесі своєї роботи ЕОМ здійснює:

• Введення інформації ззовні;
• Тимчасове зберігання;
• перетворення;
• Висновок у вигляді, доступному для сприйняття, її людиною.

Процес отримання даних комп'ютером називається коротко « введення», А видача її користувачеві - «Висновок». Ці процеси настільки важливі, що для їх реалізації запропоновано велику кількість різноманітних пристроїв. Крім того, не можна забувати, що «введення» і «висновок» - це дві сторони одного процесу обміну інформацією, причому без жодної з них не буває інший. Тому, коли говорять нe про перетворення даних, а про їх передачу комп'ютера для обчислень і отримання підсумкових результаті в застосовують термін «введення-виведення».

У процесі введення дані наводяться до формату, який може бути сприйнятий комп'ютером, а при виводі - до виду, звичного для людини.

У кожному з перерахованих етапів процесу реалізується окрема функціональна підсистема:

• підсистема введення даних;
• підсистема зберігання даних;
• підсистема перетворення даних;
• підсистема виведення інформації.

Всі підсистеми пов'язані між собою каналами обміну, згрупованими в потоки. Крім даних і команд вони несуть сигнали таймера і напругу живлення до всіх блоків комп'ютера. Ці потоки мають конструктивне вираження у вигляді проводів і роз'ємів, що мають назву шини (див. Нижче).

Підсистема пристроїв введення. Введення інформації в комп'ютер здійснюється спеціалізованими пристроями як стандартними, (див. Нижче), так і нестандартними (факультативними).

Введення інформації в персональний комп'ютер здійснюється в три етапи:

• сприйняття інформації ззовні;
• приведення даних до певного формату, зрозумілому комп'ютера;
• передача даних на комп'ютерну шину;

Підсистема пристроїв виведення. Підсистема виведення інформації дозволяє користувачеві комп'ютера отримати результати роботи в звичному для нього вигляді. Пристрої виведення інформації так само. як і пристрої введення інформації, можуть бути стандартними (див. нижче) і нестандартними (факультативними).

Висновок інформації також здійснюється в три етапи, причому їх черговість зворотна такої в процесі введення:

• сприйняття інформації, переданої по каналах шини;
• приведення інформації до формату, характерному для пристрою виводу;
• видача результатів роботи на. пристроях виведення інформації.

підсистема перетворення. Перетворенням даних в інформацію в комп'ютері здійснюється процесором. Процесор, як мінімум, містить пристрій управління ( УУ) І арифметико-логічний пристрій ( АЛУ). Пристрій управління, по суті, є «господарем» комп'ютера і виконує наступні функції:

• встановлює черговість для завдань, що виконуються системою;
• генерує керуючі сигнали для розподілу операцій і потоків даних як усередині арифметико-логічного пристрою, так і поза ним;
• управляє передачею інформації по адресній шині і шині даних;
• сприймає і обробляє службові сигнали, що прямують по керуючої шині системи.

підсистема зберігання. Для того, щоб ефективно працювати з даними, процесору необхідно мати до них швидкий і вільний доступ. Функції проміжного зберігання виконує підсистема зберігання інформації. Поступово в комп'ютер з підсистеми введення, наведена до певного внутрішнього стандарту інформація розташовується в осередках оперативної пам'яті, після чого, у міру необхідності. обробляється процесором.

Пам'ять персонального комп'ютера реалізована на електронних елементах і, як уже говорилося вище, є енергозалежною. Цей спосіб зберігання інформації дуже вразливий. Після закінчення сеансу роботи вміст оперативної пам'яті записується на диск. Тепер для даних безпечно раптове вимикання електроенергії, тому, що інформація, записана на диску, відновить в пам'яті все. що було до того.

Для довготривалого та надійного зберігання даних створено безліч більш надійних пристроїв; магнітні і магнітооптичні накопичувачі, накопичувачі на магнітній стрічці і інші.

У зовнішніх запам'ятовуючих пристроїв ( ВЗП) Має дві незаперечних переваги перед оперативною пам'яттю:

• зберігання інформації не вимагає забезпечення енергією;
• обсяги інформації можуть бути надзвичайно великими.

На підставі цих принципів можна стверджувати, що сучасний комп'ютер - це технічний пристрій, який після введення в пам'ять початкових даних у вигляді цифрових кодів і програми їх обробки, вираженої також цифровими кодами, здатний автоматично здійснити обчислювальний процес, заданий програмою, і видати готові результати розв'язання задачі у формі, придатній для сприйняття людиною.

методи класифікації комп'ютерів. Номенклатура видів комп'ютерів сьогодні величезна: машини розрізняються за призначенням, потужністю, розмірами, елементній базі і т.д. Тому класифікують ЕОМ за різними ознаками. Слід зауважити, що будь-яка класифікація є певною мірою умовна, оскільки розвиток комп'ютерної науки і техніки настільки стрімкий, що. наприклад, сьогоднішня ми до по ЕОМ не поступається за потужністю мініЕОМ п'ятирічної давності і навіть суперкомп'ютерів недавнього минулого. Крім того, зарахування комп'ютерів до певного класу досить умовне як через нечіткість розмежування груп, так і внаслідок впровадження в практику замовного складання комп'ютерів, де номенклатуру вузлів і конкретні моделі їх адаптують до вимог замовника. Розглянемо найбільш поширені критерії класифікації комп'ютерів.

Класифікація за призначенням

• великі електронно-обчислювальні машини (БЕВМ);
• мініЕВМ;
• мікроЕОМ:
• персональні комп'ютери.

великі ЕОМ(MainFrame) . Застосовують для обслуговування великих галузей народного господарства. Вони характеризуються потужними паралельно працюючими процесорами (кількість яких досягає до 100), інтегральною швидкодією до десятків мільярдів операцій в секунду, розрахованих на багато користувачів режимом роботи.

На базі великих ЕОМ створюють обчислювальний центр, який містить кілька відділів або груп (Табл. 1). Структура обчислювального центру на базі великої ЕОМ може бути наступна:

• центральний процесор - основний блок БЕВМ. в якому відбувається обробка даних і обчислення результатів. Являє собою декілька системних блоків в окремій кімнаті, де підтримується постійна температура і вологість повітря.
• Група системного програмування - займається розробкою, налагодженням і впровадженням програмного забезпечення, необхідного для функціонування обчислювальної системи. Системні програми забезпечують взаємодію програм з обладнанням, тобто програмно-апаратний інтерфейс обчислювальної системи.
• Група прикладного програмування - займається створенням програм для виконання конкретних дій з даними, тобто забезпечення користувацького інтерфейсу обчислювальної системи.
• Група підготовки даних - займається підготовкою даних, які будуть опрацьовані на прикладних програмах, створених прикладними програмістами. Зокрема, це набір тексту, сканування зображень, заповнення баз даних.
• Група технічного забезпечення - займається технічним обслуговуванням всієїобчислювальної системи, ремонтом та налагодженням апаратури, під'єднанням нових пристроїв.
• Група інформаційного забезпечення - забезпечує технічною інформацією всі підрозділи обчислювального центру, створює і зберігає архіви розроблених програм (бібліотеки програм) та накопичених даних (банки даних).
• Відділ видачі даних - отримує дані від центрального процесора і перетворює їх в форму, зручну для замовника (роздрук).

Великим ЕОМ притаманна висока вартість обладнання та обслуговування, тому робота організована у неперервний цикл.

мініЕОМ. Ця категорія схожа на великі ЕОМ, але менших розмірів. Використовують на великих підприємствах, наукових установах та організаціях. Часто використовують для керування виробничими, процесами. Характеризуються мультипроцессорной архітектурою, підключенням до 200 терміналів, дисковими запам'ятовуючими пристроями, що нарощуються до сотень гігабайт, розгалуженою периферією. Для організації роботи з мініЕВМ потрібен обчислювальний центр, але менший, ніж для великих ЕОМ.

МікроЕОМ. Мікрокомп'ютер (microcomputer) - обчислювальна система, в якій в якості керуючого і арифметичного пристрою використовується мікропроцесор. У більш досконалих мікро-ЕОМ можуть застосовуватися кілька мікропроцесорів. Продуктивність цієї системи визначається не тільки характеристиками застосовуваного процесора, але і ємністю наявної оперативної пам'яті, типами периферійних пристроїв, якістю конструктивних рішень, розширюваністю і ін. Зараз вони перетворилися в інструментальні засоби для вирішення складних завдань. Мікропроцесори стали більш потужними, а периферійні пристрої більш ефективними, тому мікро-ЕОМ в даний момент витісняють міні-ЕОМ і різниця між ними поступово зменшується. На комп'ютери саме цієї категорії і розрахований даний курс навчання.

Мікрокомп'ютери умовно можна розділити на професійні і побутові. У зв'язку з здешевленням апаратної частини, межі між ними поступово розмивається. З 1999 року задіяний міжнародний сертифікаційний стандарт - специфікація РС99:

• масовий персональний комп'ютер (Consumer PC) - відносно не дорогі системи, що задовольняють вимогам користувача;
• ділової персональний комп'ютер (Office PC) - мають мінімум засобів відтворення графіки та звуку;
• портативний персональний комп'ютер (Mobile PC) - відрізняються наявністю засобів з'єднання віддаленого доступу (комп'ютерний зв'язок);
• робоча станція (Workstation) - відрізняються збільшеними вимогами до пристроїв зберігання і обробки;
• розважальний персональний комп'ютер (Entertainment PC) - роблять основний акцент на мультимедійність за допомогою розвинених засобів відтворення графіки та звуку.

Класифікація мікрокомп'ютерів за цільовим призначенням або рівню спеціалізації.

• розраховані на багато користувачів мікрокомп'ютери (Сервери) - це мікрокомп'ютери, що працюють в режимі поділу часу забезпечуючи роботу декількох користувачів одночасно. Вони виконуються в одній малогабаритній стійці або в настільному варіанті і в більшості випадків є підмножиною комп'ютерної мережі.
• спеціалізовані або робочі станції (АРМ) - являють собою мікрокомп'ютер, обладнаний усіма засобами, необхідними для виконання робіт певного типу. Розрізняють АРМ інженерні, графічні, автоматизованого проектування, видавничі (настільні видавничі системи) та інші.
• вбудовані мікрокомп'ютери - являють собою обчислювальні системи, створені для вирішення конкретних завдань. Використовувані для управління (наприклад, верстатом або комплексом верстатів, науковим обладнанням, бойовою одиницею і ін.) І обробки вимірів. Конструктивно вони виконуються у вигляді однієї або декількох плат і не забезпечують реалізацію широкого спектру обчислювальних функцій, а також стандартного взаємодії з користувачем.

Класифікація за розміром. Крім цільового призначення, в залежності від конструктивного використання, мікрокомп'ютери діляться на стаціонарні і портативні.

• стаціонарні мікрокомп'ютери. Встановлюються на столі, тумбі або в вигляді малогабаритної стійки на підлозі.
• переносні мікрокомп'ютери. Мають порівняно невелику масу і габарити, транспортуються через одного чоловіка, як правило, не мають автономного живлення;
• Переносні мікрокомп'ютери з автономним живленням . Діляться на ряд категорій:
• наколінні(Laptop), виконані у вигляді дипломата;
• кишенькові(Pocket), що містяться в кишені.

Найбільш поширеними є настільні мікрокомп'ютери, які дозволяють легко змінювати конфігурацію. Портативні зручні для користування, мають засоби комп'ютерного зв'язку. Кишенькові моделі можна назвати "інтелектуальними" записниками, дозволяють зберігати оперативні дані і отримувати до них швидкий доступ.

Класифікація за сумісністю. Існує безліч типів комп'ютерів, які збираються з деталей, виготовлених різними виробниками. Важливим є забезпечення сумісності комп'ютера, яка має кілька рівнів:

• апаратна сумісність (платформа IBM PC та Apple Macintosh);
• сумісність на рівні операційної системи;
• програмна сумісність;
• сумісність на рівні даних.

Питання для самоконтролю

1. Що називають обчислювальною технікою?
   1. Що називають обчислювальною системою?
   2. Що таке комп'ютер?
   3. Що таке архітектура ЕОМ?
   4. Перерахуйте принципи побудови архітектури ЕОМ по Нейману?
   5. Що таке швидкодію?
   6. Що таке продуктивність комп'ютера?
   7. Що таке процесор?
   8. Що таке арифметично-логічний пристрій?
   9. Що таке пристрій управління?
   10. Що таке пристрій?
   11. Що таке оперативна пам'ять?
   12. Що таке зовнішній пристрій?
   13. Що таке переривання?
   14. Що таке система переривань?
   15. Що таке обробка переривань і обробник переривань?
   16. Що таке порт введення-виведення?
   17. Що таке адаптер і контролер?
   18. Що таке адаптер інтерфейсу?
   19. Які функції здійснює ЕОМ в процесі своєї роботи?
   20. Перерахуйте функціональні підсистеми ЕОМ.
   21. Які функції здійснює підсистема введення даних?
   22. Які функції здійснює підсистема виведення даних?
   23. Які функції здійснює підсистема перетворення даних?
   24. Що таке мікрокомп'ютер?
   25. Що таке сервер?
   26. Що таке АРМ?
   27. Перерахуйте типи сумісності комп'ютерних систем?

Пам'ять ЕОМ складається з довічних запам'ятовуючих елементів - бітів (англ. Binary Digit - двійкова цифра). У звичайних ЕОМ застосовуються осередки, що складаються з чотирьох послідовно розташованих байтів (з слів), але в ранніх ЕОМ використовуються одно- або двобайтові осередки (півслова), а в деяких супер-ЕОМ - восьмібайтовие осередки.

У кожну клітинку пам'яті може бути записано тільки одне число або одна команда. Двійковий код зберігається в осередку до тих пір, поки в неї не буде записаний новий двійковий код або поки не буде знеструмлена машина. Розбиття пам'яті на слова для чотирьохбайтового ЕОМ представлено на рис. 2.16.

64-розрядний процесор

32-розрядний процесор

16-розрядний процесор

півслова

півслова

півслова

півслова

подвійне слово

Мал. 2.16. Розбиття пам'яті на слова в ПЕОМ

У сучасних комп'ютерах прийнята 32-розрядна адресація, а це означає, що незалежних адрес всього може бути 2 32. Таким чином, можлива безпосередня адресація до поля пам'яті розміром 2 32 \u003d 4 294 967 296 байт (4,3 Гб).

Розрізняють пристрої зберігання інформації, реалізовані у вигляді електронних схем, і накопичувачі інформації, за допомогою яких дані записуються на будь-який носій (рис. 2.17), наприклад магнітний або оптичний (раніше використовувалися паперові носії - перфокарти і перфострічки).

Зовнішня пам'ять розташовується на магнітних або оптичних дисках. Запис і зчитування інформації при роботі із зовнішньою пам'яттю відбуваються повільніше, ніж при роботі з ЯАМ, зате зовнішня пам'ять має великий обсяг і вміст її не змінюється при виключенні комп'ютера.

Незалежна пам'ять представлена \u200b\u200bмікросхемою пам'яті, в яку записана інформація про тип апаратури компью-

Електронні схеми Накопичувачі інформації

Оперативне Магнітні Магнітні

пристрій (ОЗУ, RAM) або оперативна пам'ять

Постійний запам'ятовуючий пристрій (ПЗУ, ROM)

диски стрічки

гнучкі Жорсткі

магнітні магнітні диски диски

(Дискети) (вінчестери)

Оптичні Магнитооптические диски диски

Прості З можливістю (CD) записи

Мал. 2.17. Класифікація накопичувачів і пристроїв

зберігання інформації

тера і його налаштування. Налаштування ПК може змінюватися за бажанням користувача, тому незалежна пам'ять дозволяє не тільки зчитувати з неї дані, але і записувати. По суті, тут використовується звичайна мікросхема RAM, але виготовлена \u200b\u200bза особливою CMOS-технології, що забезпечує мале споживання енергії при роботі цього пристрою, тому незалежну пам'ять часто називають CMOS-пам'яттю. За CMOS-технології виготовляють все мікросхеми для портативних ПК, щоб забезпечити тривалу роботу їх батарей харчування. Мікросхема енергонезалежної пам'яті підключається до батарейці, що зберігає записані в мікросхемі дані при виключенні ПК з мережі.

Пристрої, що представляють собою електронні схеми, Відрізняються невеликим часом доступу до даних, але не дозволяють зберігати великі обсяги інформації. Накопичувачі інформації, навпаки, дають можливість зберігати великі обсяги інформації, але час її запису і зчитування велико, тому ефективна робота на комп'ютері можлива тільки при спільному використанні накопичувачів інформації та пристроїв зберігання, реалізованих у вигляді електронних схем.

Мікросхема (чіп) BIOS (Basic Input / Output System - базова система введення-виведення). Це вбудоване в комп'ютер програмне забезпечення, Яке доступне без звертання до диска; сукупність програм, призначених для автоматичного тестування пристроїв після включення живлення комп'ютера і завантаження операційної системи в оперативну пам'ять.

Роль BIOS двояка: з одного боку, це невід'ємний елемент апаратури (Hardware), а з іншого боку, важливий модуль будь-якій операційній системи (Software). BIOS містить код, необхідний для управління клавіатурою, відеокартою, дисками, портами та іншими пристроями.

Зазвичай BIOS розміщується в мікросхемі ПЗУ (ROM), розташованої на материнській платі комп'ютера (тому даний чіп часто називають ROM BIOS). Ця технологія дозволяє BIOS завжди бути доступним, незважаючи на пошкодження, наприклад, дискової системи і дозволяє комп'ютеру самостійно завантажуватися. Оскільки доступ до RAM (оперативної пам'яті) здійснюється значно швидше, ніж до ROM, виробники комп'ютерів створюють системи таким чином, щоб при включенні комп'ютера виконувалося копіювання BIOS з ROM в оперативну пам'ять.

Постійна пам'ять призначена для зберігання постійної інформації, яка записується в мікросхему постійної пам'яті заводом - виробником комп'ютера. До складу BIOS входять програма самотестування комп'ютера при його включенні, драйвери деяких пристроїв (монітора, дискових накопичувачів інформації та ін.), А також програма завантаження операційної системи з дискових пристроїв. В даний час майже всі материнські плати комплектуються мікросхемою для постійного зберігання початкового коду, що виконується завантаження ком'ютера FLASH BIOS, який в будь-який момент може бути перезаписан в мікросхемі ROM за допомогою спеціальної програми.

Зовнішній пристрій (ВЗУ). Цей пристрій ділиться на оперативний пристрій, постійний запам'ятовуючий пристрій і кеш-пам'ять.

Зовнішня пам'ять призначена для тривалого зберігання програм і даних, і цілісність її вмісту не залежить від того, включений або вимкнений комп'ютер. додатковими пристроями зовнішньої пам'яті є:

• FDD (Floppy Disk Drive) - накопичувач на гнучких магнітних дисках, ємність - 1,44 Мб;
• CD-ROM і R / W - накопичувач на лазерних компакт-дисках, ємність - 800 Мб;
• DVD-ROM і R / W - накопичувач на лазерних DVD-дисках, ємність - до 16 Гб;
• HDD (Hard Disk Drive) - накопичувач на жорстких магнітних дисках, ємність - більше 100 Гб;
• FLASH - накопичувач на мікросхемах пам'яті, ємність - до 8 Гб.

Пам'ять комп'ютера повинна складатися з певної кількості пронумерованих осередків, у кожній з яких можуть перебувати або оброблювані дані, або інструкції програм. Всі комірки пам'яті повинні бути однаково доступні для інших пристроїв комп'ютера.

Оперативний пристрій (ОЗУ, англ. Random Access Memory, RAM) - призначено для запису, зчитування і тимчасового зберігання програм (системних і прикладних), вихідних даних, проміжних і остаточних результатів.

При виключенні комп'ютера інформація в ОЗУ стирається. У сучасних комп'ютерах обсяг пам'яті зазвичай становить від 128 Мб до 2 Гб. Обсяг пам'яті - важлива характеристика комп'ютера, вона впливає на швидкість роботи комп'ютера і на працездатність програм. сучасні прикладні програми часто вимагають для виконання більш 4 Мбайт пам'яті, в іншому випадку програма просто не зможе працювати. Частина ОЗУ, звана «відеопам'ять», містить дані, відповідні цьому зображенню на екрані.

Конструктивно елементи оперативної пам'яті виконуються у вигляді мікросхем типу DIP (Dual In-line Package - дворядне розташування висновків) або у вигляді модулів пам'яті типу SIP (Single In-line Package - однорядне розташування висновків).

Персональний комп'ютер містить оперативну пам'ять чотирьох типів: модулі SIMM, що застосовуються в застарілих комп'ютерах на процесорах 386, 486 і Pentium; досконаліші модулі DIMM, які використовуються в комп'ютерах від Pentium II і Celeron до Pentium III і Athlon; сучасніші модулі DDR DIMM і МММ, які використовуються з новими процесорами і материнськими платами. Оперативний пристрій будується на мікросхемах пам'яті з довільним доступом до будь-якому осередку. Оперативна пам'ять буває або статичної (на тригерах) і називається SRAM (Static RAM), або динамічної (на основі конденсаторних осередків) - DRAM (Dynamic RAM).

У статичних ОЗУ в якості ЕП використовується статичний тригер, який здатний зберігати стан 0 або 1 необмежено довго (при включеному ПК). Динамічні ОЗУ будуються на конденсаторах, реалізованих всередині кристала кремнію. Динамічні ЕП (конденсатори) з плином часу са-моразряжаются і записана інформація втрачається, тому динамічним ЕП потрібно періодичне відновлення заряду - регенерація. Під час регенерації запис нової інформації повинна бути заборонена.

У порівнянні зі статичними динамічні ОЗУ мають більш високу питому ємність і меншу вартість, але більше енергоспоживання і незначне виділення швидкодію. Оперативні запам'ятовуючі пристрої мають модульну структуру. Збільшення ємності ОЗУ проводиться встановленням додаткових модулів. Час доступу до модулів DRAM становить 60-70 нс.

Сучасні комп'ютери мають ОЗУ, складову 512-1024 Мбайт. Процесор комп'ютера може працювати тільки з даними, які знаходяться в оперативній пам'яті. Дані з диска для обробки зчитуються в оперативну пам'ять. Основні фірми - виробники пам'яті - IBM, Seagate, Maxtor, Western, Digital, Fujitsi і Kingston. Частка продажів пам'яті DIMM значно знижується, поступаючись місцем модулів пам'яті DDR DIMM (256 і 512 Мбайт) або RIMM (128 і 256 Мбайт).

Постійний запам'ятовуючий пристрій (ПЗУ, англ. Real Only Memory - ROM - пам'ять тільки для читання) - незалежна пам'ять, використовується для зберігання даних, які ніколи не вимагають зміни.

Модулі та касети ПЗУ мають ємність, як правило, не перевищує декількох сотень кілобайт. Структурно основна пам'ять складається з мільйонів окремих осередків пам'яті ємністю 1 байт кожна. Загальна ємність основної пам'яті сучасних ПК зазвичай лежить в межах від 1 до 32 Мбайт.

Перепрограмувальна постійна пам'ять (FLASH Memory) - незалежна пам'ять, яка припускає багаторазову перезапис свого вмісту з дискети.

Реєстрова кеш-пам'ять - високошвидкісна пам'ять, що є буфером між оперативною пам'яттю і мікропроцесором, що дозволяє збільшувати швидкість виконання операцій. Створювати її доцільно в персональному комп'ютері з тактовою частотою генератора, що задає 40 МГц і більше. Регістри кеш-пам'яті недоступні для користувача, звідси і назва кеш (англ, cache - тайник). За принципом запису результатів розрізняють два типи кеш-пам'яті:

З другого записом - результати операцій перш, ніж записати їх ОЗУ, фіксуються в кеш-пам'яті, а потім кон-

троллер кеш-пам'яті самостійно перезаписує ці дані в ОЗУ;

З наскрізною записом - результати операцій одночасно паралельно записуються і в кеш-пам'ять, і в ОЗУ.

Для прискорення операцій з основною пам'яттю використовується реєстрова кеш-пам'ять усередині мікропроцесора (кеш-пам'ять першого рівня) або поза мікропроцесора на материнській платі (кеш-пам'ять другого рівня). Для прискорення операцій з дисковою пам'яттю організується кеш-пам'ять на елементах електронної пам'яті.

Мікропроцесори Pentium і Pentium Pro мають кеш-пам'ять окремо для даних і окремо для команд, причому якщо у Pentium ємність цієї пам'яті невелика - по 8 Кбайт, то у Pentium Pro вона досягає 256-512 Кбайт. Слід мати на увазі, що для всіх МП може використовуватися додаткова кеш-пам'ять, що розміщується на материнській платі поза МП, ємність якої може досягати кількох мегабайтів.

Основна мета застосування кеш-пам'яті - компенсація різниці в швидкості обробки інформації процесором (його регістри найшвидкодіючі) і дещо менш швидкодіючої оперативної пам'яттю. Кеш-пам'ять не доступна для користувача, використовується комп'ютером автоматично. Слід мати на увазі, що наявність кеш-пам'яті ємністю 256 Кбайт збільшує продуктивність ПК приблизно на 20%.

Основна пам'ять комп'ютера ділиться на дві логічні області: безпосередньо адресується пам'ять, що займає перші 1024 Кбайта осередків з адресами від 0 до 1024 Кбайт - 1, і розширену пам'ять, доступ до осередків якої можливий при використанні спеціальних програм-драйверів.

стандартною пам'яттю (Conventional Memory Area - СМА) називається безпосередньо адресується пам'ять в діапазоні від 0 до 640 Кбайт. Безпосередньо адресується пам'ять в діапазоні адрес від 640 до 1024 Кбайт називається верхньої пам'яттю(UMA - Upper Memory Area). Верхня пам'ять зарезервована для пам'яті монітора (відеопам'ять) і постійного пам'яті. Однак зазвичай в ній залишаються вільні ділянки - «вікна», які можуть бути використані за допомогою диспетчера пам'яті в якості оперативної пам'яті загального призначення.

Розширена пам'ять - пам'ять з адресами тисячу двадцять чотири Кбайта і вище. Безпосередній доступ до цієї пам'яті можливий тільки в захищеному режимі роботи мікропроцесора. У реальному режимі є два способи доступу до цієї пам'яті, але тільки при використанні драйверів: за специфікаціями XMS (extended Memory Specification) і EMS (Expanded Memory Specification).

Доступ до розширеної пам'яті згідно специфікації XMS організовується при використанні драйверів ХММ (extended Memory Manager). Цю пам'ять часто називають додаткової, враховуючи, що в перших моделях персональних комп'ютерів ця пам'ять розміщувалася на окремих додаткових платах. Специфікація EMS - більш рання, доступ в ній реалізується шляхом відображення полів Expanded Memory в певну область верхньої пам'яті. При цьому зберігається не обробляється інформація, а лише адреси, що забезпечують доступ до цієї інформації. Пам'ять, організована за специфікацією EMS, носить назву відображається.

Розширена пам'ять може бути використана головним чином для зберігання даних і деяких програм ОС. Розширену пам'ять часто застосовують для організації віртуальних (електронних) дисків.

відеопам'ять (VRAM) - різновид оперативного ОЗУ, в якому зберігаються закодовані зображення. Це ЗУ організовано так, що його різноманітні опції відображаються відразу двом пристроям - процесору і монітора, тому зображення на екрані змінюється одночасно з оновленням відеоданих в пам'яті.

контролери і адаптери являють собою набори електронних ланцюгів, якими забезпечуються пристрої комп'ютера з метою сумісності їх інтерфейсів. Контролери, крім того, здійснюють безпосереднє управління периферійними пристроями за запитами мікропроцесора.

порти пристроїв являють собою електронні схеми, що містять один або кілька регістрів вводу-виводу і дозволяють підключати периферійні пристрої комп'ютера до зовнішніх шин мікропроцесора.

Системна (материнська) плата комп'ютера. Материнська плата - основна плата ПК (рис. 2.18), на якій розміщуються:

• процесор (мікросхема, що виконує більшість обчислювальних операцій);
• мікропроцесорний комплект (чіпсет) - набір мікросхем, що керують роботою внутрішніх пристроїв комп'ютера;
• три шини (набори провідників, по яких відбувається обмін сигналами між внутрішніми пристроями комп'ютера);
• оперативна пам'ять (ОЗУ) - набір мікросхем, призначених для тимчасового зберігання даних;
• ПЗУ - мікросхема, призначена для тривалого зберігання даних;
• роз'єми (слоти) для підключення додаткових пристроїв;
• засоби моніторингу стану системної плати.

Зони зовнішніх роз'ємів Слоти плат

вбудованої периферії розширення

Мал. 2.18. Системна плата комп'ютера

Синхронізація і розгін системної плати. Основний тактовий генератор системної плати виробляє високостабільні імпульси опорної частоти, використовуваної для синхронізації процесора, пам'яті і шин вводу-виводу. Оскільки швидкодія цих підсистем суттєво різниться, кожна з них може синхронізуватися зі своєю частотою. В чіпсетах асинхронного типу частоти відносно незалежні, що відкриває можливість для оптимізації продуктивності і розгону. Найбільш частий об'єкт для розгону - центральний процесор. Цілком очевидно, що продуктивність конкретного процесора залежить від тактової частоти ядра і частоти системної шини. Перша складова визначає темп обробки, а друга - швидкість доставки інструкцій і даних. Максимально допустима тактова частота визначається затримками між різними сигналами і розсіюється потужністю процесора.

Кеш-пам'ять - пам'ять невеликої ємності, але надзвичайно високої швидкодії (час звернення до МПП, т. е. час, необхідне на пошук, запис або зчитування інформації з цієї пам'яті, вимірюється наносекундами). Вона призначена для короткочасного зберігання, запису та видачі інформації в найближчі такти роботи машини, безпосередньо бере участь в обчисленнях.

Процесор. Це центральна частина будь-якого сучасного комп'ютера, що управляє іншими пристроями. У ньому розташовані арифметико-логічний пристрій, пристрій управління і регістри для тимчасового зберігання інформації. Процесор зчитує дані з ОЗУ (оперативної пам'яті) комп'ютера, туди ж він пересилає результат дії над цими даними. Процесор може виконувати наступні операції над двійковими числами: арифметичні, логічні, операції порівняння, операції з пам'яттю і операції з передачі управління.

Процесор виконує всі дії тільки за програмою, т. Е. Певну послідовність команд. Більшість помилок комп'ютера під час роботи пов'язано саме з помилками програміста, який не зміг передбачити всі можливі ситуації.

Процесор виконує наступні функції:

• обробка даних за заданою програмою шляхом виконання арифметичних і логічних операцій;
• програмне керування роботою пристроїв комп'ютера.

Швидкість роботи процесора визначається його тактовою частотою. Чим вона більше, тим більш швидкодіючий процесор. Сучасні процесори працюють на частотах понад 3 ГГц (табл. 2.3).

Кожен конкретний процесор може працювати тільки з певною кількістю оперативної пам'яті. Максимальна кількість пам'яті, яке процесор може обслужити, називаються

Таблиця 2.3. Фірми-виробники процесорів

ється адресним простором процесора і є важливою характеристикою комп'ютера. Визначається адресний простір розрядністю адресної шини.