Процессор выполняет арифметические и логические операции над двоичными кодами. Поэтому для получения представления об устройстве компьютера, необходимо познакомиться с основными логическими элементами, лежащими в основе его построения. Для понимания принципа работы таких элементов начнем это знакомство с основных начальных понятий алгебры логики.
Логика - это наука о формах и способах мышления. Это учение о способах рассуждений и доказательств. Понятие - это форма мышления, которая выделяет существенные признаки предмета или класса предметов, позволяющие отличать их от других. Пример Прямоугольник, проливной дождь, компьютер – это понятия.
Высказывание - это формулировка своего понимания окружающего мира. Высказывание является повествовательным предложением, в котором что-либо утверждается или отрицается. Истинным будет высказывание, в котором связь понятий правильно отражает свойства и отношения реальных вещей. Ложным высказывание будет в том случае, когда оно противоречит реальной действительности.
Пример «Буква «а» - гласная» - истинное высказывание. «Компьютер был изобретён в середине 19 века» ложное высказывание.
Задание. Какие из предложений являются высказываниями? Определите их истинность. 1. Какой длины эта лента? (не является высказыванием) 2. Делайте утреннюю зарядку! (не является высказыванием) 3. Париж - столица Англии. (является ложным высказыванием) 4. Число 11 является простым. (является истинным высказыванием) 5. 4 + 5 = 10 (является ложным высказыванием) 6. Без труда не вытащишь и рыбку из пруда. (является истинным высказыванием) 7. Некоторые медведи живут на севере. (является истинным высказыванием) 8. Все медведи - бурые. (является ложным высказыванием)
Умозаключение - это форма мышления, с помощью которой из одного или нескольких суждений может быть получено новое суждение (знание или вывод). Пример Дано высказывание: «Все углы равнобедренного треугольника равны» . Получите высказывание «Этот треугольник равносторонний» путём умозаключений.
ЛОГИЧЕСКИЕ ВЫРАЖЕНИЯ И ОПЕРАЦИИ Алгебра логики - это наука об общих операциях, аналогичных сложению и умножению, которые выполняются над высказываниями.
Логическая переменная - это простое высказывание, содержащее только одну мысль. Её символическое обозначение - латинская буква (например, A, B, X, Y и т. д.) Составное высказывание - логическая функция, которая содержит несколько простых мыслей, соединённых между собой с помощью логических операций. Её символическое обозначение - F(A, B, …). На основе простых высказываний могут быть построены составные высказывания.
Логические операции - логическое действие. Таблица истинности - таблица, определяющая значение сложного высказывания при всех возможных значениях простых высказываний. Рассмотрим три базовые логические операции - конъюнкцию, дизъюнкцию и отрицание и дополнительные - импликацию и эквиваленцию.
Если составное высказывание (логическую функцию) выразить в виде формулы, в которую войдут логические переменные и знаки логических операций, то получится логическое выражение, значение которого можно вычислить. Значением логического выражения могут быть только ЛОЖЬ или ИСТИНА. При составлении логического выражения необходимо учитывать порядок выполнения логических операций, а именно: действия в скобках; инверсия, конъюнкция, дизъюнкция, импликация, эквиваленция.
Пример Запишите в виде логического выражения следующее высказывание: «Летом Петя поедет в деревню и, если будет хорошая погода, то он пойдёт на рыбалку» . Проанализируем составное высказывание. Оно состоит из следующих простых высказываний: «Петя поедет в деревню» , «Будет хорошая погода» , «Он пойдёт на рыбалку» . Обозначим их через логические переменные: А = Петя поедет в деревню; В = Будет хорошая погода; С = Он пойдёт на рыбалку. Запишем высказывание в виде логического выражения, учитывая порядок действий. Если необходимо, расставим скобки: F = A & (B → C).
Арифметическая обработка чисел во многом определяется системами счисления, представляющими собой совокупность используемых цифр и набором правил, позволяющих однозначно представлять числовую информацию.
В своей повседневной деятельности человек использует различные системы счисления, к числу которых относятся десятичная система счисления, римская система, система исчисления времени и т.д. Все системы счисления можно подразделить на позиционные и непозиционные.
В не позиционных системах счисления «доля» цифры или её вес в количественном измерении записанного числа не зависит от местоположения данной цифры в записи этого числа. Типичным примером такой системы счисления является римская система счисления. В этой системе используются цифры:
I V X L C D M и т.д. - римские цифры;
1 5 10 50 100 500 1000 - десятичные эквиваленты. римским цифрам.
При количественной оценки числа его значение определяется как сумма значений цифр, составляющих запись числа, кроме пар, состоящих из цифры меньшего веса, предшествующей цифре большего веса, значение которой определяется как разность веса большей и меньшей цифр. Например, значение числа
определяется как сумма
1000 + 1000 + 1000 +(1000-100) + 50 + (10- 1), что соответствует десятичному эквиваленту 3959.
Позиционная система счисления характеризуется тем, что «доля» некоторой цифры в количественной оценки записанного числа определяется не только видом цифры, но и местоположением (позицией) данной цифры в записи числа, т.е. каждая позиция (разряд) в записи числа имеет определенный вес.
Количественная оценка записанного числа в такой системе счисления определяется как сумма произведений значения цифр, составляющих запись числа, умноженных на вес позиции, в которой располагается цифра.
Примером такой системы счисления является широко используемая десятичная система счисления. Например, количественная оценка десятичного числа
определяется как
3*1000+9*100+5*10 +9*1, где 1000, 100, 10, 1 - соответственно веса четвертого, третьего, второго, первого разрядов записи оцениваемого числа.
Десятичная система счисления является также системой с равномерно распределенными весами, которые характеризуются тем, что соотношение весов двух любых соседних разрядов имеют для такой системы одинаковое значение. Это соотношение называется основанием системы счисления, которое в дальнейшем будем обозначать как «q».
Общая запись числа в системе с равномерно распределенными весами имеет вид
N q = А n А n-1 .... А 2 А 1 А 0 . (1)
Значение такого числа определяется как
N q = А n *q n + А n-1 *q n-1 + А n-2 *q n-2 + ..... А 2 *q 2 + А 1 *q 1 + А 0 *q 0 , (2)
где А i - цифра записи числа, удовлетворяющая условию
0<= А i <=(q-1);
q - основание системы счисления.
При q =10 А изменяется в диапазоне от 0 до 9, т.е. до (10-1).
Запись числа N в виде (1) называется кодированной, а запись в форме (2) называется расширенной записью.
Помимо q=10 (десятичная система счисления ) возможны другие значения для основания системы счисления:
двоичная система счисления ;
восьмеричная система счисления ;
шестнадцатеричная система счисления и т.д.
Для обозначения цифр в различных системах счисления в качестве цифр используются обозначение соответствующих цифр десятичной системы счисления - 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, а в случае, когда десятичных цифр «не хватает» (для систем счисления с основанием q , большим чем 10), для цифр, превышающих 9, вводятся дополнительные обозначения, например, для q =16 это будут обозначения А, В, C, D, E, F, которые соответствуют шестнадцатеричным цифрам, десятичные эквиваленты которых равны, соответственно 10, 11, 12, 13, 14, 15.
В связи с тем, что в дальнейшем изложении будут использоваться различные системы счисления, примем обозначение:
N q - число N, представленное в системе счисления с основанием q.
Примеры записи чисел в различных системах счисления:
N 2 = 10011011 = 1*2 7 + 0*2 6 + 0*2 5 + 1*2 4 + 1*2 3 + 0*2 2 + 1*2 1 +1*2 0 ,
N 8 = 471025 =4*8 5 + 7*8 4 + 1*8 3 + 0*8 2 + 2*8 1 +5*8 0 ,
N 16 = 84FE4A= 8*16 5 + 4*16 4 + F*16 3 + E*16 2 + 4*16 1 +A*16 0 ,
N 10 = 35491 = 3*10 4 + 5*10 3 + 4*10 2 + 9*10 1 + 1*10 0 .
На основании вышеизложенного можно заключить, что запись одного и того же числа в различных системах счисления будет тем длиннее, чем меньше основание системы счисления. Например, число N, десятичное значение которого равно 2063, в различных системах счисления представляется как
N = 2063 10 = 100000001111 2 =4017 8 = 80F 16 .
При работе с различными сиcтемами счисления полезно помнить соотношения, приведенные в Таблица 1.1 -1 и Таблица 1.1 -1.
Таблица 1.1‑1
Человек в своей практической деятельности наиболее часто использует десятичную систему счисления.Двоичная система счисления является удобной для обработки информации в ЭВМ. Промежуточное место между этими системами занимаетдвоично-десятичная система счисления. Эта система в принципе является десятичной, но отдельные десятичные цифры в ней записываются в виде набора двоичных разрядов. Существуют различные двоично-десятичные системы,
Таблица 1.1‑1
|
Десятичный эквивалент |
Двоичный эквивалент |
|||||
которые, отличаются способом представления набором двоичных разрядов десятичных цифр. Наиболее широкое распространение получила двоично-десятичная система 8,4,2,1. Данная система характеризуется тем, что отдельные десятичные цифры в ней представляются их четырех битовым двоичным эквивалентом, как это показано в таблице 1.1-2.Например, десятичное число
в двоично-десятичной системе 8,4,2,1 представляется в виде
1000 0000 0100 0111 0001 0100.
В дальнейшем для сокращения будем использоваться название «двоично-десятичная система», имея в виду двоично-десятичную систему 8,4,2,1.
10) Особенности представления чисел в ЭВМ: прямой, обратный, дополнительный коды.
· прямого кода. Прямой код двоичного числа совпадает по изображению с записью самого числа.
· обратного кода . Обратный код для положительного числа совпадает с прямым кодом. Для отрицательного числа все цифры числа заменяются на противоположные (1 на 0, 0 на 1), а в знаковый разряд заносится единица.
· дополнительного кода . Дополнительный код положительного числа совпадает с прямым кодом. Для отрицательного числа дополнительный код образуется путем получения обратного кода и добавлением к младшему разряду единицы.
Тема 2. ЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭВМ
11) Основные логические операции: конъюнкция, дизъюнкция, инверсия:
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Алгебра логика строится на основе следующих аксиом:
1) Переменная может принимать только одно из возможных значений:
x = 0, если x < >1,
x = 1, если x < >0.
2) Инверсия
3) Дизъюнкция
4) Конъюнкция
5) Во избежании побочных записей вводится преоритетность выполнения операций
Инверсия(-)
Конъюнкция(&)
Дизъюнкция (v)
Равенство(=)
РАЗДЕЛ 5. КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ
Тема 14. КЛАССИФИКАЦИЯ СЕТЕЙ. СТРУКТУРА И ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ЛОКАЛЬНЫХ И ГЛОБАЛЬНЫХ СЕТЕ
46. Понятие компьютерной сети
Компьютерная сеть – это система распределенной обработки информации, состоящая как минимум из двух компьютеров, взаимодействующих между собой с помощью специальных средств связи.
47. Виды сетей: локальные, глобальные.
· К локальным сетям (Local Area Network, LAN) обычно относят сети, компьютеры которых сосредоточены на относительно небольших территориях (как правило, в радиусе до 1-2 км). Классическим примером локальных сетей является сеть одного предприятия, расположенного в одном или нескольких стоящих рядом зданиях. Небольшой размер локальных сетей позволяет использовать для их построения достаточно дорогие и высококачественные технологии, что обеспечивает высокую скорость обмена информацией между компьютерами.
· Глобальные сети (Wide Area Network, WAN) – это сети, предназначенные для объединения отдельных компьютеров и локальных сетей, расположенных на значительном удалении (сотни и тысячи километров) друг от друга. Поскольку организация специализированных высококачественных каналов связи большой протяженности является достаточно дорогой, то в глобальных сетях нередко используются уже существующие и изначально не предназначенные для построения компьютерных сетей линии (например, телефонные или телеграфные). В связи с этим скорость передачи данных в таких сетях существенно ниже, чем в локальных.
48. Локальная сеть и ее основные компоненты
Аппаратное обеспечение:
Серверы
Сетевые интерфейсные платы (NIC, Network Interface Card)
Концентраторы
Коммутаторы
Маршрутизаторы (территориально-распределенные сети)
Серверы удаленного доступа (территориально-распределенные сети)
Модемы (территориально-распределенные сети)
Программное обеспечение:
Сетевую операционную систему
Сетевое ПО управления
49. Адресация компьютера в сети
Каждый компьютер в компьютерной сети имеет имя. Для этого служит так
называемая IP (Internet Рго1осо1)-адресация.
IP-адрес - это уникальный номер компьютера в сети. IP-адрес определяет местонахождение узла в сети подобно тому, как адрес дома указывает его расположение в городе. IP-адрес может быть «статический - неизменный» или «динамический - выдается сервером». Каждый IP-адрес состоит из двух частей - идентификатора сети и идентификатора узла. Первый определяет физическую сеть. Он одинаков для всех узлов в одной сети и уникален для каждой из сетей, включенных в объединенную сеть. Идентификатор узла соответствует конкретной рабочей станции, серверу, маршрутизатору или другому TCP/IP-узлу в данной сети. Он должен иметь уникальное значение в данной сети. Каждый узел TCP/IP однозначно определяется по своему логическому IP-адресу. Такой уникальный адрес необходим всем сетевым компонентам, взаимодействующим по TCP/IP.
50. Понятие протокола передачи информации
Протокол - это набор правил и соглашений, используемых при передаче данных.
Протоколы передачи данных - это набор соглашений, который определяет обмен данных между различными программами. Протоколы задают способы передачи сообщений и обработки ошибок в сети, а также позволяют разрабатывать стандарты, не привязанные к конкретной аппаратной платформе.
51. Многоуровневая модель OSI
Сетевая модель OSI (базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем) - сетевая модель стека сетевых протоколов OSI/ISO.
Начинается OSI с 7-го уровня , на котором пользовательские приложения обращаются к сети, заканчивается 1-м уровнем, на котором определены стандарты, предъявляемые независимыми производителями к средам передачи данных.
Любой протокол модели OSI должен взаимодействовать либо с протоколами своего уровня, либо с протоколами на единицу выше и/или ниже своего уровня. Взаимодействия с протоколами своего уровня называются горизонтальными, а с уровнями на единицу выше или ниже - вертикальными. Любой протокол модели OSI может выполнять только функции своего уровня и не может выполнять функции
Модель TCP/IP описывает функциональность протоколов, составляющих набор протоколов TCP/IP. Эти протоколы, которые выполняются как на отправляющем, так и на принимающим хостах, взаимодействуют для обеспечения доставки сообщений от одного конца к другому по сети.
TCP (Transmission Control Protocol) – протокол управления передачи данных, сокет с виртуальным каналом.
UDP (Users Datagram Protocol) – сокет дейтаграмм.
IP (Internet Protocol) – маршрутизируемый протокол сетевого уровня стека TCP/IP.
Разбиение сегментов информации на отдельные пакеты, которые могут перемещаться по сети по альтернативным маршрутам.
RIP (Routing Information Protocol) - один из самых простых протоколов маршрутизации. Применяется в небольших компьютерных сетях, позволяет маршрутизаторам динамически обновлять маршрутную информацию (направление и дальность в хопах), получая ее от соседних маршрутизаторов.
ICMP (Internet Control Messages Protocol- протокол межсетевых управляющих сообщений)- сетевой протокол, входящий в стек протоколов TCP/IP. Используется для передачи сообщения об ошибках и других исключительных ситуациях, возникших при передаче данных. Один из важнейших служебных протоколов Интернета. Как правило, используется самой операционной системой (ядром) или служебными программами.
52. Базовые технологии (архитектуры) локальных сетей: Ethernet; Token Ring; Arcnet; FDDI.
Шина (Bus)
Используется один кабель, именуемый магистралью или сегментом, к которому подключены все компьютеры сети. Данные передаются всем компьютерам сети, однако информацию принимает только один компьютер, чей адрес соответствует адресу получателя, присутствующему среди передаваемых данных. В каждый момент времени передачу может вести только один компьютер.
Шина – пассивная топология. Компьютеры не перемещают данные от отправителя к получателю. Если один компьютер выходит из строя, это не скажется на работе сети. В активных топологиях компьютеры регенерируют сигналы и передают их дальше по сети.
Звезда (Star)
Все компьютеры с помощью сегментов кабеля подключаются к центральному устройству. При выходе из строя одного компьютера или одного сегмента кабеля, только этот компьютер не работает в сети. Если центральный компонент выходит из строя, не работает вся сеть.
Кольцо (Ring)
Линейный алгаритм
Команда алгаритма выполняется последовательно от ночала до конца в том порядке в котором они записаны
Разветвляющийся алгоритм
В зависимости от поставленного условия выборочно выполняется одна или другая последовательность команды
В простейшем случае, это ответ на вопрос «Да» или «Нет». Во всех языках программирования эта возможность реализована при помощи оператора ветвления If......EndIf.
Циклический алгоритм
В алгоритме есть последовательность команд которая выполняется несколько раз. Число повторений может быть задано заранее иди может зависеть от конкретно поставленного условия
Циклический алгоритм может иметь несколько вариантов.
«Для» (For) служит для проведения определенного количества итераций (повторов).
«Пока» (While|Until) выполняется до тех пор, пока соблюдается определенное условие.
«Неопределенный цикл» (Do) выполняется бесконечно или пока внутри его тела не выполнится команда принудительного завершения цикла. Чаще всего задается с условием.
В некоторых языках программирования могут использоваться специализированные циклы: для обхода всех элементов набора объектов (For Each) или для просмотра всех записей в таблице базы данных (Scan).
Во всех случаях построения циклического алгоритма нужно внимательно следить за тем, чтобы при его выполнении происходило корректное завершение. Одна из наиболее распространенных ошибок – создание бесконечного цикла, который не завершается никогда.
Алгоритмы решения типовых задач.
РАЗДЕЛ 1. АРИФМЕТИЧЕСКИЕ И ЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРА
Тема 1. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ В КОМПЬЮТЕРЕ, ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ. СИСТЕМЫ СЧИСЛЕНИЯ
1) Единица измерения информации:
Количество информации - это мера уменьшения неопределенности - это самое распространенное и разумное определение величины.
Обычно=почти всегда, дела обстоят так:
- 1 бит – такое кол-во информации, которое содержит сообщение, уменьшающее неопределенность знаний в два раза. БИТ- это наименьшая единица измерения информации
- 1байт = 8 бит - (есть 6 и 32 битовый байты тоже)
- 1Кб (килобайт) = 2 10 байт = 1024 байт = 8192 бит (не обязательно так, приставка "кило" иногда может обозначать и 10 3)
- 1Мб (мегабайт) = 2 10 Кб = 1024 Кб = 8 388 608 бит (не обязательно так, приставка "кило" иногда может обозначать и 10 6)
- 1Гб (гигабайт) = 2 10 Мб = 1024 Мб = 8 589 934 592 бит (не обязательно так, приставка "кило" иногда может обозначать и 10 9)
2) Кодирование текстовой информации:
Windows-1251 – введена компанией Microsoft; с учетом широкого распространения операционных систем (ОС) и других программных продуктов этой компании в Российской Федерации она нашла широкое распространение;
КОИ-8 (Код Обмена Информацией, восьмизначный) – другая популярная кодировка российского алфавита, распространенная в компьютерных сетях на территории Российской Федерации и в российском секторе Интернет;
ISO (International Standard Organization – Международный институт стандартизации) – международный стандарт кодирования символов русского языка. На практике эта кодировка используется редко.
Система 16-разрядного кодирования символов называется универсальной – UNICODE . Шестнадцать разрядов позволяет обеспечить уникальные коды для 65 536 символов, что вполне достаточно для размещения в одной таблице символов большинства языков. (используется на данный момент)
3) Кодирование графики:
o Например, чтобы записать на запоминающем устройстве векторное изображение круга, компьютеру достаточно в двоичный код закодировать тип объекта (окружность), координаты его центра на холсте, длину радиуса, толщину и цвет линии, цвет заливки.
o В растровой системе пришлось бы кодировать цвет каждого пикселя. И если размер изображения большой, для его хранения понадобилось бы значительно больше места на запоминающем устройстве.
4) Кодирование звука:
Программное обеспечение компьютера в настоящее время позволяет непрерывный звуковой сигнал преобразовывать в последовательность электрических импульсов, которые можно представить в двоичной форме . В процессе кодирования непрерывного звукового сигнала производится его временная дискретизация.
Декодирование - процесс восстановления изначальной формы представления информации, т. е. обратный процесс кодирования, при котором закодированное сообщение переводится на язык, понятный получателю.
5) Основные понятия системы счисления, алфавит и основные системы:
Система счисления – это способ записи чисел c помощью чисел.
Совокупность всех символов, при помощи которых можно записать любое число в заданной системе счисления называется алфавитом системы счисления.
Символы алфавита системы счисления называются цифрами системы счисления .
Системы счисления делятся на:
Непозиционные системы счисления;
Позиционные системы счисления.
6) Позиционная система счисления:
Позиционными называются системы счисления, в которых значение цифры зависит от ее места (позиции) в записи числа.
7) Непозиционная система счисления:
Непозиционными называются системы счисления, в которых значение цифры не зависит от ее места (позиции) в записи числа. (Римская (II, V, XII)).
8) Правила перевода из десятичной системы счисления в двоичную, восьмеричную, шестнадцатеричную и наоборот:
· Из десятичной в двоичную:
Делим число на 2 до того, пока частное от деления не будет 1. И записываем наоборот (101000) 
Делим число на 8 до того, пока частное от деления не будет 1 или меньше 8. И записываем наоборот 
· Из десятичной в восьмеричную:
Делим число на 16 до того, пока частное от деления не будет 1 или меньше 16. И записываем наоборот 
ТЕПЕРЬ НАОБОРОТ!!:
· Из восьмеричной в двоичную:
· Из восьмеричной в десятичную:
9) Основные арифметические действия в двоичной, восьмеричной, шестнадцатеричной системах счисления.
Представление информации в компьютере .
Для автоматизации работы с данными, которые относятся к разным типам, унифицируют их форму представления. Это можно сделать с помощью кодирования данных на единой основе. В быту используют такие системы кодировки, как азбука Морзе, Брайля, коды морских сигналов. Основное понятие арифметики это число . Число – абстрактное выражение количества. Компьютер обрабатывает информацию, представленную только в числовой форме. Он оперирует с кодами и числами, представленными в некоторой системе счисления.
Система счисления – способ представления чисел(правило записи и получения чисел), с помощью фиксированного набора символов, обозначающих цифры. По способу представления чисел системы счисления разделяются на позиционные и непозиционные.
Непозиционные системы для записи числа используют множество символов. Значение символа не зависит от местоположения его в числе(римская СС ).
Позиционная система счисления – когда от позиции цифры в числе зависит ее вес(555 –единицы, десятки, сотни). Всякая позиционная СС характеризуется основанием , т.е. количеством цифр, используемых для записи числа. За основание СС можно принять любое натуральное число.
10 ая – использует 10 цифр → 0, 1… 9
2 ая – 2 цифры → 0, 1
Люди предпочитают 10 ую (это удобно, видимо потому, что с древних времен считали по пальцам).
В вычислительной технике система кодирования основана на представлении данных в двоичной системе счисления. Компьютеры используют 2 ую систему, т.к. имеется ряд преимуществ:
Для ее реализации нужны устройства всего с двумя устойчивыми состояниями (есть ток, нет тока). Это надежнее, чем, например, 10 ая ;
возможно применение аппарата булевой алгебры;
двоичная арифметика проще десятичной;
представление информации с помощью 2-х состояний более надежно.
Недостаток : - быстрый рост разрядов.
В компьютере используются также 8 ая и 16 ая системы.
Перевод чисел из 10 ой в 2 ую и наоборот выполняет машина.
При вводе информация кодируется, при выводе декодируется.
Обозначение цифр в 2 ой системе: 0, 1, 10, 11(3), 100(4), 101(5), 110(6), 111(7), 1000(8), 1001(9), 1010(10) и т.д.
Обозначение цифр в 8-ой системе: 0, 1, 2 … 7, 10(8), 11(9), 12(10)……17(15), 20(16), 21(17) и т.д.
Обозначение цифр в 16 ой системе: 0, 1, 2 … 9, A (10), B (11), C (12) ... F (15), 10(16), 11(17) и т. д.
Целое число в позиционной СС может быть представлено в виде:
A q =a n-1 q n-1 +a n-2 q n-2+…+ a 0 q 0 , где
A – само число;
q – основание системы счисления;
a i – цифры, принадлежащие алфавиту данной системы счисления;
n – число целых разрядов числа.
Пусть в десятичной системе задано число 375 10 .
Каждая позиция, занимаемая цифрами, называется разрядом числа . Разряды имеют названия и номера: разряд единиц (0), разряд десятков (1), разряд сотен (2). Названия определяют вес (012) . Число в позиционной системе счисления представляет собой сумму степеней основания, умноженную на соответствующий коэффициент, который должен быть одной из цифр данной системы счисления. Достаточно просуммировать веса единичных разрядов.
А 10 =375
375 10 =5*10 0 +7*10 1 +3*10 2 = 5+70+300=375
Это называется разложением числа по степеням основания.
Номера разрядов совпадают с показателем степени.
101101 2 =1*2 0 +0*2 1 +1*2 2 +1*2 3 +0*2 4 +1*2 5 =1+0+4+8+0+32=45 10
10110 2 =0*2 0 +1*2 1 +1*2 2 +0*2 3 +1*2 4 =0+2+4+0+16=22 10
100001 2 =1*2 0 +0*2 1 +0*2 2 +0*2 3 +0*2 4 +1*2 5 =1+32=33 10
17 8 =1*8 1 +7*8 0 = 8+1=15 10
7764 8 = 7*8 3 +7*8 2 +6*8 1 +4*8 0 = 3584+448+48+4 =4084 10
17 16 = 1*16 1 +7*16 0 = 16+7 = 23 10
3 AF 16 =3*16 2 +10*16 1 +15*16 0 =768+160+15=943 10
1 A 16 = 1*16 1 +10*16 0 = 16+10 = 26 10
От того, какая система счисления будет использована в компьютере, зависят: скорость вычислений, емкость памяти, сложность алгоритмов выполнения арифметических и логических операций
33 10 = ? 2
Алгоритм перевода чисел делением на основание системы счисления : исходное число делим на основание новой СС. Затем получившееся частное опять делим на основание и т. д. , до тех пор, пока частное не станет меньше основания СС. Последнее частное и остатки записываем в порядке, обратном получению.
33 10 = 100001 2
Двоичная система счисления является стандартом при конструировании компьютеров.
Десятичная система счисления используется для организации ввода / вывода информации. Двоичная СС – для организации машинных операций по преобразованию информации. 8-миричная и 16-тиричная системы используются для более короткой и удобной записи, т. к. требует меньше разрядов(для записи программ в машинных кодах).
НОУ « ВОЛГОГРАДСКИЙ ИНСТИТУТ БИЗНЕСА»
кафедра математики и естественных наук
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА ПО ИНФОРМАТИКЕ
АРИФМЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ ЭВМ
Выполнил: студент группы 1- МТ71з
ШАЛИМОВ АЛЕКСЕЙ ЭДУАРДОВИЧ
Проверил:
МАКАРОВА МАРИЯ АЛЕКСАНДРОВНА
ВОЛГОГРАД 2008
Введение
1. Представление информации в компьютере
2. Системы счисления
3. Перевод числа из одной системы счисление в другую
4. Арифметические операции в позиционных системах счисления
Заключение
Список литературы
Введение
Качественно новое обслуживание информационных процессов, пронизывающих различные сферы человеческой деятельности тесным образом связано с использованием современной электронно-вычислительной техники.
Термин компьютер, так прочно вошедший в русский язык, в переводе означает «вычислитель», т.е. устройство для осуществления вычислений.
Потребность в автоматизации вычислений или, как сейчас говорят - обработки данных, возникла давно. Уже более полутора тысяч лет назад для облегчения вычислений стали использовать счеты.
Но только в 1642 году Блез Паскаль изобрел устройство для механического сложения чисел, а в 1673 году Г. В. Лейбниц сконструировал арифмометр, позволявший механическим способом выполнять четыре арифметических действия, И хотя, начиная с XIX века, арифмометры получили широкое распространение, у них был один существенный недостаток: расчеты производились очень медленно. Причина проста - выбор выполняемых действий и запись результатов при осуществлении расчетов производилась человеком, скорость работы которого весьма ограничена.
Для устранения этого недостатка английский математик Ч. Бэббидж попытался построить универсальное вычислительное устройство, выполняющее вычисления без участия человека. Для этого оно должно было уметь исполнять программы, вводимые с помощью перфокарт (прямоугольных пластин из плотной бумаги с информацией, наносимой при помощи отверстий). Бэббидж не смог довести до конца работу по созданию своей Аналитической машины: ее устройство оказалось слишком сложным для технического оснащения промышленности первой половины XIX века. Однако идеи, заложенные в основу этого устройства, позволили американцу Г. Эйкену в 1943 году построить на одном из предприятий фирмы IBM машину, функционирующую на электромеханических роле и получившую название «Марк-1».
К этому времени потребность в автоматизации обработки данных (в первую очередь, для военных нужд - баллистики, криптографии и т.д.) стала настолько ощутимой, что над созданием подобных машин одновременно работало несколько групп исследователей в разных странах мира. Начиная с 1943 года, группа специалистов под руководством Д. Мочли и П. Экерта в США занималась конструированием более современной вычислительной машины на основе электронных ламп, которая могла бы хранить выполняемую программу в своей памяти. Для ускорения работы в 1945 году к этому проекту был привлечен знаменитый математик Джон фон Нейман. В результате его участия был подготовлен доклад, содержавший целый ряд принципов, на основе которых и должна была функционировать разрабатываемая машина.
Первый компьютер, в котором в полной мере реализовались принципы фон Неймана был построен в 1949 году английским исследователем М. Уилксом. С той поры прошло более 50 лет, и тем не менее, большинство современных компьютеров в той или ином степени соответствуют принципам, изложенным фон Нейманом.
В своей работе Д. Фон Нейман описал, как должен быть устроен компьютер для того, чтобы он был универсальным и эффективным устройством обработки информации (рис.1). В состав такого компьютера должны входить:
♦ арифметико-логическое устройство, выполняющее арифметические и логические операции;
♦устройство управления, организующее процесс выполнения программ и синхронизирующее работу остальных устройств компьютера;
♦запоминающее устройство (память), предназначенное для хранения выполняемых программ и обрабатываемых данных;
♦внешние устройства, предназначенные для ввода и вывода информации.
1 Представление информации в компьютере
Компьютер может обрабатывать только информацию, представленную в числовой форме. Вся остальная информация (например, звук, видео, графические изображения и т.д.) перед обработкой на компьютере должна быть преобразована в числовую форму. Так, чтобы привести к цифровому виду (оцифровать) музыкальный звук, можно через небольшие промежутки времени измерять интенсивность звука на определенных частотах, представляя результаты каждого измерения в числовой форме. Затем, с помощью специальной компьютерной программы осуществляются необходимые преобразования полученных данных: наложение звуков от различных источников друг на друга (эффект оркестра), изменение тональности отдельных звуков и т.п. После чего, окончательный результат преобразуется обратно в звуковую форму.
2. Системы счисления
Система счисления - это способ записи чисел с помощью заданного набора специальных знаков (цифр).
Двоичная система счисления. В этой системе всего две цифры - 0 и 1. Особую роль здесь играет число 2 и его степени: 2, 4, 8 и т.д. Самая правая цифра числа показывает число единиц, следующая цифра - число двоек, следующая - число четверок и т.д. Двоичная система счисления позволяет закодировать любое натуральное число - представить его в виде последовательности нулей и единиц. В двоичном виде можно представлять не только числа, но и любую другую информацию: тексты, картинки, фильмы и аудиозаписи. Инженеров двоичное кодирование привлекает тем, что легко реализуется технически.
Десятичная система счисления. Пришла в Европу из Индии, где она появилась не позднее VI века н.э. В этой системе 10 цифр: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, но информацию несет не только цифра, но и место, на котором цифра стоит (то есть ее позиция). В десятичной системе счисления особую роль играют число 10 и его степени: 10, 100, 1000 и т.д. Самая правая цифра числа показывает число единиц, вторая справа - число десятков, следующая - число сотен и т.д.
Восьмеричная система счисления. В этой системе счисления 8 цифр: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. Цифра 1, указанная в самом младшем разряде, означает - как и в десятичном числе - просто единицу. Та же цифра 1 в следующем разряде означает 8, в следующем 64 и т.д. Число 100 (восьмеричное) есть не что иное, как 64 (десятичное). Чтобы перевести в двоичную систему, например, число 611 (восьмеричное), надо заменить каждую цифру эквивалентной ей двоичной триадой (тройкой цифр). Легко догадаться, что для перевода многозначного двоичного числа в восьмеричную систему нужно разбить его на триады справа налево и заменить каждую триаду соответствующей восьмеричной цифрой.
Шестнадцатеричная система счисления. Запись числа в восьмеричной системе счисления достаточно компактна, но еще компактнее она получается в шестнадцатеричной системе. В качестве первых 10 из 16 шестнадцатеричных цифр взяты привычные цифры 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, а вот в качестве остальных 6 цифр используют первые буквы латинского алфавита: A, B, C, D, E, F. Цифра 1, записанная в самом младшем разряде, означат просто единицу. Та же цифра 1 в следующем - 16 (десятичное), в следующем - 256 (десятичное) и т.д. Цифра F, указанная в самом младшем разряде, означает 15 (десятичное). Перевод из шестнадцатеричной системы в двоичную и обратно производится аналогочно тому, как это делается для восьмеричной системы.
Существуют позиционные и непозиционные системы счисления. В непозиционных системах вес цифры (т.е. тот вклад, который она вносит в значение числа) не зависит от ее позиции в записи числа. Так, в римской системе счисления в числе ХХХII (тридцать два) вес цифры Х в любой позиции равен просто десяти.
В позиционных системах счисления вес каждой цифры изменяется в зависимости от ее положения (позиции) в последовательности цифр, изображающих число. Например, в числе 757,7 первая семерка означает 7 сотен, вторая – 7 единиц, а третья – 7 десятых долей единицы.
Сама же запись числа 757,7 означает сокращенную запись выражения
700 + 50 + 7 + 0,7 = 7 * 102 + 5 * 101 + 7 * 100+ 7 * 10-1 = 757,7.
Любая позиционная система счисления характеризуется своим основанием.
Основание позиционной системы счисления - это количество различных знаков или символов, используемых для изображения цифр в данной системе. За основание системы можно принять любое натуральное число - два, три, четыре и т.д. Следовательно, возможно бесчисленное множество позиционных систем: двоичная, троичная, четверичная и т.д. Запись чисел в каждой из систем счисления с основанием q означает сокращенную запись выражения
an-1 qn-1 + an-2 qn-2 +… + a1 q1 + a0q0+ a-1 q-1 +… + a-m q-m ,
где ai – цифры системы счисления; n и m – число целых и дробных разрядов, соответственно.
В каждой системе счисления цифры упорядочены в соответствии с их значениями: 1 больше 0, 2 больше 1 и т.д.
В любой системе счисления для представления чисел выбираются некоторые символы (слова или знаки), называемые базисными числами, а все остальные числа получаются в результате каких-либо операций из базисных чисел данной системы счисления.
Системы счисления различаются выбором базисных чисел и правилами образования из них остальных чисел.
Единицей информации в компьютере является один бит (bit), т.е. двоичный разряд, который может принимать значение 0 или 1. Бит - это фундаментальная единица, определяющая количество информации, подвергаемое обработке или переносимое из одного места в другое. Поскольку биты записываются нулями и единицами, их последовательные совокупности позволяют кодировать двоичные числа (binarynumbers) - значение в двоичной системе счисления.
В более привычной для человека десятичной системе счисления (по основанию 10) для представления чисел используется десять символов: 0, 1, 2, 3, 4,5,6,7,8и 9. Чтобы составить число, значение которого в десятичной системе счисления больше 9 (например, 27), комбинируют две цифры: при этом позиции символов имеют определенный смысл. Прогрессия значений, связанная с позицией цифры, возрастает, как показано на рис. 2., пропорционально степени основания.
Рис. 2. Пример представления числа в десятичной системе счисления
Десятичное число, состоящее хотя бы из двух цифр, является суммой различных степеней основания, умноженных на соответствующую цифру. Так, число 10 представляет собой сумму из одного десятка (101) и нуля единиц (100), а число 423 - сумму из четырех сотен (102), двух десятков (101) и трех единиц (100).
Рассмотренный метод представления чисел достаточно универсален и используется в других системах счисления, в которых основание отлично от десяти. Например, в системе с основанием 8 задействовано восемь символов: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 и 7, а значимость каждой позиции возрастает пропорционально степени числа 8, как показано на рис.3.
Рис. 3. Пример предоставления числа в восьмеричной системе счисления.
Как уже отмечалось, компьютер способен обрабатывать информацию в двоичной системе счисления. В ней используются только два символа 0 и 1, а смещение символа на одну позицию влево увеличивает значение числа пропорционально степени основания 2. На рис. 4 показано восьмибитовое (1 байт) представление числа 58 в двоичной системе счисления.
Рис. 4. Пример представления числа в двоичной системе счисления.
3. Перевод числа из одной системы счисление в другую
Из всех систем счисления особенно проста и поэтому интересна для технической реализации в компьютерах двоичная система счисления. Эта система имеет ряд преимуществ перед другими системами:
· для ее реализации нужны технические устройства с двумя устойчивыми состояниями (есть ток - нет тока, намагничен - не намагничен и т.п.), а не, например, с десятью, - как в десятичной;
· представление информации посредством только двух состояний надежно и помехоустойчиво;
· возможно применение аппарата булевой алгебры для выполнения логических преобразований информации;
· двоичная арифметика намного проще десятичной.
Недостаток двоичной системы - быстрый рост числа разрядов, необходимых для записи чисел. Являясь удобной для компьютеров, для человека двоичная система неудобна из-за ее громоздкости и непривычной записи.
Перевод чисел из десятичной системы в двоичную и наоборот выполняет машина. Однако чтобы профессионально использовать компьютер, следует научиться понимать слово машины. Для этого и разработаны восьмеричная и шестнадцатеричная системы.
Числа в этих системах читаются почти так же легко, как десятичные, требуют соответственно в три (восьмеричная) и в четыре (шестнадцатеричная) раза меньше разрядов, чем в двоичной системе (ведь числа 8 и 16 – соответственно, третья и четвертая степени числа 2).
Перевод восьмеричных и шестнадцатеричных чисел в двоичную систему очень прост: достаточно каждую цифру заменить эквивалентной ей двоичной триадой (тройкой цифр) или тетрадой (четверкой цифр).
То есть, чтобы перевести число из двоичной системы в восьмеричную или шестнадцатеричную, его нужно разбить влево и вправо от запятой на триады (для восьмеричной) или тетрады (для шестнадцатеричной) и каждую такую группу заменить соответствующей восьмеричной (шестнадцатеричной) цифрой.
Как перевести целое число из десятичной системы в любую другую позиционную систему счисления?
При переводе целого десятичного числа в систему с основанием q его необходимо последовательно делить на q до тех пор, пока не останется остаток, меньший или равный q–1. Число в системе с основанием q записывается как последовательность остатков от деления, записанных в обратном порядке, начиная с последнего.
Пример: Перевести число 75 из десятичной системы в двоичную, восьмеричную и шестнадцатеричную:
Ответ: 7510 = 1 001 0112 = 1138 = 4B16 .
Как пеpевести пpавильную десятичную дpобь в любую другую позиционную систему счисления?
Пpи переводе правильной десятичной дpоби в систему счисления с основанием q необходимо сначала саму дробь, а затем дробные части всех последующих произведений последовательно умножать на q, отделяя после каждого умножения целую часть произведения. Число в новой системе счисления записывается как последовательность полученных целых частей произведения. Умножение производится до тех поp, пока дробная часть произведения не станет равной нулю. Это значит, что сделан точный пеpевод. В противном случае перевод осуществляется до заданной точности. Достаточно того количества цифp в pезультате, котоpое поместится в ячейку.
Пример: Перевести число 0,35 из десятичной системы в двоичную, восьмеричную и шестнадцатеричную:
Ответ: 0,3510 = 0,010112 = 0,2638 = 0,5916 .
Как перевести число из двоичной (восьмеричной, шестнадцатеричной) системы в десятичную?
При переводе числа из двоичной (восьмеричной, шестнадцатеричной) системы в десятичную надо это число представить в виде суммы степеней основания его системы счисления.
4. Арифметические операции в позиционных системах счисления
Рассмотрим основные арифметические операции: сложение, вычитание, умножение и деление. Правила выполнения этих операций в десятичной системе хорошо известны - это сложение, вычитание, умножение столбиком и деление углом. Эти правила применимы и ко всем другим позиционным системам счисления.
При сложении цифры суммируются по разрядам, и если при этом возникает избыток, то он переносится влево.
Пример: Сложим числа 15 и 6 в шестнадцатеричной системе счисления: F16 + 616 15 + 6 = 2110 = 101012 = 258 ;
Ответ: = 1516 .
Проверка. Преобразуем полученные суммы к десятичному виду:
101012 = 24 + 22 + 20= 16+4+1=21,
258 = 2*81 + 5*80= 16 + 5 = 21,
1516 = 1*161 + 5*160= 16+5 = 21.
Вычитание
Пример: Вычтем единицу из чисел 102, 108 и 1016
Вычтем единицу из чисел 1002, 1008 и 10016 .
Вычтем число 59,75 из числа 201,25.
Ответ: 201,2510 – 59,7510 = 141,510 = 10001101,12 = 215,48 = 8D,816 .
Проверка: Преобразуем полученные разности к десятичному виду:
10001101,12 = 27 + 23 + 22 + 20+ 2–1 = 141,5;
215,48 = 2*82 + 1*81 + 5*80+ 4*8–1 = 141,5;
8D,816 = 8*161 + D*160+ 8*16–1 = 141,5.
Умножение
Выполняя умножение многозначных чисел в различных позиционных системах счисления, можно использовать обычный алгоритм перемножения чисел в столбик, но при этом результаты перемножения и сложения однозначных чисел необходимо заимствовать из соответствующих рассматриваемой системе таблиц умножения и сложения.
Ввиду чрезвычайной простоты таблицы умножения в двоичной системе, умножение сводится лишь к сдвигам множимого и сложениям.
Пример: Перемножим числа 5 и 6.
Ответ: 5*6 = 3010 = 111102 = 368 .
111102 = 24 + 23 + 22 + 21 = 30; 368 = 3 81 + 6 80= 30.
Пример: Перемножим числа 115 и 51.
Ответ: 115*51 = 586510 = 10110111010012 = 133518 .
Проверка: Преобразуем полученные произведения к десятичному виду:
10110111010012 = 212 + 210 + 29 + 27 + 26 + 25 + 23 + 20= 5865;
133518 = 1*84 + 3*83 + 3*82 + 5*81 + 1*80= 5865.
Деление
Деление в любой позиционной системе счисления производится по тем же правилам, как и деление углом в десятичной системе. В двоичной системе деление выполняется особенно просто, ведь очередная цифра частного может быть только нулем или единицей.
Пример: Разделим число 30 на число 6.
Ответ: 30: 6 = 510 = 1012 = 58 .
Пример: Разделим число 5865 на число 115.
Восьмеричная: 133518:1638
Ответ: 5865: 115 = 5110 = 1100112 = 638 .
Проверка: Преобразуем полученные частные к десятичному виду:
1100112 = 25 + 24 + 21 + 20= 51; 638 = 6*81 + 3*80= 51.
Заключение
В структуру автоматизированной информационной системы входят несколько подсистем. Одной из таких подсистем является математическое и программное обеспечение, то есть совокупность математических методов, моделей, алгоритмов и программ для реализации целей и задач информационной системы, а также нормального функционирования комплекса технических средств.
Фундаментом науки о вычислительных машинах является конструктивная математика, в основе которой лежит математическая логика и теория алгоритмов с их однозначностью в оценке суждений и процедур вывода. Для описания элементов и узлов ЭВМ с самого начала использовалась математическая логика, а для описания компьютерных программ - теория алгоритмов.
Математическая логика - это дисциплина, изучающая технику математических доказательств. Отличие математических суждений от обычных разговорных высказываний состоит в том, что математические суждения всегда предполагают однозначную интерпретацию, в то время как наши обычные высказывания зачастую допускают многозначную трактовку.
Работа ЭВМ как автоматических устройств основана исключительно на математически строгих правилах выполнения команд, программ и интерпретации данных. Тем самым работа компьютеров допускает строгую однозначную проверку правильности своей работы в плане заложенных в них процедур и алгоритмов обработки информации.
С появлением самых первых компьютерных программ, имитирующих интеллектуальную деятельность людей, возникло понятие«искусственный интеллект» ивсе компьютерные программы, демонстрирующиеинтеллектуальное поведение, основаны на использовании определенного математического аппарата, опирающегося на законы математической логики и соответственно, имеющего арифметические основы. Без понимания этих законов и основ невозможно понимание принципов работы вычислительных машин вообще и систем искусственного интеллекта в частности.
Список литературы
1. Громов Ю. Ю., О. Г. Иванова, А. В. Лагутин. Информатика: Учебное пособие. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2002.
2. Каймин В.А. Информатика: Учебник. - М.: ИНФРА-М,2000.
3. Сергеева И.И., Мазулевская А.А., Тарасова Н.В. Информатика: учебник. – М.: ИД «Форум»: ИНФРА – М, 2007.