Theoretical basis of processing digital information electronics. Lection 2

1.

Lection 2
● THEORETICAL BASIS OF PROCESSING DIGITAL INFORMATION
ELECTRONICS.
● INFORMATION. NUMBER SYSTEMS.
● NETWORK TECHNOLOGIES AND THE INTERNET

2.

THEORETICAL BASIS OF PROCESSING
DIGITAL INFORMATION ELECTRONICS.

3.

Теория информации
в 1948 г. он
опубликовал свой
эпохальный труд
«Математическая
теория связи»

4.

Позиционные системы счисления
Система счисления называется позиционной, если количественный эквивалент
(значение) цифры зависит от ее позиции в изображении числа.
В позиционных системах счисления величина, обозначаемая цифрой, зависит от
места (позиции) цифры в числе. Так в десятичном числе 222 цифра 2 встречается
трижды. Но самая правая означает две единицы, вторая справа — два десятка
(двадцать) и, наконец, третья — две сотни (двести).
Позиционными системами счисления являются:
Древнекитайская пятеричная;
Вавилонская шестидесятеричная;
Десятичная;
Двенадцатеричная ;
Двоичная;
Восьмеричная;
Шестнадцатеричная;
4

5.

Основное достоинство
позиционных систем счисления
● Простота выполнения арифметических операций и
ограниченное количество символов, необходимых для
записи любого числа.
Французский математик Пьер Симон Лаплас (1749— 1827)
такими словами оценил "открытие" позиционной системы
счисления: "Мысль выражать все числа немногими знаками,
придавая им, кроме значения но форме, еще значение по
месту, настолько проста, что именно из-за этой простоты
трудно оценить, насколько она удивительна".
5

6.

Непозиционные системы
счисления
Непозиционной называется такая система счисления, в
которой количественный эквивалент каждой цифры не
зависит от ее положения (места, позиции) в коде числа.
Например: греческая, римская, славянская, армянская и
грузинская системы счисления.
В этих системах счисления значение (величина) числа
определяется как сумма или разность цифр в числе.
Недостатки непозиционных системы счисления:
Для записи больших чисел приходиться вводить
новые цифры.
6

7.

Системы счисления,
применяемые в электронике
Двоичная система проста, так как для представления информации
в ней используются всего две цифры 0 и 1. Такое представление
информации принято называть двоичным кодированием.
Каждая ячейка памяти ЭВМ представляет собой физическую
систему, состоящую из некоторого количества однородных
элементов. Каждый такой элемент способен находиться только в
двух состояниях (включено/выключено) и служит для
изображения одного из значений разряда двоичного числа 0 или
1.
Наиболее надежным и дешевым является устройство, каждый
разряд которого может принимать два состояния: намагничено —
не намагничено, высокое напряжение — низкое напряжение
относительно заранее установленного порогового значения.
Следовательно, использование двоичной системы счисления в
качестве внутренней системы представления информации
7

8.

Преимущества двоичной системы счисления:
Простота совершаемых операций
Возможность осуществлять автоматическую обработку информации,
реализуя только два состояния элементов компьютера.
Недостаток двоичной системы счисления:
Быстрый рост числа разрядов в записи, представляющей двоичное
число
Восьмеричная и шестнадцатеричная системы счисления:
● Для обработки двоичных чисел в операционной системе (для записи
адресов, кодов чисел и машинных команд) использовали более
компактную по длине чисел восьмеричную систему счисления
(цифры от 0 до 7), а затем перешли на шестнадцатеричную систему
счисления (цифры от 0 до 9 и буквы A, B, C, D, E, F).
Из истории известен курьезный случай с восьмеричной системой
счисления. Шведский король Карл XII в 1717 году увлекался
8

9.

Непозиционные системы
счисления
Непозиционной называется такая система счисления, в
которой количественный эквивалент каждой цифры не
зависит от ее положения (места, позиции) в коде числа.
Например: греческая, римская, славянская, армянская и
грузинская системы счисления.
В этих системах счисления значение (величина) числа
определяется как сумма или разность цифр в числе.
Недостатки непозиционных системы счисления:
Для записи больших чисел приходиться вводить
новые цифры.
9

10.

Представление информации
в памяти компьютера
● Информация
в памяти компьютера хранится и
обрабатывается в двоичном виде. Форма записи данных
в памяти электронного устройства называется
внутренним представлением информации.
● Применение
двоичной системы счисления позволяет
использовать для хранения информации элементы,
имеющие всего два устойчивых состояния. Одно
состояние
служит
для
изображения
единицы
10

11.

● Все байты пронумерованы, начиная с нуля.
● Адресом любой информации считается адрес
(номер) самого первого байта поля памяти,
выделенного для ее хранения.
● Существует
представления
представлением
два
основных
способа
чисел,
называемых
с фиксированной и с
11

12.

Размещение в памяти
компьютера двоичного числа с
фиксированной точкой
● Для
чисел с фиксированной точкой положение
точки зафиксировано после младшей цифры числа,
дробная часть отсутствует, точка в изображении
числа опускается.
● Таким образом, в виде с фиксированной точкой
могут храниться только целые числа (в памяти
компьютера они записываются в двоичном коде).
● Обычно целое двоичное число занимает в памяти 2
или 4 байта. Это зависит от длины числа и
12

13.

Пример размещения целого
числа в 4 байтах памяти
127(10) = 7 F(16) = 1111111(2)=
1·26+1·25+1·24+1·23+1·22+1·21+1·20
0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1
1-вый байт
2-ой байт
3-ий байт
4-ый байт
31
30
29
28
27
26
25
24
23
22
21
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
Номера битов
Если во всех битах с 0-го по 30-ый находится 1, то максимальное
целое положительное число, которое можно записать в двойном
слове, имеет вид 231-1 = 2147483647(10).
● 31-бит
является битом определяющим в прямом или
13
дополнительном коде храниться число
0

14.

Прямой и дополнительный код
целого числа
Форму записи положительных целых двоичных чисел
называют прямым кодом. В этом случае их запись в
отведенной
памяти
полностью
соответствует
символической записи в двоичной системе счисления.
Отрицательные числа записываются в дополнительном
коде. Использование этого кода позволяет упростить
аппаратную реализацию операции вычитания, которая
заменяется
операцией
сложения
уменьшаемого,
представленного в прямом коде, и вычитаемого,
представленного в дополнительном коде.
14

15.

Пример представления
отрицательного целого числа в
дополнительном коде
95(10)
5F(16)
1011111(2
1.Разместим прямой
без знака
в четырех байтах
= код числа
=
)
00000000 00000000 00000000 01011111
2.Запишем обратный код числа
11111111 11111111 11111111 10100000
3. Прибавим к младшему биту 1 (по правилам двоичной
системы счисления), и получим дополнительный код числа
11111111 11111111 11111111 10100001
15

16.

Двоичные числа с плавающей
точкой
● Числа,
в которых положение точки не
зафиксировано после некоторого разряда, а
указывается специальным числом, называются
числами с плавающей точкой.
● В общем виде любое число
в системе счисления с
основанием p можно представить в виде A=m·pk, где
m - мантисса числа A, k - порядок числа. При этом
если мантисса числа удовлетворяет неравенству
1≤|m|<p,
то
данное
число
называется
нормализованным.
16

17.

Размещение числа с плавающей
точкой в памяти компьютера
Размеры областей, выделяемых под числа с
плавающей
точкой,
существенно
зависят
от
аппаратной реализации вычислительной техники и
могут храниться в 4, 8 и 10 байтах в зависимости от
указанных программистом атрибутов.
Например
размещение числа в 4 байтах
имеет вид
Мантисса
± Характеристика
Номер
бита
31 30
23 22
0
17

18.

● С
Характеристика числа с
плавающей точкой
целью упрощения аппаратной реализации
арифметических операций в представлении числа с
плавающей точкой знак порядка k и его значение
явно не хранится.
● Вместо порядка в память записывается величина,
называемая характеристикой.
● Характеристика получается из порядка путем
прибавления
поправочного
коэффициента
определяемого
атрибутами
ячейки
памяти,
выделенной программистом.
18

19.

Символьная информация
В
компьютере
для
внутреннего
представления
символьных данных используется так двоичный код,
согласно которому каждому символу соответствует 8разрядный либо 16-разрядный код.
Примеры кодовых таблиц:
● Однобайтовая
таблица стандарта ASCII (American
Standard Code for Information Interchange). Использует 256
стандартных символов (букв, цифр, знаков препинания и
различных графических образов). Кодовая таблица
делится на две половины – с кодами от 0-го до 127-го и от
128-го до 255-го.
19

20.

Internet
Интернет состоит из многих тысяч корпоративных,
научных, правительственных и домашних
компьютерных сетей. Объединение сетей разной
архитектуры и топологии стало возможно благодаря
протоколу IP (англ. Internet Protocol) и принципу
маршрутизации пакетов данных.

21.

22.

23.

24.

25.

Маршрутизаторы

26.

Intranet

27.

Internet, ISP (Internet
service provider)

28.

Internet

29.

OSI Model
open systems interconnection basic
reference model

30.

OSI Model

31.

OSI Model - Физический уровень
Физический уровень (англ. physical layer) — нижний
уровень модели, который определяет метод передачи
данных, представленных в двоичном виде, от одного
устройства (компьютера) к другому. Осуществляют
передачу электрических или оптических сигналов в
кабель или в радиоэфир и, соответственно, их приём и
преобразование в биты данных в соответствии с
методами кодирования цифровых сигналов.

32.

OSI Model - Канальный уровень
Канальный уровень (англ. data link layer) предназначен
для обеспечения взаимодействия сетей на физическом
уровне и контроля ошибок, которые могут возникнуть.
На этом уровне работают коммутаторы, мосты и другие
устройства. Эти устройства используют адресацию
второго уровня (по номеру уровня в модели OSI).

33.

OSI Model - Сетевой уровень
Сетевой уровень (англ. network layer) модели
предназначен для определения пути передачи данных.
Отвечает за трансляцию логических адресов и имён в
физические, определение кратчайших маршрутов,
коммутацию и маршрутизацию, отслеживание неполадок
и «заторов» в сети.
Протоколы сетевого уровня: IP/IPv4/IPv6

34.

OSI Model - Траспортный уровень
Транспортный уровень (англ. transport layer) модели
предназначен для обеспечения надёжной передачи
данных от отправителя к получателю. При этом уровень
надёжности может варьироваться в широких пределах.
TCP обеспечивает надёжную непрерывную передачу
данных, исключающую потерю данных или нарушение
порядка их поступления или дублирования, может
перераспределять данные, разбивая большие порции
данных на фрагменты и наоборот, склеивая фрагменты в
один пакет.

35.

OSI Model - Сеансовый уровень
Сеансовый уровень (англ. session layer) модели
обеспечивает поддержание сеанса связи, позволяя
приложениям взаимодействовать между собой
длительное время. Уровень управляет
созданием/завершением сеанса, обменом информацией,
синхронизацией задач, определением права на передачу
данных и поддержанием сеанса в периоды неактивности
приложений.

36.

OSI Model - Уровень представления
Уровень представления (англ. presentation layer)
обеспечивает преобразование протоколов и
кодирование/декодирование данных.

37.

OSI Model - Прикладной уровень
Прикладной уровень (уровень приложений; англ.
application layer) — верхний уровень модели,
обеспечивающий взаимодействие пользовательских
приложений с сетью.
Протоколы прикладного уровня: RDP, HTTP, SMTP, SNMP, POP3, FTP, XMPP, OSCAR, Modbus, SIP, TELNET и другие.

38.

OSI Model - Прикладной уровень
Прикладной уровень (уровень приложений; англ.
application layer) — верхний уровень модели,
обеспечивающий взаимодействие пользовательских
приложений с сетью.
Протоколы прикладного уровня: RDP, HTTP, SMTP, SNMP, POP3, FTP, XMPP, OSCAR, Modbus, SIP, TELNET и другие.

39.

Сети
Что именно происходит, когда пользователь набирает в
адресной строке google.com?

40.

Сети
Что именно происходит, когда пользователь набирает в
адресной строке google.com?

41.

Сети
● The "g" key is pressed
● The "enter" key bottoms out
● Interrupt fires [NOT for USB keyboards]
● (On Windows) A WM_KEYDOWN message is sent to the app
● (On OS X) A KeyDown NSEvent is sent to the app
● (On GNU/Linux) the Xorg server listens for keycodes

42.

Сети
● Parse URL
● Is it a URL or a search term?
● Convert non-ASCII Unicode characters in hostname
● Check HSTS list
● DNS lookup
● ARP process
● Opening of a socket
● TLS handshake
● HTTP protocol, HTTP Server Request Handle

43.

Сети
● Behind the scenes of the Browser
● Browser
● HTML parsing
● CSS interpretation
● Page Rendering
● GPU Rendering
● Window Server
● Post-rendering and user-induced execution