Лекція №1: Мета та завдання вивчення схемотехніки, інформаційні основи та сигнали

Загальні відомості про дисципліну «Схемотехніка та архітектура комп’ютерів»

• Схемотехніка та архітектура комп’ютерів — це науково-технічна дисципліна, що займається вивченням теоретичних методів аналізу та синтезу схем електронних обчислювальних машин (ЕОМ) та засобами їхньої технічної реалізації.

• Значення дисципліни:

  • Розвиток комп'ютерної схемотехніки є фундаментом для вдосконалення архітектури комп’ютерів.
  • Це сприяє якісному підвищенню продуктивності та надійності систем.
  • Дозволяє істотно зменшити масові та габаритні показники пристроїв.

• Мета вивчення:

  • Глибоке дослідження архітектури, технічних характеристик та принципів функціонування всіх функціональних вузлів сучасних комп’ютерів.

• Тематичне охоплення:

  • Сучасний стан та майбутні перспективи розвитку обчислювальної техніки.
  • Структура, організація та характеристики обчислювальних комплексів.
  • Запам'ятовуючі пристрої (ЗП), периферійне обладнання та інтерфейси.
  • Системотехніка та принципи роботи основних типів мікропроцесорних систем.
  • Технології створення та експлуатації технічних засобів інформаційних технологій.

• Очікувані навички студентів:

  • Вміння застосовувати інтегральні схеми для реалізації вузлів із набору логічних та аналогових елементів.
  • Навички синтезу комбінаційних схем та цифрових автоматів різної складності.
  • Знання технологічних основ мікроелектроніки та схемотехніки запам'ятовуючих пристроїв.
  • Розуміння принципів мікросхемної реалізації середніх та великих інтегральних схем.

Інформаційні основи комп'ютерної схемотехніки

• Визначення комп'ютера: Комп'ютер — це програмно керована фізична система, призначена для алгоритмічного опрацювання інформації, яка подана у вигляді сигналів.

• Поняття інформації та даних:

  • У широкому сенсі інформація є відбитком реального світу.
  • Інформація — це ресурс життєзабезпечення, який не зменшується; натомість його обсяг наразі подвоюється щороку.
  • Інформація, що підготовлена спеціально для опрацювання на комп'ютерах, називається даними.

• Етапи інформаційного процесу:

  1. Збирання: отримання інформації з джерел та представлення її у формі, придатній для введення в ЕОМ.
  2. Передача: пересилання даних від джерела до безпосереднього приймача.
  3. Зберігання: процес передачі інформації у часі (консервація даних).
  4. Оброблення: систематичне виконання різних операцій над даними.
  5. Видача: надання результату опрацювання кінцевому користувачеві.

Вимоги до інформації та структура інформатики

• Основні вимоги до інформації:

  • Коректність: однозначність сприйняття даних.
  • Цінність та оперативність: корисність та актуальність інформації на момент використання.
  • Точність та достовірність: відповідність реальному стану об'єкта.
  • Стійкість: здатність системи реагувати на зміни в початкових даних.
  • Достатність (повнота): наявність мінімального обсягу даних, необхідного для прийняття правильного рішення.

• Складові частини інформатики:

  • Теорія інформації.
  • Алгоритмічні, програмні та комп'ютерні засоби обробки.
  • Архітектура комп’ютерів, системи штучного інтелекту та обчислювальні мережі.

• Завдання теорії інформації:

  • Визначення методів підрахунку кількості інформації в повідомленнях.
  • Розробка раціональних засобів представлення інформації через символи (алфавіти).
  • Формування та оцінка параметрів інформаційних процесів.

Канали передачі та повідомлення

• Повідомлення — це упорядкована послідовність символів (букв, цифр, знаків), закодована в матеріальній формі для передачі.

• Інформаційна модель каналу передачі:

  • Складається з Джерела, Каналу передачі та Приймача.
  • Джерелом/приймачем можуть бути люди або технічні пристрої (датчики, комп'ютери).
  • Канал передачі (зв'язку) — це сукупність пристроїв з одним входом та одним виходом для передачі інформації на відстань.

• Форми повідомлень: звук, текст, зображення, електрична напруга від датчиків (наприклад, від термопар).

Носії інформації

• Носій інформації — це будь-яке запам'ятовуюче предметне середовище для запису та зберігання даних з метою введення в комп’ютер. Він є проміжною ланкою між первинним документом та ЕОМ.

• Операції зберігання:

  • Записування (зміна фізичних або механічних властивостей середовища).
  • Власне зберігання.
  • Зчитування (перетворення збережених даних в електричні сигнали).

• Класифікація носіїв:

  • За середовищем накопичення: неперервні (магнітні стрічки, диски) та дискретні (феритові сердечники, перфокарти, тригери, кріотрони).
  • За типом матеріалу: папір, магнітні плівки/диски, напівпровідникові схеми пам'яті.
  • За засобом зчитування: механічні, оптичні, магнітні, електричні.
  • За конструкцією: стрічкові, дискові, електронні.

Сигнали та модуляція

• Визначення (ДСТУ 2938-94): Сигнал — це зміна фізичної величини, що використовується для пересилання даних. Сигнал є матеріально-енергетичним втіленням повідомлення.

• Утворення сигналу:

  • Енергетичний носій: фізична величина (електромагнітні коливання, напруга тощо).
  • Модуляція: зміна параметрів носія (амплітуди, частоти, фази, тривалості) за законом повідомлення.
  • Інформативні параметри: параметри, що змінюються під час модуляції.

• Класифікація сигналів:

  • За визначеністю: випадкові та детерміновані.
  • За структурою часу: неперервні та дискретні.
  • За роллю в комп'ютері: сигнали адреси, даних або керування.
  • За спектром: низькочастотні/високочастотні, вузькосмужні/широкосмужні.
  • За способом перетворення: кодовані, посилені, дискретизовані.
  • За видом зв'язку: телефонні, телеграфні, радіолокаційні, міжмашинні, внутрішньомашинні.
  • За характером зміни в синхронізовані моменти: потенціальні та імпульсні.

• Ранги інформаційного обміну:

  1. Символи: елементарні одиниці (алфавіт, наприклад двійкові 0 і 1).
  2. Слова: групи символів, що утворюють фрази.

Математичне представлення сигналів

Сигнали описуються математично за допомогою функцій, графіків та законів імовірності. Виділяють чотири основні різновиди сигналів за функцією $y(t)$:

1. Неперервна функція неперервного аргументу: Аналоговий сигнал, визначений на інтервалі $0 \le t \le t_k$.
2. Дискретна функція неперервного аргументу: Значення $y_i$ утворюють дискретний ряд, але аргумент $t$ може бути будь-яким. Процес перетворення називається квантуванням за рівнем.
3. Неперервна функція дискретного аргументу: Значення визначені лише в моменти $t_i$. Процес перетворення називається дискретизацією (квантуванням) у часі.
4. Дискретна функція дискретного аргументу: І значення, і аргумент утворюють дискретні ряди чисел ($y_k, t_k$). Це чисто дискретний сигнал.

• Теорема Котельникова: Сигнал з обмеженим спектром повністю визначається своїми дискретними значеннями, якщо вони відраховуються через інтервал часу:   $t = \frac{1}{2F_c}$   де $F_c$ — ширина спектру сигналу.

Цифрове кодування та передача даних

• Розрядно-цифрове кодування: Представлення сигналу групою символів 0 та 1 (двійкова система).

  • Наявність імпульсу зазвичай відповідає цифровому значенню $1$, відсутність — $0$.

• Способи передачі коду:

  • Послідовний код: Передача бітів один за одним у часі через один канал. Використовується для передачі на великі відстані (наприклад, між мережевими вузлами).
  • Паралельний код: Одночасна передача бітів через багатоканальну лінію (шину). Використовується для передачі на малі відстані (всередині комп'ютера, між вузлами схемотехніки).