Занятие 9 по информатике

1. Принципы обработки информации компьютером. Арифметические и логические основы работы компьютера.  

Любой студент постоянно занят определённой работой с информацией: читает учебник, пересказывает другому студенту какие-то сведения, заучивает правила, решает задачи. Профессии многих людей так же связаны исключительно с информационной деятельностью: это преподаватели, журналисты, писатели и т.д. Все они выполняют процессы, связанные с информацией, а именно, информационные процессы.

Информационные процессы - это последовательные действия с информацией, приводящие к какому-либо результату.

Какой бы информационной деятельностью люди не занимались, вся она сводится к осуществлению таких информационных процессов: поиск, обработка, хранение и передача информации. Остановимся сначала подробнее на процессе обработки информации компьютером. Несмотря на многообразие решаемых с помощью компьютера задач, принцип применения компьютера в каждом случае один и тот же: информация, поступающая в компьютер, обрабатывается с целью получения требуемых результатов.  

Компьютер или ЭВМ (электронно-вычислительная машина) – это универсальное техническое (электронное) средство для автоматической обработки информации.

С давних времён люди стремились облегчить свой труд. С этой целью они создавали различные машины и механизмы. Компьютер был изобретен в середине XX века для ускорения умственной работы человека. Из истории науки и техники известно, что идеи многих своих изобретений человек "подглядел" в природе. Например, ещё в XV веке великий итальянский учёный и художник Леонардо да Винчи изучал строение тел птиц и использовал эти знания для конструирования летательных аппаратов. Русский учёный Н. Е. Жуковский, основоположник аэродинамики, также исследовал механизм полёта птиц. Результаты этих исследований используются при расчётах конструкций самолетов. Можно сказать, что Леонардо да Винчи и Жуковский "списывали" свои летающие машины с птиц.

А есть ли в природе прототип у компьютера? Да! Таким прототипом является сам человек. Только изобретатели стремились передать компьютеру не физические, а интеллектуальные возможности человека. 

Любой компьютер – сложнейшее техническое устройство. Но даже такое сложное устройство, как всё в природе и в технике, состоит из простейших элементов. Любой электронный блок компьютера состоит из базовых логических схем (элементов), объединяемых по правилам и законам алгебры логики в схемы, модули. В этом и состоит логическая основа работы компьютера.

Логика – наука о законах и формах мышления. Математическая логика, которая образует теоретическую основу информатики, изучает любые рассуждения с помощью методов математики.  

Алгебра логики (булева алгебра) – это раздел математической логики, значения всех элементов (функций и аргументов) которой определены в двухэлементном множестве: 0 и 1. 

Она возникла в XIX веке благодаря усилиям английского математика Джорджа Буля. Поначалу булева алгебра не имела никакого практического значения. Однако уже в XX веке её положения нашли применение в разработке различных электронных схем. Законы и аппарат алгебры логики стали использоваться при проектировании различных частей компьютеров (память, процессор).

 Алгебра логики оперирует логическими высказываниями. Под высказыванием понимают повествовательное предложение, относительно которого имеет смысл говорить, истинно оно или ложно. Над высказываниями можно производить определенные логические операции, в результате которых получаются новые высказывания. Наиболее часто используются логические операции, выражаемые словами «не», «и», «или».

Логические элементы компьютера оперируют с сигналами, представляющими собой электрические импульсы. Есть импульс – логический смысл сигнала – 1, нет импульса – 0.  На входы логического элемента поступают сигналы-значения аргументов, на выходе появляется сигнал-значение функции. Базовые логические элементы реализуют три основные логические операции: И, НЕ, ИЛИ.

2. Программный принцип работы компьютера.

По принципу устройства, компьютер - это модель человека, работающего с информацией. Поэтому компьютер включает в себя устройства, выполняющие функции мыслящего человека:

•      устройства ввода информации;

•      устройства запоминания информации - память;

•      устройство обработки информации  (подобно мышлению у человека) - процессор;        устройства вывода (передачи) информации.

Совершим небольшой экскурс в историю. Первая механическая машина, с помощью которой можно было производить вычисления, была изготовлена известным французским учёным Блезом Паскалем (1623-1662) в 1645 году. Чтобы отдать дань уважения этому изобретению, один из языков программирования назвали впоследствии Паскаль. Идея о реализации вычислений в автоматическом (без участия человека) режиме впервые была предложена и детально развита английским учёным Чарльзом Бэббиджем (17911871). Он спроектировал и описал аналитическую машину, состав и принципы действия которой фактически повторились в будущих ЭВМ. Программированием для аналитической машины Бэббиджа занималась Ада Лавлейс (дочь английского поэта Д.Г. Байрона, 1815-1852). 

Первой ЭВМ, продемонстрировавшей на практике возможность расчётов по программе, считается ЭНИАК, построенная в 1944 году группой американских учёных. В 1946 году была опубликована работа «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронного вычислительного устройства» Джоном фон Нейманом в соавторстве с

А. Берксом и Г. Голдстайном. Несмотря на то, что со времени публикации прошло более полувека,

сформулированные в ней принципы построения вычислительных машин используются и сейчас. Эти принципы называют фоннеймановскими (хотя Джон фон Нейман был не единственным их автором).

В самом первом разделе «Основные компоненты машины» фон Нейман с соавторами определили и обосновали состав ЭВМ: «Так как законченное устройство будет универсальной машиной, оно должно содержать несколько таких органов, таких как орган арифметики, памяти, управления и связи с оператором. Мы хотим, чтобы машина была полностью автоматической, т.е. после начала вычислений работа машины не зависела от оператора». Таким образом, ЭВМ должна состоять из вполне определённых блоков.

Сегодняшние компьютеры, несмотря на их разнообразие, состоят из тех же основных блоков:

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) - устройство, которое выполняет все вычислительные операции: и арифметические, и логические.

Устройство управления (УУ) - устройство, обеспечивающее выполнение программы и организующее согласованное взаимодействие всех узлов компьютера; сейчас АЛУ и УУ изготавливают в виде единой интегральной схемы – микропроцессора (или процессор).   

Память – устройство для хранения программ и данных; память компьютера обычно делится на внутреннюю (для временного хранения данных во время обработки) и внешнюю (для длительного хранения между сеансами обработки).

Устройство ввода, преобразующие входные данные в форму, доступную компьютеру.

Устройства вывода, преобразующие результаты работы компьютера в форму, удобную для восприятия человеком.

И всё-таки нельзя отождествлять "ум компьютера" с умом человека. Важнейшее отличие состоит в том, что работа компьютера строго подчинена заложенной в него программе (программный принцип организации компьютера), человек же сам управляет своими действиями.

Программа - это последовательность команд, которые должен выполнить компьютер для обработки данных.

В памяти компьютера хранятся программы и данные. Данные - это обрабатываемая информация, представленная в памяти компьютера в специальной форме. Данные и программы в памяти компьютера хранятся в виде двоичного кода (арифметическая основа работы компьютера). В одном бите памяти содержится один бит информации. Восемь расположенных подряд битов памяти образуют байт. Во внутренней памяти компьютера все байты пронумерованы. Нумерация начинается с нуля. Порядковый номер байта называется его адресом. Таким образом, запись информации в память, а также чтение её из памяти производится по адресам. Память можно представить как многоквартирный дом, в котором каждая квартира - это байт, а номер квартиры - адрес. Для того чтобы почта дошла по назначению, необходимо указать правильный адрес. Именно так, по адресам, обращается процессор к внутренней памяти компьютера.

Рассмотрим подробнее принципиальное устройство компьютера и взаимодействие его основных узлов. В основе строения персональных компьютеров лежат ещё два важных принципа: магистрально-модульный принцип и принцип открытой архитектуры. 

Согласно первому все части и устройства изготавливаются в виде отдельных блоков (модулей), информация между которыми передаётся по комплекту соединений, объединённых в магистраль (системную шину). Системная шина – группа токопроводящих проводников или линий на системной плате (информационная магистраль), которая связывает друг с другом все устройства компьютера.

Магистраль (системная шина) включает в себя три многоразрядные шины: шину данных, шину адреса и шину управления, которые представляют собой многопроводные линии. К магистрали подключаются процессор и оперативная память, а также устройства ввода, вывода и хранения информации, которые обмениваются информацией на машинном языке

(последовательностями нулей и единиц в форме электрических импульсов).

Шина данных. По этой шине данные передаются между различными устройствами. Например, считанные из оперативной памяти данные могут быть переданы процессору для обработки, а затем полученные данные могут быть отправлены обратно в оперативную память для хранения.

Таким образом, данные по шине данных могут передаваться от устройства к устройству в любом направлении. 

Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора, то есть количеством двоичных разрядов, которые могут обрабатываться или передаваться процессором одновременно. Разрядность процессоров постоянно увеличивается по мере развития компьютерной техники.

Шина адреса. Выбор устройства или ячейки памяти, куда пересылаются или откуда считываются данные по шине данных, производит процессор. Каждое устройство или ячейка оперативной памяти имеет свой адрес. Адрес передается по адресной шине, причём сигналы по ней передаются в одном направлении — от процессора к оперативной памяти и устройствам (однонаправленная шина).  

Разрядность шины адреса определяет объем адресуемой памяти (адресное пространство), то есть количество однобайтовых ячеек оперативной памяти, которые могут иметь уникальные адреса. Количество адресуемых ячеек памяти можно рассчитать по формуле:

N = 2 ⁱ , где i - разрядность шины адреса.

Разрядность шины адреса постоянно увеличивалась и в современных персональных компьютерах составляет 36 бит. Таким образом, максимально возможное количество адресуемых ячеек памяти равно: N = 2³⁶ = 68 719 476 736.

Шина управления. По шине управления передаются сигналы, определяющие какую операцию — считывание или запись информации из памяти — нужно производить, синхронизируют обмен информацией между устройствами и так далее. 

Ещё один принцип построения ПК – открытая архитектура – предполагает возможность сборки компьютера из независимо изготовленных частей, доступную всем желающим (подобно детскому конструктору).

Контрольные вопросы:

1.       Какие процессы называют информационными? Назовите основные виды информационных процессов. Приведите примеры.

2.       Что такое компьютер? 

3.       В чём состоит логическая основа работы компьютера? Что такое логика?

4.       Что такое алгебра логики? Кто её основатель? Назовите основные логические операции.

5.       Перечислите основные устройства компьютера? Что напоминает их взаимодействие?

6.       Почему принципы построения вычислительных машин называют фон-неймановскими?

7.       Опишите взаимодействие основных блоков компьютера (по фон-неймановской структуре).

8.       Что такое программа? В чём заключается программный принцип работы компьютера? А арифметический принцип?

9.       Что такое модульно-магистральный принцип работы компьютера? А принцип открытой архитектуры?

10.   Опишите принципиальную схему работы компьютера.

Используемые источники:

1.    Семакин И.Г. Информатика. Базовый уровень: учебник для 10 класса / И.Г. Семакин, Е.К. Хеннер, Т.Ю. Шеина.-3-е изд. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2014

2.    Семакин И.Г. Информатика. Углублённый уровень: учебник для 10 класса: в 2 ч. Ч. 1 / И.Г. Семакин, Е.К., Т.Ю. Шеина, Л.В. Шестакова.-3-е изд. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2014

3.    Поляков К.Ю., Шестаков А.П., Еремин Е.А. Информатика и ИКТ. 10 класс: профильный уровень -  Учебник. — М.: Сети, 2011. — 274 с.

4.    http://www.5byte.ru/8/0004.php - Информатика на пять. Компьютер как универсальное устройство обработки информации.

5.    Фатеева Н.М. Арифметические и логические основы компьютера: учебно-методические указания / Н.М. Фатеева, О.А. Возилкина,  Н.В. Тумбаева. Барнаул: Изд-во АГАУ, 2008. 53 с.

6.    Острейковский В.А. Информатика. Теория и практика: Учеб. пособие / В.А. Острейковский, И.В. Полякова. – М.: Издательство Оникс, 2008. – 608 с.