Санкт-Петербургский
Государственный Политехнический Университет
Институт Информационных
Технологий и Управления
Кафедра «Системы
и технологии управления»
ОТЧЕТ
по
лабораторной работе №1
Дисциплина:
ЭВМ и периферийные устройства
Тема: Исследование
двоичных форм представления данных в
ЭВМ типовыми программными средствами
Работу выполнили
Студенты группы 33503/4
Иванов Ю.Е.
Ауере Н.
Аджуми А.
Работу принял:
д.т.т, профессор
Гагарин Ю.М.
Санкт – Петербург
2014
Оглавление
1
Цель работы
Тестирование
арифметико-логического блока процессора
на уровне двоичных форм представления
данных типовыми программными средствами
ЭВМ.
1.1
Исходные данные
- Типы данных:
арифметический,
логический и текстовый;
- Среда
разработки программных средств:
Microsoft Visual Studio
2008;
- Теоретические
сведения на основе лекций по курсу «ЭВМ
и периферийные устройства».
- IBM-совместимая
ЭВМ.
1.2
Введение
При работе на ЭВМ ведётся
обработка большого количества данных
разных типов. В программах, написанных
на ЯВУ можно встретить данные логического
типа boolean, арифметических типов integer, byte,
short, decimal, а также данные текстовых типов
character и string. Но на физическом уровне
все эти данные хранятся и обрабатываютсяпроцессором
как двоично-кодированные числа. Далее эти данные обрабатываются
средствами представления данных и выводятся
в требующемся пользователю виде: как
десятичное или шестнадцатеричное число,
как в виде текста, и т.д. То, какой смысл
заключен в данных, как они выражены и
что означают, определяет программа обработки.
Процедура хранения информации
в ПК состоит в том, чтобы сформировать
и поддерживать структуру хранения данных
в памяти компьютера. Данные, хранящиеся
в памяти ЭВМ, представляют собой совокупность
нулей и единиц – битов. Биты объединяются
в последовательности – байты, слова и
т.д. Каждому участку оперативной памяти,
который может вместить один байт или
одно слово, присваивается порядковый
номер (адрес). Каждый бит байта может быть
установлен (включен, «1»), или же сброшен
(выключен, «0»), всего может быть 256 различных
наборов вариантов битов в байте.
1.2.1
Методы организации данных. Организация
данных в оперативной памяти
Методы хранения данных в
памяти ЭВМ обычно предполагаютраздельное
хранение значений каждой составной единицы
информации (СЕИ). Отдельное значение СЕИ,
находящееся в памяти ЭВМ, называется
записью. Запись состоит из значений атрибутов,
входящих в структуру СЕИ.
Множество записей образует
массив, или файл. Термин массив обычно
используется при рассмотрении данных
в оперативной памяти ЭВМ, а термин файл
применяется для данных, хранимых на внешних
запоминающих устройствах.
Под организацией значений
данных понимают относительно устойчивый
порядок расположения записей данных
в памяти ЭВМ и способ обеспечения взаимосвязи
между записями.
Организация значений данных
может быть линейной и нелинейной. При
линейной организации данных каждая запись,
кроме первой и последней, связана с одной
предыдущей и одной последующей записями.
У записей, соответствующих нелинейной
организации данных, количество предыдущих
и последующих записей может быть произвольным.
Линейные методы организации
данных различаются только способами
указания предыдущей и последующей записи
по отношению к данной записи. Но это приводит
к тому, что алгоритмы, эффективные для
одних методов организации данных, становятся
неприемлемыми для других
методов.
Списком называется множество
записей, занимающих произвольные участки
памяти, последовательность обработки
которых задается с помощью адресов связи.
Адресом связи некоторой записи называется
атрибут, в котором хранится начальный
адрес или номер записи, обрабатываемой
после этой записи.
Цепным каталогом называется
сплошной участок памяти (или несколько
таких участков), в котором одновременно
размещаются список обрабатываемых записей
и список свободных позиций памяти. Адрес
связи, отмечающий первую обрабатываемую
запись, называется указателем списка.
Адрес связи, отмечающий первую свободную
позицию памяти, называется указателем
свободной памяти. Адрес связи последней
записи (или последней записи свободной
памяти) в списке называется концом списка,
и отмечается нулевым значением.
Древовидной организацией
данных (деревом) называется множество
записей, расположенных по уровням следующим
образом:
-на 1-м уровне расположена
только одна запись (корень дерева)
-к любой записи i-го
уровня ведет адрес связи от
одной записи уровня i-1.
В данном определении понятия
"дерево" и "уровень" вводятся
одновременно. Если записи получат номера
уровней, соответствующие определению,
то они получат и древовидную организацию.
Количество уровней в дереве называется
рангом. Записи дерева, которые адресуются
от общей записи (i-1)-го уровня, образуют
группу. Максимальное число элементов
в группе называется порядком дерева.
Деревья обычно формируются двунаправленными,
адрес связи от записи уровня i+1 к записи
i-го уровня называется обратным.
При размещении дерева в памяти
ЭВМ каждая запись может занимать произвольное
место. Назовем звеном связи набор адресов
связи, принадлежащих одной записи. Если
порядок дерева равен р, то звено связи
состоит из р+1 адресов (один адрес обратный,
определяющий связь с записью непосредственно
более высокого уровня). Корень дерева
адресуется из специального указателя
дерева. Незанятые адреса связи содержат
признак конца списка.Последовательная,
цепная и бинарная древовидная организации
данных предназначены для решения общей
задачи - обработки записей с одним ключевым
атрибутом. Поскольку они взаимозаменяемы,
имеет смысл задача выбора наилучшей организации
данных. По критерию времени формирования
данных цепной каталог и бинарное дерево
имеют определенные преимущества перед
последовательным массивом, несмотря
на то, что процессы формирования описываются
одинаковыми формулами. По времени поиска
последовательный массив и бинарное дерево
предпочтительнее цепного каталога. Минимальное
время корректировки характерно для бинарного
дерева, а минимальный объем дополнительной
памяти - для последовательного массива.
Таким образом, абсолютно
безупречного метода организации данных
не существует. Однако, минимальное время
обычно считается более важным критерием,
чем минимальная дополнительная память,
и тогда лучшим методом организации данных
в оперативнойпамяти ЭВМ необходимо признать
упорядоченное бинарное дерево.
1.2.2
Организация данных во внешней памяти
ЭВМ
В качестве
внешней памяти ЭВМ используются в основном
устройства электромагнитной записи сигналов,
для которых характерно примерное равенство
затрат времени на чтение и запись информации,
- магнитные диски. В отличие от оперативной
памяти ЭВМ для них перед непосредственно
чтением/записью требуется подвод необходимого
участка магнитного носителя к механизму
чтения/записи (в реальных запоминающих
устройствах могут двигаться и носитель
данных, и механизм чтения/записи).Поэтому
время доступа к данным на внешнем запоминающем
устройстве зависит от места расположения
данных на диске или ленте, что существенно
отличает их от оперативной памяти и определяет
специфику организации данных во внешней
памяти ЭВМ.Данные на внешнем запоминающем
устройстве хранятся в виде файлов.Файл
представляет собой множество логически
связанных записей.Запись обычно соответствует
одному значению некоторой составной
единицы информации.Каждый файл имеет
уникальное имя файла.В простейшем случае
файл представляет последовательный массив
записей на внешнем запоминающем устройстве.Организация
внешней памяти персональных ЭВМ имеет
ряд отличий от принципов, используемых
в мини-ЭВМ и средних ЭВМ.Вся внешняя память
разделена на физические блоки (секторы),
имеющие фиксированный размер (обычно
512 байт), который не зависит от желания
проектировщика системы.Обмен с оперативной
памятью происходит только целыми секторами.Когда
производится только последовательная
обработка файла, оптимальный (с точки
зрения минимального времени доступа)
размер блока должен быть наиболее крупным
из возможных; когда происходит только
выборка одиночных записей, оптимальными
являются блоки размером в одну запись.
Существует ряд стандартных
методов организации файлов на магнитном
диске и соответственно методов доступа
к этим файлам. Среди них - последовательная,
индексно-последовательная, индексно-произвольная
и прямая организация файлов. Во всех случаях
необходимо выделение в записях файла
одного ключевого атрибута.
При последовательной организации
файла на магнитном диске возможен доступ
от только что обработанной записи к последующей
записи (по направлению к концу файла).
Переход в обратном направлении невозможен,
единственный путь состоит в закрытии
файла, повторном егооткрытии и движении
к нужной записи в прямом направлении.
Индексно-последовательный
файл представляет собой последовательный
файл, снабженныйиндексами. На магнитном
диске выделяются три области - первичная,
индексная и областьпереполнения. В первичной
области помещаются упорядоченные по
значениям ключевого атрибута записи,
когда файл впервые создается. В зависимости
от размера первичной области могут создаваться
один, два или три уровня индексов:
индекс первого уровня отмечает
последнюю запись каждой дорожки магнитного
диска;
индекс второго уровня отмечает
последнюю запись каждого цилиндра магнитного
диска.
Если файл индекса второго
уровня достаточно велик по размеру, то
для негодопускается создание индекса
третьего уровня. Если в индекс попадает
информация о ключе каждой записи, то получаем
индексно-произвольный доступ. Записи
файла могут быть при этом не упорядочены
по значению ключа. Индекс для индексно-произвольного
метода доступа практически всегда формируется
как многоуровневый.
Прямой метод доступа соответствует
файлу, который использует адресную функцию
вида i=p-a. Для прямого доступа характерны
следующие особенности:
не требуется упорядоченность
записей файла;
наличие повторяющихся значений
ключа недопустимо;
значениям нескольких ключей
может соответствовать один и тот же адрес.
На выбор между названными
выше методами организации файлов существенное
влияние оказывает количество записей,
которое должно быть обработано в процессе
реализации запроса. Этот параметр называется
долей выборки и равен отношению числа
требуемых при выборке записей файла к
общему числу записей в файле. 1-я запись
- прямая организация, 0..10% - прямая индексная
организация, 10..100% - последовательная
организация файла.
1.2
Общие сведения о системах счисления (СС)
Система
счисления - способ кодирования числовой
информации, т.е. способ записи чисел с
помощью некоторого алфавита, символы
которого называют цифрами.
Существует
множество различных систем счисления.
Их можно разделить на три
категории:
- Позиционные
системы счисления.
- Непозиционные
системы счисления.
- Смешанные
системы счисления.
Основой
построения ЭВМ является ориентация на
обработку данных в двоичном виде вещественных
чисел. Для поля вещественных чисел приняты
правила представления числа в заданной
системе счисления с определенным основанием
b. В общем виде число с фиксированной запятой
записывается как:
Для перевода
числа из любой системы счисления в десятичнуюиспользуется
формула:
Кроме формы
записи числа с фиксированной точкой существует
также запись с плавающей запятой:
аx – порядок числа, fx – мантисса, значащая часть числа.
Система счисления – совокупность приемов
обозначения чисел, язык, алфавитом которого
являются символы (цифры), а синтаксисом
- правило, позволяющее сформулировать
запись чисел однозначно.
Таблица 1 – Соответствие между двоичной,
десятичной и шестнадцатеричной системами
счисления
Десятичная система |
Двоичная система |
Шестнадцатеричная система |
0 |
0000 |
0 |
1 |
0001 |
1 |
2 |
0010 |
2 |
3 |
0011 |
3 |
4 |
0100 |
4 |
5 |
0101 |
5 |
6 |
0110 |
6 |
7 |
0111 |
7 |
8 |
1000 |
8 |
9 |
1001 |
9 |
10 |
1010 |
A |
11 |
1011 |
B |
12 |
1100 |
C |
13 |
1101 |
D |
14 |
1110 |
E |
15 |
1111 |
F |