Оброблення цифрової інформації

Електронні обчислювальні машини (комп'ютери) — це засоби перетворення інформації, які є програмованими автоматами.

Існують машини для оброблення інформації в аналоговій формі та в цифровій. Аналогові обчислювальні машини виникли історично значно раніше, ніж цифрові В них кожному числу ставиться у відповідність його фізичний аналог, найчастіше значення струму або напруги, а обчислювальні операції виконуються за допомогою ОП. Аналогові обчислювальні машини — це спеціалізовані автомати, розроблювані для кожного класу задач. Основним їx недоліком є невисока точність виконання обчислень; тому застосовуються вони досить обмежено, переважно для математичного моделювання різноманітних процесів.

Цифрові комп’ютери здебільшого універсальні як за формою подання інформації, так i за способами iї оброблення. Тому вони є основним типом ЕОМ. Ось чому, коли вживають цю абревіатуру без додаткових поянень, завжди мають на увазі цифрові обчислювальні машини.

Математичною основою побудови всіх цифрових обчислювальних машин є алгебра логіки та двійкова система числення. Це значить, що якою б мовою i в якій би формі не була подана інформація за межами машини, в ній вона обробляється i запам'ятовується лише у вигляді двійкових чисел, кодів та машинних слів, відтворених у вигляді електричних мпульсів. Для перетворення інформації із зовнішньої мови на машинну використовують спеціальні перетворювачі кодів або програмні засоби.

Технічною основою побудови всіх пристроїв цифрових обчислювальних машин є логічні елементи, розглянуті у п. 6.5. Саме з них будуються різноманітні пристрої керування, арифметичні, логічні, запам'ятовувальні й інші пристрої ЕОМ. Швидке вдосконалення технології виготовлення цих пристроїв, інтеграція їxнix функцій та урізноманітнення типів сприяли тому, що елементна база, технічні можливості, структура ЕОМ змшювались через кожні п'ять-вісім років, створивши покоління обчислювальних машин, побудованих на електронних лампах, транзисторах, микросхемах, великих інтегральних мікросхемах, з використанням елементів функціональної електроніки тощо. Проте незалежно від цього перетворення інформації в цифрових комп'ютерах завжди виконується за заздалегідь складеним планом дій — алгоритмом, який можна реалізувати двома способами: апаратним i програмним.

Розглянемо для прикладу алгоритм обчислень за формулою

Z=(AX+Y)(BY-X) (11.1)

Цей алгоритм складається з п’яти кроків: 1) АХ = М; 2) М +Y =N; 3) BY = K; 4) К – Х =L;5) NL = Z, де А, В, Х, Y– вихідні дані; M,N,K,L,Z – зиінні, присвоєні результатам відповідних проміжних операцій.

Рис.11.1. Структурна схема апаратної реалізації алгоритму

Для anapamної реалізації розтлядуваногоалгоритму треба мати п'ять арифметичних операційних елементів, з'єднаних між собою так, як показано на рис. 11.1. Таке оброблення інформації може виконуватись одночасно в кількох елементах паралельно, але апаратна реалізація алгоритму є спеціалізованою, тобто для іншого алгоритму потрібно змінювати структуру схеми навіть тоді, коли вона складається з тих самих елементів. Апаратна реалізація алгоритму закладається конструктором під час проектування машин у вигляді побудованих на певній елементній базі фізичних засобів перетворення, обміну та запам’ятовування інформації, матеріалізованих засобів виконання стандартних i часто вживаних підпрограм.

При програмній реалізації алгоритму вci операції виконуються послідовно одна за одною* в універсальному операційному пристрої, який дістав назву арифметико-логічного пристрою (АЛП). Послідовність виконання операцій визначається програмою, що є докладною інстукцією для виконання дій в АЛП i складається з окремих команд.

Структура команд, які входять до складу програми, залежить від типу та будови комп'ютера. Кожна команда має порядковий номер, операційну (код операції) й адресну частини. Код onepaції показує, які діїмає виконати комп'ютер згідно з заданою командою (додавання, віднімання, множення, запам'ятовування тощо). Повний список операціій (система команд) залежить від модифікації комп'ютера. Адресна частина вказує на номери комірок пам'яті, в яких знаходяться вихідні дані для виконання операції та в які записуються результати її виконання. Взагалі, в команді слід вказувати три адреси: першого операнда виконуваної операції, другого операнда й адресу розміщення результату операції. Проте така структура команди потребує для iї запису великої кількості розрядів. Тому перший операнд i результат операції розміщують окремому регістрі — акумулятopi. В цьому разі команда може бути одноадресною.

Отже, для програмної реалізації алгоритму треба мати систему команд, якою можна описати вci операції, виконувані згідно з заданим алгоритмом, й апаратні засоби у вигляді АЛП, здатного виконати ці команди, а також запам’ятовувального пристрою (ЗП) з

Рис. 11.2.Структурна схема програмної реалізації алгоритму

необхідною кількістю комірок пам'яті відповідної розрядності, в яких розміщуються вихідні дані та програма. В розглядуваному прикладі для програмної реалізації алгоритму потрібш п'ять команд (множення, додавання, віднімання, зчитування i запису даних), дев'ять комірок пам'яті для розміщення вихідних даних та результатів обчислень і п’ять комірок пам'яті для запису програми.

Обмін інформацією між АЛП та ЗП, а також виконання всіх команд в АЛП здійснюються за допомогою пристрою керування. Його й АЛП, як правило, конструктивно об'єднують в єдиний пристій — процесор. На. структурійш схемі (рис. 11.2) показано також пристрій введення-виведення даних, програм i результатів виконання алгоритму. Bci ці та iншіi фізичні пристрой які забезпечують виконання програм, називають апаратним забезпеченням обчислювальної системи. Завдяки тому, що в nporpaмi вказуються адреси комірок пам'яті, а не записані в них коди чисел, вона має універсальний характер. Навіть зміна алгоритмів i вихідних даних при досить pозвиненій системі команд та пам'яті не потребує перебудови структури або окремих частин ЕОМ. Отже, програмна реалізація алгоритму теж здійснюється за допомогою апаратних засобів (процесора), але зміна алгоритму не потребує зміни їx складу i структури.

Розглянутий спрощений приклад показує принцип програмної реалізації алгоритму на рівні машинних кодів (машинної мови). Машинні коди з мовою символічного кодування — асемблером — використовувались при програмуванні лише на початкових етапах його розвитку для машин першого та другого поколінь. Сучасне програмування автоматизовано завдяки застосуванню різноманітних проблемно- i процедурно-opiєнтованих мов програмування та пакетів програм технічного обслуговування операційної системи, пакетів прикладних i керуючих програм тощо. За допомогою спеціальних трансляторів ці програми з алгоритмічних мов автоматично переводяться на машинну мову.

Таким чином, сучасна обчислювальна система складається з апаратних та операційних засобів (рис. 11.3). Anapamнi засоби — це матеріальне фізичне тіло системи, складене з пристроїв й електронних схем. Операційні засоби складаються з наборів програм, які здатні виконати апаратні засоби.

Рис.11.3. Структура обчислювальної системи

Це інтелектуальна частина обчислювальної системи, в якій виділяють прикладне (пакети прикладних програм, керуючі програми і програми технічного обслуговування операційної системи) та системне забезпечення.

Обчислювальна система може функціонувати лише при наявності взаємоузгоджених за основними технічними параметрами апаратних засобів (ємність пам'яті, система виконуваних команд, швидкодія) й операційних засобів. Іноді окремо розглядають інструментальні засоби, що є частиною апаратних та операційних засобів, — системи керування введенням і виведенням даних, розпізнавання символів, математичні пакети, машинні перекладачі, текстові процесори, менеджери особистої інформації тощо. Наприклад, базову систему введення-виведення інформації ВІОS* побудовано на програмованій мікросхемі. Вона є прикладом інструментального (допоміжного) засобу і може одночасно розглядатись як апаратний засіб (оскільки це мікросхема) та як операційний засіб (тому що вона програмована).

Операційні засоби докладно розглядаються в курсах інформатики і спецкурсах з програмування. Це програмні продукти, проектуванням яких займаються фахівці-програмісти. Для користувача, який ставить задачі й використовує здобуті результати, не суттєво, якими саме засобами виконувались окремі операції або розв'язувалась задача в цілому. Тому можна ввести поняття віртуальної (уявної) ЕОМ, що має певні можливості, які реалізуються сукупністю апаратних та інструментальних засобів й операційною системою.

Завдяки універсальності сучасні ЕОМ мають досить різноманітне застосування як засоби оброблення інформації та керування в автоматизованих системах у найвідповідальніших сферах сучасного життя: промисловості, торгівлі, економіці, законодавчих і виконавчих структурах тощо. Ось чому незалежно від сфери діяльності освіченому спеціалісту слід хоча б у загальних рисах розуміти, що і як відбувається в ЕОМ під час розв'язування поставленої задачі. Тому далі йтиметься про фізичне тіло обчислювальної системи: принцип дії, архітектуру та технічні можливості її апаратних засобів.

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
ГЛАВА 11 . СИСТЕМИ ЕЛЕКТРОННОЇ ОБЧИСЛЮВАЛЬНОЇ ТЕХНІКИ	\|	Апаратні засоби ЕОМ

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.015 сек.