1 История развития ЭВМ.

2. Классификация ЭВМ:

3. Системы счисления, виды систем счисления.

4. Перевод чисел из одной системы счисления в другую.

5. Форматы хранения чисел в ЭВМ.

6. Машинные коды чисел (прямой, обратный, дополнительный код).

7. Арифметические операции кодов чисел.

о. Виды информации и способы её представления в ЭВМ.

9. Структуры данных и их разновидности.

10. Форматы файлов.

11. Кодирование символьной информации (ASCII,UNICODE).

12. Кодирование графической, звуковой информации.

13. Сжатие информации. Кодирование видеоинформации.

14. Стандарт МРЕG.

15. Логические элементы И, ИЛИ, НЕ.

16. Логический вентиль И-НЕ.

17. Логический вентиль ИЛИ-НЕ.

18. Логический вентиль И-ИЛИ-НЕ.

19. Триггеры. Общие положения.

20. RS-триггер на элементах И-НЕ.

21 .RS-триггер на элементах ИЛИ-НЕ.

22. JK-тригтер.

23. Д,Т-триггер.

24. Регистры.

25. Сумматоры.

26. Дешифраторы.

27. Программируемые логические матрицы.

28. Принципы фон Неймана.

29. 0сновные компоненты ЭВМ.

З0. Структура процессора. Устройство управления.

31. Регистры процессора: сущность, подключение, тип.

32. Структура команды процессора, цикл выполнения команд.

33. Построение конвейерных структур.

34. Системы команд и классы процессов (CISC,RISC,MISC,VLIM).

35. АЛУ:назначение,структура и функционирование.

36. Иерархическая структура памяти.

37. Основная память ЭВМ.

38. Организация ОЗУ.

39. Адресное и ассоциативное ОЗУ.

40. Виды адресации.

41. Кэш-память.

42. Динамическая память.

43. Статическая память.

44. Устройства специальной памяти.

45. Чипсет: подключение и схема функционирования.

46. Системная плата: Архитектура и основные разъёмы.

47. Внутренние интерфейсы ПК (ISA,EISA,VLB,PCI,AGP).

48. Интерфейсы периферийных устройств.

49. Внешние интерфейсы ПК.

50. Последовательный и параллельный порты.

51. Режимы работы процессора.

52. Понятие реального режима процессора 8086.

53. Понятие защищенного режима.

54. Прерывание, виды прерываний.

55. Подпрограммы.

56. 0сновные характеристики процессоров.

57. Матричный процессор (SOLOMON).

58. Клеточные процессоры.

59. ДНК-процессоры.

60. Нейронные процессоры.

61. Назначение и характеристики ВС.

62. Классы архитектур ВС.

63. Уровни комплексирования машин в вычислительную систему.

64. Классификация Флинна.

65. Магистрально-модульный принцип архитектуры.

1.История развития ЭВМ

В 1812 году английский математик и экономист Чарльз Бэббидж начал работу над созданием, так называемой «разностной» машины, которая, по его замыслам, должна была не просто выполнять арифметические действия, а проводить вычисления по программе, задающей определённую функцию. В качестве основного элемента своей машины Бэббидж взял зубчатое колесо для запоминания одного разряда числа (всего таких колёс было 18). К 1822 году учёный построил небольшую действующую модель и рассчитал на ней таблицу квадратов.

В 1834 году Бэббидж приступил к созданию «аналитической» машины. Его проект содержал более 2000 чертежей различных узлов. Машина Бэббиджа предполагалась как чисто механическое устройство с паровым приводом. Она состояла из хранилища для чисел («склад»), устройства для производства арифметических действий над числами (Бэббидж назвал его «фабрикой») и устройства, управляющего операциями машины в нужной последовательности, включая перенос чисел из одного места в другое; были предусмотрены средства для ввода и вывода чисел. Бэббидж работал над созданием своей машины до конца своей жизни (он умер в 1871 году), успев сделать лишь некоторые узлы своей машины, которая оказалась слишком сложной для того уровня развития техники.

В 1842 году в Женеве была опубликована небольшая рукопись итальянского военного инженера Л.Ф. Менабреа «Очерк об аналитической машине, изобретённой Чарльзом Бэббиджем», переведённая в последствии ученицей и помощницей Бэббиджа дочерью Дж. Г. Байрона — леди Адой Лавлейс. При содействии Бэббиджа Ада Лавлейс составляла первые программы для решения систем двух линейных уравнений и для вычисления чисел Бернулли. Леди Лавлейс стала первой в мире женщиной-программистом.

После Бэббиджа значительный вклад в развитие техники автоматизации счёта внёс американский изобретатель Г. Холлерит, который в 1890 году впервые построил ручной перфоратор для нанесения цифровых данных на перфокарты и ввёл механическую сортировку для раскладки этих перфокарт в зависимости от места пробива. Им была построена машина — табулятор, которая прощупывала отверстия на перфокартах, воспринимала их как соответствующие числа и подсчитывала их. Табуляторы Холлерита были использованы при переписи населения в США, Австрии, Канаде, Норвегии и в др. странах. Они же использовались при первой Всероссийской переписи населения в 1897 году, причём Холлерит приезжал в Россию для организации этой работы. В 1896 году Холлерит основал всемирно известную фирму Computer Tabulating Recording, специализирующуюся на выпуске счетно-перфорационных машин и перфокарт. В дальнейшем фирма была преобразована в фирму International Business Machines (IBM), ставшую сейчас передовым разработчиком компьютеров.

Новый инструмент — ЭВМ — служит человеку пока лишь чуть больше полвека. ЭВМ — одно из величайших изобретений середины XX века, изменивших человеческую жизнь во многих ее проявлениях. Вычислительная техника превратилась в один из рычагов обеспечивающих развитие и достижения научно-технического прогресса. Первым создателем автоматической вычислительной машины считается немецкий учёный К. Цузе. Работы им начаты в 1933 году, а в 1936 году он построил модель механической вычислительной машины, в которой использовалась двоичная система счисления, форма представления чисел с «плавающей» запятой, трёхадресная система программирования и перфокарты. В качестве элементной базы Цузе выбрал реле, которые к тому времени давно применялись в различных областях техники. В 1938 году Цузе изготовил модель машины Z1 на 16 слов; в следующем году модель Z2, а еще через два года он построил первую в мире действующую вычислительную машину с программным управлением (модель Z3), которая демонстрировалась в Германском научно-исследовательском центре авиации. Это был релейный двоичный компьютер, имеющий память на 64 22-разрядных числа с плавающей запятой: 7 разрядов для порядка и 15 разрядов для мантиссы. К несчастью, все эти образцы машин были уничтожены во время бомбардировок в ходе Второй мировой войны. После войны Цузе изготовил модели Z4 и Z5. К. Цузе в 1945 году создал язык Plankalkul (от немецкого «исчисление планов»), который относится к ранним формам алгоритмических языков. Этот язык был большей степени машинно-ориентированным, но по некоторым возможностям превосходил АЛГОЛ.

Независимо от Цузе построением релейных автоматических вычислительных машин занимались в США Д. Штибитц и Г. Айкен.

Д. Штибитц, тогда работавший в фирме Bell, собрал на телефонных реле первые суммирующие схемы. В 1940 году вместе с С. Уильямсом Штибитц построил «вычислитель комплексных чисел», или релейный интерпретатор, который последствии стал известен как специализированный релейный компьютер «Bell-модель 1». В этом же году машина демонстрировалась на заседании Американского математического общества, где были проведены её первый промышленные испытания. В последующие годы были созданы ещё четыре модели этой машины. Последняя из них разработана Штибитцем в 1946 году (модель V) — это был компьютер общего назначения, содержащий 9000 реле и занимающий площадь почти 90 м2, вес устройства составлял 10 т.

Другую идею релейного компьютера выдвинул в 1937 году аспирант Гарвардского университета Г. Айкен. Его идеей заинтересовалась фирма IBM. В помощь Айкену подключили бригаду инженеров во главе с К. Лейком. Работа по проектированию и постройки машины, названной «Марк-1», началась в 1939 году и продолжалась 5 лет. Машина состояла из стандартных деталей, выпускаемых IBM в то время. Электронные лампы при создании вычислительной машины были впервые применены американским профессором физики и математики Д. Атанасовым. Атанасов работал над проблемой автоматизации решения больших систем линейных уравнений. В декабре 1939 году Атанасов окончательно сформулировал и осуществил на практике свои основные идеи, создав вместе с К. Берри работающую настольную модель машины. После этого он приступил к созданию машины, способной решить систему с 29 неизвестными.

Память машины была энергоёмкая — использовалось 1632 бумажных конденсатора. Всего использовалось 300 электронных ламп. К весне 1942 г. когда монтаж машины был почти завершен, США уже находилось в состоянии войны с Германией, и, к несчастью, проект был свёрнут.

В 1942 году профессор электротехнической школы Мура Пенсильванского университета Д. Маучли представил проект «Использование быстродействующих электронных устройств для вычислений», положивший начало созданию первой электронной вычислительной машины ENIAC. Около года проект пролежал без движения, пока им не заинтересовалась Баллистическая исследовательская лаборатория армии США. В 1943 году под руководством Д. Маучли и Д. Эккерта были начаты работы по созданию ENIAC, демонстрация состоялась 15 февраля 1946 года. Новая машина имела «впечатляющие» параметры: 18000 электронных ламп, площадь 90 × 15 м2, весила 30 т и потребляла 150 кВт. ENIAC работала с тактовой частотой 100 кГц и выполняла сложение за 0,2 мс, а умножение — за 2,8 мс, что было на три порядка быстрее, чем это могли делать релейные машины. По своей структуре ЭВМ ENIAC напоминала механические вычислительные машины.

Долгое время считалось, что ENIAC единственный электронный компьютер, но в 1975 году Великобритания сообщила о том, что уже с декабря 1945 года в государственном институте Блетчли-Парк работал первый программируемый ЭВМ «Колосс», но для правильной оценки компьютера Англия не предоставила много данных.

С точки зрения архитектуры ЭВМ с хранимой в памяти программой революционными были идеи американского математика, Члена Национальной АН США и американской академии искусств и наук Джона фон Неймана (1903—1957). Эти идеи были изложены в статье «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронного вычислительного устройства», написанная вместе с А. Берксом и Г. Голдстайном и опубликованная в 1946 году.

Вот как представлял фон Нейман свою ЭВМ:

Машина должна состоять из основных органов: орган арифметики, памяти, управления и связи с оператором, чтобы машина не зависела от оператора.

Она должна запоминать не только цифровую информацию, но и команды, управляющие программой, которая должна проводить операции над числами.

ЭВМ должна различать числовой код команды от числового кода числа.

У машины должен быть управляющий орган для выполнения команд, хранящихся в памяти.

В ней также должен быть арифметический орган для выполнения арифметических действий.

И, наконец, в её состав должен входить орган ввода-вывода.

В 1945 г. Англия приступила к созданию первой машины с неймовским типом памяти. Работа была возглавлена Т. Килбрном из Манчестерского университета и Ф. Вильямсем из Кембриджского. Уже 21 июня 1948 года Т. Килбрн и Ф. Вильямс просчитали первую программу на ЭВМ «Марк-1» (одинаковое название с машиной Айкена).

Другая группа во главе с М. Уилксом 6 мая 1949 года произвела первые расчёты машине того же типа — EDSAC.

Вскоре были построены ещё машины EDVAC (1950 г.), BINAC и SEAC.

В ноябре месяце того же года в Киевской лаборатории моделирования и вычислительной техники Института электротехники АН СССР под руководством академика С. А. Лебедева была создана первая советская ЭВМ — МЭСМ. МЭСМ была принципиально новой машиной, так как профессор Лебедев применил принцип параллельной обработки слов.

2.Классификация ЭВМ

Рассмотрим некоторые из наиболее популярных классификаций:

по принципу действия. Критерием деления вычислительных машин здесь является форма представления информации, с которой они работают

1. Аналоговые (АВМ) - вычислительные машины непрерывного действия, работают с информацией, представленной в непрерывной (аналоговой) форме, т.е. в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины (чаще всего электрического напряжения).

Аналоговые вычислительные машины весьма просты и удобны в эксплуатации; программирование задач для решения на них, как правило, нетрудоемкое; скорость решения задач изменяется по желанию оператора и может быть сделана сколь угодно большой (больше ,чем у ЦВМ), но точность решения задач очень низкая (относительная погрешность 2-5%).На АВМ наиболее эффективно решать математические задачи, содержащие дифференциальные уравнения, не требующие сложной логики.

2. цифровые (ЦВМ) - вычислительные машины дискретного действия, работают с информацией, представленной в дискретной, а точнее, в цифровой форме.

3. гибридные (ГВМ) - вычислительные машины комбинированного действия, работают с информацией, представленной и в цифровой, и в аналоговой форме; они совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ. ГВМ целесообразно использовать для решения задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами.

Наиболее широкое применение получили ЦВМ с электрическим представлением дискретной информации - электронные цифровые вычислительные машины, обычно называемые просто электронными вычислительными машинами (ЭВМ), без упоминания об их цифровом характере.

по назначению

1. универсальные (общего назначения) - предназначены для решения самых различных технических задач: экономических, математических, информационных и других задач, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных. Они широко используются в вычислительных центрах коллективного пользования и в других мощных вычислительных комплексах.

2. проблемно-ориентированные - служат для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами; регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных; выполнением расчетов по относительно несложным алгоритмам; они обладают ограниченными по сравнению с универсальными ЭВМ аппаратными и программными ресурсами. К проблемно-ориентированным ЭВМ можно отнести, в частности, всевозможные управляющие вычислительные комплексы

3. специализированные - используются для решения узкого крута задач или реализации строго определенной группы функций. Такая узкая ориентация ЭВМ позволяет четко специализировать их структуру, существенно снизить их сложность и стоимость при сохранении высокой производительности и надежности их работы. К специализированным ЭВМ можно отнести, например, программируемые микропроцессоры специального назначения; адаптеры и контроллеры, выполняющие логические функции управления отдельными несложными техническими устройствами, агрегатами и процессами; устройства согласования и сопряжения работы узлов вычислительных систем.

по размерам и функциональным возможностям

1. сверхбольшие (суперЭВМ)

2. большие

3. малые

4. мини

5. сверхмалые (микроЭВМ)

3. Системы счисления, виды систем счисления.

Позиционные системы счисления

Основная статья: Позиционная система счисления

В позиционных системах счисления один и тот же числовой знак (цифра) в записи числа имеет различные значения в зависимости от того места (разряда), где он расположен. Изобретение позиционной нумерации, основанной на поместном значении цифр, приписывается шумерам и вавилонянам; развита была такая нумерация индусами и имела неоценимые последствия в истории человеческой цивилизации. К числу таких систем относится современная десятичная система счисления, возникновение которой связано со счётом на пальцах. В средневековой Европе она появилась через итальянских купцов, в свою очередь заимствовавших её у мусульман.

Под позиционной системой счисления обычно понимается b-ричная система счисления, которая определяется целым числом b > 1, называемым основанием системы счисления. Целое число x в b-ричной системе счисления представляется в виде конечной линейной комбинации степеней числа b:

, где ak — это целые числа, называемые цифрами, удовлетворяющие неравенству .

Каждая степень bk в такой записи называется весовым коэффициентом разряда. Старшинство разрядов и соответствующих им цифр определяется значением показателя k (номером разряда). Обычно для ненулевого числа x требуют, чтобы старшая цифра an − 1 в b-ричном представлении x была также ненулевой.

Если не возникает разночтений (например, когда все цифры представляются в виде уникальных письменных знаков), число x записывают в виде последовательности его b-ричных цифр, перечисляемых по убыванию старшинства разрядов слева направо:

Например, число сто три представляется в десятичной системе счисления в виде:

Наиболее употребляемыми в настоящее время позиционными системами являются:

1 — единичная (как позиционная может и не рассматриваться; счёт на пальцах, зарубки, узелки «на память» и др.);

2 — двоичная (в дискретной математике, информатике, программировании);

3 — троичная;

4 — четверичная;

5 — пятеричная;

8 — восьмеричная;

10 — десятичная (используется повсеместно);

12 — двенадцатеричная (счёт дюжинами);

16 — шестнадцатеричная (используется в программировании, информатике, а также в шрифтах[источник не указан 603 дня]);

60 — шестидесятеричная (единицы измерения времени, измерение углов и, в частности, координат, долготы и широты).

4. Перевод чисел из одной системы счисления в другую.

Наиболее часто встречающиеся системы счисления -- это двоичная, шестнадцатеричная и десятичная. Как же связаны между собой представления числа в различных системах счисления? Рассмотрим различные способы перевода чисел из одной системы счисления в другую на конкретных примерах.

Пусть требуется перевести число 567 из десятичной в двоичную систему. Сначала определим максимальную степень двойки, такую, чтобы два в этой степени было меньше или равно исходному числу. В нашем случае это 9, т. к. 2⁹=512, а 2¹⁰=1024, что больше начального числа. Таким образом, мы получим число разрядов результата. Оно равно 9+1=10. Поэтому результат будет иметь вид 1ххххххххх, где вместо х могут стоять любые двоичные цифры. Найдем вторую цифру результата. Возведем двойку в степень 9 и вычтем из исходного числа: 567-2⁹=55. Остаток сравним с числом 2⁸=256. Так как 55 меньше 256, то девятый разряд будет нулем, т. е. результат примет вид 10хххххххх. Рассмотрим восьмой разряд. Так как 2⁷=128>55, то и он будет нулевым.

Седьмой разряд также оказывается нулевым. Искомая двоичная запись числа принимает вид 1000хххххх. 2⁵=32<55, поэтому шестой разряд равен 1 (результат 10001ххххх). Для остатка 55-32=23 справедливо неравенство 2⁴=16<23, что означает равенство единице пятого разряда. Действуя аналогично, получаем в результате число 1000110111. Мы разложили данное число по степеням двойки:

567=1*2⁹+0*2⁸+0*2⁷+0*2⁶+1*2⁵+1*2⁴+0*2³+1*2² +1*2¹+1*2⁰

При другом способом перевода чисел используется операция деления в столбик. Рассмотрим то же самое число 567. Разделив его на 2, получим частное 283 и остаток 1. Проведем ту же самую операцию с числом 283. Получим частное 141, остаток 1. Опять делим полученное частное на 2, и так до тех пор, пока частное не станет меньше делителя. Теперь для того, чтобы получить число в двоичной системе счисления, достаточно записать последнее частное, то есть 1, и приписать к нему в обратном порядке все полученные в процессе деления остатки.

Результат, естественно, не изменился: 567 в двоичной системе счисления записывается как 1000110111.

Эти два способа применимы при переводе числа из десятичной системы в систему с любым основанием.

5. Форматы хранения чисел в ЭВМ.

Представление целых чисел в компьютере.

Целые числа являются простейшими числовыми данными, с которыми оперирует ЭВМ. Для целых чисел существуют два представления: беззнаковое (только для неотрицательных целых чисел) и со знаком. Очевидно, что отрицательные числа можно представлять только в знаковом виде. Целые числа в компьютере хранятся в формате с фиксированной запятой.

Представление целых чисел в беззнаковых целых типах.

Для беззнакового представления все разряды ячейки отводятся под представление самого числа. Например, в байте (8 бит) можно представить беззнаковые числа от 0 до 255. Поэтому, если известно, что числовая величина является неотрицательной, то выгоднее рассматривать её как беззнаковую.

Представление целых чисел в знаковых целых типах.

Для представления со знаком самый старший (левый) бит отводится под знак числа, остальные разряды - под само число. Если число положительное, то в знаковый разряд помещается 0, если отрицательное - 1. Например, в байте можно представить знаковые числа от -128 до 127.

Прямой код числа.

Представление числа в привычной форме "знак"-"величина", при которой старший разряд ячейки отводится под знак, а остальные - под запись числа в двоичной системе, называется прямым кодом двоичного числа. Например, прямой код двоичных чисел 1001 и -1001 для 8-разрядной ячейки равен 00001001 и 10001001 соответственно.

Положительные числа в ЭВМ всегда представляются с помощью прямого кода. Прямой код числа полностью совпадает с записью самого числа в ячейке машины. Прямой код отрицательного числа отличается от прямого кода соответствующего положительного числа лишь содержимым знакового разряда. Но отрицательные целые числа не представляются в ЭВМ с помощью прямого кода, для их представления используется так называемый дополнительный код.

Дополнительный код числа.

Дополнительный код положительного числа равен прямому коду этого числа. Дополнительный код отрицательного числа m равен 2k-|m|, где k - количество разрядов в ячейке.

Как уже было сказано, при представлении неотрицательных чисел в беззнаковом формате все разряды ячейки отводятся под само число. Например, запись числа 243=11110011 в одном байте при беззнаковом представлении будет выглядеть следующим образом:1 1 1 1 0 0 1 1

При представлении целых чисел со знаком старший (левый) разряд отводится под знак числа, и под собственно число остаётся на один разряд меньше. Поэтому, если приведённое выше состояние ячейки рассматривать как запись целого числа со знаком, то для компьютера в этой ячейке записано число -13 (243+13=256=28).

Но если это же отрицательное число записать в ячейку из 16-ти разрядов, то содержимое ячейки будет следующим:1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1

Знаковый разряд

Возникает вопрос: с какой целью отрицательные числа записываются в виде дополнительного кода и как получить дополнительный код отрицательного числа?

Дополнительный код используется для упрощения выполнения арифметических операций. Если бы вычислительная машина работала с прямыми кодами положительных и отрицательных чисел, то при выполнении арифметических операций следовало бы выполнять ряд дополнительных действий. Например, при сложении нужно было бы проверять знаки обоих операндов и определять знак результата. Если знаки одинаковые, то вычисляется сумма операндов и ей присваивается тот же знак. Если знаки разные, то из большего по абсолютной величине числа вычитается меньшее и результату присваивается знак большего числа. То есть при таком представлении чисел (в виде только прямого кода) операция сложения реализуется через достаточно сложный алгоритм. Если же отрицательные числа представлять в виде дополнительного кода, то операция сложения, в том числе и разного знака, сводится к из поразрядному сложению.

Для компьютерного представления целых чисел обычно используется один, два или четыре байта, то есть ячейка памяти будет состоять из восьми, шестнадцати или тридцати двух разрядов соответственно.

6. Машинные коды чисел (прямой, обратный, дополнительный код).

Машинный код (также употребляются термины собственный код, или платформенно-ориентированный код, или родной код, или нативный код — от англ. native code) — система команд конкретной вычислительной машины, которая интерпретируется непосредственно микропроцессором или микропрограммами данной вычислительной машины.

Каждая модель процессора имеет свой собственный набор команд, хотя во многих моделях эти наборы команд сильно перекрываются. Говорят, что процессор A совместим с процессором B, если процессор A полностью «понимает» машинный код процессора B. Если процессор A знает несколько команд, которых не понимает процессор B, то B несовместим с A.

«Слова» машинного кода называются машинными инструкциями. Каждая из них описывает элементарное действие, выполняемое процессором, такое как «переслать байт из памяти в регистр». Программа — это просто длинный список инструкций, выполняемых процессором. Раньше процессоры просто выполняли инструкции одну за другой, но новые суперскалярные процессоры способны выполнять несколько инструкций за раз. Прямой поток выполнения команд может быть изменён инструкцией перехода, которая переносит выполнение на инструкцию с заданным адресом. Инструкция перехода может быть условной, выполняющей переход только при соблюдении некоторого условия.

Также инструкции бывают постоянной длины (у RISC, MISC-архитектур) и диапазонной (у CISC-архитектур; например, для архитектуры x86 команда имеет длину от 8 до 120 битов).

7. Арифметические операции кодов чисел.

В компьютерной технике применяются три формы записи (кодирования) целых чисел со знаком: прямой код, обратный код, дополнительный код. Последние две формы применяются особенно широко, так как позволяют упростить конструкцию арифметико-логического устройства компьютера путем замены разнообразных арифметических операций операцией сложения.

Положительные числа в прямом, обратном и дополнительном коде изображаются одинаково – двоичными кодами с цифрой 0 в знаковом разряде.

Пример, число 12

Отрицательные числа в прямом, обратном и дополнительном кодах имеют разное изображение.

1. Прямой код. В знаковый разряд помещается цифра 1, а в разряды цифровой части числа – двоичный код его абсолютной величины.

2. Обратный код получается инвертированием всех цифр двоичного кода абсолютной величины числа, включая разряд знака: нули заменяются единицами, а единицы –  нулями.

3. Дополнительный код получается образованием обратного кода с последующим прибавлением единицы к его младшему разряду.

Пример, число -12

Обычно отрицательные десятичные числа при вводе в машину автоматически преобразуются в обратный или дополнительный двоичный код и в таком виде хранятся, перемещаются и участвуют в операциях. При выводе таких чисел из машины происходит обратное преобразование в отрицательные десятичные числа.

Как компьютер выполняет арифметические действия над целыми числами

Сложение и вычитание.

В большинстве компьютеров операция вычитания не используется. Вместо нее производится сложение уменьшаемого с обратным или дополнительным кодом вычитаемого. Это позволяет существенно упростить конструкцию АЛУ.

При сложении обратных кодов чисел А и В имеют место четыре основных и два особых случая. Рассмотрим их.

Случай 1. А и В положительные. При суммировании складываются все разряды, включая разряд знака. Так как знаковые разряды положительных слагаемых равны нулю, разряд знака суммы тоже равен нулю.

Пример. 10 + 13

10111₂ = 1 + 2 + 4 + 16 = 23₁₀

Случай 2. А положительное, В отрицательное и по абсолютной величине больше, чем А.

Пример. 10 + (-13)

11111100 – обратный код результата, т.е. прямой код результата будет 10000011₂ = -3₁₀

Случай 3. А положительное, В отрицательное и по абсолютной величине меньше, чем А.

Пример. 10 + (-3)

Компьютер исправляет полученный первоначально неправильный результат (-6 вместо 7) переносом единицы из знакового разряда в младший разряд суммы.

Случай 4. А и В отрицательные.

Пример. -10 и  -7

Полученный первоначально неправильный результат компьютер исправляет переносом единицы из знакового разряда в младший разряд суммы. Конечный результат представлен в обратном коде.

Проверка:

При сложении может возникнуть ситуация, когда старшие разряды результата операции не помещаются в отведенной для него области памяти. Такая ситуация называется переполнением разрядной сетки формата числа. Для обнаружения переполнения и оповещения о возникшей ошибке в компьютере используются специальные средства. Ниже приведены два возможных случая переполнения.

Случай 5. А и В положительные, сумма А и В больше либо равна 2^n-1, где n - количество разрядов формата чисел (для однобайтового формата n = 8, 2ⁿ - 1 = 2⁷ = 128).

Пример. 110 + 50

Переполнение

Cеми разрядов цифровой части числового формата недостаточно для размещения восьмиразрядной суммы (16010 = 10100000), поэтому старший разряд суммы оказывается в знаковом разряде. Это вызывает несовпадение знака суммы и знаков слагаемых, что является свидетельством переполнения разрядной сетки.

Случай 6. А и В отрицательные, сумма абсолютных величин А и В больше 2^n-1.

Пример. -110 + (-50)

Здесь знак суммы тоже не совпадает со знаками слагаемых, что свидетельствует о переполнении разрядной сетки.

Все рассмотренные случаи имеют место и при сложении дополнительных кодов чисел.

8. Виды информации и способы её представления в ЭВМ.

Представление целых чисел.

Для эффективности использования памяти в ЭВМ используют разные методы представления целых чисел. При этом применяется формат с фиксированной запятой.

Для положительных (без знаковых) чисел все биты ячейки памяти участвуют в указании количественного значения числа. Например, 1 байт=8 битам дает возможность задать числа в диапазоне от 00000000 до 11111111 в двоичной системе (0-255 в десятичной системе). Если же используется для кодирования машинное слово (2 байта), то возможен числовой диапазон от 0 до 2^16-1=65535 в десятичной системе.

В случае если нужно указать число со знаком, старший бит в двоичной системе выделяется для указания знака. При этом одним байтом можно задать числа от -128 до +127, а 16 разрядное целое со знаком позволяет указать числовой диапазон от -32768 до +32767 в десятичной системе. Для замены операции вычитания операцией сложения, отрицательные числа в памяти компьютера хранятся в дополнительном коде.

В компьютере операции над целым числами выполняются целочисленным процессорам по определенным правилам.

Представление вещественных чисел.

Для выполнения операций с большей точностью в компьютере используется формат представления чисел с плавающей запятой. При таком кодировании часть разрядов отводится для указания порядка, другая часть для указания мантиссы и один бит для указания знака. Например, при длине числа 32 бита (двойное машинное слово) 1 бит отводится для указания знака, 8 бит – указание порядка и 24 бита – для мантиссы. Это позволяет задать диапазон от 10^-38 до 10^38 .

Операции над такими числами выполняет математический сопроцессор.

Представление текстовой информации.

В случае текстовой информации, каждому символу сопоставляется двоичное число, образуя таблицу кодировок символов. Существует различные стандарты кодировок: ASCII, UCS-2, UCS-4. Например, в таблице ASCII одним байтом кодируются 256 символов (включая управляющие символы). Согласно этой кодировке букве b соответствует код 01100010, о – 01101111, k – 01101011. И слово book записывается четырьмя байтами 01100010 01101111 01101111 01101011.

9. Структуры данных и их разновидности.

Структура данных — программная единица, позволяющая хранить и обрабатывать множество однотипных и/или логически связанных данных в вычислительной технике. Для добавления, поиска, изменения и удаления данных структура данных предоставляет некоторый набор функций, составляющих её интерфейс. Структура данных часто является реализацией какого-либо абстрактного типа данных.

При разработке программного обеспечения большую роль играет проектирование хранилища данных и представление всех данных в виде множества связанных структур данных.

Хорошо спроектированное хранилище данных оптимизирует использование ресурсов (таких как время выполнения операций, используемый объём оперативной памяти, число обращений к дисковым накопителям), требуемых для выполнения наиболее критичных операций.

Структуры данных формируются с помощью типов данных, ссылок и операций над ними в выбранном языке программирования.

Различные виды структур данных подходят для различных приложений; некоторые из них имеют узкую специализацию для определённых задач. Например, B-деревья обычно подходят для создания баз данных, в то время как хеш-таблицы используются повсеместно для создания различного рода словарей, например, для отображения доменных имён в интернет-адреса компьютеров.

При разработке программного обеспечения сложность реализации и качество работы программ существенно зависит от правильного выбора структур данных. Это понимание дало начало формальным методам разработки и языкам программирования, в которых именно структуры данных, а не алгоритмы, ставятся во главу архитектуры программного средства. Большая часть таких языков обладает определённым типом модульности, позволяющим структурам данных безопасно переиспользоваться в различных приложениях. Объектно-ориентированные языки, такие как Java, C# и C++, являются примерами такого подхода.

Многие классические структуры данных представлены в стандартных библиотеках языков программирования или непосредственно встроены в языки программирования. Например, структура данных хэш-таблица встроена в языки программирования Lua, Perl, Python, Ruby, Tcl и др. Широко используется стандартная библиотека шаблонов STL языка C++.

• Линейные структуры данных (Linear data structures)

• Список (List)

• Массив (Array)

• Битовые поля (Bitmaps)

• Изображения (Images)

• Поля высот (Heightfields)

• Фильтр Блума (Bloom filter)

• Параллельный массив (Parallel array)

• Дерево Фенвика

• Разреженная таблица

• Связный список (Linked list)

• Список с пропусками (Skip list)

• Развёрнутый связный список (Unrolled linked list)

• XOR-связный список (Xor linked list)

• V-список (VList)

• Кольцевой буфер (Circular buffer)

• Ассоциативный массив (Associative array a.k.a. dictionary or map) — также известен как словарь или карта

• Хеш-таблица (Hash table)

• Стек (Stack a.k.a. LIFO Last in, first out) — также известен как ЛИФО

• Очередь (Queue a.k.a. FIFO First in, first out) — также известен как ФИФО

• Очередь с приоритетом (Priority queue), одна из реализаций -- Двоичная куча, см. ниже

• Дек (Deque) — двусвязная очередь

• Буферное окно (Buffer gap)

• Граф (Graph)

• Список рёбер (Adjacency list)

• Представление графа в разорванном виде (Disjoint-set data structure)

• Представление графа в виде стеков (Graph-structured stack)

• Сценограф (Scene graph)

• Деревья

• 2-3-дерево

• Дерево отрезков

• Красно-чёрное дерево

• BSP-дерево

• M-Way Tree

• B-дерево

• Двоичное дерево поиска (Binary search tree)

• Самобалансирующееся дерево поиска (Self-balancing binary search tree)

• АВЛ-дерево (AVL tree)

• Дерево Фибоначчи

• Красно-чёрное дерево (Red-black tree)

• Дерево со штрафами (Scapegoat tree)

• Расширяющееся дерево (Splay tree)

• Дерево ван Емде Боаса (van Emde Boas tree)

• Дерево остатков (Radix tree)

• Интервальное дерево (Interval tree)

• Куча (Heap)

• Двоичная куча (Binary heap)

• Биномиальная куча (Binomial heap)

• Фибоначчиева куча (Fibonacci heap)

• Сливаемая куча (Mergable heap)

• 2-3-куча (2-3 heap)

• Мягкая куча (Soft heap)

• Дерево разбора (Parse tree)

• Квадродерево (Quadtree) и Октодерево (Octree)

• Суффиксное дерево (Suffix tree)

• Префиксное дерево (Trie)

• Патриция (дерево) (Patricia trie)

• Другие структуры данных

• Помеченное объединение (Tagged union)

• Объединение (Union)

• Таблица (Table)

10. Форматы файлов.

Расширение файла - это часть имени файла, которое отделяется от основного имени точкой. Прежде всего, по расширению можно понять какое содержимое находится в файле: музыка, видео, изображение, база данных или архив. Например, в файле "filename.txt" расширение ".txt" указывает на то, что это текстовый документ, который можно открыть, например, в блокноте.

Архивы:

RAR – файл или группа файлов, сжатых с использованием RAR-сжатия (имеет более высокий коэффициент сжатия, чем ZIP). "RAR" происходит от "Roshal ARchive" (имя разработчика - Евгений Рошаль, программа WinRar).

ZIP – файл сжатый, с использование ZIP-сжатия, поддерживается большинством программ-архиваторов. Windows пользователи могут создавать ZIP-файлы, используя, к примеру, программу WinZip.

Видео:

AVI – формат видео-файла содержащий данные, которые могут быть закодированы в различных кодеках. Использует меньшее сжатие, чем аналогичные форматы. AVI-файлы могут быть проиграны различными плеерами, но плеер должен поддерживать кодек используемый для кодирования данного видео. (Прим. автора: слово кодек – происходит от слов КОдировать и ДЕКодировать).

MPEG1-2(MPG) –формат хранения видео и звука с компрессией и потерей данных.

MPEG4(MP4) – фильм или видео клип, сжатый в MPEG-4 стандарт, обычно используется для обмена и передачи видео-файлов в Интернете. В этом формате используется раздельное сжатие для аудио и видео дорожек.

SWF - ShockWare Flash. Файлы SWF создаются с помощью программного продукта Macromedia Flash. SWF называют также форматом Flash Player. Формат предназначен для хранения векторной графики и анимационных клипов, которые могут содержать звук. Для его просмотра используется проигрыватель Flash Player, а также современные Web-браузеры. Редактировать SWF-файлы нельзя.

Графика:

BMP – растровый графический формат. Стандартный формат графических файлов для Windows. Практически все программы редактирования изображения Windows могут создавать и читать файлы BMP. Можно установить цвет изображения, от чёрно-белого до полноцветного. Изображение в этом формате не подвергается сжатию. Примерно 16.7 миллионов цветов.

GIF – Graphics Interchange Format (формат обмена графическими данными). Стандарт фирмы CompuServe, для определения растровых цветных изображений. Созданные для сетевого распространения, файлы данного формата очень малы. Формат записывает чёрно-белое изображение, используя 256 оттенков серого, и цветное изображение, используя 256 или менее цветов. Изображение также можно использовать в анимации.

JPEG(JPG) – чаще всего используется для растровых изображений (фотографий, рисунков т.д.). Высокая степень сжатия в формат JPEG значительно уменьшает размер файла изображения, но при этом происходит потеря качества изображения. На сегодняшний день JPEG является лучшим форматом для фотографий и изображений с большим числом цветов. Удобен для использования в Интернете или пересылке по электронной почте. Примерно 16.7 миллионов цветов.

PSD – Photo Shop Data. Формат файлов программы обработки фотоизображений Photoshop. Примерно 280 триллионов цветов.

TIFF(TIF) – Tagged Image File Format (тегированный формат файлов изображений), растровый графический формат. Этот формат ассоциируется с изображением высокого качества и считается стандартным форматом обмена данных между ПК. Формат TIFF позволяет сжимать изображение без потери данных. Широко используется пользователями цифровых камер. Примерно16.7 миллионов цветов .

Документы, текст:

DOC – документ, созданный в Microsoft Word. Может содержать отформатированный текст, картинки, таблицы, графики, диаграммы, форматирования страниц и параметры печати.

PDF – Portable Document Format. Документ программы Adobe Acrobat. Используется для представления документов в фиксированной форме и формате, независимо от устройств, на котором они будут открыты и от разрешения. Т.е. каким документ создан, таким он и будет всегда виден.

RTF - Rich Text Format. Формат хранения размеченных текстовых документов, предложенный Microsoft. RTF-документы поддерживаются большинством современных текстовых редакторов. Большинство текстовых редакторов реализуют импорт/экспорт в формат RTF, благодаря чему этот формат часто используется для передачи текста из одной программы в другую. Редактор WordPad, встроенный в Windows по умолчанию сохраняет документы в формате RTF.

TXT – стандартный текстовый документ, который содержит неформатированный текст и открывается любой программой обработки текстов (обычно "Блокнотом")

Звук:

MIDI – Musical Instrument Digital Interface. Это скорее программа для управления встроенными синтезаторами, чем звуковой файл. MIDI позволяет создавать схожие звуки на различных устройствах, а также обмениваться данными между устройствами.

MP3 – для объяснения параметров сжатия, которые в применяют в MP3, этот формат сравнивают с JPG для изображений. Коэффициент сжатия в 10-12 раз, соответственно с потерей качества звука. Качество звука МР3 формата вызывает много споров, но для "не специалистов" вполне приемлемо. Сжатие обеспечивается за счёт исключения частот не воспринимаемых ухом человека.

WAV – файл фирмы Microsoft. Он используется в Windows. Не сжатый формат. Этот формат точно передаёт звук, но занимает много места на диске. По причине своего большого объема он не удобен для передачи через Интернет.

WMA - Windows Media Audio. Формат файла, разработанный компанией Microsoft для хранения и трансляции аудиоинформации. Характеризуется хорошей способностью сжатия.

Другие:

EXE – приложение (программа) DOS или Windows, иногда самораспаковывающийся архив. Исполняемый файл, который запускается при одинарном или двойном (в зависимости от настроек Windows) клике мышью.

HTM, HTML - текст написанный на Hyper Text Markup Language. Используется для создания Интернет страниц.

11. Кодирование символьной информации (ASCII,UNICODE).

В компьютере информация представляется в двоичном виде, и, вообще говоря, кодирование информации в ЭВМ - одна из задач теории кодирования.

Теория кодирования - один из разделов теоретической информатики. Одна из задач - разработка принципов наиболее экономичного кодирования. Эта задача касается передачи, обработки, хранения информации. Частное ее решение – представление информации в компьютере.

Опред: источник представляет сообщение в алфавите, который называется первичным, далее это сообщение попадает в устройство, преобразующее и представляющее его во вторичном алфавите.

Код – правило, описывающее соответствие знаков (или их сочетаний) первичного алфавита знаком (их сочетаниями) вторичного алфавита.

Кодирование – перевод информации, представленной сообщением в первичном алфавите, в последовательность кодов.

Декодирование – операция обратная кодированию.

Кодер – устройство, обеспечивающее выполнение операции кодирования.

Декодер – устройство, производящее декодирование.

Операции кодирования и декодирования называются обратимыми, если их последовательное применение обеспечит возврат к исходной информации без каких-либо ее потерь.

Пример обратимого: слова ↔ телеграфный код.

необратимого: английский ↔ русский – здесь неоднозначно.

Далее будем иметь ввиду только обратимое кодирование.

Математическая постановка условия обратимого кодирования.

Пусть первичный алфавит А состоит из N знаков со средней информацией на знак IА , вторичный В – из М знаков со средней информацией на знак I В .

Пусть сообщение в первичном алфавите содержит n знаков, а закодированное – m знаков. Если исходное сообщение содержит IS (A) информации, а закодированное If (B), то условие обратимости кодирования (то есть неисчезновения информации при кодировании) очевидно может быть записано так:

IS (A) ≤ If (B) - то есть операция обратимого кодирования может увеличить

количество информации в сообщении, но не может уменьшить ее.

n* I (A) ≤ m* I (B) (заменили произведением числа знаков на среднее

информационное содержание знака).

Отношение m/n –характеризует среднее число знаков вторичного алфавита, который используется для кодирования одного знака первичного. Обозначим его К (А, В)

К (А, В)≥ I (A) / I (B) Обычно К (А, В) >1 => знак первичного алфавита кодируется несколькими вторичными =>? – проблема выбора наилучшего варианта – оптимального кода.

Оптимальность- это экономический фактор (меньше энергии, времени, объема носителя - уже в зависимости от задачи и поставленных ограничений).

Минимально возможная длина кода: Кmin (А, В)= I (A) / I (B) –это нижний предел длины кода. Но реально в схемах кодирования как близко возможное приближение К (А, В) к Кmin (А, В).

Первая теорема Шеннона.

При отсутствии помех Всегда возможен такой вариант кодирования сообщения, при котором среднее число знаков кода, приходящихся на один знак первичного алфавита, будет сколь угодно близко к отношению средних информаций на знак первичного и вторичного алфавитов.

Таким образом, оптимальное кодирование принципиально возможно.

Наиболее важна для практики ситуация, когда М=2, то есть информацию кодируют лишь двумя сигналами 0 и 1.

Почему 0 и 1?

Компьютер - универсальное устройство, всю информацию в нем представляют в виде двоичного набора изображающих знаков 0 и 1. Выбор такой формы определяется реализацией аппаратуры ЭВМ (электронными схемами), составляющими схематику компьютера, в основе которого лежит использование двоичного элемента хранения данных – триггера. Он имеет два устойчивых состояния (~ вкл., выкл.), условно обозначаемых как 0 и 1 и способен хранить минимальную порцию информации, называемую бит (binary digital).

Шенноном была рассмотрена ситуация, когда при кодировании сообщения в первичном алфавите учитывается различная вероятность появления знаков, а также равная вероятность появления знаков вторичного алфавита. Тогда:

Кmin (А, В)= I (A) / log2 M= I (A) , здесь I (A) - средняя информация на знак первичного алфавита.

Первая теорема Шеннона (переформулировка).

При отсутствии помех средняя длина двоичного кода может быть сколь угодно близкой к средней информации, приходящейся на знак первичного алфавита.

Какие же могут быть особенности вторичного алфавита при кодировании:

·Элементарные коды 0 и 1 могут иметь одинаковые длительности (t0=t1) или разные (≠).

· Длина кода может быть одинаковой для всех знаков первичного алфавита (код равномерный) или различной (неравномерный код)

·Коды могут строиться для отдельного знака первичного алфавита (алфавитное кодирование) или для их комбинаций (кодирование блоков, слов).

Комбинации этих особенностей – основа конкретного способа кодирования. Их много. Мы рассмотрим

Равномерное алфавитное кодирование.

Пример его использования – представление символьной информации в компьютере.

Определим, какой должна быть длинна кода:

· Компьютерный алфавит С включает 52 буквы латинского алфавита

·66 букв русского (прописные и строчные)

· Цифры 0…9 – 10 штук

· Знаки математических операций, препинания, спецсимволы – 20 штук

Итого-148 символов.

К (С, 2) ≥ log2 148 ≥ 7,21, но длина кода – целое число, следовательно, К (С,2) =8. Именно такой способ кодирования принят в компьютерных системах. Называют 8 бит=1 байт, а кодирование байтовым

Один байт соответствует количеству информации в одном знаке алфавита при их равновероятном распределении. Это объемный (знакомый уже) способ измерения информации.

Итак. Символы (characters) в компьютере хранятся в виде числового кода, причем каждому символу ставиться в соответствии своя уникальная комбинация двоичных разрядов. В этом случае текст будет представлен как длинный ряд битов, в котором следующее друг за другом комбинации битов отражают последовательность символов в исходном тексте. Присвоение символу конкретного двоичного кода _ это вопрос соглашения, которое фиксируется в кодовой таблице – их существует несколько.

Таблица, в которой устанавливается однозначное соответствие между символами и их порядковыми номерами, называется таблицей кодировки.

Для разных типов ЭВМ используют различные таблицы кодировки. С распространением ПК типа IBM PC международным стандартом стала таблица кодировки под названием ASC II.

Американский национальный институт стандартов (American National Standards Institute, ANSI) принял американский стандартный код для обмена информации (American Standard Cod for Information Interchange – ASCII), который приобрел очень большую популярность. В этом коде комбинации двоичных разрядов длинной 7 бит используют для преставления строчных и прописных букв английского алфавита, цифр от 0 до 9, а также кодов управления передачей информации (перевод строки, возврат каретки, табуляция и т.д.). Определим мощность алфавита, зная, что каждый символ несет 7 бит информации: N=27=128, т.е. 7-ю битами можно закодировать 128 различных символов. Управляющие символы получили коды 0..31, 127. Символы, видимые на экране дисплея или на бумаге при печати, получили коды 32..126.

В наше время код ASCII часто употребляется в расширенном восьмиразрядном формате, который получается добавлением нуля в старший (7-ой) разряд байта. Но байт дает нам возможность закодировать 256 различных символов (N=28=256)! Следовательно, при использовании 7-битовой кодировки остается незадействованной половина кодовой таблицы. Поэтому коды 128..255, получаемые добавлением 1 в старший разряд, были выделены для представления символов, неподдерживаемых исходной версией кода ASCII – так называемых национальных символов и алфавитов, а также для символов псевдографики.

Но 01000001 представляет также букву А. Таким образом одна и та же комбинация из восьми битов может представлять как число, так и букву, а данном случае комбинаций 01000001 это 65, а с другой стороны – буква А. Все зависит от интерпретации битового содержания.

Если программа определяет элемент данных для арифметических целей, то 01000001 представляет двоичное число, эквивалентное десятичному числу 65.

Если программа определяет элемент данных (один смежный байт или более), имея в виду его описание, как, например, заголовок, тогда 01000001 представляет собой букву или "строку".

При программировании это различие становится понятным, так как назначение каждого элемента данных определено.

12. Кодирование графической, звуковой информации.

Двоичное кодирование графической информации

С 80-х годов интенсивно развивается технология обработки на компьютере графической информации.

Компьютерная графика позволяет создавать и редактировать рисунки, схемы, чертежи, преобразовывать изображения (фотографии, слайды и т.д.), представлять статистические данные в форме деловой графики, создавать анимационные модели (научные, игровые и т.д.), обрабатывать «живое видео».

Графическая информация на экране монитора представляется в виде (изображения, которое формируется из точек (пикселей). В простейшем случае (черно-белое изображение без градаций серого цвета) каждая точка экрана может иметь лишь два состояния — «черная» или «белая», т.е. для хранения ее состояния необходим 1 бит.

Цветные изображения могут иметь различную глубину цвета (бит на точку: 4. 8, 16, 24). Каждый цвет можно рассматривать как возможное состояние точки, и тогда по формуле N = 21 может быть вычислено количество цветов, отображаемых на экране монитора.

Изображение может иметь различный размер, который определяется количеством точек по горизонтали и по вертикали. В современных персональных компьютерах обычно используются четыре основных размера изображения или разрешающих способностей экрана: 640*480, 800*600, 1024*768 и 1280*1024 точки.

Графический режим вывода изображения на экран определяется разрешающей способностью экрана и глубиной цвета. Полная информация о всех точках изображения, хранящаяся в видеопамяти, называется битовой картой изображения.

Для того чтобы на экране монитора формировалось изображение, информация о каждой его точке (цвет точки) должна храниться в видеопамяти компьютера. Рассчитаем необходимый объем видеопамяти для наиболее распространенного в настоящее время графического режима (800*600 точек, 16 бит на точку).

Всего точек на экране: 800 * 600 = 480000

Необходимый объем видеопамяти: 16 бит * 480000 = 7680000 бит = 960000 байт = 937,5 Кбайт.

Аналогично рассчитывается необходимый объем видеопамяти для других графических режимов.

Таблица . Объем видеопамяти для различных графических режимов

Современные компьютеры обладают такими техническими характеристиками, которые позволяют обрабатывать и выводить на экран, так называемое «живое видео», т.е. видеоизображение естественных объектов. Видеоизображение формируется из отдельных кадров, которые сменяют друг друга с высокой частотой (не воспринимаемой глазом). Обычно частота кадров составляет 25 Гц, т.е. за 1 секунду сменяется 25 кадров.

 Двоичное кодирование звуковой информации

С начала 90-х годов персональные компьютеры получили возможность работать со звуковой информацией. Каждый компьютер, имеющий звуковую плату, микрофон и колонки, может записывать, сохранять и воспроизводить звуковую информацию. С помощью специальных программных средств (редакторов аудиофайлов) открываются широкие возможности по созданию, редактированию и прослушиванию звуковых файлов. Создаются программы распознавания речи и появляется возможность управления компьютером при помощи голоса.

Звуковой сигнал - это непрерывная волна с изменяющейся амплитудой и частотой. Чем больше амплитуда сигнала, тем он громче для человека, чем больше частота сигнала, тем выше тон. Для того чтобы компьютер мог обрабатывать непрерывный звуковой сигнал, он должен быть дистретизирован, т.е. превращен в последовательность электрических импульсов (двоичных нулей и единиц).

При двоичном кодировании непрерывного звукового  сигнала он заменяется серией его отдельных выборок — отсчетов.

Современные звуковые карты могут обеспечить кодирование 65536 различных уровней сигнала или состояний. Для определения количества бит, необходимых для кодирования, решим показательное уравнение:

Таким образом, современные звуковые карты обеспечивают 16-битное кодирование звука. При каждой выборке значению амплитуды звукового сигнала присваивается 16-битный код.

Количество выборок в секунду может быть в диапазоне от 8000 до 48000, т.е. частота дискретизации аналогового звукового сигнала может принимать значения от 8 до 48 Кгц. При частоте 8 Кгц качество дискретизированного звукового сигнала соответствует качеству радиотрансляции, а при частоте 48 Кгц - качеству звучания аудио-CD. Следует также учитывать, что возможны как моно-, так и стерео-режимы.

Можно оценить информационный объем моном аудио файла длительностью звучания 1 секунду при среднем качестве звука (16 бит, 24 Кгц). Для этого количество бит на одну выборку необходимо умножить на количество выборок в 1 секунду:

16 бит * 24000 = 384000 бит = 48000 байт или 47 Кбайт

13. Сжатие информации. Кодирование видеоинформации

Кодирование видеоинформации

Чтобы хранить и обрабатывать видео на компьютере, необходимо закодировать его особым образом. При этом кодирование звукового сопровождения ничем не отличается от кодирования звука, описанного в предыдущей теме. Изображение в видео состоит из отдельных кадров, которые меняются с определенной частотой. Кадр кодируется как обычное растровое изображение, то есть разбивается на множество пикселей. Закодировав отдельные кадры и собрав их вместе, мы сможем описать все видео.

Видеоданные характеризуются частотой кадров и экранным разрешением. Скорость воспроизведения видеосигнала составляет 30 или 25 кадров в секунду, в зависимости от телевизионного стандарта. Наиболее известными из таких стандартов являются: SECAM, принятый в России и Франции, PAL, используемый в Европе, и NTSC, распространенный в Северной Америке и Японии. Разрешение для стандарта NTSC составляет 768 на 484 точек, а для PAL и SECAM – 768 на 576 точек. Не все пиксели используются для хранения видеоинформации. Так, при стандартном разрешении 768 на 576 пикселей, на экране телевизора отображается всего 704 на 540 пикселей. Поэтому для хранения видеоинформации в компьютере или цифровой видеокамере, размер кадра может отличаться от телевизионного. Например, в формате Digital Video или, как его еще называют DV, размер кадра составляет 720 на 576 пикселей. Такое же разрешение имеет кадр стандарта DVD Video. Размер кадра формата Video-CD составляет 352 на 288 пикселей.

В основе кодирования цветного видео лежит известная модель RGB. В телевидении же используется другая модель представления цвета изображения, а именно модель YUV. В такой модели цвет кодируется с помощью яркости Y и двух цветоразностных компонент U и V, определяющих цветность. Цветоразностная компонента образуется путем вычитания из яркостной компоненты красного и зеленого цвета. Обычно используется один байт для каждой компоненты цвета, то есть всего для обозначения цвета используется три байта информации. При этом яркость и сигналы цветности имеют равное число независимых значений. Такая модель имеет обозначение 4:4:4.

Опытным путем установлено, что человеческий глаз менее чувствителен к цветовым изменениям, чем к яркостным. Без видимой потери качества изображения можно уменьшить количество цветовых оттенков в два раза. Такая модель обозначается как 4:2:2 и принята в телевидении. Для бытового видео допускается еще большее уменьшении размерности цветовых составляющих, до 4:2:0.

Если представить каждый кадр изображения как отдельный рисунок указанного выше размера, то видеоизображение будет занимать очень большой объем, например, одна секунда записи в системе PAL будет занимать 25 Мбайт, а одна минута – уже 1,5 Гбайт. Поэтому на практике используются различные алгоритмы сжатия для уменьшения скорости и объема потока видеоинформации.

Если использовать сжатие без потерь, то самые эффективные алгоритмы позволяют уменьшить поток информации не более чем в два раза. Для более существенного снижения объемов видеоинформации используют сжатие с потерями.

Среди алгоритмов с потерями одним из наиболее известных является MotionJPEG или MJPEG. Приставка Motion говорит, что алгоритм JPEG используется для сжатия не одного, а нескольких кадров. При кодировании видео принято, что качеству VHS соответствует кодирование MJPEG с потоком около 2 Мбит/с, S-VHS – 4 Мбит/с.

Свое развитие алгоритм MJPEG получил в алгоритме DV, который обеспечивает лучшее качество при таком же потоке данных. Это объясняется тем, что алгоритм DV использует более гибкую схему компрессии, основанную на адаптивном подборе коэффициента сжатия для различных кадров видео и различных частей одного кадра. Для малоинформативных частей кадра, например, краев изображения, сжатие увеличивается, а для блоков с большим количеством мелких деталей уменьшается.

Еще одним методом сжатия видеосигнала является MPEG. Поскольку видеосигнал транслируется в реальном времени, то нет возможности обработать все кадры одновременно. В алгоритме MPEG запоминается несколько кадров. Основной принцип состоит в предположении того, что соседние кадры мало отличаются друг от друга. Поэтому можно сохранить один кадр, который называют исходным, а затем сохраняются только изменения от исходного кадра, называемые предсказуемыми кадрами. Считается, что за 10-15 кадров картинка изменится настолько, что необходим новый исходный кадр. В результате при использовании MPEG можно добиться уменьшения объема информации более чем в двести раз, хотя это и приводит к некоторой потере качества. В настоящее время используются алгоритм сжатия MPEG-1, разработанный для хранения видео на компакт-дисках с качеством VHS, MPEG-2, используемый в цифровом, спутниковом телевидении и DVD, а также алгоритм MPEG-4, разработанный для передачи информации по компьютерным сетям и широко используемый в цифровых видеокамерах и для домашнего хранения видеофильмов.

14. Стандарт МРЕG.

Стандарты MPEG

В 1988г. Совместным Техническим Комитетом по Информационной Технологии (JTCI), объединяющим исследования Международной Организации Стандартизации (ISO) и Международной Электротехнической Комиссии (IEC), была организована специальная группа — Motion Pictures Expert Group (MPEG). Задача этой группы состояла в том, чтобы разработать методы сжатия и восстановления цифрового видеосигнала в рамках стандарта, позволяющего объединить потоки видео-, аудио- и иной цифровой информации. Результатом многолетних исследований в области цифрового кодирования сигналов изображения и звукового сопровождения явилось создание международных стандартов для сжатия телевизионного сигнала: MPEG-1, MPEG-2 и MPEG-4. В настоящее время они наиболее перспективны и реализованы на практике. Все стандарты MPEG базируются на стандарте CCIR-601 (базовый стандарт цифрового видео).

Стандарты были разработаны для удовлетворения потребностей в методах кодирования движущихся изображений и звука, а также других сопутствующих данных для различных приложений, таких как хранение цифровой информации, телевещание и связь. Использование этих стандартов для кодирования видеоинформации означает, что движущиеся изображения можно обрабатывать как компьютерные данные и хранить их в различных устройствах, передавать и получать по существующим и будущим сетям и каналам вещания.

При создании стандартов были учтены требования различных типовых приложений, развиты и собраны в единый синтаксис необходимые алгоритмические элементы. Таким образом, эти стандарты призваны облегчить обмен битовыми потоками между различными приложениями. Они поддерживают постоянную и переменную скорости передачи, произвольный доступ, переключение каналов, масштабируемое декодирование, редактирование битового потока, а также такие специальные функции, как быстрое воспроизведение, быстрое обратное воспроизведение, обратное воспроизведение с нормальной скоростью, медленное движение, пауза и неподвижные изображения.

Стандарт MPEG-1 (1992г.) предназначен для записи видеоданных на компакт диски (CD-ROM) и передачи ТВ изображений по сравнительно низкоскоростным каналам связи (скорость цифрового потока до 1 — 3 Мбит/с). В нем используется стандарт развертки с четкостью в 4 раза меньшей, чем в вещательном телевидении: 288 активных строк в ТВ кадре и 352 отсчета в активной части ТВ строки. Работы над стандартом MPEG-2 начались в 1990г. Разработанный специально для кодирования ТВ сигналов вещательного телевидения, он позволяет получить высокую четкость ТВ изображения, соответствующую Рекомендации 601МККР: 576 активных строк в кадре и 720 отсчетов в активной части строки. Стандарт предназначен для каналов связи, обеспечивающих скорость передачи данных 3—10 Мбит/с для обычного телевизионного стандарта и 15 — 30 Мбит/с для телевидения высокой четкости (ТВЧ).

Проект стандарта MPEG-2 вышел в начале 1994г., а в 1995г. были выпущены последние документы.

Стандарт MPEG-4 начали разрабатывать еще в первой половине 90-х годов прошлого века. В декабре 1999 года был представлен релиз этого формата, получивший официальный статус стандарта ISO/IEC. MPEG-4 задумывался как способ передачи потоковых медиа-данных, в первую очередь видео, по каналам с низкой пропускной способностью. Применение более сложных алгоритмов компрессии позволило размещать полнометражные фильмы длительностью полтора-два часа в приемлемом качестве всего на одном компакт-диске. При одном и том же битрейте и определённых условиях кодирования, качество изображения фильма в MPEG-4 может быть лучше MPEG-2. Однако применение новых алгоритмов сжатия повлекло за собой и существенное увеличение требований к вычислительным ресурсам.

Общие положения

Стандарт MPEG-2 состоит из трех основных частей: системной, видео и звуковой.

Системная часть описывает форматы кодирования для мультиплексирования звуковой, видео и другой информации. Она рассматривает вопросы комбинирования одного или более потоков данных в один или множество потоков, пригодных для хранения или передачи.

Системное кодирование в соответствии с синтаксическими и семантическими правилами, обеспечивает необходимую информацию, чтобы синхронизировать декодирование без переполнения или «недополнения» буферов декодера при различных условиях приема или восстановления потоков.

Системный уровень выполняет пять основных функций:

Синхронизация нескольких сжатых потоков при воспроизведении.

Объединение нескольких сжатых потоков в единый поток.

Инициализация для начала воспроизведения.

Обслуживание буфера.

Определение временной шкалы.

Видеочасть стандарта описывает кодированный битовый поток для высококачественного цифрового видео. MPEG-2 поддерживает черезстрочный видеоформат и содержит средства для поддержки ТВЧ.

Звуковая часть стандарта MPEG-2 определяет кодирование многоканального звука. MPEG-2 поддерживает до пяти полных широкополосных каналов плюс дополнительный низкочастотный канал и (или) до семи многоязычных комментаторских каналов. Он также расширяет возможности кодирования моно и стерео звуковых сигналов за счет использования половинных частот дискретизации (16; 22,05 и 24 кГц) для улучшения качества при скоростях передачи 64 Кбит/с и ниже.

Применение стандарта MPEG-2 в вещательном телевидении позволяет значительно снизить скорость передачи видео- и звуковых данных и за счет этого транслировать несколько цифровых программ в стандартной полосе частот радиоканалов эфирного, кабельного и спутникового телевизионного вещания. Например, большие преимущества MPEG-2 дает в системах спутникового телевизионного вещания. Сжатие позволяет передать по одному стандартному каналу от одного до пяти цифровых каналов при профессиональном уровне качества видеосигнала. Важно и то, что цифровые каналы по сравнению с аналоговыми предоставляют более широкие возможности для передачи дополнительной информации.

Пропускная способность стандартного спутникового канала при полосе 32 МГц составляет 55 Мбит/с. Для вещания с профессиональным качеством необходима скорость цифрового потока 5 - 8 Мбит/с. Таким образом, один стандартный спутниковый канал позволяет транслировать 4-5 телевизионных программ. Возможно использование цифровых каналов с более высокими коэффициентами сжатия. При этом в одном стандартном канале передается до десяти видеопрограмм. Однако в этих случаях заметна потеря качества изображения.

В общем случае переход к цифровому многопрограммному ТВ вещанию предполагает постепенный вывод из эксплуатации аналоговых систем вещания: SECAM, PAL, NTSC, освобождение за счет этого существующих радиоканалов и линий связи, а также их перепрофилирование для цифрового ТВ вещания. При этом система многопрограммного ТВ вещания должны быть встроена в существующий частотный план распределения ТВ каналов, который предусматривает полосу пропускания 8 МГц для эфирного и кабельного ТВ вещания, 27 МГц — для спутниковых систем непосредственного ТВ вещания и 33, 36, 40, 46, 54, 72 МГц — для фиксированных служб спутниковой связи. Необходимо также учитывать сложившуюся взаимосвязь между спутниковыми и наземными системами телевещания, предполагающую использование кабельных ТВ каналов и эфирных сетей вещания для доведения спутниковых программ до телезрителей.

При цифровом вещании взаимный обмен телепрограммами между наземными и спутниковыми вещательными службами существенно упрощается, если число цифровых ТВ программ в каждом (стандартном по полосе пропускания) спутниковом, кабельном и эфирном радиоканале будет одинаковым. Это требование было учтено при разработке международных стандартов на методы модуляции и канального кодирования в цифровых спутниковых и наземных каналах связи — DVB-S, DVB-C и DVB-T (Digital Video Broadcasting — Satellite, Cable, Terrestrial) — путем применения для более узкополосных радиоканалов более сложных и эффективных по плотности передачи информации методов модуляции.

При организации многопрограммного цифрового ТВ вещания весьма важно правильно выбрать скорость передачи, поскольку от этого непосредственно зависит качество изображения и звукового сопровождения.

Согласно экспертным оценкам, для получения изображения студийного качества, соответствующего рекомендации 601МККР, необходимо передавать видеоданные со скоростью около 9 Мбит/с. При этом декодированный видеосигнал будет пригоден для последующей цифровой обработки. Для получения качественного изображения на экране бытового телевизора, скорость передачи видеосигнала должна быть около 6 Мбит/с. В этом случае декодированный видеосигнал будет малопригоден для последующей обработки и повторного кодирования с информационным сжатием.

В настоящее время общепринятым стандартом воспроизведения звука служат аудио компакт-диски. Поэтому в стандарте MPEG-2 предполагается, что в системах цифрового ТВ вещания качество звукового стереофонического сопровождения субъективно не должно отличаться от звука с компакт-диска. Это условие выполняется для принятой в стандарте MPEG-2 системы информационного сжатия звуковых данных MUSICAM при скорости передачи по 128 Кбит/с на каждый моноканал звукового сопровождения. Таким образом, для самого низкого уровня — двухканального стереофонического звукового сопровождения — потребуется скорость передачи цифровых данных, равная 128 Кбит/с х 2 = 256 Кбит/с.

Цифровой поток для передачи дополнительной информации (ДИ) выбирается в зависимости от ее предполагаемого объема. Скорость передачи обычно выбирается кратной скорости цифрового потока телефонного канала — 64Кбит/с. Чтобы унифицировать каналы цифровой передачи данных звукового сопровождения, была выбрана скорость передачи (ДИ) – 128 Кбит/с.

15. Логические элементы И, ИЛИ, НЕ.

16-18. Логическиие вентили

19. Триггеры. Общие положения.

У этого термина существуют и другие значения, см. Триггер (значения).

Триггер (бистабильный мультивибратор[4])— это цифровой автомат, имеющий несколько входов и 2 выхода.

Триггер— это устройство последовательного типа с двумя устойчивыми состояниями равновесия, предназначенное для записи и хранения информации. Под действием входных сигналов триггер может переключаться из одного устойчивого состояния в другое. При этом напряжение на его выходе скачкообразно изменяется.

Триггерами называют[5] такие логические устройства, выходные сигналы которых определяются не только сигналами на входах, но и предысторией их работы, то есть состоянием элементов памяти.

Триггер— один из базовых (основных) элементов цифровой техники[6]. Некоторые исследователи[7] включают триггер в 100 великих изобретений.

Триггер не является логическим элементом первого уровня, а сам состоит из логических элементов первого уровня— инверторов или логических вентилей. По отношению к логическим элементам первого уровня триггер является логическим устройством второго уровня.

Триггер— элементарная ячейка оперативной памяти.

Триггер— простейшее устройство, выполняющее логическую функцию с обратной связью, то есть простейшее устройство кибернетики.

N-ичный триггер — устройство (элементарная переключаемая ячейка памяти, переключатель с N устойчивыми положениями), которое имеет N устойчивых состояний и возможность п

RS-триггеры иногда называют RS-фиксаторами[12].

• 

  Условное графическое обозначение асинхронного RS-триггера

• 

  Логическая схема асинхронного RS-триггера на элементах 2И–НЕ

• 

  Граф переходов асинхронного RS-триггера

• 

  Карта Карно асинхронного RS-триггера

• 

  Асинхронный RS-триггер на логических элементах 2ИЛИ-НЕ

• 

  Схема устранения дребезга контактов

20. RS-триггер на элементах И-НЕ.

RS-триггер на элементах  И-НЕ.

     Для элемента И—НЕактивным сигналом является логический 0: наличие его хотя бы на одном входе обусловливает на выходе логическую 1 независи­мо от сигналов на других входах. Логическая  1 для такого элемента является пассивным сигналом: с ее поступлением на вход состояние выхода элемента не изменяется.            
                                    
     В силу сказанного триггер на элементах И—НЕ (рис.3,а) переключается логическим 0. На условном изображении такого триггера (рис.3,б) это отражают инверсными входами.

Рис.3.
         Нетрудно понять, что для данного триггера комбинация вход­ных сигналов  S=0, R=0 является запрещенной, а комбинация S= I, R= 1 не меняет его предыдущего состояния.
         С учетом изложенного просто рассмотреть переключения триггера, что читатель легко сделает самостоятельно.
         Условное обозначение обозначение триггера приведено на (рис.3,б).
         Новое состояние триггера отражается переключательной таблицей 2.

Таблица 2.
         На (рис.4) приведена временная диаграмма, на которой время переключения триггера принято равным нулю.

21 .RS-триггер на элементах ИЛИ-НЕ.

RS-триггер на элементах ИЛИ-НЕ

     Прежде всего рас­смотрим воздействие на такой триггер (рис.1,а) комбинаций сигналов
S=1, R=1 и S=0, R=0, Сочетание S=l, R=l является запрещенным, так как при нем на обоих выходах триггера устанавливаются логические 0, и по­сле снятия входных сигналов состояние его непредсказуемо.

Рис.1

Для элемента ИЛИ-НЕ логический 0 является пассивным сигналом: с поступлением его на вход состояние выхода элемента не изменяется. Поэтому появление комбинации  S=0, R=0не изменяет состояния триггера.
         Логическая  1 для элемента ИЛИ-НЕ является активным сиг­налом; наличие ее на входе однозна­чно определяет на выходе логичес­кий 0 вне зависимости от сигнала на другом входе. Отсюда следует, что переключающим сигналом для рас­сматриваемого триггера  является  логическая 1. Для переключения триггера в состояние Q=1 на его входы следует подать комбинацию  S=1,  R=0, а для переключения в состояние Q=0 - комбинацию S=0,R=1.      '                                                                                                                               
          Время переключения триггера (tпер) равно удвоенному времени             переключения логического эле­мента (удвоенному времени задержки 2tз). Часто, предусматри­вая запас, принимают tпер=3tз.Для надежного переключения триггера длительность входного переключающего сигнала не должна быть меньше tпер.                                                                                                        
         Условное обозначение асинхронного RS-триггера со статическими входами приведено на (рис.1б).
        

Новое состояние триггера отражается переключательной таблицей 1.

Таблица 1.

Рис.2.

         На (рис.2) приведена временная диаграмма, на которой время переключения триггера принято равным нулю.

Рис.4.

JK-триггер

JK-триггер с дополнительными асинхронными инверсными входами S и R

J	K	Q(t)	Q(t+1)
0	0	0	0
0	0	1	1
0	1	0	0
0	1	1	0
1	0	0	1
1	0	1	1
1	1	0	1
1	1	1	0

JK-триггер[18][19] работает так же как RS-триггер, с одним лишь исключением: при подаче логической единицы на оба входа J и K состояние выхода триггера изменяется на противоположное. Вход J (от англ. Jump — прыжок) аналогичен входу S у RS-триггера. Вход K (от англ. Kill — убить) аналогичен входу R у RS-триггера. При подаче единицы на вход J и нуля на вход K выходное состояние триггера становится равным логической единице. А при подаче единицы на вход K и нуля на вход J выходное состояние триггера становится равным логическому нулю. JK-триггер в отличие от RS-триггера не имеет запрещённых состояний на основных входах, однако это никак не помогает при нарушении правил разработки логических схем. На практике применяются только синхронные JK-триггеры, то есть состояния основных входов J и K учитываются только в момент тактирования, например по положительному фронту импульса на входе синхронизации.

На базе JK-триггера возможно построить D-триггер или Т-триггер. Как можно видеть в таблице истинности JK-триггера, он переходит в инверсное состояние каждый раз при одновременной подаче на входы J и K логической 1. Это свойство позволяет создать на базе JK-триггера Т-триггер, объединив входы J и К[20].

Алгоритм функционирования JK-триггера можно представить формулой

• 

  Условное графическое обозначение JK-триггера со статическим входом С

• 

  Граф переходов JK-триггера

• 

  Карта Карно JK-триггера

23. Д,Т-триггер.

D-триггеры также называют триггерами задержки(от англ. Delay).

D-триггер синхронный

Пример условного графического обозначения (УГО) D-триггера с динамическим синхронным входом С и с дополнительными асинхронными инверсными входами S и R

D	Q(t)	Q(t+1)
0	0	0
0	1	0
1	0	1
1	1	1

D-триггер (D от англ. delay — задержка)[13][14][15] — запоминает состояние входа и выдаёт его на выход. D-триггеры имеют, как минимум, два входа: информационный D и синхронизации С. После прихода активного фронта импульса синхронизации на вход С D-триггер открывается. Сохранение информации в D-триггерах происходит после спада импульса синхронизации С. Так как информация на выходе остаётся неизменной до прихода очередного импульса синхронизации, D-триггер называют также триггером с запоминанием информации или триггером-защёлкой. Рассуждая чисто теоретически, парафазный (двухфазный) D-триггер можно образовать из любых RS- или JK-триггеров, если на их входы одновременно подавать взаимно инверсные сигналы.

D-триггер в основном используется для реализации защёлки. Так, например, для снятия 32 бит информации с параллельной шины, берут 32 D-триггера и объединяют их входы синхронизации для управления записью информации в защёлку, а 32 D входа подсоединяют к шине.

В одноступенчатых D-триггерах во время прозрачности все изменения информации на входе D передаются на выход Q. Там, где это нежелательно, нужно применять двухступенчатые (двухтактные, Master-Slave, MS) D-триггеры.

Т-триггер часто называют счётным триггером, так как он является простейшим счётчиком до 2.

[править] Т-триггер асинхронный

Асинхронный Т-триггер не имеет входа синхронизации С.

Работа схемы асинхронного двухступенчатого T-триггера с парафазным входом на двух парафазных D-триггерах на восьми логических вентилях 2И-НЕ. Слева — входы, справа — выходы. Синий цвет соответствует 0, красный — 1

T-триггер синхронный

T	Q(t)	Q(t+1)
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	0

Условное графическое обозначение (УГО) синхронного T-триггера с динамическим входом синхронизации С на схемах.

Синхронный Т-триггер[16][17], при единице на входе Т, по каждому такту на входе С изменяет своё логическое состояние на противоположное, и не изменяет выходное состояние при нуле на входе T. Т-триггер может строиться на JK-триггере, на двухступенчатом (Master-Slave, MS) D-триггере и на двух одноступенчатых D-триггерах и инверторе. Как можно видеть в таблице истинности JK-триггера, он переходит в инверсное состояние каждый раз при одновременной подаче на входы J и K логической 1. Это свойство позволяет создать на базе JK-триггера Т-триггер, объединяя входы J и К. Наличие в двухступенчатом (Master-Slave, MS) D-триггере динамического входа С позволяет получить на его основе T-триггер. При этом инверсный выход Q соединяется со входом D, а на вход С подаются счётные импульсы. В результате триггер при каждом счётном импульсе запоминает значение , то есть будет переключаться в противоположное состояние.

Т-триггер часто применяют для понижения частоты в 2 раза, при этом на Т вход подают единицу, а на С — сигнал с частотой, которая будет поделена на 2.

24. Регистры.

Регистр — последовательное логическое устройство, используемое для хранения n-разрядных двоичных слов (чисел) и выполнения преобразований над ними.

Регистр представляет собой упорядоченную последовательность триггеров, число которых соответствует числу разрядов в слове. С каждым регистром обычно связано комбинационное цифровое устройство, с помощью которого обеспечивается выполнение некоторых операций над словами.

Фактически любое цифровое устройство можно представить в виде совокупности регистров, соединённых друг с другом при помощи комбинационных цифровых устройств.

Основой построения регистров являются D-триггеры, RS-триггеры.

Классификация регистров

Регистры классифицируются по следующим видам:

• накопительные (регистры памяти, хранения)

• сдвигающие

В свою очередь сдвигающие регистры делятся:

• по способу ввода-вывода информации:

• параллельные - запись и считывание информации происходит одновременно на все входы и со всех выходов

• последовательные - запись и считывание информации происходит в первый триггер, а та информация, которая была в этом триггере, перезаписывается в следующий - то же самое происходит и с остальными триггерами

• комбинированные;

• по направлению передачи информации:

  • однонаправленные;

  • реверсивные

• по основанию системы счисления

• двоичные

• троичные

• десятичные

Типы регистров

Регистром называется функциональный узел, осуществляющий приём, хранение и передачу информации. Регистры состоят из группы триггеров, обычно D. По типу приёма и выдачи информации различают 3 типа регистров:

• С последовательным приёмом и выдачей информации — сдвиговые регистры.

• С параллельным приёмом и выдачей информации — параллельные регистры.

• С параллельно-последовательным приёмом и выдачей информации

Сдвиговые регистры представляют собой последовательно соединённую цепочку триггеров. Основной режим работы — сдвиг разрядов кода от одного триггера к другому на каждый импульс тактового сигнала.