МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОНИКИ И МАТЕМАТИКИ
Кафедра ЭВА
доцент, к.т.н.
Мартиросян С.Т.
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
ПО КУРСУ
«Организация ЭВМ, комплексов и сетей»
ЧАСТЬ I
ОРГАНИЗАЦИЯ ЭВМ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ
МОСКВА – 2003
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Пособие предназначено для самостоятельной работы студента над курсом “Организация ЭВМ, комплексов и сетей” по первой части курса – Организация ЭВМ и систем. Пособие может служить и методическим руководство для преподавателя информационных технологий. Пособие разработано на кафедре ЭВА.
ГЛАВА I. Основы функционирования ЭВМ
1.1 Базовые понятия информации
Итак, мы начинаем первое знакомство с величайшим достижением нашей цивилизации, стоящем в одном ряду с изобретением книгопечатания и открытием электричества – компьютером. Сначала мы вспомним базовые понятия информатики, как науки, изучающей основные аспекты получения, хранения, преобразования и передачи информации. Затем мы раскроем сущность, принцип работы компьютера как технического устройства. Научимся использовать его как эффективный инструмент не только для получения знаний, но и для повседневной работы.
Самое главное, мы, изучая компьютер, всегда будем делать акцент на разделяемых ресурсах компьютера. Компьютер сегодня – это инструмент сетевых технологий, окно в необозримый мир Интернета.
Что такое информация?
В сотнях книг и учебниках это понятие трактуется по разному. А ведь все мы интуитивно понимаем, что это такое. Действительно, при слове «информация» мы прежде всего вспоминаем радио, телевидение и т.д. В чем здесь дело? А дело в том, что понятие информации стоит в одном ряду с такими фундаментальными понятиями как энергия, энтропия, вещество. Нам важно понять свойства информации, свойства которые делают ее абсолютно необходимой для организованных живых и искусственных систем.
Информационные процессы.
Мы понимаем под информацией все так или иначе оформленные сведения или сообщения о вещах и явлениях, которые уменьшают степень неопределенности, хаотичности знаний об этих вещах или явлениях. Информация не есть нечто статичное, неизменное. Как правило, с ней все время что-то происходит, т.е. осуществляются информационные процессы. Эти процессы можно разделить на четыре группы – сбор, хранение, обработка и передача информации.
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ
  
КС КС КС КС
СБОР
ХРАНЕНИЕ
ОБРАБОТКА
ПЕРЕДАЧА
 
Канал Связи (параметр - пропускная способность)
СООБЩЕНИЕ
(отформатированные
данные, пересчет)
ДАННЫЕ
(зарегистрированные сигналы, датчик)
преобразователь)
 Сигналы
  
КС
ОБЪЕКТ
Рис. 1.1 Информационные процессы
Информация, воплощенная и зафиксированная в некоторой материальной форме, способная сохраняться и передаваться называется сообщением. Материальная среда, определяющая взаимодействие между источником и приемником сообщения, называется каналом связи. Восприятие информации приемником – преобразователем осуществляется при помощи сигналов. Сигналы имеют различную физическую природу и являются продуктами энергообмена, имеющие в своей основе материальную природу. Технические средства, преобразующие сигналы в форму, удобную для восприятия (человеком, техническим средством) называются первичными преобразователями информации или датчиками.
Данные.
Данные – это зарегистрированные сигналы. Данные не тождественны информации.
Примеры: состязание бегунов, пловцов – регистрация начального и конечного положения стрелки механического секундомера – перемещение стрелки это регистрация данных (однако информации о времени преодоления дистанции пока нет) – метод пересчета одной физической величины в другую (четверть круга – 15 секунд) позволяет получить информацию о скорости перемещения бегуна. Другой пример – напишем последовательность нескольких телефонных номеров:
302 65 21;
145 44 75;
194 05 67 и т.д.
Непосвященный человек воспримет эти цифры как данные ему ни о чем не говорящие. Если теперь подписать рядом с числами название и имена абонентов – это уже данные с которыми можно работать, использовать - т.е. ИНФОРМАЦИЯ. Для получения информации необходим алгоритм обработки данных.
Основные структуры данных
Понятие ДАННЫЕ будет пронизывать весь курс, поэтому необходимо ознакомиться с основными структурами данных: линейная, иерархическая и табличная.
Пример: книга - разобрали на отдельные листы и смешали, набор данных есть, но подобрать адекватный метод получения информации трудно. Если же собрать все листы в правильной последовательности, мы получим простейшую структуру данных – ЛИНЕЙНУЮ. Однако читать придется с самого начала до конца, что не всегда удобно.
Для быстрого поиска требуемой информации применяется ИЕРАРХИЧЕСКАЯ структура. Оглавление – разделы – параграфы и т.д. Элементы структуры более низкого уровня обязательно входят в элементы более высокого уровня.
Теперь представьте, мы связали линейную и иерархическую структуры, то есть связали разделы, главы, параграфы с номерами страниц (содержание). Тем самым, мы создали НАВИГАТОРА, который еще более упростит поиск – ТАБЛИЧНАЯ структура.
Обработка данных
Обработка данных или преобразование данных включает следующие операции:
сбор данных;
формализация данных, приведение к единому формату;
фильтрация данных, уменьшение уровня «шума»;
сортировка данных, повышение доступности информации;
архивация данных, организация хранения;
защита данных;
транспортировка данных;
преобразование данных, важнейшая и наиболее дорогая задача информатики, как правило, связанная с изменением носителя.
Формы адекватности информации (при первом чтении можно опустить)
При оценке информации необходимо установить качественные характеристики (ценность, достоверность) и количественные (объем, поток, пропускная способность).
Что бы выяснить уровень соответствия информации образу реального объекта (адекватность) применяются три формы соответствия:
Синтаксическая адекватность – отображает формально-структурные характеристики информации, не затрагивая ее смыслового содержания.
Пример: сообщение в двоичном коде 10110110, объем данных V=8 бит, или слово бурбумбия – 45 бит, а где смысл этого и каков он?
Семантическая (смысловая адекватность) – определяет степень соответствия образа объекта самому объекту, предполагает учет смыслового содержания информации. Информация в виде документов, формул, таблиц, текста и т.п. называется семантической информацией, т.е. информацией, имеющей значение, смысл в некотором языке, понимание семантической информации может осуществить только человек и адресатом семантической информации может быть только человек.
Пример: слово Тезаурус, для непосвященного набор букв, для специалиста в области информатики – совокупность сведений, которыми располагает пользователь(например словари синонимов, антонимов и т.д.).
Прагматическая (потребительская) адекватность – отражает отношение информации и ее потребителя, соответствие информации цели управления. Ценность, полезность информации при выработке решения для достижения цели. Пример:
вчера в Москве было сумрачно и дождливо, температура +1, +3 градуса;
завтра в Москве будет сумрачно и дождливо, температура +1, +3 градуса.
Сообразите где больше информации, какая из них более ценная?
Как измерить количество информации ?
После того как мы ознакомились с рядом типичных примеров, раскрывающих то, что понимают под информацией и ее обработкой, необходимо вернуться к информации как к понятию в целом. Точнее раскрыть суть этого понятия позволит ответ на вопрос: какие задачи помогает решать информация (а не что она собой представляет).
Информация устраняет неопределенность, предоставляет человеку или техническому устройству возможность сделать выбор в пользу одного из нескольких равноправных вариантов.
Попробуем понять о какой неопределенности идет речь и какова единица измерения информации?
Допустим, вы бросаете монетку, загадывая, что выпадет: орел или решка ? Есть всего два варианта возможного результата и оба они равноправны, а следовательно, равновероятны. Так вот, в этом случае перед подбрасыванием монеты неопределенность знаний о результате равна двум. Игральный кубик с шестью гранями – неопределенность равна шести. Еще пример: спортсмены – лыжники перед забегом определяют свой порядковый номер путем жеребьевки, если общее число спортсменов 16, то и неопределенность каждого номера равна шестнадцати.
По-видимому, единица измерения информации должна уменьшать неопределенность в два раза – эта единица получила название «бит» от английского binary digit – двоичная цифра.
Бит – минимальная единица информации. В каждом бите может хранится 0 или 1.
А теперь такая задачка: школьник на экзамене может получить одну из четырех оценок – 5, 4, 3, 2. Вы волнуетесь за него, ждете результата экзамена. Наконец он пришел и на ваш вопрос : «Ну, что получил ? » - ответил: «Четверку».
Вопрос: сколько бит информации содержится в его ответе ?
Будем отгадывать оценку постепенно, задавая вопросы, на которые можно ответить «да» или «нет».
Первый вопрос:
После этого ответа число вариантов уменьшилось в два раза, остались только 4 и 5. Получен один бит информации.
Второй вопрос:
Выбран один вариант из двух оставшихся: оценка – «четверка». Получен еще один бит информации. В сумме имеем 2 бита.
Американский математик Клод Шеннон в 1948 г. ввел численную меру неопределенности или неупорядоченности с которой посланное сообщение прибывает в пункт назначения. Попробуем вывести формулу Шеннона.
Обозначим буквой N количество возможных, равновероятных событий (неопределенность знаний). Буквой i обозначим количество информации в сообщении о том, что произошло одно из N событий.
В примере с монетой N = 2 i = 1;
В примере с оценками N = 4 i = 2;
В примере с лыжниками N = 16 i = 4.
Нетрудно заметить, что связь между этими величинами выражается формулой:
2 i = N.
Действительно: 2 1 = 2, 2 2 = 4, 2 4 = 16. Если величина N известна, а i – неизвестно, то формула становится показательным уравнением для определения i. Решение таких уравнений проводится с помощью логарифмической функции и таблиц логарифмов. Тогда уравнение Шеннона для количества информации будет:
I = Log 2 N.
Очевидно, что в данном случае речь идет о синтаксической мере информации.
Нетрудно заметить, что определение Шеннона не охватывает все стороны информации. Действительно, каждый знак русского текста несет информацию объемом в пять бит (Log 2 32) Следовательно, книга в 100 страниц по 2000 знаков на каждой содержит информацию в объеме 1 Мбит. Независимо от того, кто эту книгу набил на клавиатуре компьютера – человек или обезьяна.
Способы представления информации в ЭВМ
Первая форма представления информации называется аналоговой или непрерывной. Величины, представленные в такой форме, могут принимать любые значения, в каком – то диапазоне. Они могут быть сколь угодно близки друг к другу и изменяться в произвольные моменты времени.
Вторая форма представления информации называется цифровой или дискретной. Для дискретных сообщений характерно наличие фиксированного набора элементов, из которых в некоторые (вполне определенные) моменты времени формируются различные последовательности. В отличие от непрерывной величины количество значений дискретной величины всегда будет конечным.
Первая форма используется в аналоговых ВМ. Эти машины предназначены для решения задач, описываемых системами дифференциальных уравнений: исследования поведения подвижных объектов, моделирования ядерных реакторов, электромагнитных полей. Но АВМ не могут решать задачи, связанные с хранением и обработкой больших объемов информации, которые легко решаются при использовании цифровой формы представления информации, реализуемой цифровыми вычислительными машинами (ЭВМ).
Представление дискретной информации в ЭВМ.
За основу представления информации в ЭВМ была принята двоичная система счисления. Как и десятичная система счисления, двоичная система (в которой используются лишь цифры 0 или 1) является позиционной системой счисления, т.е. в ней значение каждой цифры числа зависит от положения (позиции) этой цифры в записи числа. Каждой позиции присваивается определенный вес. Например: число 371 можно записать в виде
3 х 102 +7 x 101 + 1 x 100 = 371 10
300 + 70 +1,
где цифры имеют вес 10i, или в двоичной системе счисления
1 x 28 + 0 x 27 + 1 x 26 + 1 x 25 + 1 x 24 + 0 x 23 + 0 x 22 + 1 x 21 + 1 x 20 =
1011100112 = 37110
где цифры имеют вес 2i.
Существуют специальные термины, широко используемые в вычислительной технике: бит, байт и слово.
Бит – это КВАНТ информации, самым важным сочетанием битов являются байты (8 бит).
Компьютеры работают в основном с байтами, которые являются основной операционной единицей компьютерных данных. Машинное слово (слово) технический термин, означающий 16 бит или 2 байта одновременно. Двойное слово – 4 байта, расширенное слово – 8 байт. Разрядность процессора (компьютера) – 16, 32- бита (или даже 64), означает число единиц данных, с которыми компьютер может оперировать одновременно.
Резюме
Все процессы в природе сопровождаются сигналами. Зарегистрированные сигналы образуют данные. Отформатированные данные – сообщения преобразуются, транспортируются и потребляются с помощью методов. При взаимодействии данных и адекватных им методов образуется информация. Информация – это динамический объект, образующийся в ходе информационного процесса. Информационный процесс состоит из:
сбора, хранения, обработки и передачи информации. Для удобства работы с данными их структурируют. Существуют следующие важнейшие структуры: линейная, табличная и иерархическая. В ЭВМ применяется универсальная система кодирования, называемая двоичным кодом. Элементарной единицей представления данных называется – бит, далее идут байт, слово, двойное слово.
|
