2. Арифметические и логические основы работы эвм

Все фантастические возможности вычислительной техники (ВТ) реализуются путем создания разнообразных комбинаций сигналов высокого и низкого уровней, которые условились называть «единицами» и «нулями». Поэтому мы, в отличие от поэта В. Маяковского, не склонны недооценивать роль единицы, как, впрочем, и нуля. Особенно если речь идет о двоичной системе счисления.

Под системой счисления (СС) понимается способ представления любого числа посредством алфавита символов, называемых цифрами.

СС называется позиционной, если одна и та же цифра имеет различное значение, которое определяется ее местом в числе.

Десятичная СС является позиционной. На рисунке слева значение цифры 9 изменяется в зависимости от ее положения в числе. Первая слева девятка делает вклад в общее значение десятичного числа 900 единиц, вторая – 90, а третья – 9 единиц.

Римская СС является непозиционной. Значение цифры X в числе XXI остается неизменным при вариации ее положения в числе.

Количество различных цифр, употребляемых в позиционной СС, называется основанием СС. В десятичной СС используется десять цифр: 0, 1, 2. 9; в двоичной СС – две: 0 и 1; в восьмеричной СС – восемь: 0, 1, 2. 7. В СС с основанием Q используются цифры от 0 до Q – 1.

В общем случае в позиционной СС с основанием Q любое число х может быть представлено в виде полинома:

где в качестве коэффициентов а_i могут стоять любые цифры, используемые в данной СС.

Принято представлять числа в виде, последовательности входящих в полином соответствующих цифр (коэффициентов):

Запятая отделяет целую часть числа от дробной части. В ВТ чаще всего для отделения целой части числа от дробной части используют точку. Позиции цифр, отсчитываемые от точки, называют разрядами. В позиционной СС вес каждого разряда отличается от веса (вклада) соседнего разряда в число раз, равное основанию СС. В десятичной СС цифры 1-го разряда – единицы, 2-го – десятки, 3-го – сотни и т. д.

В ВТ применяют позиционные СС с недесятичным основанием: двоичную, восьмеричную, шестнадцатеричную системы и др. Для обозначения используемой СС числа заключают в скобки и индексом указывают основание СС:

Иногда скобки опускают и оставляют только индекс:

Есть еще один способ обозначения СС: при помощи латинских букв, добавляемых после числа. Например,

Установлено, что, чем больше основание СС, тем компактнее запись числа. Так двоичное изображение числа требует примерно в 3,3 раза большего количества цифр, чем его десятичное представление. Рассмотрим два числа: 97D = 1100001В. Двоичное представление числа имеет заметно большее количество цифр.

Несмотря на то что десятичная СС имеет широкое распространение, цифровые ЭВМ строятся на двоичных (цифровых) элементах, так как реализовать элементы с десятью четко различимыми состояниями сложно. В другой системе счисления могут работать приборы декатрон и трохотрон. Декатрон – газоразрядная счетная лампа – многоэлектродный газоразрядный прибор тлеющего разряда для индикации числа импульсов в десятичной СС.

Указанные устройства не нашли применения для построения средств ВТ. Историческое развитие вычислительной техники сложилось таким образом, что цифровые ЭВМ строятся на базе двоичных цифровых устройств (триггеров, регистров, счетчиков, логических элементов и т. п.).

Заметим, что отечественная ЭВМ «Сетунь» (автор – Н.П. Брусенцов) работала с использованием троичной системы счисления.

Шестнадцатеричная и восьмеричная СС используются при составлении программ на языке машинных кодов для более короткой и удобной записи двоичных кодов – команд, данных, адресов и операндов. Перевод из двоичной СС в шестнадцатеричную и восьмеричную СС (и обратно) осуществляется достаточно просто.

Задача перевода из одной системы счисления в другую часто встречается при программировании и особенно часто при программировании на языке Ассемблера. Например, при определении адреса ячейки памяти, для получения двоичного или шестнадцатеричного эквивалента десятичного числа. Отдельные стандартные процедуры языков программирования Паскаль, Бейсик, HTML и Си требуют задания параметров в шестнадцатеричной системе счисления. Для непосредственного редактирования данных, записанных на жесткий диск, также необходимо умение работать с шестнадцатеричными числами. Отыскать неисправность в ЭВМ практически невозможно без представлений о двоичной системе счисления. Без двоичной СС невозможно понять принципы криптографии и стеганографии.

В табл. 1 приведены некоторые числа, представленные в различных СС.

Системы счисления

Арифметические основы компьютера.

Представление информации в компьютере.

Для автоматизации работы с данными, которые относятся к разным типам, унифицируют их форму представления. Это можно сделать с помощью кодирования данных на единой основе. В быту используют такие системы кодировки, как азбука Морзе, Брайля, коды морских сигналов. Основное понятие арифметики это число. Число – абстрактное выражение количества. Компьютер обрабатывает информацию, представленную только в числовой форме. Он оперирует с кодами и числами, представленными в некоторой системе счисления.

Система счисления – способ представления чисел(правило записи и получения чисел), с помощью фиксированного набора символов, обозначающих цифры. По способу представления чисел системы счисления разделяются на позиционные и непозиционные.

Непозиционные системы для записи числа используют множество символов. Значение символа не зависит от местоположения его в числе(римская СС).

Позиционная система счисления – когда от позиции цифры в числе зависит ее вес(555 –единицы, десятки, сотни). Всякая позиционная СС характеризуется основанием, т.е. количеством цифр, используемых для записи числа. За основание СС можно принять любое натуральное число.

10 ая – использует 10 цифр → 0, 1… 9

2 ая – 2 цифры → 0, 1

Люди предпочитают 10 ую (это удобно, видимо потому, что с древних времен считали по пальцам).

В вычислительной технике система кодирования основана на представлении данных в двоичной системе счисления. Компьютеры используют 2 ую систему, т.к. имеется ряд преимуществ:

• Для ее реализации нужны устройства всего с двумя устойчивыми состояниями (есть ток, нет тока). Это надежнее, чем, например, 10 ая ;
• возможно применение аппарата булевой алгебры;
• двоичная арифметика проще десятичной;
• представление информации с помощью 2-х состояний более надежно.

11. Арифметические и логические основы работы компьютера.

Алгебра логики — это раздел математики, изучающий высказывания, рассматриваемые со стороны их логических значений (истинности или ложности) и логических операций над ними.

Алгебра логики возникла в середине ХIХ века в трудах английского математика Джорджа Буля. Ее создание представляло собой попытку решать традиционные логические задачи алгебраическими методами.

Логическое высказывание — это любoе повествовательное пpедлoжение, в oтнoшении кoтopoгo мoжно oднoзначнo сказать, истиннo oнo или лoжнo.

Так, например, предложение “6 — четное число” следует считать высказыванием, так как оно истинное. Предложение “Рим — столица Франции” тоже высказывание, так как оно ложное.

Разумеется, не всякое предложение является логическим высказыванием. Высказываниями не являются, например, предложения “ученик десятого класса” и “информатика — интересный предмет“. Первое предложение ничего не утверждает об ученике, а второе использует слишком неопределённое понятие “интересный предмет“. Вопросительные и восклицательные предложения также не являются высказываниями, поскольку говорить об их истинности или ложности не имеет смысла.

Предложения типа “в городе A более миллиона жителей“, “у него голубые глаза” не являются высказываниями, так как для выяснения их истинности или ложности нужны дополнительные сведения: о каком конкретно городе или человеке идет речь. Такие предложения называются высказывательными формами.

Алгебра логики рассматривает любое высказывание только с одной точки зрения — является ли оно истинным или ложным. Заметим, что зачастую трудно установить истинность высказывания. Так, например, высказывание “площадь поверхности Индийского океана равна 75 млн кв. км” в одной ситуации можно посчитать ложным, а в другой — истинным. Ложным — так как указанное значение неточное и вообще не является постоянным. Истинным — если рассматривать его как некоторое приближение, приемлемое на практике.

Употребляемые в обычной речи слова и словосочетания “не”, “и”, “или”, “если. , то”, “тогда и только тогда” и другие позволяют из уже заданных высказываний строить новые высказывания. Такие слова и словосочетания называются логическими связками.

Bысказывания, образованные из других высказываний с помощью логических связок, называются составными. Высказывания, не являющиеся составными, называются элементарными.

Так, например, из элементарных высказываний “Петров — врач“, “Петров — шахматист” при помощи связки “и” можно получить составное высказывание “Петров — врач и шахматист“, понимаемое как “Петров — врач, хорошо играющий в шахматы“.

При помощи связки “или” из этих же высказываний можно получить составное высказывание “Петров — врач или шахматист“, понимаемое в алгебре логики как “Петров или врач, или шахматист, или и врач и шахматист одновременно“.

Истинность или ложность получаемых таким образом составных высказываний зависит от истинности или ложности элементарных высказываний.

Чтобы обращаться к логическим высказываниям, им назначают имена. Пусть через А обозначено высказывание “Тимур поедет летом на море”, а через В — высказывание “Тимур летом отправится в горы”. Тогда составное высказывание “Тимур летом побывает и на море, и в горах” можно кратко записать как А и В. Здесь “и” — логическая связка, А, В — логические переменные, которые мoгут принимать только два значения — “истина” или “ложь”, обозначаемые, соответственно, “1” и “0”.

Каждая логическая связка рассматривается как операция над логическими высказываниями и имеет свое название и обозначение:

НЕ Операция, выражаемая словом “не”, называется отрицанием и обозначается чертой над высказыванием (или знаком ). Высказывание истинно, когда A ложно, и ложно, когда A истинно. Пример. “Луна — спутник Земли” (А); “Луна — не спутник Земли” ().

И Операция, выражаемая связкой “и”, называется конъюнкцией (лат. conjunctio — соединение) или логическим умножением и обозначается точкой “ . “ (может также обозначаться знаками или &). Высказывание А . В истинно тогда и только тогда, когда оба высказывания А и В истинны. Например, высказывание “10 делится на 2 и 5 больше 3” истинно, а высказывания “10 делится на 2 и 5 не больше 3”, “10 не делится на 2 и 5 больше 3”, “10 не делится на 2 и 5 не больше 3” — ложны.

ИЛИ Операция, выражаемая связкой “или” (в неисключающем смысле этого слова), называется дизъюнкцией (лат. disjunctio — разделение) или логическим сложением и обозначается знаком v (или плюсом). Высказывание А v В ложно тогда и только тогда, когда оба высказывания А и В ложны. Например, высказывание “10 не делится на 2 или 5 не больше 3” ложно, а высказывания “10 делится на 2 или 5 больше 3”, “10 делится на 2 или 5 не больше 3”, “10 не делится на 2 или 5 больше 3” — истинны.

ЕСЛИ-ТО Операция, выражаемая связками “если . то”, “из . следует”, “. влечет . “, называется импликацией (лат. implico — тесно связаны) и обозначается знаком . Высказывание ложно тогда и только тогда, когда А истинно, а В ложно.

Математический аппарат алгебры логики очень удобен для описания того, как функционируют аппаратные средства компьютера, поскольку основной системой счисления в компьютере является двоичная, в которой используются цифры 1 и 0, а значений логических переменных тоже два: “1” и “0”.

Из этого следует два вывода:

1. одни и те же устройства компьютера могут применяться для обработки и хранения как числовой информации, представленной в двоичной системе счисления, так и логических переменных;

При подготовке материала использовались источники:
https://studfile.net/preview/2069446/page:8/
https://studfile.net/preview/2535719/
https://studfile.net/preview/7419730/page:7/