Представление информации в вычислительных системах

Лекция 2.    Представление информации в вычислительных системах

1.1. Архитектура компьютера

Компьютер - это электронное  устройство, которое выполняет операции ввода информации, хранения и обработки  ее по определенной программе, вывод  полученных результатов в форме, пригодной для восприятия человеком. За любую из названных операций отвечают специальные блоки компьютера:

• устройство ввода,

• центральный процессор,

• запоминающее устройство,

• устройство вывода.

Все эти блоки состоят  из отдельных меньших устройств. В частности, в центральный процессор  могут входить арифметико-логическое устройство (АЛУ), внутреннее запоминающее устройство в виде регистров процессора и внутренней кэш-памяти, управляющее  устройство (УУ). Устройство ввода, как  правило, тоже не является одной конструктивной единицей. Поскольку виды входной  информации разнообразны, источников ввода данных может быть несколько. Это касается и устройств вывода.

Запоминающее устройство - это блок ЭВМ, предназначенный для  временного (оперативная память) и  продолжительного (постоянная память) хранения программ, входных и результирующих данных, а также промежуточных  результатов. Информация в оперативной  памяти сохраняется временно лишь при  включенном питании, но оперативная  память имеет большее быстродействие. В постоянной памяти данные могут  сохраняться даже при отключенном  компьютере, но скорость обмена данными  между постоянной памятью и центральным  процессором, в подавляющем большинстве  случаев, значительно меньше.

Арифметико-логическое устройство - это блок ЭВМ, в котором происходит преобразование данных по командам программы: арифметические действия над числами, преобразование кодов и др.

Управляющее устройство координирует работу всех блоков компьютера. В определенной последовательности он выбирает из оперативной  памяти команду за командой. Каждая команда декодируется, по потребности  элементы данных из указанных в команде  ячеек оперативной памяти передаются в АЛУ; АЛУ настраивается на выполнение действия, указанной текущей командой (в этом действии могут принимать  участие также устройства ввода-вывода); дается команда на выполнение этого  действия. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока не возникнет одна из следующих ситуаций: исчерпаны  входные данные, от одного из устройств  поступила команда на прекращение  работы, выключено питание компьютера.

Описанный принцип построения ЭВМ носит название архитектуры  фон Неймана - американского ученого  венгерского происхождения Джона  фон Неймана, который ее предложил.

Современную архитектуру  компьютера определяют следующие принципы:

1. Принцип программного управления. Обеспечивает автоматизацию процесса вычислений на ЭВМ. Согласно этому принципу, для решения каждой задачи составляется программа, которая определяет последовательность действий компьютера. Эффективность программного управления будет выше при решении задачи этой же программой много раз (хотя и с разными начальными данными).

2. Принцип программы, сохраняемой в памяти. Согласно этому принципу, команды программы подаются, как и данные, в виде чисел и обрабатываются так же, как и числа, а сама программа перед выполнением загружается в оперативную память, что ускоряет процесс ее выполнения.

3. Принцип произвольного доступа к памяти. В соответствии с этим принципом, элементы программ и данных могут записываться в произвольное место оперативной памяти, что позволяет обратиться по любому заданному адресу (к конкретному участку памяти) без просмотра предыдущих.

На основании этих принципов  можно утверждать, что современный  компьютер - техническое устройство, которое после ввода в память начальных данных в виде цифровых кодов и программы их обработки, выраженной тоже цифровыми кодами, способно автоматически осуществить  вычислительный процесс, заданный программой, и выдать готовые результаты решения  задачи в форме, пригодной для  восприятия человеком.

Реальная структура компьютера значительно сложнее, чем рассмотренная  выше (ее можно назвать логической структурой). В современных компьютерах, в частности персональных, все  чаще происходит отход от традиционной архитектуры фон Неймана, обусловленный  стремлением разработчиков и  пользователей к повышению качества и производительности компьютеров. Качество ЭВМ характеризуется многими  показателями. Это и набор команд, которые компьютер способный  понимать, и скорость работы (быстродействие) центрального процессора, количество периферийных устройств ввода-вывода, присоединяемых к компьютеру одновременно и т.д. Главным показателем является быстродействие - количество операций, какую процессор способен выполнить за единицу времени. На практике пользователя больше интересует производительность компьютера - показатель его эффективного быстродействия, то есть способности не просто быстро функционировать, а быстро решать конкретные поставленные задачи.

Классификация ЭВМ

Вычислительные машины можно  классифицировать по разным признакам, в том числе: по производительности, назначению, элементной базе и т.д. К основным из них можно отнести, например, следующие:

1. По способу представления информации:

• ВМ непрерывного действия (аналоговые ВМ);

• ВМ дискретного действия (цифровые ВМ);

• гибридные ВМ (смешанного типа).

2. По назначению (степени специализации):

• ВМ общего назначения;

• специализированные и проблемно-ориентированные ВМ.

3. По физическому эффекту, используемому для представления, кодирования и обработки информации:

• электронные ВМ;

• магнитные ВМ;

• механические ВМ;

• электромеханические;

• криогенные ВМ;

• оптические ВМ;

• пневматические ВМ;

• гидравлические ВМ и др.

4. По количеству вычислительных устройств и степени распределенности:

• автономные ВМ;

• вычислительные системы;

• вычислительные комплексы;

• вычислительные сети.

Вычислительная система - сложная совокупность аппаратных средств, в том числе двух и  более процессоров, соединенных  внутренними шинами и реализующих  общие программы вычислений. (Например, параллельные ЭВМ.)

Вычислительный комплекс - совокупность двух и более ЭВМ  одного или различных типов, предназначенных  для решения общего класса задач  и соединенных между собой  посредством общей (внешней) памяти (с косвенной связью) или через  каналы ввода/вывода (с прямой связью). (Например, две ЭВМ, подсоединенные к одному массиву дисков.)

Вычислительная сеть - множество  ЭВМ, соединенных стандартными телекоммуникационными  каналами связи или стандартными каналами передачи данных (например, ЛВС).

5. По производительности можно достаточно условно разделить все ВМ на:

• Суперкомпьютеры – это самые мощные по быстродействию и производительности вычислительные машины. К суперЭВМ относятся “Cray” и “IBM SP2” (США). Используются для  решения  крупномасштабных  вычислительных  задач и моделирования, для сложных вычислений в аэродинамике, метеорологии, физике высоких энергий, также находят применение и в финансовой сфере.

• Большие машины или мейнфреймы (Mainframe). Мейнфреймы используются в финансовой сфере, оборонном комплексе, применяются для комплектования ведомственных, территориальных и региональных вычислительных центров.

• Средние ЭВМ широкого назначения используются для управления сложными технологическими производственными процессами.

• Мини-ЭВМ ориентированы на использование в качестве управляющих вычислительных комплексов, в качестве сетевых серверов.

• Микро - ЭВМ — это компьютеры, в которых в качестве центрального процессора используется микропроцессор. К ним относятся встроенные микро – ЭВМ (встроенные в различное оборудование, аппаратуру или приборы) и персональные компьютеры PC.

 Деление это весьма  условно, и границы между машинами  одного и другого класса размыты,  кроме того, по мере роста общей  производительности средств ВТ количественные показатели, отмечающие эти границы, естественно, меняются. Современные персональные компьютеры имеют практически те же характеристики, что и мини-ЭВМ восьмидесятых годов. На базе этого класса ЭВМ строятся автоматизированные рабочие места (АРМ) для специалистов различного уровня, используются как средство обработки информации в информационных системах.

К персональным компьютерам  относятся настольные и переносные ПК. К переносным ЭВМ относятся  Notebook (блокнот или записная книжка) и карманные персональные компьютеры (Personal Computers Handheld - Handheld PC, Personal Digital Assistants – PDA и Palmtop).

6. По сфере применения можно выделить ВМ:

• для выполнения научных и инженерных расчетов,

• управляющие и индустриальные ВМ,

• встраиваемые ВМ, 

• специализированные ВМ для обработки сигналов,

• персональные ВМ и др.

7. По количеству процессоров в ВМ соответственно можно выделить

• однопроцессорные и

• многопроцессорные ВМ.

8. По способу управления:

• наряду с традиционными ВМ, управляемыми потоком инструкций (команд),

• выделился достаточно обширный класс ВМ, управляемых потоком данных (потоковые архитектуры).

Классификация не ограничивается приведенными признаками, мы привели  только некоторые из возможных, так  как многообразие средств ВТ достаточно велико.

 

1.2 Представление информации в ЭВМ

Понятие «информация» является таким же фундаментальным, как понятия  «материя», «энергия» и другие философские категории. Это атрибут, свойство сложных систем, связанное с их развитием и самоорганизацией. Известно большое количество различных определений информации, отличие информации от данных, знаний и пр. Мы здесь ограничимся только рассмотрением некоторых практически важных понятий и определений.

Определение и классификация  информации

В настоящее время наука  пытается найти общие свойства и закономерности, присущие многогранному понятию информация, но пока это понятие во многом остается интуитивным и получает различные смысловые наполнения в различных отраслях человеческой деятельности

• в обиходе информацией называют любые данные или факты, которые кого-либо интересуют. Например, сообщение о каких-либо событиях, о чьей-либо деятельности и т.п. «Информировать» в этом смысле означает «сообщить нечто, неизвестное раньше»;
• в технике под информацией понимают сообщения, передаваемые в форме знаков или сигналов;
• в кибернетике под информацией понимают ту часть знаний, которая используется для ориентирования, активного действия, управления, т. е. в целях сохранения, совершенствования, развития системы.

Приведем несколько определений  информации:

• отрицание энтропии (Леон Бриллюэн);
• мера сложности структур (Моль);
• отраженное разнообразие (Урсул),
• содержание процесса отражения (Тузов);
• вероятность выбора (Яглом);
• снятая неопределенность наших знаний о чем-то (Клод Шеннон);
• обозначение содержания, полученного из внешнего мира в процессе нашего приспособления к нему и приспособления к нему наших чувств (Н Винер).

Информация может классифицироваться, например, по следующим основаниям.

а) признаки, отражающие структуру данных и форму представления информации;

б) содержание предметной области применения.

Исторически первой технологической формой получения, передачи, хранения информации являлось аналоговое (непрерывное) представление звукового, оптического, электрического или другого сигнала (сообщения) Магнитная аудио- и видеозапись, фотографирование, запись на шеллачные или виниловые грампластинки, проводное и радиовещание — основные способы хранения и передачи информации в аналоговой форме. Заметим, что с начала 50-х гг. (а во многом и сейчас) под термином теория информации подразумевались теоретические методы, связанные с обеспечением как можно более точного приема, передачи, записи, воспроизведения, преобразования непрерывных сигналов (основные понятия — линейность, нелинейность, шум, спектр сигнала, полоса пропускания и пр.)

Бит в теории информации — количество информации, необходимое для различения двух равновероятных сообщений («орел—решка», «чет—нечет» и т. п.).

В вычислительной технике  битом называют наименьшую «порцию» памяти компьютера, необходимую для хранения одного из двух знаков 0 и 1, используемых для машинного представления данных и команд.