Лекция 11. Организация данных в ЭВМ

11.1. Как представляются данные в ЭВМ

При проведении математических расчетов числа внутри ЭВМ могут быть представлены с помощью естественной и нормальной форм записи. При записи числа в естественной форме (123.456) машинное слово (операнд) делится на два фиксированных поля (части). Первое поле отводится для записи целой части числа, второе - дробной. Старший разряд предназначается для указания знака числа.

Так как положение точки между целой и дробной частью четко определено, то такое представление называют представлением с фиксированной точкой.

Машинное слово является структурной единицей информации ЭВМ. С помощью машинного слова записывают числа, символы и команды. В современных ЭВМ длина машинных слов составляет 32…128 разрядов. Физически каждый разряд машинного слова представляет собой отдельный элемент памяти. Недостатком формы с фиксированной точкой является малый диапазон представления чисел. Как правило, в этой форме записывают только целые числа:

Нормальная форма записи числа имеет вид: n = m ^. d ^p , где m - мантисса числа, p - порядок, d - основание системы счисления. Порядок указывает местоположение в числе точки, отделяющей целую часть числа от дробной. В этом случае машинное слово делится на два основных поля. В одном записывается мантисса, во втором - указывается порядок.

Например, пусть m = 0.3, d = 10, а порядок будем брать разным:

0.3^.10^-1 = 0.03; 0.3^.10^-2 = 0.003; 0.3^.10² = 30; 0.3^.10³ = 300.

Из приведенного примера видно, что благодаря изменению порядка точка перемещается (плавает) по мантиссе. При этом если порядок отрицательный, точка смещается по мантиссе влево, а если положительный, то вправо.

Диапазон представления чисел с плавающей точкой значительно больше диапазона представления чисел с фиксированной точкой. Но быстродействие при обработке чисел с плавающей точкой гораздо ниже.

11.2. Что такое команда

В общем случае, команда содержит следующую информацию:

• код выполняемой операции;
• указания по определению операндов (или их адресов);
• указания по размещению получаемого результата.

В зависимости от количества операндов, команды бывают:

• одноадресные;
• двухадресные;
• трехадресные;
• переменноадресные.

Команды хранятся в ячейках памяти в двоичном коде.

В современных компьютерах длина команд переменная (обычно от двух до четырех байтов), а способы указания адресов переменных весьма разнообразные. В адресной части команды может быть указан, например:

• сам операнд (число или символ);
• адрес операнда (номер байта, начиная с которого расположен операнд);
• адрес адреса операнда (номер байта, начиная с которого расположен адрес операнда), и др.

Рассмотрим несколько возможных вариантов команды сложения (англ. add — сложение), при этом вместо цифровых кодов и адресов будем пользоваться условными обозначениями:

• одноадресная команда add x (содержимое ячейки x сложить с содержимым сумматора, а результат оставить в сумматоре)
   
  

  add

  x

  
  
• двухадресная команда add x, y (сложить содержимое ячеек x и y, а результат поместить в ячейку y)
   
  

  add

  x

  y

  
  
• трехадресная команда add x, y, z (содержимое ячейки x сложить с содержимым ячейки y, сумму поместить в ячейку z)
   
  

  add

  x

  y

  z

  
  

11.3. Как выполняется команда

Выполнение команды можно проследить по схеме:

Общая схема компьютера

Как пpавило, этот процесс разбивается на следующие этапы:

• из ячейки памяти, адрес которой хранится в счетчике команд, выбирается очередная команда; содержимое счетчика команд при этом увеличивается на длину команды;
• выбранная команда передается в устройство управления на регистр команд;
• устройство управления расшифровывает адресное поле команды;
• по сигналам УУ операнды считываются из памяти и записываются в АЛУ на специальные регистры операндов;
• УУ расшифровывает код операции и выдает в АЛУ сигнал выполнить соответствующую операцию над данными;
• результат операции либо остается в процессоре, либо отправляется в память, если в команде был указан адрес результата;
• все предыдущие этапы повторяются до достижения команды “стоп”.

11.5. Что такое файловая система

Файлы физически реализуются как участки памяти на внешних носителях — магнитных дисках или CD-ROM. Каждый файл занимает некоторое количество блоков дисковой памяти. Обычная длина блока — 512 байт.

Обслуживает файлы специальный модуль операционной системы, называемый драйвером файловой системы. Каждый файл имеет имя, зарегистрированное в каталоге — оглавлении файлов.

Каталог (иногда называется директорией или папкой) доступен пользователю через командный язык операционной системы. Его можно просматривать, переименовывать зарегистрированные в нем файлы, переносить их содержимое на новое место и удалять.

Каталог может иметь собственное имя и храниться в другом каталоге наряду с обычными файлами: так образуются иерархические файловые структуры. Пример такой структуры — на рис. 11.1.

Рис. 11.1. Дерево каталогов на диске

К файловой системе имеет доступ также и любая прикладная программа, для чего во всех языках программирования имеются специальные процедуры.

Понятие файла может быть обращено на любой источник или потребитель информации в машине, например, в качестве файла для программы могут выступать принтер, дисплей, клавиатура и др.

Структура файловой системы и структура хранения данных на внешних магнитных носителях определяет удобство работы пользователя, скорость доступа к файлам и т.д.