Стариков А.В. Основы информатики: учебное пособие (часть 1)

Подождите немного. Документ загружается.

(или регистром признаков) программы (PSW − Program Status Word). Значения

нескольких разрядов этого регистра зависят от результата последней операции,

выполненной АЛУ. Существуют различные признаки (флажки), которые могут

варьироваться от одного типа компьютера к другому, но среди них, как прави-

ло, имеются следующие:

− признак переполнения (V), который устанавливается в 1, если в резуль-

тате последней выполненной операции было получено число, превышающее

максимально возможное для данного компьютера;

− признак переноса, или заёма (C), который устанавливается в 1, если

операция привела к переносу двоичной единицы в знаковый разряд или заёму

единицы из знакового разряда;

− признак нулевого результата (Z), который устанавливается в 1, если в

ходе последней операции был получен нулевой результат;

− признак отрицательного результата (N), который устанавливается в 1,

если в ходе последней операции был получен отрицательный результат.

Примечание. Для облегчения ссылок в тексте на признаки регистра со-

стояния для них используются, как правило, следующие символические сокра-

щения: V − oVerflow (переполнение), C − Carry (перенос), Z − Zero (нуль), N −

Negative (отрицательный).

Необходимо отметить важность использования регистра состояния для

программирования компьютеров, поскольку каждая более или менее сложная

программа, как правило, основывает свои дальнейшие действия на результате,

полученном в ходе выполнения предшествующей операции.

1.3.2 Оперативная память

Оперативная память компьютера состоит из множества ячеек, в которых

может храниться информация, закодированная с помощью нулей и единиц. Для

того чтобы компьютер мог обращаться к этой информации, каждая ячейка па-

мяти ассоциируется с определенным числом - адресом ячейки. Адресацию яче-

ек памяти принято начинать с нуля, т.е. в ОЗУ, состоящем из N ячеек, первая

ячейка имеет адрес 0, а последняя - N-1 (см. рис. 1.6). При записи информации

в память по определенному адресу старая информация, находящаяся по этому

адресу, пропадает. При считывании информации из памяти в ЦП пересылается

копия значения, находящегося по указанному адресу, при этом исходное значе-

ние не меняется.

Минимальной порцией информации в компьютере является один бит, т.е.

двоичный разряд, который может принимать значение 0 или 1. Термин “бит”

(bit) произошел от английских слов “binary digit”, переводимых как “двоичная

цифра”.

•

N-1

N-2

Возрастание адресов

Рис. 1.6 Адресация ячеек ОЗУ

Большинство команд компьютера ориентировано на работу с более круп-

ными порциями информации, чем бит. В качестве таких единиц информации (и

памяти соответственно) принимаются: байт − 8 последовательных бит, слово −

16 бит, или 2 смежных байта, двойное (длинное) слово − 32 бита, или 4 смеж-

ных байта и т.д. Графическое представление для бита, байта, слова и двойного

слова показано на рис. 1.7.

Байт

Двойное слово

Слово

Бит

Рис. 1.7 Единицы памяти и информации

Более крупные порции информации (и блоки памяти соответственно) из-

меряются, как правило, не в байтах, а в килобайтах (1 Кбайт равняется 1024 или

байтам), мегабайтах (1 Мбайт равняется 1024 Кбайтам или 2

байтам), гига-

байтах (1 Гбайт равняется 1024 Мбайтам или 2

байтам), терабайтах (1 Тбайт

равняется 1024 Гбайтам или 2

байтам) и т.д.

Оперативную память иногда называют памятью с произвольной выборкой

(RAM − Random Access Memory), подчеркивая этим тот факт, что доступ к лю-

бой ячейке памяти выполняется одинаково легко (по ее адресу) и за одинаковое

время. Кроме того, работая с оперативной памятью нужно иметь в виду, что ее

содержимое существует лишь в течение времени, пока компьютер находится во

включенном состоянии. При отключении напряжения питания содержимое яче-

ек ОЗУ теряется (стирается).

В компьютерах 1950-70 гг. оперативная память строилась на магнитных

сердечниках. Каждый бит информации, записанный в подобную память, хра-

нится в небольшом тороидальном постоянном магните. Этот магнит может

быть намагничен в одном из двух направлений. Направление намагниченности

задается направлением тока, который протекает по пронизывающим память

проводникам. В настоящее время такой способ построения оперативной памяти

не применяется в силу присущих ему недостатков: громоздкость устройств па-

мяти, большое энергопотребление и значительное рассеяние тепла.

Современные компьютеры используют оперативную память полупровод-

никового типа. Для ее реализации, как правило, применяется либо биполярная

технология, либо МОП-технология

. Память на биполярных транзисторах об-

ладает бóльшим быстродействием, чем память на МОП-транзисторах. Однако,

по сравнению с памятью на МОП-транзисторах, она потребляет значительную

мощность, допускает размещение меньшего числа бит при одинаковом размере

кристалла, существенно сложнее в изготовлении и, соответственно, дороже. В

силу этих причин наибольшее распространение получила оперативная память

на МОП-транзисторах.

Существуют два способа построения интегральных микросхем памяти по

МОП-технологии, в соответствии с которыми память на МОП-структурах мо-

жет быть либо статической, либо динамической. Статическая память проще с

точки зрения организации и управления доступом. Как правило, при построе-

нии ОЗУ небольшого объема используют микросхемы статической памяти.

Микросхемы динамической памяти относительно дешевы, однако организация

памяти такого типа требует привлечения множества дополнительных микро-

схем. Кроме того, содержимое динамической памяти необходимо периодически

регенерировать (перезаписывать). Микросхемы динамической памяти исполь-

зуются в основном при построении ОЗУ большого объема.

1.3.3 Устройства ввода-вывода

Устройства ввода-вывода (накопители на жестких магнитных дисках −

НЖМД или НМД, накопители на гибких магнитных дисках − НГМД, накопите-

ли на магнитных лентах − НМЛ, алфавитно-цифровые печатающие устройства

− АЦПУ, терминалы и другие), подключаемые к компьютеру, и без которых он

не в состоянии полноценно реализовывать свои вычислительные возможности,

часто называют внешними (периферийными) устройствами. Термин “внешние

устройства” возник в то время, когда все устройства компьютера (включая и

центральный процессор с оперативной памятью) представляли собой “много-

уважаемые шкафы”, связанные друг с другом каналами связи. В настоящее

МОП − аббревиатура, образованная от слов "металл-окисел-полупроводник".

время этот термин относится, прежде всего, к области больших ЭВМ. Что ка-

сается мини- и микрокомпьютеров, то часто их “внешние” устройства оказыва-

ются заключенными в один корпус с основным устройством − центральным

процессором, т.е. называть их “внешними” можно лишь с некоторой долей ус-

ловности.

Перечисленные выше устройства предназначены для выполнения опера-

ций ввода-вывода. И если АЦПУ (или принтер) выступает в роли только уст-

ройства вывода, то НМД, НГМД и НМЛ могут служить как устройствами ввода,

так и устройствами вывода. Другими словами, информацию с них можно счи-

тать в оперативную память компьютера, если, конечно, предварительно эта ин-

формация была записана на магнитный диск или ленту. Чтобы подчеркнуть

функциональное назначение НМД, НГМД и НМЛ, которое заключается в дол-

говременном хранении записанной информации, эти устройства называют

внешними запоминающими устройствами (ВЗУ) или внешней памятью

. Со-

временный компьютер невозможно представить без ВЗУ, поскольку объем са-

мого необходимого программного обеспечения, включающего операционную

систему, редактор текстов, трансляторы с наиболее распространенных языков

программирования, составляет сотни килобайт. Терминал также используется

как устройство ввода-вывода: ввод осуществляется с клавиатуры, а вывод − на

экран монитора (дисплея) или телетайп. Терминалы используются для того,

чтобы обеспечить взаимодействие человека с компьютером (точнее, с програм-

мами, которые выполняет компьютер).

Управление процессом ввода-вывода в компьютере может осуществлять-

ся тремя различными способами: по опросу состояния устройства ввода-вывода,

по прерыванию и с использованием механизма прямого доступа к памяти

(ПДП). В первом случае ЦП проверяет (опрашивает) регистры состояния уст-

ройств ввода-вывода, с целью определения, готово ли то или иное устройство к

вводу или выводу информации. О готовности устройств ввода-вывода инфор-

мируют одноразрядные флажки (биты готовности) регистров состояния. Способ

опроса достаточно прост, но требует больших затрат времени ЦП, поскольку

приходится каждый раз − через малые интервалы времени − прерывать выпол-

нение основной программы, чтобы опросить регистры состояния всех устройств

ввода-вывода − на тот случай, если потребуется отреагировать на определенное

состояние какого-либо из устройств.

Способ ввода-вывода по прерыванию требует более сложных аппаратных

и программных средств, но обеспечивает более эффективную работу ЦП. При

использовании этого способа ЦП сосредоточен на выполнении своей основной

функции − обработке данных. Когда внешнее устройство готово к вводу или

выводу, оно посылает соответствующий сигнал (сигнал прерывания) ЦП, кото-

рый ненадолго прерывает процесс обработки данных, чтобы обслужить устрой-

ство, запросившее прерывание. Чтобы избежать путаницы при одновременном

ВЗУ иногда называют вспомогательной или вторичной памятью, имея в виду, что ОЗУ −

это главная, или основная память (main memory).

поступлении нескольких запросов на прерывание, для различных устройств ус-

танавливаются различные уровни приоритета. Пользователь имеет возможность

“замаскировать” (т.е. игнорировать) прерывания, за исключением одного − вы-

званного внезапным отключением питания. Это немаскируемое прерывание со-

общает ЦП, что у него есть в запасе несколько микросекунд на запоминание

данных, пока не отключится вся система.

Третий способ управления вводом-выводом описан ниже в п. 3.1 (см. ин-

формацию о контрóллере ПДП).

1.4 Программное обеспечение компьютера

Современные компьютеры могут воспринимать и запоминать информа-

цию, выполнять сложные вычисления, принимать определенные решения, ос-

новываясь на результатах этих вычислений, и, наконец, получив окончательное

решение, передавать его результаты в окружающий мир. Однако, все эти “ин-

теллектуальные” способности компьютера обусловлены тем, что он всего лишь

предельно точно следует инструкциям (командам), разработанным для него че-

ловеком. Человек, предвидя каждый шаг компьютера и зная его ограниченные

возможности (компьютер может выполнять сравнительно небольшое количест-

во элементарных операций), создает для него программу, которая часто содер-

жит длинную последовательность элементарных команд и которая заставляет

компьютер выполнять полезную работу. Если провести аналогию между авто-

мобилем и компьютером, то “горючим” (как впрочем и “шофером”) для по-

следнего является именно программа, которая заставляет компьютер не только

“двигаться”, но задает ему также нужное “направление”. (А может “горючее” −

это все же электрический ток, питающий электронные схемы компьютера?)

Компьютеры понимают лишь язык двоичных цифр, который мало приго-

ден для использования человеком. Поэтому программы составляются (говорят

также кодируются или пишутся) на языках программирования низкого (ассемб-

лер) или высокого уровня (например, Паскаль или Фортран). Затем программа,

называемая транслятором (в случае языка высокого уровня − компилятором),

переводит человекодоступный (символьный) код программы в код, исполь-

зующий язык двоичных цифр, хорошо понимаемый компьютером. Как правило,

распространенные компьютеры имеют несколько таких программ-переводчиков

с различных языков программирования.

В некоторых языках программирования (например, в Бейсике) предпоч-

тение отдается интерпретирующей схеме, когда программа, называемая интер-

претатором, поочередно считывает операторы программы, распознает их смысл

и выполняет предписываемые операторами действия.

В других языках (и таких большинство, например, Паскаль, Фортран, Си

и т.д.) программа сначала транслируется в машинный код, который затем может

многократно выполняться компьютером. Каждая из рассмотренных схем обра-

ботки программ имеет свои преимущества и свои недостатки, здесь мы лишь

отметим, что транслирующая схема все же используется чаще и все так назы-

ваемые профессиональные языки программирования реализованы в виде транс-

ляторов, а не интерпретаторов.

Работая на компьютере, все пользователи выполняют более или менее

однотипную работу, связанную с вводом информации в компьютер, созданием

файлов, содержащих введенную информацию, обработкой этих файлов с помо-

щью одной из имеющихся программ, выводом результатов этой обработки на

экран дисплея или печатающее устройство. В выполнение перечисленных выше

действий вовлекаются различные устройства компьютера (клавиатура и экран

дисплея, магнитные диски и ленты, оперативная память, центральный процес-

сор и другие). Непосредственное управление этими устройствами является за-

нятием кропотливым и утомительным и, главное, далеким от той задачи, кото-

рую решает пользователь. Поэтому в качестве посредника между любым уст-

ройством ввода-вывода, подключенным к компьютеру, и программой пользова-

теля выступают специально разработанные системные программы, называемые

драйверами

Вообще, системные программы, установленные на компьютере, не огра-

ничиваются только драйверами устройств ввода-вывода. Как правило, есть го-

ловная управляющая программа, в простейшем случае называемая монитором

(не путать с дисплеем!), которая принимает запросы программы пользователя

на выполнение тех или иных операций ввода-вывода, формирует список пара-

метров для передачи его драйверу, а лишь затем передает управление соответ-

ствующему драйверу. Более сложные варианты управляющих системных про-

грамм получили название операционных систем (ОС).

Помимо системных программ (модулей операционной системы, трансля-

торов, текстовых редакторов и т.д.) компьютер может оснащаться проблемно-

ориентированными пакетами прикладных программ (ППП), предназначенными

для решения задач из какой-либо предметной области (например, статистиче-

ского анализа, бухгалтерского учета, логического моделирования интегральных

схем и других).

Если необходимая прикладная программа отсутствует, то пользователь

может либо прибегнуть к услугам профессиональных программистов, либо по-

пробовать разработать ее своими силами (в этом случае ему, по всей видимости,

придется освоить один из языков программирования высокого уровня, реализо-

ванных на компьютере).

Разработка более или менее серьезной программы представляет собой не-

тривиальную задачу, решение которой складывается из следующих этапов:

− формализация поставленной задачи (выработка математической поста-

новки);

Транслитерация английского слова driver, которое буквально переводится как "шофер",

т.е. человек, управляющий автомобилем.

− разработка алгоритма решения задачи (могут использоваться сущест-

вующие наглядные способы для записи алгоритмов: блок-схемы, таблицы ре-

шений и т.д.);

− написание программы на одном из имеющихся языков программирова-

ния;

− ввод исходного текста программы в компьютер (например, с помощью

текстового редактора) и трансляция его в машинные коды с помощью компиля-

тора;

− отладка программы и ее тестирование (на ряде хорошо подобранных

тестовых примеров);

− разработка программной документации (например, руководства поль-

зователя, подробно описывающего правила эксплуатации программы).

Как и всякий сложный вид человеческой деятельности, разработка про-

граммы носит итеративный характер. Другими словами, ошибка, допущенная,

на одной из ранних стадий и обнаруженная на поздней стадии, приводит к не-

обходимости возврата назад для ее устранения. Затем процесс разработки по-

вторяется. Например, логическая ошибка, допущенная на стадии разработки ал-

горитма решения задачи, обнаружена лишь на стадии тестирования программы.

В этом случае разработчику программы ничего более не остается, как снова

вернуться к разработке алгоритма, затем модифицировать исходный текст про-

граммы в соответствии с изменениями, сделанными в алгоритме, и оттрансли-

ровать его в машинные коды компьютера. После этого снова выполняется этап

отладки и тестирования.

В заключение отметим, что программирование − чрезвычайно интерес-

ный вид интеллектуальной деятельности человека, требующий хорошей мате-

матической подготовки, умения мыслить логически (и подчас нетривиально), а

также таких высоко ценимых человеческих качеств, как упорство и целеустрем-

ленность.

Вопросы для самопроверки

1. Когда был разработан первый компьютер? Кто был его создателем?

2. В чем заключается принцип хранимой программы и принцип программного

управления, сформулированные фон Нейманом?

3. Перечислить основные блоки, входящие в состав компьютера с “традицион-

ной” архитектурой. Каково их назначение?

4. Каков основной недостаток компьютера с “традиционной” архитектурой?

Каким образом он был преодолен?

5. Объяснить принцип работы центрального процессора компьютера с традици-

онной архитектурой (использовать для этого графическое представление

“цикла управления фон Неймана”, показанное на рис. 1.5).

6. Назвать известные вам внешние устройства компьютера. Какие из них явля-

ются устройствами ввода, а какие − устройствами вывода информации?

7. В чем заключается основная роль программного обеспечения, которым ос-

нащаются компьютеры? Какие классы программ составляют программное

обеспечение компьютера?

Глава 2

Двоичная арифметика и представление информации

в компьютере

Как отмечалось выше, информация хранится и обрабатывается в компью-

тере в двоичном виде. Это связано с тем, что компьютеры построены на элек-

тронных элементах с двумя устойчивыми состояниями. Ниже рассмотрены дво-

ичная система счисления, получившая наибольшее распространение в вычисли-

тельной технике, восьмеричная и шестнадцатеричная системы − как удобный

альтернативный способ для компактной записи длинных двоичных чисел, а так-

же элементы двоичной арифметики и формы кодирования числовой и символь-

ной информации.

2.1 Двоичная, восьмеричная и шестнадцатеричная

системы счисления

Вынесенные в заголовок раздела названия систем счисления, наряду с

общеизвестной десятичной системой, представляют так называемые позицион-

ные системы счисления [21]. В позиционных системах счисления положение

(позиция) каждой цифры в числе определяет ее значение, или вес

. Например,

десятичное число 123.456 является, по сути, сокращенной записью следующего

выражения:

(1 × 10

)+(2 × 10

)+(3 × 10

)+(4 × 10

-1

)+(5 × 10

-2

)+(6 × 10

-3

)

Положение любой цифры определяет степень числа с основанием 10, на

которую эта цифра умножается. В данном примере цифра 1 находится в разряде

сотен (10

), 2 − десятков (10

), 3 − единиц (10

), 4 − десятых долей (10

-1

), 5 − со-

тых долей (10

-2

) и 6 − тысячных долей (10

-3

Наиболее важными особенностями позиционных систем счисления явля-

ются следующие:

1. Количество цифр системы равно ее основанию.

2. Наибольшая цифра на единицу меньше основания.

Существуют непозиционные системы счисления, в которых значение цифры в записи

числа не зависит от ее местоположения. Примером непозиционной системы счисления,

применяющейся в настоящее время, может служить так называемая римская система.

3. Каждая цифра числа умножается на основание в степени, значение ко-

торой определяется положением цифры.

В позиционном представлении целая часть дробного числа (выражений,

имеющих положительный показатель степени) отделяется от дробной части

(выражений, имеющих отрицательный показатель степени) с помощью деся-

тичной точки

. Поэтому число N можно представить в виде

N = N

+ N

где N

и N

−

соответственно целая и дробная часть числа. В приведенном вы-

ше примере N

= 123, а N

= 0.456.

Двоичная система счисления является простейшей среди позиционных

систем, так как имеет всего две цифры −

0 и 1. Основанием двоичной системы

счисления является 2. Например, двоичное число 101.101 эквивалентно деся-

тичному числу

(1 × 2

) + (0 × 2

) + (1 × 2

-1

) + (0 × 2

-2

) + (1 × 2

-3

) = 5.625

Преобразование десятичного числа в двоичное производится с помощью

последовательного деления преобразуемого числа на 2 с одновременным сле-

жением за получающимися остатками. Например, десятичное число 37 эквива-

лентно двоичному числу 100101, которое получается в результате выполнения

следующих операций целочисленного деления и соответствующей записи полу-

ченных остатков от деления:

37 : 2 = 18 (остаток 1)

18 : 2 = 9 (остаток 0)

9 : 2 = 4 (остаток 1)

4 : 2 = 2 (остаток 0)

2 : 2 = 1 (остаток 0)

1 : 2 = 0 (остаток 1)

1 0

0 1 0 1

Работа с двоичными числами неудобна для человека, поскольку двоич-

ные числа представляются длинными последовательностями нулей и единиц

(так, например, двухзначное число 37 в двоичной системе счисления записыва-

ется уже шестью двоичными цифрами). Чтобы представить двоичные числа в

Так принято в США, Канаде и ряде других стран. В Европе формат записи дробных чисел

предусматривает использование для этой цели десятичной запятой.

Подстрочные символы в записи числа используют для обозначения основания системы

счисления; их опускают, если известно, о каком основании идет речь.

более компактной форме, используются восьмеричная (с основанием 8) или ше-

стнадцатеричная (с основанием 16) система счисления.

В восьмеричной системе счисления двоичное число разбивается на груп-

пы бит, по три в каждой, считая справа. Далее каждая триада (тройка) бит заме-

няется восьмеричной цифрой в соответствии со следующим соотношением:

Двоичное Восьмеричная

представление цифра

000 0

001 1

010 2

011 3

100 4

101 5

110 6

111 7

Таким образом, двоичное число 100 101 может быть легко преобразовано

в восьмеричное 45. Процесс обратного преобразования заключается в замене

каждой восьмеричной цифры числа соответствующей триадой бит. Например,

восьмеричное число 101 представляется двоичным числом 1 000 001.

Другой компактной формой представления двоичных чисел является ше-

стнадцатеричная система счисления. Для записи двоичного числа в шестнадца-

теричной системе счисления оно разбивается на группы бит, по четыре в каж-

дой, считая справа. Далее каждая тетрада (четверка) бит заменяется шестна-

дцатеричной цифрой в соответствии со следующим соотношением:

Двоичное Шестнадцатеричная

представление цифра

0000 0

0001 1

0010 2

0011 3

0100 4

0101 5

0110 6

0111 7

1000 8

1001 9

1010 A

1011 B

1100 C

1101 D

1110 E

1111 F