Предмет «Арифметические и логические основы вычислительных машин» является одним из первых специальных курсов, который формирует у студентов понимание основополагающих вопросов организации ЭВМ, принципы построения отдельных составных частей ЭВМ, их взаимосвязь.

Цели данного учебного предмета :

1. Изучить понятия систем счисления и их классификацию, а так же формы представления чисел
2. Изучить сведения об основных формах хранения и преобразования числовой информации, способах ее кодирования
3. Приобрести теоретические и практические знание и навыки выполнение основных арифметических операций в двоичной (и др.) системах счисления
4. Изучить минимизацию логических функций разными методами
5. Приобрести знания и понимая структурных и логических схем, реализующих алгоритмы арифметических и др. операций
6. Изучить синтез логических схем в различных базисах
7. Изучить формы и особенности различных последовательных логических устройств
8. На практике рассмотреть работу с НЯП (низкоуровневыми языками программирования) в эмуляторе х86

Содержание

Вводная

<aside> 💡 Электро́нная вычисли́тельная маши́на (сокращённо ЭВМ) — комплекс технических, аппаратных и программных средств, предназначенных для автоматической обработки информации, вычислений, автоматического управления

</aside>

<aside> 💡 Компьютер (англ, computer — вычислитель) представляет собой программи­руемое устройство, способное обрабатывать данные и производить вычисления, а также выполнять другие задачи манипулирования символами.

</aside>

<aside> 🚨 Т.Е. не каждый компьютер это ЭВМ, но любая ЭВМ это компьютер

</aside>

История ЭВМ

Лента времени

• 1642 г. — французский математик Блез Паскаль сконструировал первую ме­ханическую счетную машину «Паскалина», которая могла механически выпол­нять сложение чисел.
• 1673 г. — Готфрид Вильгельм Лейбниц сконструировал арифмометр, позво­ляющий механически выполнять четыре арифметических действия.
• Первая половина XIX в. — английский математик Чарльз Бэббидж попытался построить универсальное вычислительное устройство, то есть компьютер. Бэб­бидж называл его аналитической машиной. Он определил, что компьютер должен содержать память и управляться с помощью программы. Компьютер по Бэбби­джу — это механическое устройство, программы для которого задаются посред­ством перфокарт — карт из плотной бумаги с информацией, наносимой с помо­щью отверстий (они в то время уже широко употреблялись в ткацких станках).
• 1941 г. — немецкий инженер Конрад Цузе построил небольшой компьютер на основе нескольких электромеханических реле.
• 1943 г. — в США на одном из предприятий фирмы IBM Говард Эйкен создал компьютер под названием «Марк-1». «Марк-1» имел размеры: 15 * 2 * 5 м и содержал 750 000 дета­лей. Машина была способна перемножить два 32-разрядных числа за 4 с.
• 1943 г. — в США группа специалистов под руководством Джона Мочли и Проспера Экерта начала конструировать компьютер ENIAC на основе электрон­ных ламп.
• 1945 г. — к работе над ENIAC был привлечен математик Джон фон Нейман, который подготовил доклад об этом компьютере. В своем докладе фон Нейман сформулировал общие принципы функционирования компьютеров,
• 1947 г. — Экертом и Мочли начата разработка первой электронной серийной машины UNIVAC (Universal Automatic Computer). Первый образец машины (UNIVAC-1) был построен для бюро переписи США и пущен в эксплуатацию весной 1951 г.
• 1951 г. — Дж. Форрестер опубликовал статью о применении магнитных сер­дечников для хранения цифровой информации. В машине «Whirlwind-1» впервые была применена память на магнитных сердечниках. Она представляла собой 2 ку­ба с 32-32-17 сердечниками, которые обеспечивали хранение 2048 слов для 16- разрядных двоичных чисел с одним разрядом контроля на четность.
• 1952 г. — фирма IBM выпустила свой первый промышленный электронный компьютер IBM 701, который представлял собой синхронную ЭВМ параллельно­го действия, содержащую 4000 электронных ламп и 12 000 диодов. В этой ма­шине впервые была применена косвенная адресация и впервые появились каналы ввода — вывода.
• 1952 г. — фирма Remington Rand выпустила ЭВМ UNIVAC-t 103, в которой впервые были применены программные прерывания. Сотрудники фирмы Remington Rand использовали алгебраическую форму записи алгоритмов под названием «Short Code» (первый интерпретатор, созданный в 1949 г. Джоном Мочли).
• 1956 г. — фирмой IBM были разработаны плавающие магнитные головки на воздушной подушке. Изобретение их позволило создать новый тип памяти — дисковые запоминающие устройства (ЗУ)
• 1956 г. — фирма Ferranti выпустила ЭВМ «Pegasus», в которой впервые нашла воплощение концепция регистров общего назначения (РОН). С появлением РОН устранено различие между индексными регистрами и аккумуляторами, и в распоряжении программиста оказался не один, а несколько регистров-аккумуляторов.
• 1957 г. — группа под руководством Д. Бэкуса завершила работу над первым языком программирования высокого уровня, получившим название ФОРТРАН. Язык, реализованный впервые на ЭВМ IBM 704, способствовал расширению сфе­ры применения компьютеров.
• 1974 г. — несколько фирм объявили о создании на основе микропроцессора Intel-8008 персонального компьютера — устройства, выполняющего те же функ­ции, что и большой компьютер, но рассчитанного на одного пользователя. СИСТЕМА НА ЧИПЕ
• Конец 1975 г. — Пол Аллен и Билл Гейтс (будущие основатели фирмы Microsoft) создали для компьютера «Альтаир» интерпретатор языка Basic, позво­ливший пользователям просто общаться с компьютером и легко писать для него программы.
• 1981 - 1978 г. году компания Intel выпустила первый 16-битный микропроцессор 8086. Его разработка велась более двух лет. Процессор производился по 3-мкм техпроцессу, содержал 29 000 транзисторов. Объем памяти достигал 1 Мб. Тактовая частота составляла 4 МГц — 10 МГц, разрядность регистров и шины данных была 16 бит, а разрядность шины адреса — 20 бит. Intel 8086 отличался скоростью работы. Для увеличения продаж 8086 Intel выпустила процессор 8088, который во многом соответствовал предшественнику. Только уменьшилась ширина шины, с 16 бит до 8 бит. Подобное изменение позволило процессору работать с 8-разрядными микросхемами поддержки. Также несколько изменилась архитектура. В микропроцессоре Intel 8088 использовалась очередь упреждающей выборки длиной 4-байта, а не 6-байт. Так же компания IBM представила персональный компьютер IBM PC. В качестве основного микропроцессора компьютера использовался 16-раз­рядный микропроцессор Intel-8088, который позволял работать с 1 мегабайтом памяти.

Четная машина «Паскали́на» (фр. Pascaline)

Аналитическая машина Чарльза Бэббиджа

Компьютер Z1 Конрада Цузе

Процесс введение программы на компьютере ENIAC

Блок памяти на магнитных сердечниках

Пример кода на языке ФОРТРАН

Процессор Intel-8008

Арифмометр Готфрида Вильгельма Лейбница

Перфокарты на ткацких станках

Компьютер «Марк-1»

Компьютер UNIVAC

Промышленный электронный компьютер IBM 701

Дисковые запоминающие устройства с использованием плавающих магнитных головок на воздушной подушке

IBM 5150 - компьютер использующий микропроцессор Intel-8088

Классификация ЭВМ

Общая классификация

Классификация по поколения ЭВМ

Теория информации

Для того что бы говорить об основах теории информации, нужно сначала понять что такое информация. Вашему внимаю предоставляются 3 разных определения, каждое описывает понятия Информация с разных сторон:

Определение информации

<aside> 💡 Информация - нематериальная сущность, при помощи которой с любой точностью можно описывать реальные (материальные), виртуальные (возможные) и понятийные сущности

</aside>

<aside> 💡 Информация - противоположность неопределенности

</aside>

<aside> 💡 Информация - это совокупность сведений, подлежащих хранению, передачи, об-работке и использованию в человеческой деятельности

</aside>

При этом не одно их них не является правильным и однозначным. Куда лаконичней и научно было бы определить информацию исходя из ее свойств.

Основные свойства информации:

1. Информация приносит знания об окружающем мире, которых в рассматриваемой точке пространства не было до ее получения.
2. Информация не материя, а свойство организованной материи. Информация такое же неотъемлемое свойство материи как масса и энергия, однако, в отличие от них она не подчиняется законам сохранения, подобным законам сохранения массы и энергии.
3. Информация не материальна, но она проявляется в виде материальных носителей — символов и сигналов. Причем символы — это реальные различимые получателем материальные объекты (буквы, цифры, изображения), а сигналы — это динамические процессы, т.е. изменяющиеся во времени или пространстве значения любой физической величины.
4. Информация может быть заключена как в самих символах, так и в их взаимном расположении (например, символы Т, Р, С, О могут принести информацию: торс, сорт, трос, рост и т.д.). Символы и сигналы несут информацию только для получателя, способного их распознать, т.е. поставить в соответствие принятым символам и сигналам объекты реального мира и их отношения.
5. Символы и сигналы несут информацию только для получателя, способного их распознать Т.е. поставить в соответствие принятым символам и сигналам объекты реального мира и их отношения.

<aside> ℹ️ Алфавит источника сообщений — все множество различных символов, генерируемых источником сообщений.

</aside>

<aside> ℹ️ Объем алфавита источника сообщений — число различных символов, генерируемых источником сообщений.

</aside>

<aside> ℹ️ Кодирование - это преобразование информации из одной формы представления (знаковой системы) в другую.

</aside>

<aside> ℹ️ Обратную операцию называют декодированием.

</aside>

<aside> ℹ️ Шум - это помехи в канале связи при передаче информации.

</aside>

Системы счисления (двоичная система счисления)

<aside> 💡 Система счисления (далее СС) - совокупность приёмов и правил для записи чисел цифровыми знаками. Наиболее известна десятичная СС, в которой для записи чисел используются цифры 0, 1, … , 9. Способов записи чисел цифровыми знаками существует бесчисленное множество.

</aside>

Любая предназначенная для практического применения СС должна обеспечивать:

• возможность представления любого числа в рассматриваемом диапазоне величин;
• единственность представления (каждой комбинации символов должна соответствовать одна и только одна величина);
• простоту оперирования числами;

В зависимости от способов изображения чисел цифрами, системы счисления делятся на непозиционные и позиционные.