Представление чисел в обратном и дополнительном коде. Представление чисел в 2-10-м коде.

 

Иногда ЭВМ приходится обрабатывать десятичные числа, записанные в двоично-десятичном коде. Это имеет место, когда объем вычислений невелик и проводить преобразования из двоично-десятичного кода в двоичный код перед расчетами, а затем обратное преобразование — не целесообразно.

Двоично-десятичные числа складывают по правилам двоичного сложения. Однако двоичное сложение может иногда давать неверный результат и тогда приходится выполнять коррекцию результата.

Коррекция заключается в прибавлении кода 0110 к тем тетрадам результата в которых либо:

а. Получен код не имеющий смысла в двоично-десятичной системе (например 1100);

б. Был сформирован межтетрадный перенос в старшую тетраду.

Если отдельные тетрады скрорректированного результата все еще содержат запрещенные коды, то их подвергают повторной коррекции.

Вычитание двоично-десятичных чисел производится по правилам двоичного вычитания с вводимой в необходимых случаях коррекцией результата. Такая коррекция заключается в вычитании кода 0110 из тех тетрад результата, которые использовали межтетрадный заем.

 

Представление команд в ЭВМ.

Программа работы ЭВМ состоит из последовательности команд.Под командой понимается информация, обеспечивающая выработку управляющих сигналов, формируемых в устройстве управления процессора, для выполнения машиной определенного действия.

Поле команды состоит из двух частей: операционной и адресной. В операционной части указывается код операции (КОП). Код определяет действие, которое должна выполнить ЭВМ (арифметическое — сложение, вычитание, логическое — инверсия и т. д.).Команда сложения переменных а и b в машинных кодах имеет вид 00 0010 0100, где 00 – код сложения, а=0010, b=0100, на языке Ассемблер: suma,b, а на Алголе: с = а + b.

Адресная часть команды содержит адреса операндов (чисел или символов), участвующих в операции. Под адресом понимается номер ячейки ОЗУ или ПЗУ, где записана необходимая для выполнения команды информация.

Таким образом, ЭВМ (точнее, процессор) выполняет действие, которое определяется кодом операции, над данными, местоположение которых указано в адресной части команды.

Количество указываемых в команде адресов может быть различным. В зависимости от числа адресов различают следующие форматы команд: одно-, двух- и трехадресные. Бывают и безадресные команды.

КОП	А1
КОП	А1	А2
КОП	А1	А2	А3

Трехадресная команда, выполняющая, например, операцию сложения, должна содержать код операции сложения и три адреса.

Действия, выполняемые этой командой, описываются следующей последовательностью операций.

1. Взять число, хранящееся по первому адресу А1.

2. Взять число, хранящееся по второму адресу А2, и сложить с первым числом.

3. Результат сложения записать по третьему адресу А3.

В случае двухадресной команды третий адрес отсутствует, и результат можно записать либо по второму адресу (с потерей информации, которая была там записана), либо оставить в регистре сумматора, где производилась операция сложения. Тогда для освобождения регистра сумматора требуется дополнительная команда перезаписи числа по требуемому адресу. При организации сложения двух чисел, хранящихся по адресам А1 и А2 с записью результата в А3 с использованием одноадресных команд, требуется уже три команды.

1. Вызов в сумматор (АЛУ) числа, хранящегося по адресу А1.

2. Вызов числа, хранящегося по адресу А2 и сложение его с первым числом.

3. Запись результата по адресу А3.

Таким образом, чем меньше адресов содержит команда, тем большее число команд требуется для составления одной и той же программы работы машины.

Увеличивая число адресов в команде, приходится увеличивать длину машинного слова, чтобы отвести в нем необходимые поля для адресной части команд. С увеличением объема памяти ЭВМ увеличивается длина поля, необходимого для указания одного адреса. В то же время не все команды полностью используют адресные поля. Например, для команды записи числа по заданному адресу требуется только одно адресное поле. Неоправданное увеличение длины машинного слова для использования многоадресных команд приводит к уменьшению быстродействия ЭВМ, т.к. необходимо обрабатывать поля большей длины.

Существуют безадресные команды, которые содержат только код операции, а необходимые данные заранее помещаются в определенные регистры процессора.

Современные ЭВМ автоматически выполняют несколько сотен различных команд. Все машинные команды можно разделить на группы по видам выполняемых операций:

· операции пересылки данных;

· арифметические операции;

· логические операции;

· операции обращения к внешним устройствам ЭВМ;

· операции передачи управления;

· обслуживающие и вспомогательные операции.

При проектировании новых процессоров разработчикам приходится решать сложную задачу выбора длины команды и определения списка необходимых команд (системы команд). Противоречивые требования к конфигурации команд привели к созданию процессоров с различными форматами команд (архитектуры CISC и RISC).

 

 

7. История ВТ. Поколения ЭВМ.

Докомпьютерная эра

Первые ИТ – это первая наскальная пещерная живопись, сказания, предания. Затем появился счёт (на пальцах, камушках, косточках, палочках), искусство – художественная живопись и скульптура, музыка, письменность. Носители информации – материальные – камни, кость, дерево, глина, папирус, шёлк, бумага.

Передача знаний производилась устно, по наследству

Первая информационная революция вызвана появлением печатного станка и книгопечатания (1445 г., Иван Федоров) во времена правления Ивана IV – Грозного, она длилась примерно 500 лет, до 1947г. – изобретения транзистора.

в 1947г изобретён биполярный транзистор и в 1956г. – цифровая ЭВМ на транзисторах, в 1978г. – первый персональный компьютер на СБИС – сверхбольших интегральных схемах.

Этапы развития ЭВМ

Идея использования программного управления для по­строения устройств, автоматически выполняющих арифмети­ческие вычисления, была впервые высказана английским мате­матиком Ч. Бэббиджем в 1833 г. Однако его попытки построить механическое вычислительное устройство с про­граммным управлением не увенчались успехом.

Фактически эта идея была реализована спустя более чем 100 лет, когда в 1942 г. К. Цюзе в Германии и в 1944 г. Г. Айкен в США построили вычислительные машины на электромагнитных реле с управлением от перфоленты, на которую записывалась программа вычислений.

Идея программного управления вычислительным процес­сом была существенно развита американским математиком Джорджем фон Нейманом, который в 1945 г. сформулировал принцип хранимой в памяти программы. Первые ЭВМ с программным управлением и с хранимой в памяти программой появились практически одновременно в Англии, США и СССР.

 

Эра ЭВМ началась в 1946г. с изобретением ламповой ЭВМ - впервые был создан способ записи и долговременного хранения формализованных(представление данных в виде формальной системы – математических формул, алгоритмов, таблиц – в каком-либо порядке.) данных, который мог непосредственно влиять на режимы работы производственного оборудования, управлять им.

Прежде данные, например, выточки детали записывались на бумаге в виде технологической карты операций (что за чем точить, на какую глубину, с какой скоростью подачи резца и т.д.), затем токарь вручную выполнял эту программу.

Эра ЭВМ прошла ряд этапов:

1 этап продолжался до начала 1960-х годов, использовались ЭВМ 1-го поколения – на электронных лампах и ЭВМ 2-го поколения – на транзисторах, основной критерий ИТ – экономия машинных ресурсов, цель – максимальная загрузка ЭВМ, характерные черты:

o Программирование в машинных кодах (в двоичной системе счисления);

o Появление блок-схем алгоритмов;

o Разработка библиотек стандартных программ (вычисление синусов, логарифмов, экспонент и др.);

o Разработка языка Ассемблер и других машинно-ориентированных языков;

o Разработка операторного метода (А.А.Ляпунов, конец 50-х гг), который стал основой для разработки языков высокого уровня – Алгол, Фортран, Кобол, ориентированных не на машину, а на человека и управляющих программ реального времени.

o Разработка трансляторов с языков программирования на машинный язык;

o Разработка операционных систем (ОС) первого поколения (DOS), которые управляли работой самой ЭВМ.

2 этап продолжался до начала 1980-х гг, появились мини и микро-ЭВМ №-го поколения на БИС и СБИС.

Основной критерий ИТ – экономия труда программиста, цель – разработка инструментальных средств программирования. Появились ОС второго поколения, работающие в трёх режимах – реального времени, разделения времени (для одновременного решения нескольких задач – параллельно и в диалоговом (для пользователя) и в пакетном режимах. Появились языки программирования следующего поколения – Pascal, PL и др., пакеты прикладных программ (ППП), СУБД, САПР, новые технологии программирования (модульное и структурное), АСУП, АСОД, системы обработки экономической информации (СОЭИ), глобальные сети ЭВМ.

Появилась новая наука – Информатика – совокупность научных методов и технологических приёмов обработки данных.

3 этап длился до начала 1990-х гг. в 1978 г сконструирован персональный компьютер, который позволил формализовать и сделать широкодоступными для автоматизации многие из трудно формализуемых процессов человеческой деятельности (напечатать текст без пишущей машинки, нарисовать чертёж без чертёжной доски, перевести текст, построить график, выполнить сложные расчёты – научные, бухгалтерские, экономические, технические и т.п.

Критерий – создание ИТ для формализации знаний, цель - проникновение ИТ во все сферы человеческой деятельности. Появились диалоговые ОС – Unix, автоматизированные рабочие места (АРМ), экспертные системы, базы данных и знаний, локальные вычислительные сети, распределённая обработка данных.

Персональный компьютер произвёл Вторую информационную революцию. За ЭВМ сел не программист для решения своих специфических задач в своей специальной области знаний, а любой человек - биолог, агроном, механик, электрик, портной, повар, студент, домохозяйка и др.

Информация стала ресурсом наравне с материалами, энергией и капиталом, появилась новая экономическая категория – национальные информационные ресурсы.

4 этап – современный, продолжается с 1990-х гг. Цель - информатизация общества, критерий - автоформализация знаний. Появились портативные ЭВМ, не уступающие по мощности большим (RISC – ЭВМ), нейрокомпьютеры, не требующие клавиатуры (ввод информации производится голосом, вывод – на экран, голосом или на удобное периферийное устройство, графические ОС Windows, OS-2, Internet, новые технологии – объектно-ориентированные, гипертекст (связь между объектами по гиперссылкам), мультимедиа, CASH – технологии (использование ПК при разработках). Появились новые понятия: информационная технология и платформа.

5 этап - пятого поколения ЭВМ когда ведущие японские фирмы, поставили цель захвата в 90-х го­дах японской промышленностью мирового лидерства в обла­сти вычислительной техники. Поэтому этот проект часто называют “ японским вызовом ”. Согласно этому проекту ЭВМ и вычислительные системы пятого поколения, помимо более высокой производительности и надежности при более низкой стоимости, должны обладать качественно новыми свойствами:

·  взаимодействие с ЭВМ при помощи чело­веческой речи и графических изображений,

·  способность си­стемы обучаться, производить ассоциативную обработку ин­формации, делать логические суждения, вести “разумную” беседу с человеком в форме вопросов и ответов. 

· “понимать” содержимое базы данных, которая при этом превращается в “базу знаний”, и использовать эти “зна­ния” при решении задач. В настоящее время исследования по подобным проблемам ведутся и в России.

 

8. Алгоритм. Свойства алгоритма. Принципы программного управления фон Неймана.

Алгоритм - Система последовательных операций (в соответствии с определёнными правилами) для решения какой-н. задачи.

Алгоритм Евклида (3 в. до н.э.) решения задачи нахождения общей меры двух отрезков, длины которых выражаются натуральными числами:
Шаг 1. Если отрезки равны, то длина любого отрезка и есть искомый результат. Конец. Иначе перейти к шагу 2.
Шаг 2. Больший отрезок замени отрезком, длина которого равна разности длин отрезков. Перейти к шагу 1.

Этот алгоритм более известен как алгоритм нахождения наибольшего общего делителя двух натуральных чисел.

Алгоритм Евклида - это первый алгоритм в истории человечества, сформулированный как научный результат. Само слово "алгоритм" происходит от имени арабского математика Мохаммеда ибн Муса Альхваризми, который в IX веке внёс значительный вклад в распространение существовавших тогда методов вычислений. В научной литературе вместо слова "алгоритм" иногда употребляют слово "алгорифм".

Свойства алгоритма

1. Пошаговость. Предписание должно быть составлено таким образом, чтобы определяемые им операции выполнялись последовательно одна за другой.
2. Осуществимость. Предписание должно быть составлено таким образом, чтобы его исполнение было во всех деталях однозначно осуществимо и не требовало никаких свободно принимаемых решений.
3. Воспроизводимость. Одинаковые исходные данные должны всегда приводить к одному и тому же результату.
4. Замкнутость. Предписание должно быть составлено таким образом, чтобы его исполнение не требовало информации отличной от входных данных и самого предписания.
5. Конечная память. Предписание должно быть составлено таким образом, чтобы его осуществление было возможно при ограниченном объёме промежуточных результатов.
6. Конечное число шагов. Предписание должно быть составлено таким образом, чтобы его осуществление выполнялось за конечное число шагов.

 

Принципы фон Неймана

· Состав основных устройств ЭВМ: универсальная вычислительная машина должна включать в себя запоминающее устройство, арифметико-логическое устройство (АЛУ), устройство управления (УУ), устройство ввода/вывода.

· Принцип двоичного кодирования: данные и программы хранятся в памяти в форме двоичного кода.

· Принцип хранимой программы: во время обработки данные и программы находятся в общей памяти ЭВМ.

· Принцип адресуемой памяти: память состоит из двоичных разрядов – битов, которые объединяются в ячейки, каждая из которых имеет адрес. Адрес ячейки памяти – это ее порядковый номер.

· Принцип программного управления: работа машины происходит автоматически под управлением программы, которая помещается в оперативную память.

Первая машина, созданная в соответствии с принципами фон Неймана, - ЭВМ EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Computer), - была продемонстрирована в 1949 году в Кембриджском университете. Над машиной работала группа инженеров под руководством Мориса Уилкса.

В ходе работы ЭВМ информация через устройства ввода попадает в память. Процессор извлекает из памяти обрабатываемую информацию, работает с ней и помещает в нее результаты обработки. Полученные результаты через устройства вывода сообщаются человеку.

Память ЭВМ состоит из двух видов памяти: внутренняя (оперативная) и внешняя (долговременная) память.

Оперативная память – это электронное устройство, которое хранит информацию, пока питается электроэнергией.

Внешняя память – это различные магнитные носители (ленты, диски), оптические диски.За прошедшие десятилетия процесс совершенствования ЭВМ шел в рамках приведенной обобщенной структуры.