Ім'я файлу: Lekz1.docx
Розширення: docx
Розмір: 103кб.
Дата: 09.11.2021
скачати
Пов'язані файли:
Основи адміністрування в Linux.doc

Курс лекцій „Комп'ютерна логіка”, Т.О.Говорущенко, 2018 р. Лекція 1


ТЕКСТ ЛЕКЦІЇ

Вступ. Цифрові ЕОМ, тобто комп'ютери, призначені для обробки цифрової інформації та є частковим, але найбільш поширеним випадком цифрових автоматів. Для успішного вивчення загальних принципів обробки цифрової інформації раціонально розглядати комп'ютер як деякий абстрактний цифровий автомат, призначений для обробки інформації в цифровій формі.

Для успішного пошуку нових принципів побудови комп'ютерів, вдосконалення вже відомих алгоритмів обробки цифрової інформації, грамотної експлуатації обчислювальної техніки та розроблення різноманітного програмного забезпечення необхідні чіткі знання логічних та інформаційних основ цифрових автоматів.

В даній лекції розглядаються інформаційні основи цифрових автоматів, основи обробки цифрової інформації, принципи перетворення та сучасні методи обробки цифрової інформації.

1. Поняття й властивості інформації.

Кібернетика, обчислювальна техніка та всі галузі їхнього застосування оперують поняттям інформації, всі процеси в обчислювальних системах і комплексах пов'язані зі зберіганням, перетворенням і передачею інформації.

Поняття інформації є найбільш важливим, загальним і суперечливим поняттям для сучасної науки. Інформація є інтуїтивно зрозумілим абстрактним поняттям, що може набувати різний зміст у різних галузях знань. Єдиного визначення терміну "інформація" не існує. Засновнику кібернетики Норберту Вінеру належить таке визначення: "Інформація є інформація, а не матерія і не енергія".

Стандарт ISO/IEC 2382: 2000. Information Technology Vocabulary надає наступне визначення: "Інформація - будь-який факт, поняття або значення, отримані з даних, а також контекст, обраний зі знань, або контекст, асоційований із знаннями". Даними ж цей словникстандарт називає "подання інформації у деякому формалізованому вигляді, придатному для передачі, інтерпретації або обробки". Отже, поняття "інформація" базується на понятті "дані", а поняття "дані" базується на понятті "інформація", тобто коло замкнулось і знов маємо "інформація є інформація" Вінера.

Згідно концепції Шеннона, інформація - це знята невизначеність, тобто відомості, які повинні зняти в тій чи іншій мірі існуючу до їх одержання невизначеність, розширити розуміння об'єкту корисними відомостями.

Як філософську категорію, інформацію розглядають як один з атрибутів матерії, що відбиває її структуру.

Погляд на інформацію з точки зору її споживачів окреслює таке поняття: "інформація — це нові відомості, які прийняті, зрозумілі і оцінені її користувачем як корисні; це нові знання, які отримує споживач (суб'єкт) у результаті сприйняття і переробки певних відомостей".

З точки зору кібернетики, інформація - це розпізнаний кібернетичною системою сигнал або комплекс сигналів (образ), який зменшує кількість варіантів вибору нею чергової дії (команди).

Інформацію можна розглядати також як результат інтелектуальної (аналітикосинтетичної чи еврістичної) діяльності певної людини щодо подання відомостей, повідомлень, сигналів, кодів, образів тощо.

Згідно Закону України "Про інформацію", інформація - це документовані або публічно оголошені відомості про події та явища, що відбуваються у суспільстві, державі та навколишньому природному середовищі.

Предметом вивчення інформатики є дані: методи їх створення, зберігання, обробки і передачі, а власне інформація, зафіксована у даних, її зміст цікаві користувачам інформаційних систем, які є фахівцями різних наук та галузей діяльності.

Отже:

  1. інформація надає знання про инавколишній світ, яких до її одержання не було, зменшуючи ступінь невизначеності та неповноти знань про нього;

  2. фізично інформація - це слід, залишений однією подією на іншій; для її передачі можна в принципі використовувати будь-яке фізичне явище (світло, звук і т.і.);

  3. інформація не матеріальна, але невіддільна від матерії; вона фіксується у деякій матеріальній формі, що називається повідомленням, і передається за допомогою матеріальних носіїв - сигналів.

Аналізом інформації займається логіка.

Отже, очевидно, що в залежності від галузі використання термін «інформація» одержав безліч визначень. Тому інформацію описують за властивостями.

З точки зору інформатики, інформація має ряд фундаментальних властивостей: новизна, актуальність, достовірність, об'єктивність, повнота, цінність, якість, адекватність, доступність та інші.

Якість інформації - це ступінь її відповідності потребам споживачів.

Об'єктивність інформації характеризує її незалежність від чиєїсь думки або свідомості, а також від методів одержання. Більш об'єктивною є та інформація, в яку методи одержання і обробки вносять менший елемент суб'єктивності.

Інформацію можна вважати повною, якщо вона містить мінімальний, але достатній для прйиняття вірного рішення набір показників. Як неповна, так і надлишкова інформація зменшує ефективність рішень, які приймаються на її основі.

Достовірність - вірність інформації, яка не викликає сумнівів. Об'єктивна інформація завжди достовірна, але достовірна інформація може бути як об'єктивною, так і суб'єктивною. Причинами недостовірності можуть бути: навмисне спотворення (дезінформація), ненавмисне сповторення суб'єктивної властивості, спотворення в результатів дії перешкод, помилки фіксації інформації. Достовірність інформації досягається вказанням часу подій, відомості про які передаються; співставленням даних, одержаних з різних джерел; своєчасним викриттям дезінформації; виключенням сповтореної інформації та ін.

Адекватність - ступінь відповідності змісту реально одержаної інформації та її очікуваного вмісту. Нариклад, на питання "Скільки в людини пльців на руці?" дано дві відповіді: "П'ять", "В людини дві руки". Перша відповідь - достовірна і адекватна, друга - достовірна, але неадекватна.

Доступність інформації - це міра можливості одержати ту чи іншу інформацію.

Актуальність інформації - це ступінь відповідності інформації поточному моменту часу.

Емоційність - властивість інформації викликати різні емоції в людей.

2. Аналогові та дискретні сигнали. Дискретизація інформації.

Безперервне (аналогове) повідомлення (сигнал) представлєяться деякою фізичною величиною (електричною напругою, струмом, світлом, звуком і т.і.), зміна якої в часі відображає відповідні зміни протікання в часі розглянутого процесу. Фізична величина, що передає безперервне повідомлення, може приймати будь-які значення в деякому інтервалі зміни в довільні моменти часу.

Для дискретних повідомлень (сигналів) характерна наявність фіксованого набору елементів, з яких у деякі моменти формуються різні послідовності.

Елементи, з яких складається дискретне повідомлення, називають буквами або символами. Набір всіх можливих букв (символів), з яких може складатись дискретне повідомлення, утворює алфавіт. Кінцева послідовність букв даного алфавіту називається словом.

Формування дискретного повідомлення здіснюється шляхом вибору певного слова в деякому фіксованому алфавіті із сукупності всіх можливих слів у цьому алфавіті.

Дискретні сигнали простіше зберігати й обробляти, вони в меншій мірі підвладні спотворенням під впливом перешкод. Це одна з причин того, що переважна більшість сучасних обчислювальних машин є цифровими або так званими машинами дискретної дії. Однак наш світ не дискретний, і більшість інформації, з якою ми маємо справу у повсякденному житті, передається за допомогою аналогових сигналів.

Для використання засобів обчислювальної техніки для зберігання, передачі та обробки інформації у дискретній формі, слід виконати перехід від безперервного (аналогового) подання сигналу до дискретного (цифрового). Такий перехід називається дискретизацією інформації і виконується шляхом дискретизації за часом і квантування за рівнем.



Рис.1.1. Дискретизація інформації

Теоретичне обгрунтування процесу дискретизації надає теорема Котельникова (Найквіста): Якщо аналоговий сигнал x(t) має обмежений спектр, то він може бути відновлений однозначно і без втрат за своїми дсикретними відліками, взятими із частотою

1

fдискр  2Fmax або з періодом Tдискр 2Fmax , де Fmax- максимальна частота у спектрі.

В цифровій обробці сигналів частота, що дорівнює половині частоти дискретизації, називають частотою Найквіста.

Вимірюване при дискретизації за часом миттєве значення аналогового сигналу заокруглюється до найближчого з декількох заздалегідь визначених рівнів значень, кількість яких завжди береться кратною ступеню числа 2 - 8, 16, 32 або 64. Цей процес називають квантуванням за рівнем.

Дискретизація за часом і квантування за рівнем використовується при імпульсно-кодовій модуляції аналогових сигналів. Квантування за рівнем може зменшити обсяг інформації, що підлягає запам'ятовуванню.

Розглянутий процес дискретизації реалізовано в аналого-цифровому перетворювачі (АЦП) - пристрої, який перетворює вхідний аналоговий сигнал у дискретний код (цифровий сигнал). Зворотнє перетворення здійснюється за допомогою цифро-аналогового перетворювача (ЦАП).

Таким чином, за допомогою дискретизації за часом і квантування за рівнем аналоговий сигнал може бути перетворений на дискретний, і всі подальші його перетворення можуть виконуватись у дискретній (цифровій) формі.

3. Найпростіші еквівалентні перетворення.

У найбільш загальному вигляді перетворення інформації в дискретній формі задається в такий спосіб. Нехай X {x1,x2,...,xn} і Y {y1, y2,..., ym} - два кінцевих алфавіти. Позначимо через F F(x1,x2,...,xn) і G G(y1, y2,..., ym) - сукупності всіх слів кінцевої довжини в алфавітах X і Y відповідно. Якщо початкове дискретне повідомлення записується в алфавіті X , а кінцеве - в алфавіті Y , то довільне перетворення дискретної інформації є відображенням множини F на множину G .

Серед різних перетворень інформації виділяють еквівалентні перетворення. Перетворення називають еквівалентним, якщо кінцева інформація повністю та однозначно визначає початкову.

Приклад 1.1. Нехай X {0,1,2,3,...9,}, а Y {1,2,3,...} - множина всіх натуральних чисел. Нехай перетворення з F в G зводиться до заміни повідомлення ab (a,bX {0,1,2,9} X) сумою чисел a і b . Дане перетворення не є еквівалентним, тому що різні слова з F можуть дати одне й те ж слово в G (5+0=5, 4+1=5, 3+2=5 і т.і.)

Приклад 1.2. Нехай X {A,a,B,b,...,Z,z} - множина всіх букв англійського алфавіту, а

Y {1,2,3,...,52} - множина номерів цих букв. Нехай перетворення з F в G зводиться до заміни кожної букви з з F її номером в G . Очевидно, таке перетворення буде еквівалентним.

Будь-яке перетворення інформації характеризується поняттям складності. За критерієм складності, виділяють один із класів, що одержав назву найпростіших.

Найпростішими називають перетворення, що полягають у заміні кожної букви повідомлення, представленого у почактовому алфавіті X певною комбінацією букв кінцевого алфавіту Y .

Приклад 1.3. Нехай X {0,1,2,3}, а Y {a,b}. Нехай перетворення з F в G зводиться до заміни букв 0, 1, 2, 3 з X комбінацією з букв a і b . Замінити можна, наприклад, так: 0 aa,1ab,2 ba,3bb.

Приклад 1.4. Нехай X {0,1,2,3,4,5,6,7}, а Y {0,1}. Нехай перетворення з F в G зводиться до заміни букв 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 з X комбінацією з букв 0 і 1. Замінити можна, наприклад, так: 0 000,1001,2 010,3011,4 100,5101,6 110,7 111.

Таким чином, за допомогою найпростіших еквівалентних перетворень дискретну інформацію, задану в будь-якому вихідному алфавіті, можна записати у двобуквенному кінцевому алфавіті.

4. Поняття елементів, вузлів і пристроїв комп'ютерної схемотехніки. Загальні поняття цифрового автомату та алгоритму.

Технічні засоби комп'ютерної схемотехніки залежно від виконуваних функцій поділяють на елементи, функціональні вузли та пристрої, а також мікропроцесори та комп'ютери (рис.1.2). Вони призначені для обробки дискретної інформації, тому анзиваються цифровими.



Рис.1.2. Склад технічних засобів комп'ютерної схемотехніки

Технічні засоби комп'ютерної схемотехніки в наш час засновані на інтегральних мікросхемах (ІМС) різного ступеня інтеграції.

Елементами в комп'ютерній схемотехніці називаються найменші неподільні мікроелектронні схеми (вироби), призначені для виконання логічних операцій або зберігання біту інформації. До елементів умовно належать і допоміжні схеми - підсилювачі, повторювачі, формувачі і т.і. Елементи будуються на основі двопозиційних ключів, що технічно реалізується найпростіше. Елементи з двома станами називають логічними елементами. На входах і виходах логічного елементу (ЛЕ) діють напруги, які приймають два значення - високого UH та низького UL рівня. Ці напруги відображають електричні сигнали. Сигнал з двома станами називають двійковим. Перехід елементу з одного стану в інший називають його перемиканням. На основі елементів будують типові функціональні вузли.

Елементарні дії, виконувані в комп'ютерах за один машинний такт, називаються мікроопераціями. Наприклад, інкремент або декремент слова, зсув, інверсія, додавання та інші. В комп'ютерах команди виконують послідовністю мікрооперацій над двійковими словами (числами). Типовими функціональними вузлами комп'ютерів називаються мікроелектронні схеми, призначені для виконання однієї або декількох мікрооперацій. За логікою роботи функціоанльні вузли поділяють на комбінаційні та послідовнісні схеми. В комбінаційних схемах логічний стан виходів елементів залежить лише від комбінації вхідних сигналів в даний момент часу. До функціональних вузлів комбінаційного типу належать суматори, дешифратори, шифратори, мультиплексори, демультиплексори, схеми порівняння (компаратори) та контролю парності, кодоперетворювачі. У послідовнісних схемах логічне значення виходів визначається як комбінацією вхідних сигналів, так і чтаном пам'яті схеми в даний момент часу. До функціональних вузлів послідовнісного типу належать регістри, лічильники, генератори чисел та керуючі автомати. На основі типових функціональних вузлів будують різні пристрої комп'ютерів.

Універсальність комп'ютерів забезпечує можливість приймання та видачі інформації, її зберігання та арифметико-логічної обробки, а також керування всім обчислювальним процесом. Ці функції реалізують відповідними пристроями введення, виведення, арифметико-логічними та керуючими.

Через пристрій введення в пам'ять комп'ютера вводиться програма - набір команд, який приписує комп'ютеру виконувати потрібні дії. При введенні програми та даних виконується відображення введеної інформації у внутрішнє представлення, прийняте у комп'ютері.

Після розташування програми в пам'яті керуючий пристрій (КП) обирає послідовно команду за командою з пам'яті та інтерпретує її за певними правилами:

  • якщо обрана команда є командою введення даних, то КП надсилає керуючий сигнал до пристрою введення для початку введення даних;

  • якщо обрана команда пов'язана з виконанням арифметичних чи логічних операцій, то в пам'ять КП надсилає сигнал на вибір вказаних у команді даних з наступним їх пересиланням в арфиметико-логічний пристрій (АЛП), а до АЛП передається сигнал з кодом потрібної інформації;

  • якщо обрана команда є командою виведення, КП генерує керуючий сишгнал пристрою виведення на початок операції з виведення даних.

Арифметико-логічний пристрій (АЛП) - функціональна частина мікропроцесора, яка виконує логічні та арифметичні дії, необхідні для обробки інформації, яка зберігається в пам'яті комп'ютера. АЛП виконує такі елементарні дії, як порівняння, додавання, віднімання, множення, ділення, зсуви праворуч і ліворуч, інверсію та набір елементарних логічних операцій.

Пристрій виведення виводить інформацію з комп'ютера і перетворює її з внутрішнього представлення у зовнішнє.

Пристрої, призначені для обробки та перетворення цифрової інформації, називаються цифровими автоматами. Найбільш поширеним в наш час цифровим автоматом є електронні цифрові обчислювальні машини з програмним керуванням, тобто комп'ютери.

Цифровий автомат - це пристрій, який характеризується набором деяких внутрішніх станів A {a1(t),a2(t),...,an(t)}, в які він потрапляє під дією вхідних сигналів та команд програми розв'язку задачі.

Сукупність правил переходу автомату з одного стану в інший в залежності від вхідної інформації та внутрішніх станів автомату називається алгоритмом перетворення (обробки) інформації.

Взагалі, алгоритмом називається кінцева сукупність точно сформульованих правил розв'язку певної задачі. Іншим визначенням алгоритму є наступне: алгоритм - це строго формальний опис кінцевої послідовності деяких елементарних дій або процедур, яку потрібно виконати над початковими даними і над проміжними результатами, які виникають під час виконання цих операцій, для того, щоб дійти до інформації, яка є результатом обробки початкових даних.

Висновки. В даній лекції показано, що в залежності від галузі використання термін «інформація» одержав безліч визначень. Розглянуто основні властивості інформації. Описано аналогові та дискретні сигнали та дискретизація, за допомогою якої аналоговий сигнал може бути перетворений на дискретний, і всі подальші його перетворення можуть виконуватись у дискретній (цифровій) формі. Розглядались найпростіші еквівалентні перетворення, за допомогою яких дискретну інформацію, задану в будь-якому вихідному алфавіті, можна записати у двобуквенному кінцевому алфавіті. Наведено визначення та приклади елементів, вузлів і пристроїв комп'ютерної схемотехніки, а також загальні поняття цифрового автомату та алгоритму.

Додаткова література:

1. Конспект лекцій з навчальної дисципліни "Обчислювальна техніка" для студентів денної форми навчання за напрямом 6.050102 - "Комп'ютерна інженерія" // Кременчуцький національний університет. [Електронний ресурс] Режим доступу:

http://www.kdu.edu.ua/lekcii/2_0.pdf?PHPSESSID=sd7m7q536cissn8se0ukiv00q7 2. В.В.Коштоев, К.К.Кипиани. Основы прикладной теории цифровых автоматов.

Учебное пособие // [Електронний ресурс] Режим доступу: http://www.studfiles.ru/dir/cat40/subj463/file13988/view129999.html

  1. Информационные основы компьютерной техники // [Електронний ресурс] Режим доступу: http://ksm.nau.edu.ua/shemotehnika/tema1.1.php

  2. Бабич Н.П. Компьютерная схемотехника. Методы построения и проектирования // [Електронний ресурс] Режим доступу: http://www.cdx.ru/bookinfo-babich-np/babich-npkompyuternaya-skhemotekhnika-metody-postroeniya-i-proektirovaniya-uchebnik-razdel-

1.html?start=38


скачати

© Усі права захищені
написати до нас