Области применения цифровой обработки

4.1. Принцип программного управления процессом вычислений

4.2. Операционные ресурсы ЦВМ

4.3. Аппаратные средства ЦВМ: память, процессор, периферийные устройства

4.4. Иерархия аппаратных средств ЦВМ

1. Краткие исторические сведения. Поколения ЦВМ

Важнейшее мировое явление середины XX столетия, характеризующее качественно новый этап научно-технической ре­волюции, состоит в создании цифровых электронных вычислитель­ных машин (ЭВМ). Сам этот факт и последующий быстрый прогресс нового научно-технического направления — вычислительной тех­ники (ВТ) — обусловлены всем историческим процессом развития по­знания и производительных сил. Эта объективно-историческая обу­словленность выразилась, во-первых, в значительном расширении класса задач вычислительного и логического характера в физике, астрономии, экономике, управлении производством, энергетике, кос­монавтике, авиации и других отраслях науки и техники, во-вторых, в возрастании сложности, громоздкости и точности самих вычислений при решении указанных задач. В то же время появление цифровых ЭВМ оказало сильное влияние на развитие вычислительной матема­тики, поставив основной ее целью исследование математических аспектов применения и производства ЭВМ.

В современной истории науки и техники развитие ВТ принято разделять на несколько периодов. Первый период соответствует времени от зарождения вычислительной техники до 1946 года. При этом подобно тому, как невозможно указать исторически достовер­ные сведения об изобретении колеса или рычага, так же невозмож­но дать конкретную историческую справку о первых технических средствах для механизации счета. По-видимому, древнейшими при­способлениями для цифрового счета являются палочки с зарубка­ми, счетные палочки, абак, счеты в различных их вариантах. В 1642 г. Б. Паскаль сконструировал машину для сложения и вы­читания, использовавшуюся при выполнении расчетов по сбору налогов во Франции. Известный математик Г. В. Лейбниц в 1694 г. усовершенствовал машину Паскаля. Машина Лейбница выполня­ла четыре основные арифметические операции, возведение в степень и извлечения корня. В 1820 г. Т. де Кольмар разработал арифмо­метр, пригодный для практического применения в коммерческих операциях. Широкое распространение получил арифмометр, со­зданный русским инженером В. Т. Однером в 1874 г. Эта конструк­ция оказалась столь удачной, что к настоящему времени разработа­но более 50 типов малых механических и электромеханических вы­числительных машин, работающих по принципу машины Однера. В 60—90-е годы XIX ст. ряд механических вычислителей разрабо­тан академиком П. Л. Чебышевым. В конце XIX ст. появились электромеханические счетно-перфорационные и счетно-аналитические машины, в которых были автоматизированы некоторые элемен­ты процесса вычислений. Электромеханические моделирующие устройства для решения систем алгебраических и дифференциальных уравнений были предложены А. Н. Крыловым и Н. Е. Жу­ковским.

В 1833 г. Ч. Бэббидж пришел к выводу о возможности построе­ния машины, которая могла бы выполнять любые вычисления, за­данные оператором, а не только вычисления одного специального вида, как это имело место во всех ранее предложенных проектах. Эта машина была названа Ч. Бэббиджем «аналитической машиной» и состояла из двух частей — «мельницы» и «склада», которые являют­ся прототипами процессора и памяти в современных цифровых ЭВМ. «Мельница» предназначалась для выполнения арифметиче­ских операций над числами (арифметическое устройство), а «склад» — для хранения чисел (запоминающее устройство). По проекту Бэб­биджа «склад» должен состоять из 50 000 цифровых колес. Для ввода чисел в машину и управления ходом вычислений предполага­лось использовать перфокарты (соединенные в единую ленту), при­менявшиеся в жаккардовых машинах при ткачестве сложных ри­сунков. При жизни Ч. Бэббиджа машина не была построена. К 1910 г. была построена часть «мельницы» и продемонстрирована в действии при вычислении таблицы чисел, кратных , с точностью до 20 десятичных разрядов. Однако далее работы по созда­нию «аналитической машины» были приостановлены, так как проект Бэббиджа значительно опережал в то время технические воз­можности его реализации. Лишь примерно через 100 лет конструкторы вернулись к идеям Бэббиджа.

Успехи радиотехники, телефонной связи и теории релейно-контактных схем, а также опыт эксплуатации электромеханиче­ских вычислительных устройств создали необходимые предпосылки для разработки в 40-х годах XX ст. средств вычислительной техни­ки, в которых в качестве основных структурных элементов ис­пользовались электромагнитные реле. Первая ЭВМ «МАРК-1» с программным управлением на электромагнитных реле была по­строена в 1944 г. Г. Айкеном в США.

Второй период истории вычислительной техники — электрон­ный — начинается в 1946 г. с создания Дж. Маучли (США) цифро­вой ЭВМ «ЭНИАК» (электронный числовой интегратор и вычисли­тель), основным элементом которой стал триггер на электронных лампах, изобретенный в 1922 г. советским ученым М. А. Бонч-Бруевичем.

Первая советская электронная вычислительная машина МЭСМ (малая электронная счетная машина) построена под руководством академика С. А Лебедева в Институте электротехники АН УССР в 1950 г. Созданные вслед за ней машины БЭСМ (С. А. Лебедев), «Стрела» (Ю. Я. Базилевский), М-2 (И. С. Брук), «Урал» (Б. И. Рамеев), «Киев» (В. М. Глушков) и др. были вы-полнены по класси­ческой схеме процессор—память, а опыт их разработки и эксплуата­ции послужил в последующие годы основой для организации массового производства различных по назначению и техническим воз­можностям серий отечественных ЭВМ.

Развитие вычислительной техники неразрывно связано с раз­витием электронной техники: первые ЭВМ были ламповыми, одна­ко уже через несколько лет достижения полупроводниковой тех­ники позволили заменить ламповые компоненты ЭВМ полупровод­никовыми, а затем начать процесс микроминиатюризации схем и элементов ЭВМ, что значительно повышает их быстродействие и надежность, уменьшает габаритные размеры, массу и потребляе­мую мощность. Эта связь, выра-жающая зависимость основных ха­рактеристик ЭВМ от конструктивно-технологических особенно­стей их реализации, обуславливает периодизацию развития ВТ по­сле начального этапа по поколе-ниям ЭВМ.

К первому поколению (1950–1958 гг.) относят ЭВМ, построен­ные на электронных лампах с использованием дискретных радио­деталей и методов навесного монтажа. В машинах второго поколе­ния (1959—1967 гг.) транзисторы полностью заменили электронные лампы. Схемы ЭВМ второго поколения изготовлялись методами пе­чатного монтажа. В ЭВМ третьего поколения (1968—1978 гг.) боль­шинство транзисторов и дискретных радиодеталей заменено микро­схемами малой степени интеграции, а все соединения между ними выполняются методами многослойного печатного монтажа. Произ­водимые в настоящее время средства вычислительной техники от­носятся к четвертому поколению и характеризуются применением микросхем высокой степени интеграции.

Одновременно с развитием конструктивно-технологических ос­нов ВТ происходил процесс совершенствования структуры ЭВМ. Первые ЭВМ использовались в основном как своеобразные «мощные арифмометры» для решения научно-технических задач со сравни­тельно небольшим числом входных и выходных данных и большим количеством вычислений. В дальнейшем появились машины, пред­назначенные для решения планово-экономических задач с большим объемом исход-ных данных и относительно несложными вычисле­ниями; ЭВМ, ориентированные на решение инже-нерных задач, характеризующиеся наличием удобных средств общения человека с машиной; ЭВМ для решения задач контроля и управления произ­водственными процессами; бортовые и аэрокос-мические ЭВМ с минимальными габаритными размерами, массой и потребляемой мощностью и т. п. В 60-е годы XX ст. освоен выпуск машин с пере­менным составом оборудования, имеющих не-сколько модификаций и отличающихся своими возможностями. Вслед за ними началась разработка средств ВТ, включающих оборудование, из которого можно компоновать различные ЭВМ. Смена поколений ЭВМ про­исходит через 8–10 лет. Сейчас ведется интенсивная разработка принципов построения и исследование особенностей конструктив­но-технологической реализации машин пя-того поколения.

Теоретические основы цифровой вычислительной техники были заложены исследованиями Дж. фон Неймана, К. Шеннона, А. Тью­ринга, Э. Поста, Д. Хафмена, В. И. Шестакова, М. А. Гаврилова и др.

Мировую известность получили результаты, полученные науч­ными и производственно-конструкторскими коллективами под ру­ководством В. М. Глушкова, Э. В. Евреинова, А. П. Ершова, A. М. Ларионова, С. А. Лебедева, А. А. Ляпунова, Г. И. Марчука, B. С. Михалевича, Б. Н. Наумова, И. В. Прангишвили, Г. Е. Пу­хова, М. Р. Шура-Бура и др.

Область применения средств ВТ охватывает в настоя­щее время практически все отрасли производства, науку, оборону, искусство, спорт и др. Внедрение ЭВМ в некоторые отрасли народ­ного хозяйства явилось действенным средством повышения их эф­фективности. Для других же отраслей само их существование было бы невозможным без использования ЭВМ. Являясь главной экспе­риментально-технической базой кибернетики, ВТ на практике ре­ализует прогрессивный принцип математизации и кибернетизации науки и техники. В связи с этим само понятие цифро- вой ВТ эволю­ционировало от наименования совокупности технических средств, предназначенных для механизации и автоматизации вычислений, до наименования комплексного научно-технического направления, включающего разработку и исследование принципов построения, проектирования, конструирования и производства технических средств и математического обеспечения цифровых ЭВМ.

Современная цифровая ВТ — наиболее мощное средство авто­матической обработки информации — воплощает в себе достижения многих отраслей науки и техники и является результатом роста осознанной общественной необходимости в повышении производи­тельности труда. Цифровыми ЭВМ называются ком­плексы технических средств, которые в соответствии с некоторой программой реализуют математические операции по обработке ин­формации, представ-ленной в цифровой форме.

2. Основные сведения из теории информации

2.1. Понятие информации

Понятие информации является одним из наиболее общих поня­тий науки и обозначает совокупность некоторых сведений, данных, знаний и т. п. В ВТ информация — свойство объектов и явлений материального мира порождать многообразие состояний, которые посредством отражения передаются от одного объекта к другому и запечатлеваются в его структуре (возможно, в изменен-ном виде). При этом под информацией понимают не сами объекты и явления, а их существенные и представительные признаки, их отражения в виде чисел, формул, описаний, чертежей, символов, образцов и других абстрактных характеристик. Сама по себе информация мо­жет быть отнесена к области абстрактных категорий, подобных математическим формулам.

Передачей информации называется перенос информации на рас­стояние. Для этого необ-ходимы как минимум два объекта —источ­ник информации и приемник информации, соединенные каналом связи. В канале связи информация представляется в материально-энергетической форме посредством множества состояний некото­рых материальных объектов, называемых носителями информации или сигналами. Отображение множества состояний источника ин­формации во множестве состояний носителя называется кодирова­нием, а отображение множества состояний носителя информации во множество состояний приемника – декодированием. Способ отображения информации, устанавливающий соответствие между элементами сообщений и сигналами, называет-ся кодом.

Источники информации делятся на непрерывные и дискретные. Непрерывные источники создают сообщения, которые отображают­ся сигналами, представляющими собой какие-либо физи-ческие ве­личины, изменяющиеся непрерывно и принимающие бесконечное число значений в не-котором диапазоне. Такое представление ин­формации используется в аналоговых вычислительных и модели­рующих устройствах. Дискретные источники информации создают сообщения, состоящие из конечного множества элементов, называе­мых буквами или символами. Буквы отображаются сигналами, при­нимающими конечное число значений. В современной ВТ понятие буквы включает в себя символы различных систем письменности, цифры, знаки препинания, математические знаки и т. п. Если эле­ментам дискретного сообщения поставлены в соответствие цифры или некоторые их совокупности, то такое представление информа­ции называется цифровым (числовым). Конечный набор букв, исполь­зуемых для отображения дискретных сообщений, называется алфа­витом. Число букв в алфавите определяет его объем или значность алфавита. Любую конечную последова-тельность букв некоторого алфавита принято называть словом (в том числе последовательность, состоящую из цифр). Число букв в слове называется его длиной.

2.2. Количество информации. Единицы измерения информации

Количество информации, передаваемой от источника к приемни­ку, связано с вероятностью пребывания источника в том или ином состоянии. Если состояние источника известно заранее (до переда­чи информации), то количество информации, получаемой приемни­ком при передаче, равно нулю. Если же состояние источника не из­вестно заранее, то количество получаемой информации определяется формулой

где N — число состояний, в которых может находиться источник;

P_i — вероятность появления i-ro состояния (i = 1, 2, . . . , N - 1, N).

При равновероятных состояниях источника (т.е. при Р₁ = Р₂=…= Р_N= )

Основание логарифма k в последней формуле определяет единицу количества инфор-мации. При k = 2 соответствующая единица называется бит (Bit — от слов binary digit). Такая единица чаще всего встречается в технике, что обусловлено наиболее частым использованием двузначного алфавита для представления дискретной информации. Один бит равен количеству информации, получа­емому от источника с двумя равновероятными состояниями.

Современные ЭВМ могут обрабатывать не только числовую ин­формацию, но и информа-цию, заданную любыми другими символа­ми. Обычно для представления одного символа служит слово дли­ной в 2³ = 8 бит, получившее название байта. Посредством слов такой длины можно закодировать 2⁸ = 256 различных символов, чего вполне достаточно при решении многих задач, связанных с обработкой символьной информации. Количество информации в этом случае удобно из-мерять также в байтах.

Для измерения больших объемов информации в ВТ применяются специальные единицы, ко-торые обозначаются К и М и читаются соответственно «кило» и «мега». При этом 1К = 1024 = 2¹⁰, 1М = 1 048 576 = 2²⁰. Например, 1М байт = 2¹⁰ К байт = 2²⁰ байт = 2²³ бит, 1М бит = 2¹⁰ К бит = 2²⁰ бит, 1К байт = 2¹⁰ байт = 2¹³ бит, 1К бит = 2¹⁰ бит. Иногда в приближенных расчетах по­лагают, что К 10³, М 10⁶.

Единицей измерения скорости передачи информации по кана­лам связи служит бод, равный 1 .

Кроме перечисленных единиц для измерения количества инфор­мации, обрабатываемой и хранимой в ЭВМ, используются также еди­ницы, не имеющие постоянного количественного эквивалента. К та­ким единицам относятся поле, слово, массив, сегмент и другие. Поле представляет собой группу бит, имеющую определенное зна­чение (например, поле, в котором указывается в кодированном виде операция, выполняемая на ЭВМ).

Совокупность бит, байтов, полей, слов, объединяемых некото­рым общим признаком (напри-мер, исходные данные для решения задачи), называется массивом. Сегмент — упорядоченная совокуп­ность бит, байтов, полей, слов, массивов, сгруппированных вместе с целью наименования.

3. Основные сведения из теории алгоритмов

3.1. Понятие алгоритма

Обработка информации на ЭВМ состоит в выполнении ряда опе­раций в соответствии с некоторым алгоритмом, что в итоге приво­дит к получению результата или решения. Понятие алго-ритма не имеет строгого математического определения и его смысл абстраги­руется из опыта (так же, как смысл понятий «множество», «число», «соответствие» и др.). Поэтому все известные опре-деления алгоритма являются в той или иной степени неполными. Однако для удобства можно считать, что ал­горитм – это способ преобразования информации, задаваемый с помощью конечной системы правил. Такое определение является достаточно общим.

Анализ элементарных операций по обработке информации, встречающихся в реальных алго-ритмах, показывает, что их можно разделить на две группы: арифметические и логические. Арифмети­ческие операции выполняют непосредственное преобразование ин­формации, а логические определяют направление процесса обра­ботки информации. В алгоритмах арифметические и логи-ческие операции чередуются в определенной последовательности. Если вы­полнение алгоритма сводится к арифметическим операциям, то та­кой алгоритм называется численным.

Два алгоритма считаются равными, если для некоторого преоб­разования информации они устанавливают одинаковое соответствие между входными и выходными словами и совпадают системы пра­вил, задающие эти алгоритмы. Два алгоритма называются эквива­лентными, если они устанавливают одинаковое соответствие между входными и выходными словами, но отличаются способами их задания.

3.2. Свойства алгоритмов

Алгоритмы обладают свойствами определенности, массовости и результативности. Свойство определенности выражает тот факт, что совокупность операций, выполняемых в соответствии с не-кото­рым алгоритмом, не допускает никакого произвола относительно их последовательности и толкования, т. е. является детерминиро­ванным процессом. Массовость алгоритма означает возмож-ность решения с его помощью целого класса задач с изменяющимися ис­ходными данными. Результа-тивность алгоритма состоит в том, что искомый результат может быть получен с помощью алгоритма пу­тем выполнения конечного числа операций при всех допустимых значениях исходных данных. Рассмотренные свойства алгоритма являются эмпирическими и их нельзя считать определением поня­тия алгоритм.

Областью применимости алгоритма называется наибольшая об­ласть исходных данных, на которой алгоритм обладает свойством результативности. Если исходные данные не входят в область при­менимости алгоритма, то он не обеспечивает получения результата за конечное число опера-ций.

3.3. Алгоритмические системы: операторные описания и граф-схемы

Общий стандарт­ный способ задания алгоритмов называется алгоритмической системой. В теории и проектировании техни­ческих средств ВТ для этих целей используются две алгоритмические системы: операторные описания (ОО) и граф-схемы алгоритмов (ГСА). В ОО буквами обозначаются отдельные действия алгоритмов по переработке информации — операции и проверяемые логические условия. Последовательное выполнение нескольких операций обозначается как их произведение, причем левая операция выполняется раньше правой. В такой линейной записи алгоритма операция отличается от логического условия тем, что после послед­него ставится стрелка, направленная вверх и снабженная числовым индексом. Если логическое условие А выполнено (т. е. А = 1), то осуществляется переход к операции или логическому условию, указываемому стрелкой. Если же условие А не выполнено (А = 0), то осуществляется переход к операции или логическому условию, записанному непосредственно за условием А. Например, оператор­ное описание

означает, что после выполнения операций В₁, В₂и В₃необходимо проверить логическое условие А₁. Если А₁= 0, то далее необходи­мо переходить к операциям В₄, В₅и логическому условию А₂. Если же А₁ = 1, то следует сразу перейти к проверке А₂. В зависи­мости от значения А₂возможны два варианта продолжения алго­ритма: выполнить операцию В₆(при А₂ = 0) либо В₃и далее прове­рить А₁ (при А₂ = 1).

Рис. 1

При записи алгоритмов в виде ГСА используются три основных символа, имеющих опре-деленное геометрическое начертание (рис.1) и называемых вершинами ГСА. Начало и конец алго-ритма обозначается вершиной на рис. 1, а. Любой алгоритм, представленный ГСА, начинается и заканчивается этой вершиной. Операторной вершиной (рис. 1, б) ГСА называется условное или содержательное обозначение выполняемой операции.

Содержательное обозначение операции удобно записывать с по­мощью оператора присваи-вания, обозначаемого как : = . Например, запись X := Х + 1 означает, что к переменной величине X необхо­димо прибавить 1 (т. е. переменной X «присвоить» новое значение, равное X + 1). Совокупность операторов присваивания, записан­ных в одной и той же операторной вершине, выполняется одновре­менно. Условная вершина (рис. 1, в) соответствует проверяемому логическому условию, два возможных исхода которого обозначены 0 (условие не выполнено) и 1 (условие вы-полнено). Внутри услов­ной вершины записывается либо логическое выражение, отражающее смысл проверяемого условия, либо двоичная переменная (напри­мер, А), обозначающая результат проверки. Линии на ГСА озна­чают переходы от одной вершины к другой. На рис. 1, г в качестве примера построена граф-схема алгоритма по приведенному выше операторному описанию.

4. Принципы построения и классификация ЦВМ

4.1. Принцип программного управления процессом вычислений

Главным отличительным признаком цифровых ЭВМ является то, что в них автоматизирован процесс вычислений за счет использования принципа программного управления (основные идеи программного управления изложены английским математиком Ч. Бэббиджем в 1833 г.) и принципа хранимой в памяти ЭВМ про­граммы вычислений (сформулирован в 1945 г. американским уче­ным Дж. фон Нейманом и независимо от него в 1950 г. советским ученым академиком С. А. Лебеде-вым).

Информация, обрабатываемая ЭВМ, обычно представляется в виде совокупности цифр (чисел) в некоторой системе счисления, са­ми же цифры отображаются сигналами, имеющими конечное число уровней квантования (чаще всего два). Перед началом обработки информации алгоритм обработки должен быть записан как после­довательность тех арифметических и логических операций, для вы­полнения которых в составе ЭВМ имеются соответствующие средст­ва. Такую запись называют программой. Любая программа состоит из отдельных команд, каждая из которых определяет действия ЭВМ по выполнению какой-либо одной операции. Все операции в ЭВМ реализуются с помощью аппаратных (технических) или програм­мных средств. При этом под аппаратными средствами понимают комплекс технических устройств (обычно электронных), внут-рен­няя структура которых, а также связи между ними построены та­ким образом, чтобы обеспечить реализацию заданных операций. Программные средства – это программы выполнения заданных операций как последовательностей некоторых простейших (элемен­тарных) операций, реализуемых, в свою очередь, аппаратными средствами.

Сущность принципа программного управления состоит в том, что процесс обработки ин-формации осуществляется на основе ин­формации, заданной для управления этим процессом. В гипотети­ческой машине Ч. Бэббиджа и в первой реальной цифровой ЭВМ с программным уп-равлением «МАРК-1» программа заносилась на перфоленту. Машина последовательно считывала с перфоленты и расшифровывала информацию об управлении процессом вычисле­ний. Эта же идея, но на качественно другой технической основе ре­ализуется во всех современных программно управляемых ЭВМ.

4.2. Операционные ресурсы ЦВМ

Множество всех аппаратных и программно реализуемых опера­ций в ЭВМ составляет ее операционные ресурсы. ЭВМ, операцион­ные ресурсы которых обеспечивают принципиальную возможность выполнения любого алгоритма обработки информации, называются алгоритмически универсальными. Для алгоритмической универсальности ЭВМ достаточно наличия в ее опе-рационных ре­сурсах лишь четырех операций: пересылки слова из любой ячейки памяти в любую другую ячейку, прибавления и вычитания единицы к слову, условного перехода по совпадению слов, безусловного ос­танова ЭВМ. Однако лишь в некоторых простейших микропроцессорах набо-ры операций близки к минимальному. В подавляющем большинстве ЭВМ и микропроцессоров операционные ресурсы значительно полнее и состоят из десятков и сотен операций.

4.3. Аппаратные средства ЦВМ: память, процессор, периферийные устройства

Аппаратные средства любой алгоритмически универсальной ЭВМ можно разделить на три основные части: память, процессор и периферийные устройства (рис.2), причем число устройств па­мяти и процессоров в конкретных ЭВМ может варьировать от еди­ниц до нескольких десятков, а периферийных устройств – до не­скольких сотен штук. Память ЭВМ служит для хранения исходных данных, программ обработки информации, промежуточных и окончательных результатов. В современ-ных больших универсальных ЭВМ память представляет собой сложную много-уровневую систему. В этой системе можно выделить уровни сверхоперативной, опе- ра­тивной, буферной и внешней памяти. Каждый последующий уро­вень отличается от предыдущего важнейшими техническими характеристиками памяти – емкостью и быстродей­ствием. Емкостью памяти называется максимальное количество ин­фор-мации, которое может быть в ней записано. Быстродействие памяти характеризует- ся длительностью операций чтения и записи – двух основных операций, выполняе- мых в памяти ЭВМ. Для указан­ной последовательности уровней памяти емкость растет в направ­лении от сверхоперативной к внешней, а быстродействие уменьша ется в том же направлении. В состав памяти ЭВМ могут входить также и программ- ные средства, обеспечивающие управление пере­мещением информации по уровням па-мяти, упорядоченное размещение информации, проведение специаль­ных проверочных процедур и т. п. Такая память называется вирту­альной или математической памятью. В малых ЭВМ и микроЭВМ структура памяти существенно проще и включает один-два уровня (например, оперативную или оперативную и внешнюю).

Рис. 2

В процессоре ЭВМ сосредоточены все процессы по обработке ин­формации. Процессор состоит из арифметико-логического (операци­онного) устройства и уст-ройства управления. Арифметико-логиче­ским устройством (АЛУ) называется та часть процессора, которая пред­назначена для выполнения арифметических и логи-ческих операций над словами, поступающими из памяти ЭВМ. При этом слова (чи­сла), над которыми выполняется некоторая операция в АЛУ, называются операн-дами. Любое АЛУ имеет в своем составе несколько регистров и функциональных (комбинационных) схем. Регистры предназна­чены для хранения операндов в про- цессе выполнения операций, а с помощью функциональных схем выполняются не- обходимые пре­образования операндов при передаче их с одного регистра на дру- гой. Все операции в АЛУ реализуются как пространственно-временные последо-вательности некоторых элементарных операций (микроопераций) над словами, каж- дая из которых является сово­купностью операций над буквами, составляющими данные слова. К числу основных элементарных операций, выполняемых в АЛУ, от-носятся:

1) передача (прием, выдача) операнда (слова) на регистр;

2) сдвиг (арифметический, циклический, логический, модифи­цированный) опе-ранда на заданное число разрядов;

3) прибавление к слову или вычитание из него 1 (в более общем случае – неко-торой константы);

4) сравнение операндов (по принципу «больше – меньше –равно»);

5) поразрядные логические операции дизъюнкции, конъюнкции, равнозначности и сложения по модулю, равному значности алфавита;

6) суммирование двух операндов, представляющих числа в од­ной и той же сис- теме счисления;

7) преобразование кодов операндов, включая инверсию, допол­нение, дешифра- цию и др.

Перечисленные элементарные операции могут иметь несколько вариантов, например, сравнение может выполняться по принципу «равно – неравно» или как операция выделения большего операнда.

Устройство управления (УУ) в составе процессора предназна­чено для рас-шифровки команд и формирования последовательно­стей управляющих сигналов. Эти сигналы включают в работу от­дельные узлы процессора, что в итоге приводит к выполнению действий, указываемых командой. Для выполнения одной элементар­- ной операции в АЛУ необходимо подать один сигнал от УУ по це­пям управления. Известно три основных типа УУ – микропро­граммные, аппаратные и смешанные.

В микропрограммных УУ каждому управляющему сигналу со­ответствует определенное слово (часть слова), хранящееся в специ­альной памяти и называемое микрокомандой. Последовательности управляющих сигналов для некоторой опера- ции соответствует со­вокупность микрокоманд, называемая микропрограммой. Управ-ле­ние выполнением операции осуществляется путем чтения из микро­программной памяти микрокоманд и их преобразования в сигналы по управляющим цепям. Из-менение набора команд, выполняемых процессором, сводится к замене содержимо- го памяти микропро­грамм и не требует изменения состава аппаратных средств ЭВМ.

В аппаратных УУ управляющие сигналы формируются специ­альными аппа-ратными средствами (электронными схемами) и изменение ранее заложенной струк-туры последовательностей этих сиг­налов без изменений в аппаратных средствах здесь невозможно.

В УУ смешанного типа управление частью операций осуществ­ляется по микропрограммному способу, а другой частью — по ап­паратному способу.

Различают также централизованные и децентрализованные УУ. В централи-зованных УУ все управляющие сигналы, необходимые для выполнения любой операции, вырабатываются непосредствен­но в УУ. При децентрализованном управ-лении УУ состоит из цен­трального УУ (ЦУУ) и устройств местного управления (УМУ).

ЦУУ формирует только основные управляющие сигналы, обыч­но соответст-вующие виду выполняемой операции (например, «ум­ножение», «сложение» и т. п.). Эти сигналы воздействуют на УМУ, которые и вырабатывают сигналы выполнения отдельных элемен­тарных операций.

Периферийные устройства предназначены для преобразования формы пред-ставления информации при вводе ее в ЭВМ и выводе из ЭВМ. Значение пе-риферийного оборудования в обеспечении эффек­тивного использования ЭВМ очень велико. В этом плане ЭВМ без периферийных устройств (память и процессор) мож- но сравнить с энергонасыщенным трактором в сельском хозяйстве, для которого не изготовлены прицепные или навесные орудия обработки земли. Для создания пе-риферийного оборудования используется очень широкий круг физических эффектов и явлений. Принципы построе­ния н структуры периферийных устройств в значитель- ной степени зависят от конкретных их применений.

ЭВМ, которые не являются алгоритмически универсальными, а также ЭВМ, предназначенные для решения задач одного класса (или даже одной задачи с раз- ными исходными данными), относятся к классу специализированных ЭВМ (проб-лемно-ориентированных или ЭВМ с жесткой программой). Некоторые из основных техни­ческих характеристик (производительность, стоимость, надежность и др.) та- ких ЭВМ оптимизированы на конкретные применения. Специализированная ЭВМ (СЭВМ) имеет одну программу или на­бор переключаемых программ, записанных в память. К классу СЭВМ относятся и неалгоритмические ЭВМ, в которых вычисли­тельный процесс определяется не последовательностью и совокуп­ностью элемен-тарных операций в зависимости от внешней изменя­емой программы, а математичес-ким описанием процесса обработки информации, т. е. жесткой программой, поло-женной в основу по­строения внутренней структуры аппаратных средств и связей между ними.

Два направления развития средств ВТ — по пути создания универсальных и специализированных ЭВМ не исключают, а вза­имно дополняют друг друга. Уни-версальные ЭВМ имеют очень широкую область применения и выпускаются круп-ными сериями. Для решения же сравнительно узкого круга задач более эффектив- ны СЭВМ. Класс СЭВМ является областью апробации новых методов автоматиза- ции вычислений, которые затем получают дальней­шее внедрение в универсальных ЭВМ. К числу таких методов, например, относятся многоуровневая обработка ин-формации с распараллеливанием вычислительного процесса на отдельные неза­ви-симые ветви; децентрализация вычислений с помощью много­процессорных систем и аппаратно реализуемых подпрограмм (предпроцессоров); выполнение сложных математических операций и вычисление сложных функций аппаратным способом за одну команду; использование нетрадиционных систем счисления и способов пред-ставления информации; организация вычислений по принципу цифровой аналогии и др.

4.4. Иерархия аппаратных средств ЦВМ

Аппаратные средства как универсальных, так и специализиро­ванных ЭВМ характеризуются иерархическим принципом построе­ния, т. е. наличием совокупнос- тей таких единиц (элементов) коли­чества оборудования, которые при объединении их в систему не­которого уровня могут рассматриваться в качестве элементов в системах более высокого уровня и т. д. Это дает возможность использовать иерар-хический принцип описания струк­туры и функционирования аппаратных средств. По этому принципу каждому уровню систем соответствует такая степень детализа- ции описания, которая обеспечивает точность описания до элементов системы дан- ного уровня.

В ВТ принято считать первым иерархическим уровнем уровень электричес- ких схем, где в качестве элементов рассматриваются электронные компоненты (тран-зисторы, диоды, резисторы и пр.). Средством описания здесь служит аппарат теории электри­ческих и магнитных цепей.

На втором уровне – уровне логических схем – наименьшими единицами обо-рудования считаются логические и запоминающие элементы. Логическими элемен- тами называются простейшие комби­национные схемы, функционирование которых описывается одной переключательной функцией (элементным оператором). Запоми­нающий элемент – простейшее устройство памяти, обеспечива­ющее запись, хране- ние и чтение информации, количество которой равно одной букве. Средством опи-сания на этом уровне являются методы теории переключательных функций и структурной теории автоматов, что позволяет детализировать процессы обработки инфор­мации до операций над отдельными буквами алфавитов.

Третий уровень – уровень операционных узлов – описывает­ся теми же средствами, что и предыдущий уровень, с детализацией информационных процес- сов до элементарных операций (микроопе­раций) над отдельными словами. В качест- ве элементов на этом уров­не служат операционные узлы – аппаратные средства, выполня­ющие одну или несколько элементарных операций и построенные из логических и запоминающих элементов.

На четвертом уровне, называемом уровнем структурных схем, элементами считаются операционные блоки, объединяющие несколь­ко операционных узлов и выполняющие определенные законченные действия, указываемые командами программы. Состав и взаимодействие аппаратных средств здесь описываются с детализацией до отдельных операций из набора команд ЭВМ, выполняемых как по­следовательности элементарных операций. Средством описания ча­ще всего служат простейшие формальные языки типа операторных описаний (в линейно-строчном или графическом вариантах).

Пятый уровень – программный – предполагает детализацию процессов обработки информации до команд из операционных ре­сурсов ЭВМ или до отдельных программ. Элементами систем этого уровня являются АЛУ, УУ, устройства памяти, периферийное и коммуникационное оборудование ЭВМ, а в качестве средства опи­сания используются машинно-ориентированные или процедурно-ориентированные языки программирования.

Логические и запоминающие элементы, операци­онные узлы и блоки являются структурно-функциональными еди­ницами оборудования ЭВМ. В конструктивном же отношении прос­тейшими единицами аппаратных средств являются модули – части электронного оборудования, имеющие законченное оформление и стандартные средства механического и электрического сопряжения с другими подобными единицами. Модульный принцип является в настоящее время основным принципом конструирования ЭВМ и других устройств электронной техники. Модульные конструкции могут быть на всех иерархических уровнях аппаратных средств, например, модуль – процессор, модульное устройство памяти, мо­дуль АЛУ, модуль-регистр, модуль логических элементов (логи­ческая микросхема) и др.

Литература

1. В.Г.Иванова, А.И. Тяжев. Цифровая обработка сигналов и сигнальные процессоры. – Самара, 2008. – 262с.: ил.

2. А.И. Солонина, Д.А. Улахович, С.М. Арбузов, Е.Б. Соловьёва. Основы цифровой обработки сигналов. - СПб: БХВ-Петербург, 2005. – 753с.

3. Цифровая обработка сигналов / А.Б. Сергиенко – СПб: Питер, 2002.– 608с.: ил.

4. М.С. Куприянов, Б.Д. Матюшкин. Цифровая обработка сигналов. Процессоры, алгоритмы, средства проектирования. – СПб: Политехника, 2000г.- 592с.: ил.

5. Методическая разработка к лабораторным занятиям по дисциплине «Цифровая обработка сигналов» для студентов направления «Телекоммуникации» Авторы: к.т.н., доцент Иванова В.Г., старший преподаватель Прошечкина Н.В. Самара: 2008.

6. Иванова В.Г. ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ. Методическая разработка к курсовой работе для студентов дневной формы обучения по специальности 210700 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» Квалификация выпускника – бакалавр. 2014г.

Дисциплина относится к циклу профессиональных дисциплин и базовой (общепрофессиональной) части основной образовательной программы.

Объем дисциплины и виды учебной работы

Общая трудоемкость дисциплины составляет 10 зачетных единиц, 360 часов.

Введение

Области применения цифровой обработки

Области применения ЦОС:

· телекоммуникационные системы;

· радиолокация;

· гидролокация;

· сейсмология;

· медицина;

· добывающая и обрабатывающая промышленность;

· идентификация диктора;

· верификация диктора;

· анализ временных рядов;

· обработка телевизионных и компьютерных изображений.

2. Классификация сигналов

Сигналом называется физический процесс, отображающий передаваемое сообщение.

Таблица 1. Значения цифрового сигнала в двоичной системе счисления

t		TД	2T	3Т	4Т	5Т

Каждый разряд двоичного числа передается своим электрическим сигналом. Нулю кодовой комбинации соответствует один уровень напряжения (уровень логического нуля), а единице - другой уровень напряжения (уровень логической единицы).

Если все разряды кодовой комбинации представляются одновременно, то код называется параллельным, а если последовательно, то последовательным.