Бусыгин Б.С., Коротенко Г.М., Коротенко Л.М. Введение в современную информатику

Подождите немного. Документ загружается.

запись, считывание, пересылка данных и так далее в регистрах и других блоках

процессора. Для их обработки в интегральных схемах служат программный

счетчик (счётчик команд), стек и регистр команд. Понятно, что эти команды

также управляют и работой всех других устройств и компонентов устройств

ПК.

Команда микропроцессора обычно состоит из кода операции (КОП) и так

называемой адресной части, где могут указываться адреса операндов в

оперативной памяти (ОП, ОЗУ). Операндами называются данные, над

которыми команда производит какое либо действие. Как правило, в адресной

части команд указываются не сами операнды, а их адреса в операционных

устройствах ПК (регистрах, сумматорах, оперативной памяти и др.).

Форматы команд достаточно сильно зависят от конструкции процессора.

Для процессора, разработанного по архитектуре

Фон-Неймана, которой

соответствуют все большие чипы фирмы Intel, команды строятся следующим

образом (рис. 3.12).

Рис. 3.12. Построение команд процессоров Intel

Внутренние команды процессора являются основой архитектуры

вычислительной системы и, соответственно, компьютерной платформы

. На

их базе строятся практически все языки высокого уровня (ЯВУ), такие как С,

Pascal, С++, Object Pascal, Java и многие другие. В микропроцессоре команды

имеют цифровую кодировку (рис. 3.13), а данные обрабатываются в двоичной,

восьмеричной, шестнадцатиричной и десятичной системах счисления (см.

также Приложение 2).

Архитектура – описание вычислительной системы на некотором общем уровне, включающее описание

пользовательских возможностей программирования, системы команд и средств пользовательского интерфейса,

организации памяти и системы адресации, операций ввода-вывода и управления и т.д.

Платформа – совокупность аппаратных средств, программного обеспечения и интерфейсов, используемых в

конкретных компьютерах. Обычно платформа определяется применяемой операционной системой и

процессором.

Таким образом, каждой команде соответствует некоторый цифровой код (к

примеру, 01, 02 и т.д.), который специальным устройством дешифратором

интерпретируется в соответствующую последовательность элементарных

действий (посылок импульсов) исполняющим устройствам (триггерам,

сумматорам, регистрам и др.).

Если для кода операции используется восьмибитное слово (байт), то при

помощи этого слова можно закодировать 256 операций. В процессе разработки

системы команд нового устройства для операции может быть назначен любой

код. Именно системой команд и определяется конкретное семейство

процессоров. Однобайтные команды позволяют работать с внутренними

программно доступными регистрами процессора. При этом для выполнения

одной и той же операции над разными регистрами процессора назначаются

разные коды команд.

С целью удобства написания программ для конкретных устройств

компьютера разрабатываются специальные языки (программирования) нижнего

уровня (ЯНУ) – ассемблеры. Точно так же называют и программу или пакет

программ, которая осуществляет трансляцию (преобразование) исходного

текста программы (исходный модуль) в машинные коды (объектный модуль).

Далее, как правило, полученный код трансформируется в загрузочный модуль,

т.е. программу, представленную в виде пригодном для загрузки и выполнения.

Такой файл содержит программу в машинном коде, информацию для настройки

адресов в памяти ПК и имеет расширение .ЕХЕ.

В ассемблерных программах, цифровым кодам команд, приводятся в

соответствие мнемонические (текстовые) обозначения (к примеру,

ADD-сложить, LOOP –цикл, MOV–переслать и т.д) с соответствующими

адресными частями. Таким образом, для полного обозначения команды

используется мнемоническое обозначение операции и символические имена

используемых ею операндов, которые перечисляются через запятую. При этом

в большинстве процессоров операнд приёмник данных записывается первым, а

операнд источник данных – вторым.

Например:

MOV

R0, A

;Скопировать содержимое регистра A в регистр R0

Рис. 3.13.Фрагмент программы компьютера в цифровом виде

(16-ричный код).

Инструкция (команда) сложения содержимого двух регистров для 16-

разрядного процессора Intel 80286 на ассемблере выглядит следующим

образом:

ADD

AX,BX

;Сложить содержимое регистров AX и BX

Команда организации цикла имеет вид:

LOOP

MET1

; MET1 – імя метки начала цикла

Команда сдвига влево на 4 бита содержимого регистра АХ показана ниже.

SHL

AX,4

; AX імя регистра

Важность языка ассемблера состоит ещё и в том, что, например, в

действительности команда пересылки данных MOV – это целое семейство

машинных команд микропроцессора. Для разных типов адресов и операндов,

существует от семи (Intel 8080) и более различных вариантов данной команды.

Ассемблер порождает правильную машинную запись, основываясь на типах

операндов, которые указывает программист. И это одна из причин, по которой

ассемблер требует для операндов назначения типов, т.е. ассемблер должен

знать, что представляет собой каждый операнд – регистр, байт памяти, слово

памяти, сегментный регистр, или что-либо другое.

Основой формирования программ для выполнения на компьютерах задач

из разных предметных областей являются языки (программирования) высокого

уровня (ЯВУ). В их структуру обязательно входят команды обработки данных,

которые именуются также операторами программы или предложениями языка

программирования. Сюда можно отнести операторы (команды): цикла,

условные, выбора и некоторые другие. Каждый из таких операторов

реализуется в компьютере в виде набора базовых машинных команд

процессора. Перевод каждого оператора и всей программы в целом в наборы

соответствующих машинных команд осуществляется компилятором или

интерпретатором используемого языка программирования.

Компилятором называется программное средство для преобразования

текста программы из описания на входном языке (языке программирования) в

ее представление на выходном языке (в машинных командах). Программная

система, анализирующая команды или операторы программы и немедленно

выполняющая их называется интерпретатором. Достаточно часто перевод

программы при трансляции осуществляется сначала на язык ассемблера, а

затем уже в машинные команды.

Например, рассмотрим простое математическое выражение:

f(n) = n!

(вычислить значение факториала числа n)

Операторная реализация этого выражения на языке Турбо Паскаль будет

выглядеть следующим образом:

…

Fct := 1;

For i := 1 to n do

Fct := Fct * i;

…

Фрагмент программы на языке

Турбо Паскаль, который

реализует вычисление

факториала числа n и занесение

этого значения в переменную

Fct (ячейку с именем Fct)

Так как работу и взаимодействие пользователя с устройствам

компьютера организует операцонная система, она должна учитывать, что на

каждой компьютерной платформе существует свой, стандартный набор команд

машинного уровня для управления вычислительной системой (компьютером) в

целом. В данном контексте командой является предписание компютеру или

устройству выполнить определённый шаг на пути решения задачи. На рисунке

3.14 приведен фрагмент приведенной выше программы вычисления факториала

на языке ассемблера для процессора платформы Intel.

Код

операции

Адресная

часть

Комментарии

mov

i, 1

; Заносим значение

в ячейку

mov

Fct, 1

; Заносим значение

в ячейку Fct

mov

CX, n

; В регистр

заносим

sub

CX, i

;

Вычисляем разность и помещаем значение

n-i

START:

mov

AX, Fct

; В регистр

заносим значенние

Fct

mul

; Там же в

AХ

умножаем

Fct

на

mov

Fct, AX

; Возвращаем призведение в

Fct

loop

START

; Если содержимое CX не равно нулю, оператор

loop отнимает из него единицу и переходит

на метку

START

…

; В противном случае цикл завершается и

управление передаётся следующей за циклом

команде

Примечание:

mov, sub, mul

loop

– команды языка ассемблера.

Рис. 3.14. Фрагмент программы вычисления факториала на языке ассемблера

В отличие от команд разных программных уровней – команды

операционной системы и приложений, которые работают под её управлением,

имеют разнообразную внешнюю форму, хотя практически все они также

работают с устройствами ПК (!).

В командной строке операционной системы MS–DOS команды

представлены специальными (ключевыми) словами, которые понимает

Команды

(инструкции)

языка ТП

программа или система (например, команды MS DOS: MD, CD, COPY, DIR и т.д.)

(рис. 3.15).

Ряд важных системных команд ПК представлен функциональными

клавишами (Tab, Esc, Shift, Ctrl, Alt) или их сочетаниями (Ctrl+Alt+Del,

Ctrl+Tab и т.д.).

Команды разных версий операционной системы Windows реализуются в

виде пиктограмм и элементов, расположенных в разных частях экрана. Другие

выбираются из меню и списков, которые раскрываються после щелчков мышью

на соответствующих управляющих элементах (рис. 3.16).

Команда MS–DOS DIR и

результат её выполнения

Рис. 3.15. Результат выполнения команды MS DOS DIR.

Рис. 3.16. Команды из списка команды Создать контекстного

меню рабочего стола ОС Windows

Команды приложений ОС Windows реализуются в виде кнопок, команд

меню и многими другими графическими объектами (комбобоксы, чекбоксы,

радиокнопки и др.), которые располагаются на экране ПК (рис. 3.17, 3.18).

Таким образом, набор команд, который разработан для работы с

приложениями (программами) под управлением ОС, а также правила их

использования, называются в комплексе интерфейсом пользователя и может

меняться от программы к программе. Сами команды реализуются разными

средствами, но по своей сути являются макрокомандами, которые содержат

Рис. 3.18. Вид разнообразных команд работы с операцийнными системами и

приложениями,

которые реализованы в стандарте графического интерфейса

пользователя (GUI)

Рис. 3.17. Кнопки стандартной панели инструментов приложений MS Office

большое количество других элементарных команд, а также обращений к

подпрограммам и прерываниям. Чем интерфейс является более развитым с

точки зрения его удобства для пользователя, тем больше он считается

«дружественным».

Все действия и операции, которые доступны в виде макрокоманд (то

есть больших команд), функций приложений и библиотек программ,

пользователь может применять путём простых щелчков мышью на кнопках и

выбора команд из выпадающих списков и некоторых других действий, которые

предусмотрены интерфейсом ОС. В таблице 3.1 представлены некоторые виды

команд, которые используются и функционируют на разных уровнях иерархии

управления компонентами и объектами при разработке, использовании и работе

элементов компьютерных устройств.

Таблица 3.1.

Команды в структуре ПК

№

Наименование

команды

Уровень

(логич./ физич.)

Устройства, которые

управляются командами

Уровень

представления

Импульс

Физический

Транзисторы, диоды

Электрический

Значение (0,1)

Логический

Вентили

Логический

Значение (0,1)

Логический

Логические диаграммы

Логический

Сигнал (реализующий

значения 0 и 1)

Логический

Логические схемы

триггера и др. устройств

Логический

Импульс (реализующий

значения 0 и 1)

Физический

Физические схемы

триггера и др. устройств

Электрический

Команда процессора

Физический

Элементы устройств

компьютера

Электрический

Команда языка

ассемблера

Логический

Элементы устройств и

устройства компьютера

Логический

Текстовый

Данные

Команда

алгоритмического

языка (ЯВУ)

(оператор,

инструкция)

Логический

Элементы устройств и

устройства компьютера

Логический

Текстовый

Данные

Команда ЯВУ с

графическим

интерфейсом* (меню,

кнопка и др.).

Логический

Элементы устройств и

устройства компьютера,

другие компьютеры

Логический

Текстовый

Графический

Данные

Команда управления

операционной

системой (текстовая

строка, сочетание

клавиш, меню,

кнопки, списки и др.)

Логический

Устройства компьютера

Логический

Текстовый

Графический

Данные

Примечание (*): Языки высокого уровня (ЯВУ) с графическим интерфейсом являются, как правило,

интегрированными средами разработки (ИСР) (IDE-Integrated Development Environment) либо средствами

быстрой разработки приложений (RAD-Rapid Application Development). В последнее время некоторые из

этих средств стали называть языками: Delphi, C#, Excel и др. Кроме того, их ещё относят к языкам так

называемого четвёртого поколения – 4GL-языки.

Всё то, что представляется ещё нерешённым или не реализованным в

функциях существующих операционных систем и приложений, либо требует

дополнительной автоматизации или специальной настройки, как правило,

программируется непосредственно пользователем или профессиональными

программистами. Таким образом, главный вектор приложения сил последних

направляется в программирование всего того, что ещё не реализовано. И

несмотря на колоссальный рост количества разнообразных приложений (по

некоторым данным только к 1990 году для компьютеров Apple было

разработано более 13 тыс. прикладных программ), необходимость в

применении пользователями языков программирования не только не

уменьшилась, но продолжает постоянно увеличиваться. Кстати, одним из

важнейших приложений программирования является автоформализация знаний

специалистов разных прикладных областей.

Вопросы.

Что такое управление?

Для чего необходимо управлять компьютером?

Приведите примеры представления физических уровней систем?

Приведите примеры представлений логических уровней систем?

Какие задания выполняют логические имена устройств?

Приведите примеры физических команд?

Что играет роль команд в языках программирования?

Какие команды операционной системы Windows Вы знаете?

Какими устройствами компьютера и с помощью каких команд можно

управлять?

Рис. 4.1. Скоро с

компьютером можно

будет разговаривать

Интерфейс – именованное

множество операций, описывающих

поведение элемента.

Компьютер – это интерфейс

доступа к цифровым данным.

Язык UML.

4. КОНЦЕПЦИИ ИНТЕРФЕЙСА

4.1.Задачи и функции интерфейса

Усаживаясь за ПК, как правило, человек не

задумывается о том, насколько сложный

процесс осуществляется при трансформации

информации в цепочке "мысль – результат"

(рис. 5.1, 5.2). Ведь для того, чтобы

организовать процесс решения задачи по

обработке информации, приходится

предварительно сформулировать "задание

машине" в терминах и действиях понятных

самой машине, то есть программно. И если

интерфейс между мыслительными процессами

человека и его двигательными функциями

природой организован изначально, то с

компьютером дело обстоит значительно

сложнее, так как он состоит из комплекса

разнородных и достаточно сложных устройств.

Поэтому, приходится на границе

взаимодействия не только человека с компьютером, но и на границах

взаимодействия всех его компонентов решать проблемы согласования их

работы на уровне соответствующих интерфейсов, как программных, так и

аппаратных.

Мысль

Ввод

Обработка

Вывод

Проблема

преобразования

мысли в

последовательность

управляющих

действий

Проблема

преобразования

мысли во

внутренние

команды

компьютера

Проблема

представления

результата на

устройствах

визуализации

Рис. 4.2. Переходные состояния информации при её обработке на ПК

Рис. 4.4. Интерфейс

дороги – дорожные знаки

Под границами взаимодействия, естественно, понимаются участки

пространства, на которых происходит передача данных от одной сущности к

другой (например, разъём является участком, где спрягаются входной штеккер

внешнего устройства и гнездо выхода устройства, к которому подключается

последнее).

Другими словами, основная задача интерфейса – обеспечение

двусторонней передачи данных, а значит и информации.

Само по себе, сложное и многофункциональное англоязычное (!) понятие

"интерфейс" достаточно многозначно. Энциклопедия предлагает следующие

трактовки и смысловые оттенки этого термина (рис. 4.3).

ИНТЕРФЕЙС (как существительное, обозначает)

1) область, где встречаются и взаимодействуют две системы;

2) пользовательский интерфейс, состоящий из набора кнопок, списков

команд (меню), команд операционной системы, форматов графических

дисплеев и других устройств, поддерживаемых компьютером или

программой. Графический интерфейс пользователя (ГИП)(GUI-Graphic User

Interface) обеспечивает пользующемуся им более или менее "образно

ориентированный" (picture-oriented) способ взаимодействовать с новыми

техническими средствами и технологиями. GUI обычно более удобен или

дружественен при работе с компьютерными системами.

3) программный интерфейс состоит из набора утверждений, функций,

опций и других средств, выражающих программные инструкции и данные,

предусмотренные программой или языком программирования для

использования их программистом.

4) физический или логический интерфейс поддерживает соединение

любого устройства с любым соединением или другим устройством.

5) как глагол (соединять, связывать), означает взаимодействие с другим

пользователем или объектом. По отношению к аппаратным средствам

интерфейс означает создание физического соединения, позволяющего двум

частям оборудования сообщаться или работать вместе эффективно.

Рис. 4.3. Многозначность понятия интерфейс

Чтобы лучшее понять содержание и

некоторые отдельные значения этого термина

рассмотрим интерфейс автомобильной дороги

(рис. 4.4). Разработанный совместными

усилиями специалистов разных стран мира он

понятен всем автомобилистам потому, что

система дорожных знаков изучается во время

прохождения соответствующих курсов. Глядя

на тот или иной дорожный знак, водитель

понимает, что ожидает его дальше на дороге и

какие действия необходимо выполнить во время

движения по разным её участкам. Более того,

проезжая на автомобиле по автостраде в любой