Представление элементов данных в ОЗУ и на внешних носителях

Передача и хранения информации

1. Передача информации

2. Хранение информации

3. Представление элементов данных в ОЗУ и на внешних носителях

 

Передача информации

Передача информации – физический процесс, посредством которого осуществляется перемещение информации в пространстве.

В общую схему передачи информации входит:

· источник информации;

· получатель информации;

· передающее устройство;

Передающее устройство обеспечивает преобразование сообщения в сигнал, передаваемый по линии связи, в то время как приемное устройство преобразует принятый сигнал обратно в передаваемое сообщение. В современных цифровых системах связи основные функции передатчика и приемника выполняет устройство, называемое модем.

Линия связи – это среда, используемая для передачи сигналов от передатчика к приемнику. Источник сообщений в общем случае образует совокупность источника информации ИИ (исследуемого или наблюдаемого объекта) и преобразователя сообщений (ПрС). Преобразователь сообщений может выполнять две функции:

· преобразование сообщения любой физической природы в первичный электрический сигнал;

· преобразование большого объема алфавита сообщений в малый объем алфавита первичного сигнала (кодирование);

 

Таким образом, преобразователь сообщений наряду с преобразованием сообщения в электрический сигнал осуществляет и его кодирование, поэтому его иногда называют кодером источника (КИ).

В его состав может входить устройство, обеспечивающее помехоустойчивое кодирование. Сущность помехоустойчивого кодирования в том, что в кодовую комбинацию первичного сигнала вводятся избыточные символы, которые не несут информации о передаваемом сообщении. Использование таких символов позволяет обнаруживать и исправлять искаженные символы первичного сигнала.

В передатчике первичный сигнал преобразуется во вторичный (высококачественный) сигнал. Такое преобразование осуществляется посредствам модулятора, который изменяет один из параметров высококачественного колебания, в соответствие с изменением первичного сигнала. В процессе передачи сигнала по линии связи он искажается помехой и на входе приемника отличается по форме от переданного. Принимаемый полезный высокочастотный сигнал фильтруется и усиливается линейными каскадами (ЛК) приемного устройства и поступает на демодулятор (ДМ), в котором высокочастотный сигнал преобразуется в низкочастотный первичный сигнал. В декодирующем устройстве (ДКУ) низкочастотный сигнал преобразуется в кодовую комбинацию символов первичного сигнала. Одновременно в ДКУ осуществляются обнаружение и исправление искаженных символов первичного сигнала.

Демодуляция и декодирование не являются операциями, обратными модуляции и кодированию. В результате различных искажений и воздействия помех пришедший сигнал может существенно отличаться от переданного. Поэтому задачей приемного устройства является решение о том, какое из возможных сообщений действительно передавалось источником, его принимает решающая схемой.

В системах передачи дискретных сообщений решающая схема состоит из двух частей — демодулятора и декодирующего устройства.

Детектор сигнала (ДС) преобразует кодовую комбинацию символов первичного сигнала в соответствующее сообщение, которое поступает на вход получателя информации (ПИ), которому была адресована исходная информация. Если передача информации между передатчиком и приемником осуществляется одновременно в обе стороны, то такой режим называется дуплексным. При полудуплексном режиме в каждый момент времени информация передается только в одну сторону.

Меру соответствия принятого сообщения переданному называют верностью передач.

Совокупность средств, предназначенных для передачи сообщений, называют каналом связи. Многоканальные линии связи содержат достаточное число каналов между группами источников, сосредоточенных вместе.

Выделяют синхронные и асинхронные методы передачи данных. В синхронном методе данные передаются блоками, для чего в начале блока посылают биты синхронизации. После этого передаются данные, код обнаружения ошибки и символ, обозначающий окончание передачи. Эта последовательность образует стандартную схему передачи данных при синхронном методе.

В случае синхронной передачи данные передаются и в виде символов, и как поток битов. Кодом обнаружения ошибки чаще всего является циклический избыточный код обнаружения ошибок (CRC), который определяется по содержимому поля данных. С его помощью можно однозначно определить достоверность принятой информации.

К преимуществам метода синхронной передачи данных относят:

• высокую эффективность;

• надежный встроенный механизм обнаружения ошибок;

• высокую скорость передачи данных.

Асинхронный метод отличается тем, что каждый символ передается отдельной посылкой. Стартовые биты предупреждают приемник о начале передачи, после чего передается сам символ. Для определения достоверности передачи применяется бит четности. Бит четности равен единице, когда количество единиц в символе нечетно, и нулю, когда их количество четное. Последний бит, который называется «стоп-битом», сигнализирует об окончании передачи. Эта последовательность образует стандартную схему передачи данных при асинхронном методе.

Преимуществами метода асинхронной передачи являются:

• недорогое (по сравнению с синхронным) интерфейсное оборудование;

• несложная отработанная система передачи.

К недостаткам этого метода относят:

• потери третьей части пропускной способности на передачу служебных битов;

• невысокую скорость передачи по сравнению с синхронным методом;

• невозможность определить достоверность полученной информации с помощью бита четности при множественной ошибке.

Виды и модели сигналов.

Сигнал передается на «несущей» частоте. Процесс изменения тех или иных параметров несущей в соответствии с сигналом, передаваемым на этой несущей, называют модуляцией.

Наряду с понятием модуляции в теории передачи информации существует понятие манипуляции. Манипуляция представляет собой по своей сути дискретную модуляцию. При дискретной модуляции сообщение выступает как последовательность кодовых символов (например, «О» и «1»), которым соответствуют импульсы постоянного напряжения с одинаковой длительностью, но различной полярности. Эта последовательность импульсов посредством манипулятора преобразуется в последовательность элементов сигнала. В этом случае можно получить амплитудную, частотную и фазовую модуляции (манипуляции).

Преобразование сообщения в электрический сигнал осуществляется с помощью различных датчиков, называемых преобразователями сообщений. Так, например, при передаче речи это преобразование выполняет микрофон, при передаче изображения — электронно-лучевая трубка. Сигнал на выходе преобразователя сообщения называют первичным сигналом. В большинстве случаев первичный сигнал является низкочастотным колебанием и не может быть передан на большие расстояния. Поэтому для передачи первичного сигнала на большие расстояния его преобразуют в высокочастотный сигнал. Для этой цели в системах передачи информации предусмотрены специальные устройства — модуляторы.

Основными параметрами сигнала являются длительность сигнала Т и ширина спектра. Любой сигнал имеет начало и конец. Поэтому длительность сигнала определяет интервал времени Т, в пределах которого сигнал существует.

Спектром сигнала как временной функции u(t) называется совокупность его гармонических составляющих (гармоник), образующих ряд Фурье:

 

где – частота повторения сигнала (или частота первой гармоники);

k — номер гармоники.

Математические модели сигналов и помех.

Для получателя информации помеха — это случайное воздействие на передаваемый сигнал, приводящее к его изменению.

Все помехи можно разделить на искусственные и естественные. К искусственным помехам относятся промышленные помехи (искрящие контакты), помехи от других радиотехнических систем, работающих в данном диапазоне волн, организованные помехи, генерируемые специальными техническими средствами.

Естественными помехами являются собственные шумы приемных устройств радиотехнических систем передачи информации, называемые внутренними помехами, и внешние помехи.

Математическая модель сигнала (помехи) — это математическая форма представления сигналов и помех. Модель должна быть такой, чтобы она в наибольшей степени соответствовала реальным сигналам.

 

Хранение информации

Хранение является одной из основных операций, осуществляемых над информацией, с целью обеспечения ее доступности в течение некоторого промежутка времени.

Под хранением информации понимают ее запись в запоминающее устройство (ЗУ) для последующего использования.

Запоминающее устройство (память) — устройство, способное принимать данные и сохранять их для последующего считывания.

В компьютерных выделяют следующие основные типы памяти:

· регистровая память;

· основная память;

· кэш-память;

· внешняя память.

Регистровая память — вид компьютерной оперативной памяти, модули которой содержат регистр между микросхемами памяти и системным контроллером памяти. Наличие регистров уменьшает электрическую нагрузку на контроллер и позволяет устанавливать больше модулей памяти в одном канале. Регистровая память предназначена для кратковременного хранения небольшого объема информации, непосредственно участвующей в вычислениях.

Основная память предназначена для оперативного хранения и обмена данными, непосредственно участвующими в процессе обработки. Конструктивно она исполняется в виде интегральных схем (ИС) и подразделяется на два вида:

· постоянное запоминающее устройство (ПЗУ);

· оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).

Кэш-память — это высокоскоростная память произвольного доступа, используемая процессором компьютера для временного хранения информации. Служит для хранения копий информации, используемой в текущих операциях обмена. Обычно используется при обмене данными между микропроцессором и оперативной памятью.

Внешняя память - это память, предназначенная для длительного хранения программ и данных. В современных компьютерных системах в качестве устройств внешней памяти наиболее часто применяются:

· накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД);

· накопители на гибких магнитных дисках (НГМД);

· накопители на оптических дисках;

· магнитооптические носители информации;

· ленточные накопители (стримеры).

ЗУ можно классифицировать по многим признакам. Например по чтению и записи.

ЗУ первого типа используется для хранения выполнения программ. В ПЗУ хранятся программы необходимые для запуска компьютера.

В ЗУ с произвольным доступом время доступа не зависит от участка данных. В ЗУ с прямым доступом возможно обращаться к некоторым участкам памяти является уникальной. В ЗУ с последовательным доступом используется последовательный просмотр участков информации.

Основные характеристики ЗУ:

· емкость;

· быстродействие.

Идеальное ЗУ должна обладать емкостью -> и -> . На практике улучшение одного параметра ведет к ухудшение другого. ЗУ характеризуется различные ряды параметров.

Информационная емкость – количество информации, измеряемое в битах и т.д. , хранимое в ЗУ. Обычно такая емкость учитывает полезную информацию , не учитывающая случайную информацию.

Представление элементов данных в ОЗУ и на внешних носителях

 

Типы элементов данных – символы, числа , логические данные. Логические и физические уровни их представления определяются конструктивными особенностями ОЗУ. В частности, т.к. память компьютера имеет байтовую структуру, к ней привязанность представление любых данных. Для предоставления элемента данных в памяти компьютера используется машинное слово. С технической точки зрения, оно объединяет запоминание элемента в единую ячейку памяти. Количество таких элементов равно 8, т.е. целому числу байт. Доступ к машинному адресу осуществляется с помощью ячеек. Время считывания одинаково для всех ячеек независимо от их адреса. Для логического уровня важно то, что представление значений любых элементарных данных должно быть ориентировано на использование машинных слов определенной и единой для данного компьютера длины, поскольку их представление на физическом уровне производится именно в ячейках ОЗУ (на ВЗУ элементарные данные в качестве самостоятельных не представляются и доступ к ним отсутствует).

Для представления символовмашинное слово делится на группы по 8 бит, в которые и записываются двоичные коды символов. Ясно, что в 16-битном машинном слове могут быть записаны одновременно два символа. Значениями одиночных литерных данных являются коды символов. Множество допустимых значений данных этого типа для всех кодировок, основанных на однобайтовом представлении, составляет = 256; двубайтовая кодировка Unicode допускает 65536 значений. Совокупность символов образует алфавит, т.е. для них установлен лексико-графический порядок следования в соответствии с числовым значением кода; это, в свою очередь, позволяет определить над множеством символьных данных операции математических отношений >, <, =. Непосредственно над одиночной символьной переменной определена единственная операция – изменение значения с одного кода на другой.

В представлении целых чисел со знаком старший бит (15-й) отводится под запись знака числа (0 соответствует «+», 1 – "–"), а остальные 15 двоичных разрядов – под запись прямого (для положительного) или обратного (для отрицательного) двоичного кода числа . При этом возможные значения чисел ограничены интервалом [–32768 ÷ 32767]. Наряду с описанным используется и другой формат представления целых чисел – без знаковый; очевидно, он применим только для записи положительных чисел. В этом случае под запись числа отводятся все 16 двоичных разрядов, и интервал разрешенных значений оказывается [0 ÷ 65535]. Помимо математических отношений над целыми числами определены операции сложения, вычитания и умножения (в тех случаях, когда они не приводят к переполнению разрядной сетки), а также целочисленного деления и нахождения остатка от целочисленного деления.

Представление вещественных чисел с плавающей запятой. При записи числа оно переводится в нормализованную форму с выделением и отдельным хранением знака мантиссы, знака порядка, порядка и мантиссы. Для представления числа отводится несколько машинных слов.. Этой формой охватывается диапазон модулей мантиссы [ ÷ ] с 7-ю десятичными цифрами мантиссы. Запись мантиссы начинается с 23-го разряда. Поскольку мантисса выбирается такой, чтобы ее модуль отвечал условию 0,12 < | |<1, всегда значение старшего разряда числа 0 (целых) – оно не отображается при записи, а значение следующего разряда всегда 1. В процессе выполнения операций может произойти переполнение разрядной сетки (на 1 разряд) или, наоборот, ее освобождение (т.е. в первом отображаемом разряде окажется 0) – по этой причине после каждой операции с числами в такой форме производится нормализация результата, которая состоит в таком изменении порядка числа и сдвиге мантиссы, чтобы первой значащей цифрой снова оказалась 1. Изменение порядка в представлении числа эквивалентно перемещению разделителя целой и дробной частей числа – как уже говорилось, такая форма получила название «с плавающей запятой». Благодаря применению плавающей запятой производится автоматическое масштабирование чисел в ходе вычислений, что снижает погрешность их обработки. Над вещественными числами определены все четыре арифметические операции. Помимо этого имеются операции преобразования вещественного типа к целому.

Логические данные могут принимать одно из двух значений – 0 или 1 (0 соответствует логическому False, 1 – True, причем, принимается False<True). Для их записи было бы достаточно отвести всего один двоичный разряд. Однако в ОЗУ компьютера отсутствует доступ к отдельному биту, поэтому для представления логических данных выделяется целый байт, в младший разряд которого и помещается значение. Таким образом, в машинном слове логические данные располагаются в 0-м и в 8-м битах . Над логическими данными определены операции: логическое умножение (конъюнкция ), логическое сложение (дизъюнкция ), логическое отрицание ().

 

Иерархия структур данных на внешних носителях.

Основными информационными единицами при сохранении данных на внешних носителях являются:

· логическая запись;

· физическая запись;

· файл;

· каталог (папка).

Логическая запись при хранении на внешних носителях является той же информационной единицей, что и при хранении в ОЗУ. Отличие состоит в том, что при хранении на носителе запись является минимальным и неделимым элементом представления данных. Это означает, что после размещения записи на носителе отсутствует доступ к ее отдельным полям, а операции переноса на носитель и считывание с него производятся целиком со всей записью. Поскольку обработка записей при их хранении не происходит, не требуется и различия типов данных, т.е. запись может состоять из одного элементарного данного, группы данных или содержать структурированные данные. Единственной характеристикой отдельной записи является ее длина, а допустимыми операциями - перенос на носитель и считывание и него.

После размещения данных на носителе они превращаются в физическую запись.

Физическая запись – элемент поверхности носителя, на котором в соответствии с физическими принципами функционирования носителя размещаются данные, составляющие логическую запись.

Объединение физических записей образует файл.

Файл – определенным образом оформленная совокупность физических записей, рассматриваемая как единое целое и имеющая описание в системе хранения информации.

Комментарии к определению:

· «оформленная совокупность записей» означает, что, помимо непосредственно записей, файл всегда имеет имя (идентификатор) и признак конца файла EOF (End-Of-File); по имени файл отыскиваться на носителе; признак EOF необходим, поскольку по нему устанавливается ближайшее к данному файлу свободное место, в которое можно вести запись следующего файла, а при пересылке данных с носителя в ОЗУ по нему определяется граница информационного массива;

· «как единое целое» означает, что при обращении к файлу отсутствует доступ к отдельным его записям; файл записывается и считывается только целиком; в операционных системах над файлами определен целый ряд действий: копирование, перемещение, удаление, переименование и некоторые другие, однако, в конечном счете, все они сводятся только к операциям чтения и записи, а также изменениям в описании файла;

· «описание в системе» означает сохранение на носителе не только самих файлов, но и сведений о них и их размещении; эти сведения используются в операциях с файлами.

Общее определение файла:

Файл – поименованная совокупность данных, хранящихся на внешнем носителе.

Любые файлы содержат данные, закодированные с помощью двоичного алфавита. Однако способы кодирования и назначение файлов могут быть различными. По этой причине файлам приписывается еще одна характеристика – тип. Тип входит в идентификатор файла и указывается в виде расширения имени, например, Глава_7.doc, proba.pas или calc.exe. Принципиально различными по типам следует считать программные (исполняемые) файлы и файлы данных. Программные файлы содержат тексты программ в машинном коде; они могут быть загружены в ОЗУ и исполняться. Программные файлы имеют расширение com или exe; к этой же категории относятся так называемые командные файлы (расширение bat) , содержащие в текстовом формате команды MS DOS, которые могут последовательно выполняться как программа. Файлы данных формируются в результате работы какой-либо программы; они не являются исполняемыми и служат только в качестве хранилищ данных. Многие программные системы при формировании файлов данных приписывают им вполне определенные расширения – по ним можно установить, какой программой файл создан; например, расширения txt, doc, rtf имеют файлы, подготовленные в текстовых редакторах, bmp, jpg, gif, cdr – графические файлы, pas, bas, c – файлы с текстами программ и т.д. Тип файла, как и его, собственно имя, являются частью описания файла и сохраняются системой, ведающей размещением файлов на носителе.

Самым верхним уровнем представления данных на внешних носителях являются структуры файлов – каталоги (в операционной системе Windows-95, 98 принят термин «папки») .

Каталог – это поименованная совокупность файлов и подкаталогов (т. е. вложенных каталогов). Каталог самого верхнего уровня иерархии называется корневым. Он не вложен ни в какие другие каталоги.

Создает и поддерживает файловые структуры, определяет максимальный уровень вложенности каталогов, а также производит все операции с файлами и каталогами часть операционной системы компьютера – файловая система.

Путь к файлу – это последовательность, состоящая из имен каталогов (разделенных символом «\»), начиная от корневого и заканчивая тем, в котором непосредственно хранится файл.

Полное имя файла состоит из имени логического диска, пути к файлу и имени файла. В одном каталоге не может быть нескольких файлов и каталогов с одинаковыми именами. В разных каталогах это допустимо.

Логический диск – это физический (реальный) диск или часть физического диска, которому присвоено собственное имя.

Имена логических дисков задаются первыми буквами латинского алфавита с двоеточием: A:,B:,C: и т.д. Обычно с одним гибким магнитным диском связан один логический диск (A:, B:), а жесткий диск делится на несколько логических (C:, D: и т.д.).

Дерево: графическое изображение иерархической файловой структуры диска.

 

Структура дисков.

Устройства внешней памяти: магнитные диски и ленты, оптические (лазерные) диски, магнитооптические диски.

Дисководы – устройства чтения/записи информации на диски. Различают гибкие магнитные диски – дискеты и жесткие магнитные диски. Жесткие магнитные диски встроены в дисковод и в отличие от дискет являются несъемными.

Структура магнитного диска: одна или несколько сторон (магнитных поверхностей), разделенных на концентрические дорожки, каждая из которых, в свою очередь, поделена на сектора, состоящие из «клеточек» - байтов. Все секторы на одном диске имеют фиксированный размер. Вся работа по считыванию и записи данных на дисках производится только полными секторами. Полный объем памяти диска определяется формулой:

ОБЪЕМ = СТОРОНЫ * ДОРОЖКИ * СЕКТОРА * БАЙТЫ,

Где СТОРОНЫ – количество сторон диска, ДОРОЖКИ – количество дорожек на стороне, СЕКТОРА – количество секторов на дорожке, БАЙТЫ – количество байт в секторе.

Информация на устройствах внешней памяти имеет файловую организацию.