Арифметические и логические основы микропроцессорной техники.

Системы счисления.

Под системой счисления понимают способ наименования и изображения чисел с помощью цифр и других знаков.

Системы счисления бывают позиционные и непозиционные.

В позиционных системах значения каждой цифры зависит от места занимаемого в числе (двоичная, десятичная).

Преимущества двоичной системы для использования цифровых устройств.

1. Реализуется на двух позиционных (включен, отключен)

2. Простота арифметических и логических операций

3. Экономия электронного оборудования

Недостаток:

Большое количество разрядов.

Кроме того, в современных компьютерах используются так называемые накопители - устройства, предназначенные для постоянного хранения (накопления) данных и программ, необходимых для работы компьютера, и обмена этой информацией между накопителями и оперативной памятью компьютера. Накопители бывают на жестких магнитных дисках (винчестерах) и гибких магнитных дисках (дискетах). Такие накопители называют дисковыми, но бывают и другие виды накопителей.

Процессор, память и накопители на жестких и гибких магнитных дисках составляют системный блок современного ПК.

Необходимыми периферийными устройствами являются:

· Клавиатура
- устройство ввода;

· манипулятор
типа мышь - вспомогательное устройство ввода;

· дисплей
(монитор) - необходимое устройство вывода.

Одной из плодотворных идей, положенных в основу ПК, является принцип открытой архитектуры. Согласно этой концепции компьютер не является единым неразъемным устройством, а имеется возможность его сборки из независимо изготовленных частей аналогично детскому конструктору. На основной электронной плате (системной) размещены только те блоки, которые осуществляют вычисления. Схемы, управляющие всеми остальными устройствами ПК (монитором, дисками, принтером и т.д.), реализованы на отдельных платах, которые вставляются в стандартные разъемы (слоты) на системной плате. Электропитание ко всем схемам подводится из единого блока питания. А для удобства и надежности все это заключается в общий металлический или пластиковый корпус. В таком случае каждый пользователь может самостоятельно формировать конфигурацию своего компьютера по своему усмотрению. Т.е., в зависимости от потребности пользователь может подключить к системной шине различные устройства: модем, звуковую плату, клавиатуру электромузыкального инструмента и т.п. Кроме того, имеющийся компьютер легко модернизировать, например, путем замены винчестера на жесткий диск большего объема, замены процессора, увеличения объема оперативной памяти и т

. Устройства сопряжения

Одной из функций ЦП является обеспечение процесса ввода и вывода информации, т.е. взаимодействие с периферийными устройствами. Эти устройства присоединяются к ПК через т.н. устройства сопряжения или адаптеры. Адаптеры размещаются в системном блоке и обеспечивают характер взаимодействия внешних устройств с ПК (способ подключения, вид электрического сигнала, передающего информацию и т.п.). Взаимодействие периферийных устройств с адаптером происходит через порты ввода/вывода.

По способу передачи информации порты ввода-вывода делятся на:

· Последовательные
– информация передается последовательно бит за битом; для передачи
информации используется один провод. Подключаются внешние устройства,
находящиеся на большом расстоянии от ПК.

· Параллельные –
несколько битов информации передается одновременно; для передачи информации
используется несколько проводов. Подключаются устройства, находящиеся рядом с
ПК.

Для осуществления эффективного взаимодействия ЦП и периферийных устройств используется механизм прерываний. Периферийные устройства ПК могут потребовать, чтобы процессор «обратил на них внимание». Прерывание – это событие, которое заставляет процессор приостановить текущую работу. Механизм прерываний необходим. Без него процессору пришлось бы постоянно проверять, не требует ли обслуживания какое-либо устройство. Механизм прерываний позволяет периферийным устройствам «обращать на себя внимание» процессора по мере надобности. Механизм прерываний состоит в том, что текущая работа процессора может быть приостановлена на некоторое время одним из сигналов, который указывает на возникновение ситуации, требующей немедленной обработки. Такие ситуации возникают при нажатии на клавишу клавиатуры, выходе из строя какого-либо устройства, попытке выполнить операцию деления на ноль и во многих других случаях. Каждое прерывание имеет свой уникальный номер и связанную с ним программу, предназначенную для обработки возникшей ситуации, - обработчик прерывания. При возникновении в ПК ситуации, соответствующей прерыванию с некоторым номером, ЦП приостанавливает свою работу и начинает выполнение программы-обработчика прерывания с этим номером. Выполнение программы-обработчика, в свою очередь, может быть приостановлено другим, более важным прерыванием. В этом случае вначале будет обработано более важное прерывание, затем продолжится обработка предыдущего прерывания и лишь потом возобновится (если прерывание не было катастрофическим, как, например, выключение питания) текущая работа ЦП. Т.о., так же, как для нас в повседневной жизни, для ПК существуют более важные (с более высоким приоритетом) и менее важные прерывания.

Внешние ЗУ

Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) предназначены для долговременного хранения информации и могут использоваться и как устройства ввода, и как устройства вывода. ВЗУ по сравнению с ОЗУ имеют гораздо больший объем памяти, но существенно меньшее быстродействие.

Накопитель состоит из двух частей:

· Носитель –
устройство, на котором хранится информация

· Привод –
устройство, предназначенное для считывания информации с носителя и записи информации
на носитель.

В настоящее время существует 2 основных типа накопителей:

· Накопители на магнитной ленте –
устройства последовательного доступа, т.к. обратиться к более удаленным частям
данных можно только после считывания менее удаленных данных (находящихся перед
ними)

· Дисковые накопители – устройства
произвольного доступа, т.к. интересующие данные могут быть получены без
обязательного прочтения предшествующих данных. Бывают: накопители на жестком
магнитном диске и на гибких магнитных дисках.

Информация на дисковых накопителях, как и в памяти ПК, представляется в двоичном виде и измеряется в байтах. Способ расположения информации на жестких и гибких дисках одинаков. На поверхности диска нанесен слой намагничивающегося материала. Запись информации в этом слое производится на области, расположенные в виде концентрических окружностей – дорожки. Радиусы, проведенные из центра диска, делят каждую дорожку на секторы. Максимальное количество информации, которое может быть записано на каждый сектор, - размер сектора – одно и то же – 512 б. Каждая дорожка имеет свой номер. Все секторы, расположенные на разных дорожках между двумя соседними радиусами, имеют одинаковый номер. При записи и считывании информация передается посекторно.

Винчестер – обычно содержит от 1 до 5 или более обработанных с высокой точностью керамических или алюминиевых пластин (дисков), на которые нанесен специальный магнитный слой. Это носители информации. Привод устроен так. Диски жестко закреплены через равные промежутки на вертикальном стержне, который приводится в движение специальным двигателем. Чем выше скорость вращения дисков, тем быстрее считывается информация. (3600 об/мин, до 7200 об/мин). На специальном рычаге находятся головки чтения/записи. В современных винчестерах головки как бы «летят» на расстоянии долей микрона (0,001 мм) от поверхностей дисков, не касаясь их. Время доступа к информации, находящейся на жестком диске, измеряется в миллисекундах, что намного больше, чем время доступа к информации, находящейся в оперативной памяти ПК. Для ускорения процесса обмена информацией между оперативной памятью и жестким диском используется механизм кэширования.

Гибкие диски – используются для хранения небольших объемов информации и для ее переноса с одного ПК на другой. Состоят из носителя – дискеты, и привода – дисковода. Дискета представляет собой тонкую пластиковую основу (диск), на которую нанесен магнитный слой. Для предохранения от пыли и повреждений основа помещается в жесткий чехол, внутри которого она может свободно вращаться.

Дискеты отличаются:

· диаметром - 3,5 и 5,25 дюйма

· количеством информации – DD – двойная плотность (720 Кб – 3,5д;
360 Кб – 5,25д)

-HD – высокая плотность (1,44 Мб – 3,5д; 1,2 Мб – 5,25д)

Устройство привода (дисковода) похоже на привод жесткого диска. Но скорость вращающего дискету двигателя меньше и зависит от типа дискеты. (Обычно 300 – 360 об/мин). Головки чтения/записи не «летят» над поверхностью дискеты, а касаются ее.

Накопители на магнитной ленте – обычно используются для хранения копии информации, содержащейся на дискете. Носитель – картридж – кассета с магнитной лентой, похожая на кассету для магнитофона. Привод – стример – лентопротяжный механизм. В настоящее время максимальное количество сохраняемой в стримере информации достигает 510 Мб.

Оптические диски (лазерные диски, CD-ROM) – можно разделить на 3 класса: только для чтения (CD), с однократной записью и многократным считыванием (CD-R), и с многократной перезаписью информации (CD-RW). Информация содержится на одной спиральной дорожке, проходящей через всю поверхность диска.

CD - В основе записи информации с помощью лазера лежит модуляция интенсивности излучения лазера дискретными значениями 1 и 0. Излучение достаточно мощного лазера оставляет на поверхности диска метки, вызванные воздействием луча на металл. Поверхность диска предварительно покрывается тонким слоем металла – теллура. При записи логической единицы луч прожигает в пленке теллура микроскопическое отверстие. Запись начинается с внутренних дорожек и ведется с большой плотностью – 630 дорожек на миллиметр. Длина всей спиральной дорожки – около 5 км. Таким способом изготавливается первичный «мастер-диск», с которого потом производится тиражирование всей партии дисков методом литья под давлением. При считывании информации ямки и ровные участки дорожки дают разную интенсивность отраженного луча, которая регистрируется фотоприемником.

CD-R - основа покрыта слоем органического красителя, поверх которого нанесено светоотражающее напыление (золото или сплав серебряного цвета). При записи выжигаются фрагменты красителя. В результате отраженный луч также будет промодулирован по интенсивности.

CD-RW – под отражающим слоем имеют регистрирующий слой, который может менять свое состояние между поликристаллическим и аморфным. Прозрачность слоя зависит от его состояния. При перезаписи состояние отдельных участков изменяется: в зависимости от степени нагрева участка лучом записывающего лазера при остывании фиксируется то или иное его состояние. В отличие от печатных дисков и CD-R, отражающих около 70% мощности падающего луча, диски CD-RW обладают существенно меньшей отражающей способностью.

Перспективными являются оптические диски с высокой плотностью записи DVD (DigitalVideoDisc). Информация на этих дисках может быть размещена на одной либо на обеих сторонах, в одном либо в двух слоях. Двухсторонние двухслойные диски позволяют хранить 17 Гб информации. Расстояние между слоями в двухслойных дисках – 40 мкм. Переключение между слоями осуществляется фокусировкой лазера на требуемом расстоянии. Двухсторонние диски склеиваются из двух отдельных дисков толщиной 0,6 мм. Для доступа ко второй стороне диск надо переворачивать.

 

 

Устройства ввода- вывода данных

ДИСПЛЕЙ.

Дисплей (монитор) – необходимое устройство вывода информации. Это устройство аналогично телевизору (электронно-лучевая трубка). Любое изображение на экране дисплея состоит из множества светящихся точек – пикселей. Дисплей характеризуется разрешающей способностью экрана – максимальное количество пикселей, используемых для создания изображения. Измеряется как количество точек по горизонтали на количество точек по вертикали. В современных ПК наиболее часто используют дисплеи с разрешающей способностью 320х200, 640х200, 640х480, 800х600, 1024х768. Дисплеи бывают цветными и монохромными. Цветное изображение получается на экране как комбинация трех основных цветов – красного, зеленого, синего. Поэтому цветные дисплеи также называют RGB-дисплеями (R ed, G reen, B lue).

Дисплей может работать в 2-х режимах:

· текстовый режим –
для вывода символов. Экран разбивается на 80 вертикальных полосок, каждая
из них, как правило, разбита на 25 частей по горизонтали (иногда – 43 или 45).
Каждый полученный прямоугольник называется знакоместом.
В нем размещается 1 символ. Знакоместо состоит из пикселей. Часть пикселей
используется для изображения символа (передний
план), а остальные образуют фон.
Для изображения символа в текстовом режиме используется 16 цветов, а для
изображения фона – 8 цветов. Текущую
позицию (знакоместо, в котором появится следующий введенный с клавиатуры
символ) указывает мигающая метка – курсор.
После вывода символа в этом знакоместе курсор смещается на одну позицию
(знакоместо) вправо.

· графический
режим – каждый пиксель экрана используется отдельно. Обычно курсор не
выводится. Но в некоторых задачах возможен вывод на экран графического курсора (он
отличается по виду от текстового курсора).

Дисплей подключается к ПК через устройство сопряжения – видеоадаптер. Видеоадаптер имеет собственную память для хранения изображения, выводимого на экран. Объем этой памяти определяет количество цветов в цветовой палитре и разрешающую способность экрана. Наиболее известны видеоадаптеры CGA, EGA, VGA, SVGA.

КЛАВИАТУРА.

Клавиатура – это необходимое устройство ввода информации в ПК. Все устройства ввода служат для преобразования информации, поступающей с периферийных устройств, в цифровой вид. Сейчас наиболее часто используется 101-клавишная клавиатура. На ней выделяют следующие основные группы клавиш:

· функциональные клавиши – [F1] – [F12]. За каждой из них в каждой конкретной задаче может быть закреплена своя функция, отличная от функции этой клавиши в других задачах.

· символьная клавиатура – для ввода символов (верхний и нижний регистры) и пробела.

· управляющие клавиши – нажатие которых изменяет значение других клавиш. [Shift ] – перевод регистров. [CapsLock] – фиксирование верхнего регистра. [Ctrl], [Alt] – в различных комбинациях с другими клавишами изменяют их значение (регистр, язык). [Esc] – обычно используется для выхода из текущего режима работы компьютера. [Tab] – передвигает курсор на шаг табуляции или для других функций. [Backspace] – стирает последний набранный символ. [Enter] – указывает, что закончен ввод данной строки, и набранные данные поступают для обработки в компьютер.

· цифровая клавиатура – может находиться в одном из 2-х режимов (переключается клавишей [NumLock]): режиме ввода цифр и режиме управления курсором.

· специальные и дополнительные клавиши – [PageUp], [PageDown] – постраничный просмотр. Клавиши управления курсором – для изменения положения курсора на экране. [Pause] –пауза. [ScrollLock] – режим прокрутки экрана. [PrintScreen] – в комбинации с клавишей [Shift] является командой печати копии экранного изображения на принтере. [Del] – удаление символа над курсором. [Ins] – режимы вставки и замены.

При нажатии на клавишу в системный блок ПК поступает сигнал, указывающий, какая клавиша нажата. Этот сигнал преобразуется в двоичный код, который поступает в память ПК. Из памяти извлекаются команды, создающие на экране дисплея изображение символа, соответствующего этому двоичному коду по таблице ASCII.

Полезные комбинации клавиш:

[Shift]–[PrintScreen] – печать копии экрана на принтер;

[Ctrl]–[NumLock], [Ctrl]–[S] – приостановка выполнения программы;

[Ctrl]–[Break], [Ctrl]–[C] – прерывание выполнения программы;

[Ctrl]–[Alt]–[Del] - мягкая перезагрузка компьютера.

ДРУГИЕ УСТРОЙСТВА ВВОДА.

Мышь – устройство, которое преобразует свое положение на плоской поверхности стола в позицию курсора на экране дисплея. Перемещение мыши по столу приводит во вращение шар, находящийся снизу в теле мыши. Вращение шара преобразуется в сигнал, управляющий движением курсора мыши на экране дисплея. Ввод информации в компьютер осуществляется с помощью кнопок, встроенных в тело мыши (двух или трех).

Трекбол – представляет собой перевернутую на «спину» мышь. Шар, управляющий движением курсора, находится сверху. Пользователь вращает шар ладонью или пальцем, и в соответствии с этим курсор перемещается по экрану. Трекбол удобен тем, что его не надо двигать по столу.

Сканеры – используются для ввода в ПК различных изображений – текстов, рисунков и другой графической информации, нанесенных на бумагу или какую-нибудь поверхность. Считывающая головка сканера равномерно движется над изображением. Специальное устройство преобразует изображение в цифровые коды, которые поступают в ПК. Бывают ручные и настольные. Существует много различных моделей сканеров обоих типов.

Джойстик, руль – манипуляторы,используемые в компьютерных играх.

Световые перья, сенсорные экраны – достаточно коснуться пальцем поверхности экрана, чтобы указать компьютеру требуемое место на экране.

Графические планшеты (диджитайзеры) – обеспечивают перенос изображения с накладываемого листа бумаги в ЭВМ с помощью перемещения по планшету специального указателя.