Компьютерная обработка информации. Принцип фон Неймана. Обобщенная структура универсальной ЭВМ. (Ответы на экзаменационные билеты по информатике)

Обработка - одна из основных операций, выполняемых над ин­формацией, и главное средство увеличения ее объема и разнообра­зия. В общем случае при решении задач обработки информации на компьютере строится модель того аспекта реального или вообра­жаемого мира, к которому будет применяться алгоритм решения задачи. В такой модели информацию об объекте исследования пред­ставляют в формализованном виде: в виде структур данных («ин­формационных объектов»), представляющих собой некоторую аб­стракцию данного объекта. Абстракция (от лат. — отвлечение) подразумевает выделение наиболее существенных с точки зрения задачи обработки свойств и связей. Так, при решении задач учета успеваемости учащегося необходимая информация о нем может быть представлена набором таких идентифицирующих данных, как фамилия, имя, отчество, номер учебной группы, сред­ний балл. При этом несущественные для данной задачи характери­стики, например рост, вес, цвет волос, учтены не будут.

Обработка информации - преобразование одних «инфор­мационных объектов» (структур данных) в другие путем выпол­нения некоторых алгоритмов. Для механизации и автоматизации процесса обработки информации и вычислений, выполняемых в соответствии с заданным алгоритмом, используют различные типы вычислительных машин: механические, электрические, электронные (ЭВМ), гидравлические, пневматические, оптические и комбинированные.

В современной информатике основным исполнителем алгорит­мов является ЭВМ, называемая также компьютер (от англ. — вычислитель).

ЭВМ — электронное устройство, предназначенное для авто­матизации процесса алгоритмической обработки информации и вычислений.

В зависимости от формы представления обрабатываемой инфор­мации вычислительные машины делятся на три больших класса:

• цифровые вычислительные машины (ЦВМ), обрабатыва­ющие информацию, представленную в цифровой форме;

• аналоговые вычислительные машины (АВМ), обрабатыва­ющие информацию, представленную в виде непрерывно ме­няющихся значений какой-либо физической величины (элек­трического напряжения, тока и т. д.);

• гибридные вычислительные машины (ГВМ), содержащие как аналоговые, так и цифровые вычислительные устройства.

Согласно фон Нейману, для того чтобы ЭВМ была универсаль­ным и эффективным устройством обработки информации, она дол­жна строиться в соответствии со следующими принципами.

1. Информация кодируется в двоичной форме и разделяется на единицы (элементы) информации, называемые словами.

Использование в ЭВМ двоичных кодов продиктовано в первую очередь спецификой электронных схем, применяемых для передачи, хранения и преобразования информации. В этом случае конструк­ция ЭВМ предельно упрощается и ЭВМ работает наиболее надежно (устойчиво). Совокупности нолей и единиц (битов информации), используемые для представления отдельных чисел, команд и т. п., рассматриваются как самостоятельные информационные объекты и называются словами. Слово обрабатывается в ЭВМ как одно целое -как машинный элемент информации.

2. Разнотипные слова информации хранятся в одной и той же памяти и различаются по способу использования, но не по способу кодирования.

Все слова, представляющие числа, команды и прочие объекты, выглядят в ЭВМ совершенно одинаково и сами по себе неразличи­мы. Только порядок использования слов в программе вносит раз­личия в слова. Благодаря такому «однообразию» слов оказывается возможным использовать одни и те же операции для обработки слов различной природы, например для обработки и чисел, и команд, т. е. команды программы становятся в такой же степени доступны­ми для отработки, как и числа.

3. Слова информации размещаются в ячейках памяти машины и идентифицируются номерами ячеек, называемыми адресами слов.

Структурно основная память состоит из перенумерованных яче­ек. Ячейка памяти выделяется для хранения значения величины, в частности константы или команды. Чтобы записать слово в память, необходимо указать адрес ячейки, отведенной для хранения соответ­ствующей величины. Чтобы выбрать слово из памяти (прочитать его), следует опять же указать адрес ячейки памяти, т. е. адрес ячей­ки, в которой хранится величина или команда, становится машин­ным идентификатором (именем) величины и команды. Таким обра­зом, единственным средством для обозначения величин и команд в ЭВМ являются адреса, присваиваемые величинам и командам в про­цессе составления программы вычислений. При этом выборка (чте­ние) слова из памяти не разрушает информацию, хранимую в ячей­ке. Это позволяет любое слово, записанное однажды, читать какое угодно число раз, т. е. из памяти выбираются не слова, а копии слов.

4. Алгоритм представляется в форме последовательности управляющих слов, называемых командами, которые определяют наименование операции и слова информации, участвующие в операции. Алгоритм, представленный в терминах машинных команд, называется программой.

5. Выполнение вычислений, предписанных алгоритмом, сводит­ся к последовательному выполнению команд в порядке, однознач­но определяемом программой.

Первой выполняется команда, заданная пусковым адресом про­граммы. Обычно это адрес первой команды программы. Адрес сле­дующей команды однозначно определяется в процессе выполнения текущей команды и может быть либо адресом следующей по по­рядку команды, либо адресом любой другой команды. Процесс вы­числений продолжается до тех пор, пока не будет выполнена коман­да, предписывающая прекращение вычислений.