Организация системы. Пример: триггер. Откуда эффект хранения? Новое качество? От внутренней организации!
Организация - это способ объединении элементов, целью которой является получение требуемых функций в системах, состоящих из большого числа элементов.
Суть понятия организация заключается в ответе на вопрос: как организовать связи меду необходимыми элементами в единое целое, чтобы получить нужный эффект - заданную функцию!
В технике этот вопрос обычно формулируется так: организовать элементы в систему наилучшим, оптимальным образом.
В теории сложных систем различают два типа организации:
- функциональную
- и структурную.
Функциональная организация - это принципы построения абстрактных систем, то есть систем, заданных только их функциями. Примеры:
- таблица истинности для логических элементов (ЛЭ),
- набор алгоритмов операций для АЛУ.
Структурная организация - это принципы перевода абстрактных систем в материальные (реальные) системы. Другими словами, это методы, приемы, правила, с помощью которых осуществляется переход от функции F системы к структуре S, ее реализующей (F—>S).
Примеры:
- переход от таблицы истинности для ЛЭ к схеме (структуре) ЛФ,
- переход от функции АЛУ FАЛУ к структуре АЛУ.
Следует отметить, что если переход от F к S, а также с одного уровня иерархии на другой, более детальный, подробный (сверху - вниз) формализован, то процесс проектирования осуществляется за один шаг или, как говорят, становится делом техники, т. к. сводится к добросовестному следованию правилам перехода от F к S.
Однако, к сожалению, чаще всего, этот переход не формализован (поэтому, собственно, и сложные системы).
Какой выход? Эвристические, не формальные методы проектирования, которые не гарантируют получение оптимального решения за один шаг. Поэтому проектирование сложных систем носит характер инженерной импровизации, творческий характер (это не ремесло), и реализуется итерационно. Результат проектирования существенно зависит от опыта и интуиции разработчика.
Элемент - это условное понятие, удобное для описания системы на данном уровне иерархии (детализации).
Элемент - неделимая частица лишь на данном уровне иерархии. На других более низких уровнях элемент рассматривается как система, структура которой, в свою очередь, строится на основе более простых элементов и связей между ними.
Пример: АЛУ строится на базе сумматоров, регистров, счетчиков и х.п. элементов. В свою очередь, каждый из них строится на базе элементов другого уровня - логических элементов.
Каждый ЛЭ, в свою очередь, состоит из полупроводниковых (электронных) элементов: транзисторов, резисторов, диодов, конденсаторов и электрических проводников для связи между ними.
Основные факторы,
определяющие принципы организации ЭВМ
Выделяют два основных фактора - назначение ЭВМ и элементная база.
Элементная база. В ЭВМ используется исключительно двоично-кодированная форма представления информации по следующим причинам:
Во-первых, потому, что при этом предельно упрощается конструкция элементов н машины в целом.
Пример1: двоичная и десятичная арифметика – существенно отличаются по уровню сложности алгоритмов операций и, как следствие, сложности устройств, реализующих эти операции.
Пример2: триггер как элемент с двумя устойчивыми состояниями, обеспечивающий хранение двоичной цифры и элемент с десятью устойчивыми состояниями как элемент хранения десятичной цифры (существенно сложнее и дороже триггера).
Во-вторых (Вторая причина)- при использовании двоично-кодированной формы существенно возрастает надёжность элементов и ЭВМ в целом, как следствие первой причины – простые системы надежней сложных.
Назначение ЭВМ. Из определения ЭВМ (автоматизация обработки информации на основе алгоритмов) следует, что принципы организации ЭВМ неизбежно должны зависеть от свойств алгоритмов. Каких? Наиболее существенное влияние на организацию ЭВМ оказывают следующие три свойства алгоритмов.
1. Детерминированность (однозначность, предопределенность) вычислительных процессов, порождаемых алгоритмами.
Детерминированность процессов - это основное свойство алгоритмов, которое позволило Джону фон Нейману использовать алгоритм как основу, источник управления процессом вычислений, процессом обработки информации в ЭВМ. А именно: алгоритм представляется в форме программы, вводится в память машины и используется для управления вычислительным процессом, (отсюда, кстати, потребность в ''армии" программистов).
2. При описании алгоритмов используется конечный набор элементарных операций. Примеры из начальной школы: правила умножения, деления н т.д.
Конечный набор элементарных операций определяет, для аппаратуры ЭВМ (т.е. ВК) конечный набор сравнительно простых операций: сложение, вычитание, умножение, деление и др.
F = {+,—,x,/,...}.
3. Дискретное представление информации, с которой оперируют алгоритмы. Как оно влияют на организацию ЭВМ?
Из этого свойства следует, что информация в ЭВМ представляется исключительно в дискретной форме — числовой, символьной, в форме логических значений. Причём, с учетом фактора элементной базы - не просто числовой, символьной и т.д., а еще и в единой (общей для всех форм) двоично-кодированной форме.
Анализируя сказанное, можно сформулировать принципы построения и функционирования современных ЭВМ в виде нескольких основных тезисов. Впервые их сформулировал Джон фон Нейман в 1945 году под названием ''Принципы программного управления ЭВМ". В популярном изложении их можно сформулировать следующим образом.
1. Информация, подлежащая обработке с помощью 5ВМ, кодируется в двоичной форме и разделяется на единицы информации - слова. Слово - это совокупность двоичных элементов: а1, а2 ,…, аk, где ai Î{0, 1}, k = 8, 16, 32, 64. k=const.
2. Перед обработкой слова информации (исходные данные) размещаются в ячейках памяти ЭВМ. Ячейка памяти - это место хранения одного слова информации. Ячейки памяти нумеруются. Номер ячейки памяти называют адресом ячейки..
3. Алгоритм обработки информации представляется в виде последовательности управляющих слов - т.н. команд. Каждая команда задает, предписывает аппаратуре ЭВМ тип выполняемой операции (указывает одну операцию из списка F), т.е. указывает аппаратуре что делать. Кроме того, команда, в случае необходимости, указывает и местоположение операндов в памяти машины путём указания номера ячейки, т.е. указывает аппаратуре, где взять данные для обработки. Алгоритм, представленный в терминах команд, называют программой.
4. Команды, как и данные, кодируются в двоичной форме и располагаются в ячейках памяти ЭВМ.
5. Выполнение операций, предписанных программой, сводится к поочерёдному выбору команд из памяти и их выполнению (интерпретации) аппаратурой ЭВМ. Порядок, в котором команды извлекаются из памяти, задаётся алгоритмом решения задачи и зависит от исходных данных.