Презентация по информатике на тему "компьютер из нутри"

• 1 слайд

  1
  Компьютер изнутри
  Основные принципы
  Персональный компьютер
  Хранение целых чисел
  Битовые операции
  Вещественные числа
  

• 2 слайд

  2
  Компьютер изнутри
  Тема 1. Основные принципы
  

• 3 слайд

  3
  Определения
  Компьютер (computer) – это программируемое электронное устройство для обработки числовых и символьных данных.
  аналоговые компьютеры – складывают и умножают аналоговые (непрерывные) сигналы
  цифровые компьютеры – работают с цифровыми (дискретными) данными.
  Hardware – аппаратное обеспечение, «железо».
  Software – программное обеспечение, «софт».
  1 0 1 0 0 1
  

• 4 слайд

  4
  Определения
  Программа – это последовательность команд, которые должен выполнить компьютер.
  Команда – это описание операции (1…4 байта):
  код команды
  операнды – исходные данные (числа) или их адреса
  результат (куда записать).
  Типы команд:
  безадресные (1 байт) – увеличить регистр AX на 1
  регистр – ячейка быстродействующей памяти,
  расположенная в процессоре
  одноадресные (2 байта) AX  AX + 2
  двухадресные (3 байта) X  X + 2
  трехадресные (4 байта) Y  X + 2
  inc AX
  add AX, 2
  

• 5 слайд

  5
  Структура памяти
  Память состоит из нумерованных ячеек.
  Линейная структура (адрес ячейки – одно число).
  Байт – это наименьшая ячейка памяти, имеющая
  собственный адрес (4, 6, 7, 8, 12 бит).
  На современных компьютерах 1 байт = 8 бит.
  Слово = 2 байта
  Двойное слово = 4 байта
  

• 6 слайд

  6
  Архитектура компьютера
  Архитектура – принципы действия и взаимосвязи основных устройств компьютера (процессора, ОЗУ, внешних устройств).
  Принстонская архитектура (фон Неймана):
  процессор
  ОЗУ
  (программа
  и данные)
  устройства
  вывода
  устройства
  ввода
  данные
  управление
  прямой доступ
  к памяти
  Гарвардская архитектура – программы и данные хранятся в разных областях памяти.
  прямой доступ
  к памяти
  скорость (одновременно читаем команду и данные)
  нужно больше контактов у процессора
  

• 7 слайд

  7
  Принципы фон Неймана
  «Предварительный доклад о машине EDVAC» (1945)
  Принцип двоичного кодирования: вся
  информация кодируется в двоичном виде.
  Принцип программного управления:
  программа состоит из набора команд,
  которые выполняются процессором
  автоматически друг за другом в
  определенной последовательности.
  Принцип однородности памяти:
  программы и данные хранятся в одной и
  той же памяти.
  Принцип адресности:
  память состоит из пронумерованных ячеек;
  процессору в любой момент времени доступна
  любая ячейка.
  

• 8 слайд

  8
  Выполнение программы
  Счетчик команд (IP = Instruction Pointer) – регистр, в котором хранится адрес следующей команды.
  IP
  Команда, расположенная по этому адресу, передается в УУ. Если это не команда перехода, регистр IP увеличивается на длину команды.
  УУ расшифровывает адреса операндов.
  Операнды загружаются в АЛУ.
  УУ дает команду АЛУ на выполнение операции.
  Результат записывается по нужному адресу.
  Шаги 1-5 повторяются до получения команды «стоп».
  AB3D16
  по адресу AB3D16
  

• 9 слайд

  9
  Архитектуры компьютеров
  фон Неймана
  многомашинная
  (независимые задачи)
  ОЗУ
  АЛУ
  УУ
  ОЗУ
  АЛУ
  УУ
  ОЗУ
  АЛУ
  УУ
  ОЗУ
  АЛУ
  УУ
  многопроцессорная
  (части одной задачи,
  по разным программам)
  АЛУ
  УУ
  ОЗУ
  АЛУ
  УУ
  АЛУ
  УУ
  АЛУ
  ОЗУ
  АЛУ
  УУ
  АЛУ
  параллельные процессоры
  (части одной задачи,
  по одной программе)
  

• 10 слайд

  10
  Компьютер изнутри
  Тема 2. Персональный
  компьютер
  

• 11 слайд

  11
  Персональный компьютер (ПК)
  ПК – это компьютер, предназначенный для личного использования (доступная цена, размеры, характеристики).
  1977 Apple-II
  1981 IBM PC
  (personal computer)
  ЕС-1841
  iMac (1999)
  PowerMac G4
  Cube (2000)
  

• 12 слайд

  12
  Принцип открытой архитектуры
  на материнской плате расположены только узлы, которые обрабатывают информацию (процессор и вспомогательные микросхемы, память)
  схемы, управляющие другими устройствами (монитором и т.д.) – это отдельные платы, которые вставляются в слоты расширения
  схема стыковки новых устройств с компьютером общедоступна (стандарт)
  конкуренция, удешевление устройств
  производители могут изготавливать новые совместимые устройства
  пользователь может собирать ПК «из кубиков»
  

• 13 слайд

  13
  Взаимосвязь блоков ПК
  процессор
  память
  шины адреса, данных, управления
  порты
  клавиатура, мышь, модем, принтер, сканер
  видеокарта
  сетевая
  карта
  контроллеры
  дисководов
  Шина – многожильная линия связи, доступ к которой имеют несколько устройств.
  Контроллер – электронная схема, управляющая внешним устройством по сигналам процессора.
  контроллеры
  

• 14 слайд

  14
  Компьютер изнутри
  Тема 3. Хранение целых чисел
  

• 15 слайд

  15
  Целые беззнаковые числа
  Беззнаковые данные – не могут быть отрицательными.
  Байт (символ)
  память: 1 байт = 8 бит
  диапазон значений 0…255, 0…FF16 = 28 - 1
  Си: unsigned charПаскаль: byte
  биты
  младший
  старший
  старший полубайт
  старшая цифра
  младший полубайт
  младшая цифра
  416
  E16
  10011102 = 4E16 = ‘N’
  

• 16 слайд

  16
  Примеры
  78 =
  115 =
  

• 17 слайд

  17
  Целые беззнаковые числа
  Целое без знака
  память: 2 байта = 16 бит
  диапазон значений 0…65535, 0…FFFF16 = 216-1
  Си: unsigned intПаскаль: word
  биты
  старший байт
  младший байт
  4D16
  7A16
  1001101011110102 = 4D7A16
  Длинное целое без знака
  память: 4 байта = 32 бита
  диапазон значений 0…FFFFFFFF16 = 232-1
  Си: unsigned long intПаскаль: dword
  

• 18 слайд

  18
  «-1» – это такое число, которое при сложении с 1 даст 0.
  1 байт:
  FF16 + 1 = 1 0 0 16
  2 байта:FFFF16 + 1 = 1 0 0 0 0 16
  4 байта:FFFFFFFF16 + 1 = 1 0 0 0 0 0 0 0 0 16
  Целые числа со знаком
  Сколько места требуется для хранения знака?
  ?
  Старший (знаковый) бит числа определяет его знак. Если он равен 0, число положительное, если 1, то отрицательное.
  не помещается в 1 байт!
  

• 19 слайд

  19
  Двоичный дополнительный код
  Задача: представить отрицательное число (–a) в двоичном дополнительном коде.
  Решение:
  Перевести число a–1 в двоичную систему.
  Записать результат в разрядную сетку с нужным числом разрядов.
  Заменить все «0» на «1» и наоборот (инверсия).
  Пример: (– a) = – 78, сетка 8 бит
  a – 1 = 77 = 10011012
  
  
  = – 78
  знаковый бит
  

• 20 слайд

  20
  Двоичный дополнительный код
  Проверка: 78 + (– 78) = ?
  – 78 =
  78 =
  +
  

• 21 слайд

  21
  Пример
  (– a) = – 123, сетка 8 бит
  – 123 =
  

• 22 слайд

  22
  Целые числа со знаком
  Байт (символ) со знаком
  память: 1 байт = 8 бит
  диапазон значений:
  max
  min
  – 128 = – 27 … 127 = 28 – 1
  Си: charПаскаль: –
  можно работать с отрицательными числами
  уменьшился диапазон положительных чисел
  127
  – 128
  

• 23 слайд

  23
  Целые числа со знаком
  Слово со знаком
  память: 2 байта = 16 бит
  диапазон значений
  – 32768 … 32767
  
  
  
  Си: intПаскаль: integer
  Двойное слово со знаком
  память – 4 байта
  диапазон значений
  – 231 … 231-1
  Си: long intПаскаль: longint
  

• 24 слайд

  24
  Ошибки
  Переполнение разрядной сетки: в результате сложения больших положительных чисел получается отрицательное (перенос в знаковый бит).
  +
  64
  64
  – 128
  

• 25 слайд

  25
  Ошибки
  Перенос: при сложении больших (по модулю) отрицательных чисел получается положительное (перенос за границы разрядной сетки).
  +
  – 128
  0
  – 128
  1
  в специальный бит переноса
  

• 26 слайд

  26
  Компьютер изнутри
  Тема 4. Битовые операции
  

• 27 слайд

  27
  Инверсия (операция НЕ)
  Инверсия – это замена всех «0» на «1» и наоборот.
  Си:
  Паскаль:
  int n;
  n = ~n;
  var n: integer;
  n := not n;
  

• 28 слайд

  28
  Операция И
  Обозначения:
  И, , & (Си), and (Паскаль)
  0
  0
  0
  0
  &
  маска
  5B16 & CC16 = 4816
  x & 0 =
  x & 1 =
  0
  x
  

• 29 слайд

  29
  Операция И – обнуление битов
  Маска: обнуляются все биты, которые в маске равны «0».
  Задача: обнулить 1, 3 и 5 биты числа, оставив остальные без изменения.
  маска
  D16
  516
  Си:
  Паскаль:
  int n;
  n = n & 0xD5;
  var n: integer;
  n := n and $D5;
  

• 30 слайд

  30
  Операция И – проверка битов
  Задача: проверить, верно ли, что все биты 2…5 – нулевые.
  маска
  316
  С16
  Си:
  Паскаль:
  if ( n & 0x3C == 0 )
  printf (“Биты 2-5 нулевые.”);
  else printf (“В битах 2-5 есть ненулевые.”);
  if (n and $3C) = 1
  writeln (‘Биты 2-5 нулевые.’)
  else writeln (‘В битах 2-5 есть ненулевые.’);
  

• 31 слайд

  31
  Операция ИЛИ
  Обозначения:
  ИЛИ, , | (Си), or (Паскаль)
  1
  1
  1
  1
  ИЛИ
  маска
  5B16 | CC16 = DF16
  x ИЛИ 0 =
  x ИЛИ 1 =
  1
  x
  

• 32 слайд

  32
  Операция ИЛИ – установка битов в 1
  Задача: установить все биты 2…5 равными 1, не меняя остальные.
  маска
  316
  С16
  Си:
  Паскаль:
  n = n | 0x3C;
  n := n or $3C;
  

• 33 слайд

  33
  Операция «исключающее ИЛИ»
  Обозначения:
  , ^ (Си), xor (Паскаль)
  01
  01
  01
  01
  XOR
  маска
  5B16 ^ CC16 = 9716
  x XOR 0 =
  x XOR 1 =
  НЕ x
  x
  

• 34 слайд

  34
  «Исключающее ИЛИ» – инверсия битов
  Задача: выполнить инверсию для битов 2…5, не меняя остальные.
  маска
  316
  С16
  Си:
  Паскаль:
  n = n ^ 0x3C;
  n := n xor $3C;
  

• 35 слайд

  35
  «Исключающее ИЛИ» – шифровка
  (0 xor 0) xor 0 =
  (1 xor 0) xor 0 =
  0
  1
  (0 xor 1) xor 1 =
  (1 xor 1) xor 1 =
  0
  1
  (X xor Y) xor Y = X
  код (шифр)
  «Исключающее ИЛИ» – обратимая операция.
  ?
  Шифровка:
  выполнить для каждого байта текста операцию XOR с байтом-шифром.
  Расшифровка: сделать то же самое с тем же шифром.
  

• 36 слайд

  36
  Логический сдвиг
  1
  Влево:
  0
  0
  1
  Вправо:
  0
  в бит
  переноса
  Си:
  Паскаль:
  n = n << 1;
  n = n >> 1;
  n := n shl 1;
  n := n shr 1;
  в бит
  переноса
  shift left
  shift right
  

• 37 слайд

  37
  Логический сдвиг
  Какой арифметической операции равносилен
  логический сдвиг влево (вправо)? При каком
  условии?
  ?
  Логический сдвиг влево (вправо) – это быстрый способ умножения (деления без остатка) на 2.
  1011012
  10110102
  сдвиг влево
  сдвиг вправо
  45
  90
  

• 38 слайд

  38
  Циклический сдвиг
  Влево:
  Вправо:
  Си, Паскаль: –
  только через Ассемблер
  

• 39 слайд

  39
  Арифметический сдвиг
  1
  Влево (= логическому):
  0
  0
  0
  Вправо (знаковый бит не меняется!):
  Си:
  Паскаль: –
  n = -6;
  n = n >> 1;
  – 6
  – 3
  

• 40 слайд

  40
  Пример
  Задача: в целой переменной n (32 бита) закодирована
  информация о цвете пикселя в RGB:
  
  
  
  Выделить в переменные R, G, B составляющие
  цвета.
  Вариант 1:
  Обнулить все биты, кроме G.
  Маска для выделения G: 0000FF0016
  Сдвинуть вправо так, чтобы число G передвинулось в младший байт.
  Си:
  G = (n & 0xFF00) >> 8;
  Паскаль:
  G := (n and $FF00) shr 8;
  А надо ли
  обнулять?
  ?
  

• 41 слайд

  41
  Пример
  
  
  Вариант 2:
  Сдвинуть вправо так, чтобы число G передвинулось в младший байт.
  Обнулить все биты, кроме G.
  Маска для выделения G: 000000FF16
  Си:
  G = (n >> 8) & 0xFF;
  Паскаль:
  G := (n shr 8) and $FF;
  

• 42 слайд

  42
  Пример
  Си:
  R =
  B =
  Паскаль:
  R :=
  B :=
  

• 43 слайд

  43
  Компьютер изнутри
  © К.Ю. Поляков, 2007
  Тема 5. Вещественные числа
  

• 44 слайд

  44
  Нормализация двоичных чисел
  X = s  M  2e
  s – знак (1 или -1)
  M – мантисса,
  e – порядок
  M = 0 или 1  M < 2
  15,625 =
  1111,1012 =
  11,1111012 23
  знак
  порядок
  мантисса
  3,375 =
  Пример:
  

• 45 слайд

  45
  Нормализованные числа в памяти
  IEEE Standard for Binary Floating-Point Arithmetic (IEEE 754)
  15,625 = 11,1111012 23
  s = 1 e = 3 M = 1,1111012
  Знаковый бит:
  0, если s = 1
  1, если s = – 1
  Порядок со сдвигом:
  p = e + E (сдвиг)
  Дробная часть мантиссы:
  m = M – 1
  Целая часть M всегда 1,
  поэтому не хранится в памяти!
  ?
  

• 46 слайд

  46
  Нормализованные числа в памяти
  Типы данных для языков: Си
  Паскаль
  

• 47 слайд

  47
  Вещественные числа в памяти
  15,625 = 1,1111012 23
  4 байта = 32 бита
  31
  0
  22
  30
  23
  p = e+127 = 130
  =100000102
  m = M – 1 = 0,1111012
  3,375 =
  

• 48 слайд

  48
  Арифметические операции
  сложение
  Порядок выравнивается до большего
  5,5 = 1,011222
  3 = 1,12 21 = 0,112 22
  Мантиссы складываются
  1,0112
  + 0,1102
  10,0012
  Результат нормализуется (с учетом порядка)
  10,0012 22 = 1,00012 23 = 1000,12 = 8,5
  5,5 + 3 = 101,12 + 112 = 8,5 = 1000,12
  

• 49 слайд

  49
  Арифметические операции
  вычитание
  Порядок выравнивается до большего
  10,75 = 1,01011223
  5,25 = 1,01012 22 = 0,101012 23
  Мантиссы вычитаются
  1,010112
  – 0,101012
  0,101102
  Результат нормализуется (с учетом порядка)
  0,10112 23 = 1,0112 22 = 101,12 = 5,5
  10,75 – 5,25 = 1010,112 – 101,012 = 101,12 = 5,5
  

• 50 слайд

  50
  Арифметические операции
  умножение
  Мантиссы умножаются
  7 = 1,112  22 1,1 12
  3 = 1,12  21  1,12
  1 1 12
  1 1 12
  1 0 ,1 0 12
  Порядки складываются: 2 + 1 = 3
  Результат нормализуется (с учетом порядка)
  10,1012 23 = 1,01012 24 = 101012 = 21
  7  3 = 1112  112 = 1112  112 = 21 = 101012
  

• 51 слайд

  51
  Арифметические операции
  деление
  Мантиссы делятся
  17,25 = 1,0001012  24
  3 = 1,12  21
  1,0001012 : 1,12 = 0,101112
  Порядки вычитаются: 4 – 1 = 3
  Результат нормализуется (с учетом порядка)
  0,101112 23 = 1,01112 22 = 101,112 = 5,75
  17,25 : 3 = 10001,012 : 112 = 5,75 = 101,112
  

• 52 слайд

  52
  Спасибо за внимание!