Лекция 1

1.

Языки процедурного программирования
1 семестр
2 семестр
Лекции (часов)
16
16
Практические
занятия (часов)
32
32
зачет
дифференцированный
зачет
Контрольное
мероприятие

2.

Основные понятия вычислительной техники
Вычислительные машины и вычислительные системы предназначены для
автоматизации процессов обработки, хранения и передачи информации.
Вычислительная машина (ВМ), электронная вычислительная машина
(ЭВМ) – это комплекс технических и программных средств для проведения
вычислений, а также приёма, обработки, хранения и выдачи информации по
заранее определённому алгоритму. ВМ предназначены для автоматизации
подготовки и решения задач пользователей.
Электронная вычислительная машина выполняет следующие операции:
• ввод информации;
• обработку информации по заданной программе;
• вывод результатов обработки в форме, пригодной для восприятия
человеком.

3.

Основные понятия вычислительной техники
За каждое из действий отвечает специальной блок ЭВМ:
• устройство ввода;
• запоминающее устройство(ЗУ);
• центральный процессор(ЦП);
• устройство вывода.
Эти устройства соединены каналами связи, по которым передается
информация.
При рассмотрении компьютерных устройств принято различать их
архитектуру и структуру.
Структура компьютера – это совокупность его функциональных элементов и
связей между ними.
Элементами могут быть самые различные устройства –от основных
логических узлов компьютера до простейших схем.

4.

Основные понятия вычислительной техники
Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем,
с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне
детализации.
Различают структуры технических, программных и аппаратно-программных
средств.
Характеристики ЭВМ, определяющие ее структуру:
• технические и эксплуатационные характеристики ЭВМ (быстродействие и
производительность, показатели надежности, достоверности, точности, емкость
оперативной и внешней памяти, габаритные размеры, стоимость технических и
программных средств, особенности эксплуатации и др.);
• характеристики и состав функциональных модулей базовой конфигурации
ЭВМ;
• состав программного обеспечения ЭВМ и сервисных услуг (операционная
система или среда, пакеты прикладных программ, средства автоматизаци и
программирования).

5.

Основные характеристики вычислительной машины
Быстродействие – одна из важнейших характеристик ЭВМ, которая
определяется числом команд, выполняемых ЭВМ за одну секунду. Зависит от
организации памяти ЭВМ и тактовой частоты работы ядра.
Надежность – это способность ЭВМ при определенных условиях выполнять
требуемые функции в течение заданного интервала времени.
Точность – возможность различать почти равные значения.
Достоверность – свойство информации быть правильно воспринятой.
Достоверность характеризуется вероятностью получения безошибочных,
корректных результатов.

6.

Вычислительные комплексы и системы
Вычислительный (многомашинный) комплекс – это несколько
вычислительных машин или систем, информационно связанных между собой.
При этом каждая вычислительная машина самостоятельно управляет своими
вычислительными процессами, а информационный обмен между машинами
комплекса не является интенсивным (в отличие от взаимодействия процессоров
в многопроцессорных системах).
Вычислительная система представляет собой совокупность элементов и
устройств, соединенных и взаимодействующих между собой для достижения
определенной цели. Часто вычислительная система задействует несколько
процессоров, между которыми происходит интенсивных обмен информацией.

7.

Функциональные и структурные схемы
Для наглядного представления вычислительные машины и системы
изображаются в виде схем, состоящих из блоков и связей между ними.
Различают функциональные и структурные схемы.
В функциональной схеме блоки выделяются по функциональному признаку
в ходе функциональной декомпозиции.
Функция блока определяет алгоритм работы блока.
В структурной схеме блоки представляют собой конструктивные
компоненты – устройства, операционные узлы, интегральные микросхемы.
Структура показывает, как устроен блок, раскрывая его в виде схемы,
содержащей блоки более низкого уровня иерархии.

8.

Принципы построения ВМ
Основные принципы построения ЭВМ были сформулированы американским
ученым Джоном фон Нейманом в 40-х годах 20 века:
1. Принцип двоичности. Для представления данных и команд используется
двоичная система счисления.
2. Принцип программного управления. Программа состоит из набора команд,
которые выполняются процессором друг за другом в определённой
последовательности.
3. Принцип однородности памяти. Как программы (команды), так и данные
хранятся в одной и той же памяти (и кодируются в одной и той же системе
счисления, чаще всего – двоичной). Над командами можно выполнять такие же
действия, как и над данными.
4. Принцип адресуемости памяти. Структурно основная память состоит из
пронумерованных ячеек, процессору в произвольный момент времени доступна
любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти
(идентификаторы) так, чтобы к хранящимся в них значениям можно былов
последствии легко обращаться или менять их в процессе выполнения программ с
использованием присвоенных имен.

9.

Принципы построения ВМ
5. Принцип последовательного программного управления. Все
команды располагаются в памяти и выполняются последовательно, одна
после завершения другой.
6. Принцип условного перехода. Команды из программы не всегда
выполняются одна за другой. Возможно присутствие в программе команд
условного перехода, которые изменяют последовательность выполнения
команд в зависимости от значений данных. (Сам принцип был
сформулирован задолго до фон Неймана Адой Лавлейс и Чарльзом
Бэббиджем, однако он логически включен в набор фон Неймана как
дополняющий предыдущий принцип).

10.

Принципы построения ВМ
Любую ВМ образуют три основные компонента: центральный
процессор (ЦП), память (ЗУ) и устройства ввода-вывода (УВВ)
Центральный
процессор
Устройство
управления
Устройства
ввода
Арифметикологическое
устройство
Память
Устройства
вывода

11.

Центральный процессор
Центральный процессор (CPU, от англ. Central Processing Unit) – это
основной рабочий компонент компьютера, который выполняет
арифметические и
логические операции, заданные программой,
управляет вычислительным процессом и координирует работу всех
устройств компьютера.
Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров (на
базе микросхемы).
Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему.
Основные параметры процессора:
• Тактовая частота
• Разрядность
• Объем Кэш-памяти
• Сокет (разъем)
• Архитектура
• Система команд.

12.

Центральный процессор
Обработка
данных
и
команд
осуществляется посредством арифметикологического
устройства
(АЛУ),
предназначенного для непосредственного
выполнения
машинных
команд
под
действием устройства управления.
АЛУ
и
УУ
совместно
образуют
центральное процессорное устройство
(ЦПУ). Результаты обработки передаются в
память.

13.

Центральный процессор
Устройство управления (УУ) формирует адрес выполняемой команды,
и выдает управляющий сигнал на чтение содержимого соответствующей
ячейки запоминающего устройства (ЗУ). Считанная команда передается в
УУ.
По информации, содержащейся в адресных полях команды, УУ
формирует адреса операндов и управляющие сигналы для их чтения из
ЗУ и передачи в арифметико-логическое устройство (АЛУ). После
считывания операндов устройство управления по коду операции,
содержащемуся в команде, выдает в АЛУ сигналы на выполнение
операции.
Полученный результат записывается в ЗУ по адресу приемника
результата под управлением сигналов записи. Признаки результата (знак,
наличие переполнения, признак нуля и так далее) поступают в УУ и
записываются в специальный регистр признаков. Эта информация может
использоваться при выполнении следующих команд программы.

14.

Запоминающие устройства
Запоминающее устройство или память – это совокупность ячеек,
предназначенных для хранения некоторого кода. Каждой из ячеек
присвоен свой номер, называемый адресом. Информацией, записанной в
ячейке, могут быть как команды в машинном виде, так и данные.
Запоминающие устройства делятся на внутренние и внешние.
Внутренняя память, включает в себя:
оперативную память,
Кэш-память,
специальную память.

15.

Запоминающие устройства
Оперативная память (ОЗУ, англ. RAM, Random Access Memory) – это
быстродействующее, энергозависимое запоминающее устройство,
непосредственно связанное с процессором. Представляет собой память с
произвольным доступом и предназначена для записи, считывания и
хранения выполняемых программ и данных, обрабатываемых этими
программами.
Существует два типа ОЗУ: статическая и динамическая.
Кэш (англ. cache ) или сверхоперативная память – это очень быстрое
энергозависимое запоминающее устройство небольшого объема,
которое используется при обмене данными между микропроцессором и
оперативной памятью для компенсации разницы в скорости обработки
информации процессором и несколько менее быстродействующей
оперативной памятью.

16.

Запоминающие устройства
К устройствам специальной памяти относятся:
• Постоянная
память
(ПЗУ,
англ.ROM,
ReadOnlyMemory)
–
энергонезависимая память, используется для хранения данных, которые
никогда не требуют изменения. Важнейшая микросхема постоянной
памяти – модуль BIOS (Basic Input-Output System).
• CMOSRAM
–
это
память
с
невысоким
быстродействие
миминимальным энергопотреблением от батарейки. Используется для
хранения информации о конфигурациии, составе оборудования
компьютера, а также о режимах его работы.
• Видеопамять (VRAM) – разновидность оперативного ЗУ, в котором
хранятся закодированные изображения. Это ЗУ организовано так, что его
содержимое доступно сразу двум устройствам – процессору и дисплею.
Поэтому изображение на экране меняется одновременно с обновлением
видеоданных в памяти.

17.

Запоминающие устройства
Внешняя память – это устройства, которые используются для
долговременного
хранения
информации.
Внешняя
память
энергонезависима.
• Жесткие магнитные диски (HDD)
• Твердотельные накопители (SSD)
• Оптические диски (CD, DVD)
• Флеш накопители ( Flash Drive)

18.

Устройства ввода-вывода
Устройство ввода позволяет ввести программу решение задачи и
исходные данные в ВМ и поместить их в оперативную память. В
зависимости от типа устройства ввода исходные данные для решения
задачи вводятся непосредственно с клавиатуры, либо они должны быть
предварительно помещены на какой-либо носитель (дисковый
накопитель).
Устройство вывода служит для вывода из ВМ результатов обработки
исходной информации. Чаще всего, это символьная или графическая
информация, которая выводится с помощью печатающих устройств или
на экран дисплея.

19.

Устройства ввода-вывода
Устройства ввода-вывода - компоненты типовой архитектуры ЭВМ,
предоставляющие компьютеру возможность взаимодействия с внешним
миром и, в частности, с пользователями.
Устройство ввода позволяет ввести программу решение задачи и
исходные данные в ВМ и поместить их в оперативную память. В
зависимости от типа устройства ввода исходные данные для решения
задачи вводятся непосредственно с клавиатуры, либо они должны быть
предварительно помещены на какой-либо носитель (дисковый
накопитель).
Устройства ввода — это, в основном, датчики преобразования
неэлектрических величин (расположение в пространстве, давление,
вязкость, скорость, ускорение, освещённость, температура, влажность,
перемещение, количественные величины и т. п.) и электрических величин
в электрические сигналы, воспринимаемые процессором для дальнейшей
их обработки, в основном, в цифровом виде.

20.

Устройства ввода-вывода
Классификация устройств ввода по типу вводимой информации:
• устройства ввода текста (клавиатура);
• устройства ввода графической информации (сканер, цифровые фото,
графический планшет (дигитайзер));
• устройства ввода звука (микрофон)
• устройства - манипуляторы (преобразуют движение руки в
управляющую информацию для компьютера).

21.

Устройства ввода-вывода
Устройства-манипуляторы делятся на
несенсорные:
• мышь,
• трекбол (устройство в виде шарика, управляется вращением
рукой),
• трекпоинт (Pointing stick - джойстик очень маленького размера (5
мм) с шершавой вершиной, который расположен между клавишами
клавиатуры, управляется нажатием пальца;
• игровые манипуляторы: джойстик, педаль, руль, танцевальная
платформа, игровой пульт (геймпад, джойпад);

22.

Устройства ввода-вывода
сенсорные:
• тачпад (сенсорный коврик),
• сенсорный экран,
• графический планшет (дигитайзер) которым водят по экрану
планшета,
• световое перо - для ввода чертежей, схем и планов с помощью
специального карандаша, устройство в виде ручки, ввод данных
прикосновением или проведением линий по экрану монитора.

23.

Устройства ввода-вывода
Устройство вывода служит для вывода из ВМ результатов обработки
исходной информации. Чаще всего, это символьная или графическая
информация, которая выводится с помощью печатающих устройств или
на экран дисплея.
Классификация по типу выводимой информации:
• устройства вывода графической и текстовой информации (монитор,
проектор, устройства для вывода на печать - принтер, широкоформатный
принтер ("широкий" принтер), плоттер (графопостроитель), каттер
(режущий плоттер));
• устройства вывода (воспроизведения) звука (наушники, колонки и
акустические системы (динамик, усилитель), встроенный динамик (PC
speaker, Beeper) для подачи звукового сигнала в случае возникновения
ошибки).

24.

Архитектура ВМ
Различаются
Принстонскую
и
Гарвардскую
архитектуру
вычислительных машин. Эти архитектурные варианты были предложены
в конце 40-х годов специалистами, соответственно, Принстонского и
Гарвардского университетов США для разрабатываемых ими моделей
компьютеров.
Принстонская архитектура, которая часто называется архитектурой
фон Неймана, характеризуется использованием общей оперативной
памяти для хранения программ, данных, а также для организации стека.
Для обращения к этой памяти используется общая системная шина, по
которой в процессор поступают и команды, и данные.

25.

Архитектура ВМ
Архитектура современных персональных компьютеров основана на
магистрально-модульном принципе. Информационная связь между
устройствами компьютера осуществляется через системную шину
(системную магистраль).
Шина – это кабель, состоящий из множества проводников. Количество
проводников, входящих в состав шины, является максимальной
разрядностью шины.
Системная шина, в свою очередь, представляет собой совокупность
❑ шины данных, служащей для переноса информации;
❑ шины адреса, которая определяет, куда переносить информацию;
❑ шины управления, которая определяет правила для передачи
информации;
❑ шины питания, подводящей электропитание ко всем узлам
вычислительной машины.

26.

Архитектура ВМ
Системная шина характеризуется тактовой частотой и разрядностью.
Количество одновременно передаваемых по шине бит называется
разрядностью шины.
Тактовая частота характеризует число элементарных операций по
передаче данных в 1 секунду. Разрядность шины измеряется в битах,
тактовая частота – в мегагерцах.
Архитектура фон Неймана
ЦПУ
(АЛУ, УУ)
Память
(ЗУ)
Устройства
вводавывода
(УВВ)
шина адреса (ША)
Системная
шина (СШ)
шина данных (ШД)
шина управления (ШУ)

27.

Архитектура ВМ
Эта архитектура имеет ряд важных достоинств.
❑ Наличие общей памяти позволяет оперативно перераспределять ее
объем для хранения отдельных массивов команд, данных и реализации
стека в зависимости от решаемых задач. Таким образом, обеспечивается
возможность более эффективного использования имеющегося объема
оперативной памяти в каждом конкретном случае применения.
❑ Использование общей шины для передачи команд и данных
значительно упрощает отладку, тестирование и текущий контроль
функционирования системы, повышает ее надежность.
Поэтому Принстонская архитектура в течение долгого времени
доминировала в вычислительной технике.

28.

Архитектура ВМ
Однако ей присущи и существенные недостатки. Основным из них
является необходимость последовательной выборки команд и
обрабатываемых данных по общей системной шине. При этом общая
шина становится «узким местом» (bottleneck – «бутылочное горло»),
которое ограничивает производительность цифровой системы.

29.

Архитектура ВМ
Гарвардская архитектура была разработана Говардом Эйкеном в
конце 1930-х годов в Гарвардском университете с целью увеличить
скорость выполнения вычислительных операций и оптимизировать работу
памяти.
Она характеризуется физическим разделением памяти команд
(программ) и памяти данных.
В ее оригинальном варианте использовался также отдельный стек для
хранения содержимого программного счетчика, который обеспечивал
возможности выполнения вложенных подпрограмм.
Каждая память соединяется с процессором отдельной шиной, что
позволяет одновременно с чтением-записью данных при выполнении
текущей команды производить выборку и декодирование следующей
команды. Благодаря такому разделению потоков команд и данных и
совмещению операций их выборки реализуется более высокая
производительность, чем при использовании Принстонской архитектуры.

30.

Архитектура ВМ
Недостатки Гарвардской архитектуры связаны с необходимостью
проведения большего числа шин, а также с фиксированным объемом
памяти, выделенной для команд и данных, назначение которой не может
оперативно перераспределяться в соответствии с требованиями
решаемой задачи. Поэтому приходится использовать память большего
объема,
коэффициент
использования
которой
при
решении
разнообразных задач оказывается более низким, чем в системах с
Принстонской архитектурой. Однако развитие микроэлектронной
технологии позволило в значительной степени преодолеть указанные
недостатки, поэтому Гарвардская архитектура широко применяется во
внутренней
структуре
современных
высокопроизводительных
микропроцессоров, где используется отдельная кэш-память для хранения
команд и данных. В то же время во внешней структуре большинства
микропроцессорных систем реализуются принципы Принстонской
архитектуры.

31.

Структура АРМ инженера
Автоматизированное
рабочее
место
(АРМ)
–это
специализированная система, набор технических средств и программного
обеспечения, ориентированного на конкретного специалиста.
Структура АРМ включает в себя совокупность подсистем –
технической, информационной, программной и организационной.
Техническая подсистема включает в себя ПК, дополняемый по мере
необходимости другими вспомогательными электронными устройствами,
такими как дисковые накопители, печатающие устройства, оптические
читающие устройства или считыватели штрихового кода, устройства
графики, средства
сопряжения с другими АРМ и с локальными
вычислительными сетями, средства связи с другими АРМ, работающими
в общей сети объекта, а также другие средства связи (телефон, телекс,
телефакс).

32.

Структура АРМ инженера
Информационная подсистема – это массивы информации,
хранящейся в локальных базах данных, как правило, на дисковых
накопителях. Сюда же относятся и системы управления базами данных
(СУБД).
Программное обеспечение включает операционные системы,
сервисные программы, стандартные программы пользователей и пакеты
прикладных программ, выполненные по модульному принципу и
ориентированные
на
решение
определенного
класса
задач,
обусловленного назначением АРМ. По мере
необходимости в
программное обеспечение включаются также пакеты программ для
работы с графической информацией.

33.

Структура АРМ инженера
Организационное обеспечение АРМ имеет своей целью организацию
функционирования,
развития,
подготовки
кадров,
а
также
администрирования. К последнему относятся: планирование работы, учет,
контроль, анализ, регулирование, документальное оформление прав и
обязанностей пользователей АРМ.
Профессиональная ориентация АРМ определяется функциональной
частью ПО (ФПО). Именно здесь закладывается ориентация на
конкретного специалиста, обеспечивается решение задач определенных
предметных областей.

34.

Структура АРМ инженера

35.

Конфигурация ВМ
В современных ВМ реализован принцип открытой архитектуры,
позволяющий пользователю самому комплектовать нужную ему
конфигурацию компьютера и производить при необходимости её
модернизацию.
Конфигурацией
компьютера
называют
фактический
набор
компонентов вычислительной машины, которые составляют компьютер.
Принцип открытой архитектуры позволяет менять состав устройств
ВМ. К информационной магистрали могут подключаться дополнительные
периферийные устройства, одни модели устройств могут заменяться
другими.

36.

Конфигурация ВМ
Принцип
открытой
архитектуры
обеспечивает
возможность
кооперации различных фирм, специализирующихся на производстве
отдельных устройств и подсистем вычислительной машины. По мере
развития данного принципа существенное значение приобрело развитие
международных стандартов на интерфейсы, шины, архитектуру
процессоров, конструктивы и т. д. Существенным шагом в этом
направлении было создание системной (материнской) платы с разъемами
расширения.
Персональный
компьютер
представляет
собой
совокупность
взаимосвязанных конструктивно обособленных устройств, основными из
которых являются системный блок, монитор, клавиатура, манипулятор
«мышь».

37.

Конфигурация ВМ
Основным по функциональному составу и стоимости является
системный блок, который состоит из металлического корпуса, в котором
располагаются основные компоненты компьютера. С ним соединены
кабелями клавиатура, мышь и монитор. Внутри системного блока
расположены:
❑ микропроцессор, который выполняет все поступающие команды,
производит вычисления и управляет работой всех компонентов
компьютера;
❑ оперативная память, предназначенная для временного хранения
программ и данных;
❑ системная шина, осуществляющая информационную связь между
устройствами компьютера;

38.

Конфигурация ВМ
❑ материнская плата, на которой находятся микропроцессор, системная
шина, оперативная память, коммуникационные разъемы, микросхемы
управления различными компонентами компьютера, счётчик времени,
системы индикации и защиты;
❑ блок питания, преобразующий электропитание сети в постоянный ток
низкого напряжения, подаваемый на электронные схемы компьютера;
❑ вентиляторы для охлаждения греющихся элементов;
❑ устройства внешней памяти, к которым относятся накопители,
предназначенные для длительного хранения информации.

39.

Конфигурация ВМ
Аппаратной основой системного блока является материнская плата –
самостоятельный элемент, который управляет внутренними связями и с
помощью
системы
прерываний
взаимодействует
с
внешними
устройствами. На материнской плате расположены все важнейшие
микросхемы, а также разъемы (слоты) для подключения плат расширения.
К платам расширения относятся видеокарты, звуковые карты, сетевые
карты, встраиваемые модемы и др. Состав и тип плат расширения могут
быть различными.
Аппаратные средства
К аппаратным средствам вычислительных систем относятся
устройства и приборы, образующие аппаратную конфигурацию.
Современные компьютеры и вычислительные комплексы имеют блочномодульную конструкцию – аппаратную конфигурацию, необходимую для
исполнения конкретных видов работ, можно собирать из готовых узлов и
блоков.

40.

Классификация аппаратных средства
По способу расположения устройств относительно системного
блока различают внутренние и внешние устройства.
Внешними, как правило, являются большинство устройств вводавывода данных (их также называют периферийными устройствами) и
некоторые устройства, предназначенные для длительного хранения
данных.
Внутренние аппаратные средства, представляющие собой платы
расширения, классифицируются по назначению: видеокарты, звуковые
карты, сетевые карты и т.д.
Внешние аппаратные средства разделяются, как правило, на
устройства ввода (клавиатура, мышь, сканер) и устройства вывода
(монитор, принтер).

41.

Программные средства
Программы – это упорядоченные последовательности команд.
Конечная цель любой компьютерной программы – управление работой
аппаратных средств.
Состав программного обеспечения вычислительной системы
называют программной конфигурацией.
Между программами, как и между физическими узлами и блоками
существует взаимосвязь – многие программы работают, опираясь на
другие программы более низкого уровня, то есть можно говорить о
межпрограммном интерфейсе.
Уровни
программного
обеспечения
представляют
собой
пирамидальную конструкцию. Каждый следующий уровень опирается на
программное обеспечение предшествующих уровней.

42.

Программные средства
Базовый уровень. Самый низкий уровень программного обеспечения
представляет базовое программное обеспечение (операционную
систему). Оно отвечает за взаимодействие с базовыми аппаратными
средствами.
Как
правило,
базовые
программные
средства
непосредственно входят в состав базового оборудования и хранятся в
специальных микросхемах, называемых постоянными запоминающими
устройствами (ПЗУ – Read Only Memory, ROM). Программы и данные
записываются («прошиваются») в микросхемы ПЗУ на этапе производства
и не могут быть изменены в процессе эксплуатации.

43.

Программные средства
Операционная система (ОС) – это центральная и важнейшая часть
программного обеспечения ВМ, предназначенная для эффективного
управления вычислительным процессом, планирования работы и
распределения ресурсов ВМ, автоматизации процесса подготовки
программ и организации их выполнения при различных режимах работы
машины, облегчения общения оператора и пользователя с машиной.
В тех случаях, когда изменение базовых программных средств во
время эксплуатации является технически целесообразным, вместо
микросхем
ПЗУ
применяют
перепрограммируемые
постоянные
запоминающие устройства (ППЗУ – Erasable and Programmable Read Only
Memory, EPROM). В этом случае изменение содержания ПЗУ можно
выполнять как непосредственно в составе вычислительной системы
(такая технология называется флэш-технологией), так и вне ее, на
специальных устройствах, называемых программаторами.

44.

Программные средства
Системный уровень – переходный. Программы, работающие на этом
уровне, обеспечивают взаимодействие прочих программ компьютерной
системы с программами базового уровня и непосредственно с
аппаратным обеспечением, то есть выполняют «посреднические»
функции.
От программного обеспечения этого уровня во многом зависят
эксплуатационные показатели всей вычислительной системы в целом.
Например, при подключении к вычислительной системе нового
оборудования на системном уровне должна быть установлена программа,
обеспечивающая
для
других
программ
взаимосвязь
с
этим
оборудованием. Конкретные программы, отвечающие за взаимодействие
с конкретными устройствами, называются драйверами устройств – они
входят в состав программного обеспечения системного уровня.

45.

Программные средства
Другой
класс
программ
системного
уровня
отвечает
за
взаимодействие с пользователем. Именно благодаря им он получает
возможность вводить данные в вычислительную систему, управлять ее
работой и получать результат в удобной для себя форме. Эти
программные
средства
называют
средствами
обеспечения
пользовательского интерфейса. От них напрямую зависит удобство
работы с компьютером и производительность труда на рабочем месте.
Совокупность программного обеспечения системного уровня образует
ядро операционной системы компьютера. Если компьютер оснащен
программным обеспечением системного уровня, то он уже подготовлен к
установке программ более высоких уровней, к взаимодействию
программных средств с оборудованием и, самое главное, к
взаимодействию с пользователем. То есть наличие ядра операционной
системы – непременное условие для возможности практической работы
человека с вычислительной системой.

46.

Программные средства
Служебный уровень. Программное обеспечение этого уровня
взаимодействует как с программами базового уровня, так и с программами
системного уровня. Основное назначение служебных программ (их также
называют утилитами) состоит в автоматизации работ по проверке,
наладке и настройке компьютерной системы. Во многих случаях они
используются для расширения или улучшения функций системных
программ. Некоторые служебные программы (как правило, это программы
обслуживания) изначально включают в состав операционной системы, но
большинство служебных программ являются для операционной системы
внешними и служат для расширения ее функций.

47.

Программные средства
Прикладной уровень. Программное обеспечение прикладного уровня
представляет собой комплекс прикладных программ, с помощью которых
на данном рабочем месте выполняются конкретные задания. Спектр этих
заданий необычайно широк – от производственных до творческих и
развлекательно-обучающих.
Огромный
функциональный
диапазон
возможных приложений средств вычислительной техники обусловлен
наличием прикладных программ для разных видов деятельности.
Поскольку между прикладным программным обеспечением и
системным существует непосредственная взаимосвязь (первое опирается
на второе), то можно утверждать, что универсальность вычислительной
системы, доступность прикладного программного обеспечения и широта
функциональных возможностей компьютера напрямую зависят от типа
используемой операционной системы, от того, какие системные средства
содержит ее ядро, как она обеспечивает взаимодействие комплекса
человек – программа – оборудование.

48.

Многоуровневая организация вычислений
Специалист,
организующий
взаимодействие уровней
Уровень организации
вычислительного
процесса
Процесс, реализующий
взаимодействие уровней
Концептуальный
Пользователь
Программирование
Языков высокого
уровня
Системный программист
Компиляция
Машинных команд
Микропрограммирование
Системотехник
Регистровых
передач
Логическое
программирование
Электронщик
Логических
вентилей
На
концептуальном
уровне
пользователь анализирует задачу,
выбирает метод ее решения,
разрабатывает
алгоритм.
Для
сложных
задач
выполняется
функциональная
декомпозиция,
определяются структуры данных,
выделяются программные модули,
определяются связи между ними.

49.

Многоуровневая организация вычислений
Специалист,
организующий
взаимодействие уровней
Уровень организации
вычислительного
процесса
Процесс, реализующий
взаимодействие уровней
Концептуальный
Пользователь
Программирование
Языков высокого
уровня
Системный программист
Компиляция
Машинных команд
Микропрограммирование
Системотехник
Регистровых
передач
Логическое
программирование
Электронщик
Логических
вентилей
Далее пишется программа на
одном из языков высокого уровня.
Такое представление программы
является машинно-независимым,
т.е. не зависит от архитектуры ВМ
и
особенностей
аппаратного
обеспечения.

50.

Многоуровневая организация вычислений
Специалист,
организующий
взаимодействие уровней
Уровень организации
вычислительного
процесса
Процесс, реализующий
взаимодействие уровней
Концептуальный
Пользователь
Программирование
Языков высокого
уровня
Системный программист
Компиляция
Машинных команд
Микропрограммирование
Системотехник
Регистровых
передач
Логическое
программирование
Электронщик
Логических
вентилей
На уровне машинных команд
обеспечивается связь программных
и аппаратных средств. На этом
уровне разрабатывается список
команд, определяются способы
кодирования операций и адресов,
число адресных полей в команде и
т.д.

51.

Многоуровневая организация вычислений
Специалист,
организующий
взаимодействие уровней
Уровень организации
вычислительного
процесса
Процесс, реализующий
взаимодействие уровней
Концептуальный
Пользователь
Программирование
Языков высокого
уровня
Системный программист
Компиляция
Машинных команд
Микропрограммирование
Системотехник
Регистровых
передач
Логическое
программирование
Электронщик
Логических
вентилей
На уровне регистровых передач
осуществляются
микрооперации,
выполняемые аппаратурой ЭВМ.
Это
операции
передачи,
запоминания и преобразования
кодов, выполняемые пересылкой
сигналов между регистрами через
комбинационные
(логические)
схемы.
Микрооперация
–
это
операция,
выполняемая
одной
регистровой передачей за 1 такт.

52.

Многоуровневая организация вычислений
Для настройки схем на выполнение требуемой микрооперации при
регистровой передаче требуется сформировать соответствующий набор
управляющих сигналов. Код набора управляющих сигналов называют
микрокомандой.
Последовательность микрокоманд, соответствующая выполнению
каждой машинной команды, называется микропрограммой. Каждой
машинной команде соответствует своя микропрограмма. Связь между
уровнями машинных команд и регистров передач осуществляется
методом интерпретации.
На уровне логических вентилей рассматриваются логические схемы
при логическом проектировании аппаратуры вычислительной машины.
Логические вентили работают с отдельными двоичными переменными.
Многоуровневая организация упрощает реализацию вычислительной
машины и управление вычислительными процессами, но снижает
эффективность за счет сложности реализации.

53.

Системы счисления
Системой счисления называется совокупность приемов наименования и
записи чисел.
Каждое число изображается в виде последовательности цифр, а для
изображения каждой цифры используется какой-либо физический элемент,
который может находиться в одном из нескольких устойчивых состояний.
Для проведения расчетов в повседневной жизни общепринятой является
десятичная система счисления. В этой системе для записи любых чисел
используются только десять различных знаков (цифр):
0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9.
Эти цифры введены для обозначения десяти последовательных целых
чисел от 0 до 9. Обозначая число «ДЕСЯТЬ», мы используем уже имеющиеся
цифры «10». При этом значение каждой из цифр поставлено в зависимость от
того места (позиции), где она стоит в изображении числа.
Такая система счисления называется позиционной. При этом десять
единиц каждого разряда объединяются в одну единицу соседнего, более
старшего разряда.

54.

Системы счисления
Число 252,2 можно записать в виде выражения
2 102 + 5 101 + 2 100 + 2 10−1
Аналогично десятичная
последовательности цифр
запись
произвольного
числа
x
в
виде
an an−1...a1a0 , a−1...a− m ...
основана на представлении этого числа в виде полинома
x = an 10n + an−1 10n−1 + ... + a1 101 + a0 100 + a−1 10−1 + ... + a− m 10− m + ...
где ai 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9
При этом запятая, отделяющая целую часть от дробной и является, по
существу, началом отсчета.

55.

Системы счисления
Число P единиц какого-либо разряда, объединяемых в единицу более
старшего разряда, называется основанием системы счисления, а сама
система счисления называется P-ичной.
Так, в десятичной системе счисления основанием системы является число
10.
Для записи произвольного числа в P-ичной системе счисления достаточно
иметь P различных цифр.
Цифры, служащие для обозначения чисел в заданной системе счисления
называются базисными.

56.

Системы счисления
Запись произвольного числа x в позиционной системе счисления с
основанием P в виде полинома
x = an P n + an−1 P n−1 + ... + a1 P + a0 + a−1 P −1 + ... + a− m P − m + ...
Каждый коэффициент данной записи может быть одним из базисных чисел
и изображается одной цифрой. Числа в P-ичной системе счисления
записываются в виде перечисления всех коэффициентов полинома с указанием
положения запятой:
x = an an−1...a1a0 , a−1...a− m ...
В качестве базисных чисел обычно берутся числа от 0 до P-1 включительно.
Для указания того, в какой системе счисления записано число, основание
системы указывается в виде нижнего индекса в десятичной записи, например
12,438

57.

Двоичная система счисления
Для представления чисел в микропроцессоре используется двоичная
система счисления.
Это обусловлено тем, что любой цифровой сигнал может иметь два
устойчивых состояния:
• «высокий уровень» (логическая единица)
• «низкий уровень» (логический ноль)
В двоичной системе счисления для изображения любого числа используются
две цифры соответственно: 0 и 1. Тогда произвольное число x запишется в виде
x = an 2n + an−1 2n−1 + ... + a1 2 + a0 + a−1 2−1 + ... + a− m 2− m + ...

58.

Двоичная система счисления
Для представления чисел в микропроцессоре используется двоичная
система счисления.
Это обусловлено тем, что любой цифровой сигнал может иметь два
устойчивых состояния:
• «высокий уровень» (логическая единица)
• «низкий уровень» (логический ноль)
В двоичной системе счисления для изображения любого числа используются две
цифры соответственно: 0 и 1. Тогда произвольное число x запишется в виде
полинома
x = an 2n + an−1 2n−1 + ... + a1 2 + a0 + a−1 2−1 + ... + a− m 2− m + ...
или в виде последовательности цифр:
x = (an an−1...a1a0 , a−1...a− m ...) 2

59.

Восьмеричная система счисления
Двоичная система счисления удобна для выполнения аппаратными
средствами микропроцессора арифметических действий, но неудобна для
восприятия человеком, поскольку требует много разрядов.
Поэтому в вычислительной технике помимо двоичной системы счисления
широкое применение нашли восьмеричная и шестнадцатеричная системы
счисления.
В восьмеричной системе счисления используются цифры от 0 до 7.

60.

Шестнадцатеричная система счисления
В шестнадцатеричной системе счисления базисными являются цифры от 0
до 15 включительно.
Поэтому для обозначения базисных цифр одним символом кроме арабских
цифр 0…9 в шестнадцатеричной системе счисления используются буквы
латинского алфавита:
1010 = A16
1210 = C16
1410 = E16
1110 = B16
1310 = D16
1510 = F16.
Например, число 17510 в шестнадцатеричной системе счисления запишется
как AF16.
Действительно,
x = 10 161 + 15 160 = 160 + 15 = 175

61.

Таблица чисел в различных системах счисления
10
2
8
16
10
2
8
16
0
0000
0
0
8
1000
10
8
1
0001
1
1
9
1001
11
9
2
0010
2
2
10
1010
12
A
3
0011
3
3
11
1011
13
B
4
0100
4
4
12
1100
14
C
5
0101
5
5
13
1101
15
D
6
0110
6
6
14
1110
16
E
7
0111
7
7
15
1111
17
F
16
10000
20
10

62.

Смешанные системы счисления
Смешанной называется такая система счисления, в которой числа,
заданные в некоторой системе счисления с основанием P, изображаются с
помощью цифр другой системы счисления с основанием Q, где Q<P.
В такой системе P называется старшим основанием, Q — младшим
основанием, а сама система счисления называется Q-P-ичной.
Для того, чтобы запись числа в смешанной системе счисления была
однозначной, для представления любой P-ичной цифры отводится одно и
то же количество Q-ичных разрядов, достаточное для представления
любого базисного числа P-ичной системы.
Так, в двоично-десятичной системе для изображения каждой цифры
отводится 4 двоичных разряда. Например,
92510 = 1001 0010 01012-10
Здесь последовательные четверки (тетрады) двоичных разрядов
изображают цифры 9, 2 и 5 десятичной записи соответственно.

63.

Смешанные системы счисления
Хотя в двоично-десятичной записи используются только цифры «0» и «1»,
запись числа в двоично-десятичной системе счисления отличается от двоичного
изображения данного числа.
Например
1001 0010 01012 = 234110,
1001 0010 01012-10 = 92510.
Особого внимания заслуживает случай, когда P=Ql (l – целое положительное
число). В этом случае запись какого-либо числа в смешанной системе счисления
тождественно совпадает с изображением этого числа в системе счисления с
основанием Q:
A216 = 1010 00102= 1010 00102-10.

64.

Перевод чисел в разные системы счисления
Задача перевода заключается в следующем: Пусть известна запись числа x
в системе счисления с каким-либо основанием P:
x = ( pn pn−1... p0 , p−1 p−2 ...) P
где pi – цифры P-ичной системы.
Требуется найти запись этого числа x в системе счисления с основанием Q:
x = (qs qs−1...q0 , q−1q−2 ...)Q
где qi – искомые цифры Q-ичной системы.
Любое число можно представить в виде суммы его целой и дробной части.
Для перевода любого числа достаточно отдельно перевести его целую и
дробную части.

65.

Перевод целых чисел
Представим число x в Q-ичной системе в виде полинома
x = qs qs−1...q1q0 = qs Q s + qs−1 Q s−1 + ... + q1 Q + q0
Для определения q0 в поставленной задаче, разделим обе части равенства
на Q, причем в левой части произведем фактическое деление, поскольку запись
числа x в P-ичной системе нам известна, а в правой части деление выполним
аналитически:
x
s −1
s −2
Q = qs Q + qs −1 Q + ... + q1
Таким образом, младший коэффициент q0 в данном разложении является
остатком от деления x на Q. Число x1=x/Q является целым, и к нему тоже можно
применить описанную процедуру.
Этот процесс продолжается до тех пор, пока не получено xk=0.
Для записи числа x в Q-ичной системе счисления запишем каждый из
полученных коэффициентов qi одной Q-ичной цифрой.

66.

Пример
47
2
−46
23
2
1
−22
11
2
1
−10
5
2
1
−4
2
2
1
−2
0
1
−0
1
4710 = 1011112
2
0
3060
16
−16
191
16
146
−144
20
− 16
−16
31
−16
15
11
−0
11
4
306010 = BF416
16
0

67.

Перевод дробных чисел
Пусть необходимо перевести в Q-ичную систему правильную дробь x
(0<x<1), заданную в P-ичной системе счисления.
Поскольку x<1, то в Q-ичной системе запись числа x будет иметь вид
x = 0, q−1q−2 ...q−t ... = q−1 Q−1 + q−2 Q−2 + ... + q−t Q −t + ...
Умножив обе части выражения на Q, получим
x Q = q−1 + q−2 Q−1 + ... + q−t Q −t +1 + ...
−1
− t +1
(q−2 Q + ... + q−t Q + ...) – правильная
где q-1 является целой частью, а
дробь. Искомые коэффициенты могут быть определены по формуле
q− (i +1) = xi Q
где [ ] – целая часть. Процесс продолжается до тех пор, пока не будет
получено xi+1=0 , либо не будет достигнута требуемая точность числа.

68.

Пример
0,2510 = 0,012
0 25
2
0 50
2
1 00

69.

2-8 и 2-16 преобразования
Рассмотрим перевод чисел из двоичной системы
восьмеричную.
Запишем число x в полиномиальной форме. Получим
счисления
в
x2 = an 2n + an−1 2n−1 + ... + a1 21 + a0
Разделим обе части полученного выражения на 8. Учитывая, что 8 = 23,
получим
x
= an 2n−3 + an−1 2n−4 + ... + (a2 4 + a1 2 + a0 )
8
Таким образом, остаток от деления x/8 будет (a2*4+a1*2+a0), что является
двоичным разложением десятичного числа, лежащего в диапазоне [0; 7]. Для
изображения данной десятичной цифры в двоичной системе счисления
требуется 3 разряда (триада).

70.

2-8 и 2-16 преобразования
Таким образом, чтобы преобразовать двоичное число в восьмеричное,
нужно объединить двоичные цифры в группы по 3 разряда, начиная от
разделителя целой и дробной части.
При необходимости в начале целой части исходного числа нужно добавить
незначащие нули. Незначащие нули также можно добавить в конце дробной
части. Затем каждая триада заменяется восьмеричной цифрой.
Преобразовать число 1101110,112 в восьмеричную систему счисления.
Объединяем двоичные цифры триады от разделителя. Получаем
001 101 110,1102 = 156,68

71.

2-8 и 2-16 преобразования
Аналогичным образом производятся преобразования из двоичной системы
счисления в шестнадцатеричную, только двоичные цифры объединяются в
группы по 4 разряда (тетрады).
Преобразовать число 1101110,112 в шестнадцатеричную систему счисления.
Объединяем двоичные цифры тетрады от разделителя. Получаем
0110 1110,11002 = 6E,C16

72.

Перевод в десятичную систему счисления
Для перевода числа, заданного в произвольной системе счисления, в
десятичную, нужно представить число в виде полинома по степеням основания
системы счисления.
Например, перевести в десятичную систему счисления число 1101110,112.
26
25
24
23
22
21
20
2-1
2-2
1
1
0
1
1
1
0
1
1
1·26+1·25+0·24+1·23+1·22+1·21+0·20+1·2-1+1·2-2
64 + 32 + 8 + 4 + 2 + 0,5 + 0,25 = 110,7510

73.

Фокус программиста
https://prog-cpp.ru/program-magic/

74.

Арифметические действия в двоичной СС
Выполнение арифметических действий в любых позиционных системах
счисления производится по тем же правилам, которые используются в
десятичной системе счисления.
Так же, как и в десятичной системе счисления, для выполнения
арифметических действий необходимо знать таблицы сложения (вычитания) и
умножения.
Сложение
Вычитание
Умножение
0+0=0
0–0=0
0∙0=0
0+1=1
1–0=1
0∙1=0
1+0=1
1–1=0
1∙0=0
1 + 1 = 10
10 – 1 = 1
1∙1=1

75.

Арифметические действия в двоичной СС
11 1 1
−10000
11
1 1
+ 1011 + 11
1010 10
101012 2110
−10110 − 22
9
1001
1
1
11012 1310
11012
−16
3
1310

76.

Арифметические действия в двоичной СС
В тех случаях, когда занимается единица старшего разряда, она дает две
единицы младшего разряда.
Если занимается единица через несколько разрядов, то она дает единицы
во всех промежуточных нулевых разрядах и две единицы в младшем нулевом
разряде.
1101
101
13
5
1000110 111
−
111 10102
1101
+ 0000
1101
6510
00111
−
111
10000012
000
70 7
−
70 10
0

77.

Арифметические действия в двоичной СС
Умножение двоичного числа на 2 соответствует его сдвигу влево на 1 разряд.
Деление двоичного числа на 2 соответствует его сдвигу вправо на 1 разряд.

78.

Прямой, обратный и дополнительный коды
Число со знаком в вычислительной технике представляется
добавления еще одного разряда к величине самого числа.
«0» в знаковом разряде означает знак «+»
«1» в знаковом разряде означает знак «-».
путем
Выполнение арифметических операций над числами с разными знаками
представляется для аппаратной части довольно сложной процедурой. В этом
случае нужно определить большее по модулю число, произвести вычитание и
присвоить разности знак большего по модулю числа.
Применение обратного и дополнительного кодов позволяет выполнить
операцию алгебраического суммирования и вычитания на обычном сумматоре.
При этом не требуется определения модуля и знака числа.

79.

Прямой, обратный и дополнительный коды
При представлении чисел в прямом коде значащая часть положительных и
отрицательных чисел совпадает. Отличие состоит лишь в знаковом разряде. В
прямом коде число «0» имеет два представления «+0» и «–0».
Обратный код для положительных чисел имеет тот же вид, что и прямой
код, а для отрицательных чисел образуется из прямого кода положительного
числа путем инвертирования всех значащих разрядов прямого кода.
Дополнительный код для положительных чисел имеет тот же вид, что и
прямой код, а для отрицательных чисел образуется путем прибавления «1» к
обратному коду. Добавление «1» к обратному коду числа «0»: 1111 теперь дает
0000. Таким образом, дополнительный код числа «0» имеет одно значение.
Однако это приводит к асимметрии диапазонов представления чисел
относительно нуля. Так, в шестнадцатиразрядном представлении диапазон
изменения чисел с учетом знака
-32768 <= x <= 32767.

80.

Прямой, обратный и дополнительный коды
Биты в байте нумеруются справа налево (младший разряд находится
справа).
7
6
5
4
3
2
1
0
В таком представлении в качестве знакового используется бит 7.
Для демонстрации представления чисел в прямом,
дополнительном коде, допустим, разрядная сетка 4-битная
4
знак
3
2
число
1
обратном
и

81.

Число
Прямой
Обратный
-8
Дополнительный
1000
-7
1111
1000
1001
-6
1110
1001
1010
-5
1101
1010
1011
-4
1100
1011
1100
-3
1011
1100
1101
-2
1010
1101
1110
-1
1001
1110
1111
0
0
1000
0000
1111
0000
0000
1
0001
0001
0001
2
0010
0010
0010
3
0011
0011
0011
4
0100
0100
0100
5
0101
0101
0101
6
0110
0110
0110
7
0111
0111
0111

82.

Прямой, обратный и дополнительный коды
Диапазон представления чисел со знаком в 4-разрядной сетке
-8 <= x <= 7
Диапазон представления чисел со знаком в 8-разрядной сетке
-128 <= x <= 127
Диапазон представления чисел со знаком в 16-разрядной сетке
-32768 <= x <= 32767

83.

Прямой, обратный и дополнительный коды
Если оба числа имеют n–разрядное представление, то алгебраическая
сумма будет получена по правилам двоичного сложения (включая знаковый
разряд), если отбросить возможный перенос из старшего разряда.
Если числа принадлежат диапазону представимых данных и имеют разные
знаки, то сумма всегда будет лежать в этом диапазоне. Переполнение может
иметь место, если оба слагаемых имеют одинаковые знаки.
Пример 6 – 4 = 2
6 = 00000110
+
0 0 0 0 0 1 1 0
1 1 1 1 1 1 0 0
1 0 0 0 0 0 0 1 0
- 4 = 00000100 + 1 = 11111100

84.

Прямой, обратный и дополнительный коды
Пример –5 + 2 = –3
–5 = 00000101+1 = 11111011
+
2 = 00000010
1 1 1 1 1 0 1 1
0 0 0 0 0 0 1 0
1 1 1 1 1 1 0 1
11111101 – 1 = 11111100 = 00000011 = 310