ΗΜΥ 100 Εισαγωγή στην Τεχνολογία

Transcript

1 ΗΜΥ 100 Εισαγωγή στην Τεχνολογία Στέλιος Τιμοθέου ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ

2 ΤΑ ΘΕΜΑΤΑ ΜΑΣ ΣΗΜΕΡΑ Συστήματα αρίθμησης Δυαδικό αριθμητικό σύστημα Μετατροπή αριθμών από το δεκαδικό στο δυαδικό σύστημα και αντίστροφα Δυαδική αριθμητική Προσημασμένοι δυαδικοί αριθμοί Κώδικας ASCII

3 Συστήματα αρίθμησης Υπάρχουν διάφορα συστήματα αρίθμησης. Όλα τα συστήματα έχουν μια βάση. Τα πιο κοινά συστήματα είναι το δεκαδικό και αυτά που έχουν ως βάση δυνάμεις του δύο. Για κάθε σύστημα υπάρχουν αριθμητικές πράξεις (π.χ. πρόσθεση, αφαίρεση, πολλαπλασιασμός, διαίρεση). Μπορεί να γίνει μετατροπή από ένα σύστημα στο άλλο (αλλαγή βάσης).

4 Συστήματα αρίθμησης Δεκαδικό σύστημα Βάση: 10, Ψηφία: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 Δυαδικό σύστημα Βάση: 2, Ψηφία: 0, 1 Οκταδικό σύστημα Βάση: 8, Ψηφία: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 Δεκαεξαδικό σύστημα Βάση: 16, Ψηφία: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F

5 Δεκαδικό σύστημα Βάση: 10 Χρησιμοποιεί 10 ψηφία: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 Για τον υπολογισμό της τιμής ενός αριθμού, πολλαπλασιάζουμε το κάθε ψηφίο με τον αριθμό που αντιστοιχεί στη θέση που βρίσκεται το κάθε ψηφίο. Παράδειγμα: (3252,36) 10 = 3x x x x x x10-2

6 Γενική μορφή αριθμητικών συστημάτων Βάση: r Χρησιμοποιεί r ψηφία: 0,, r-1 Παράδειγμα: ( N) r ( An 1An 2... A1 A0 A 1 A 2... A m 1A m n 1 i 0 A r i i m j 1 A j r j n 1 n n 1 n ( N) A 10 A A 10 A m 1 m m 1 10 m 10 A A A A ) r Most Significant Bit (MSB) Least Significant Bit (LSB)

7 Ερωτήσεις?

8 Δυαδικό σύστημα Βάση: 2 Χρησιμοποιεί δύο ψηφία: 0, 1 Παραδείγματα: (1001,1) 2 = 1x x x x x2-1 = = (9.5) 10 (110101,01) 2 = 1x x x x x x x x2-2 = = (53.25) 10

9 Λόγοι χρήσης δυαδικού συστήματος Υπάρχουν μόνο δύο επίπεδα (0 και 1). -- Μπορούν να χρησιμοποιηθούν ηλεκτρονικά κυκλώματα για να αναπαρασταθούν. Τα ηλεκτρονικά κυκλώματα μπορούν να είναι σε μια από δύο καταστάσεις: Ανοικτό ή κλειστό (open or closed) Αληθές ή ψευδές (true or false) HIGH or LOW -- Είναι πιο εύκολη η αποθήκευση και επεξεργασία δεδομένων σε ψηφιακή μορφή.

10 Αντιστοιχία επιπέδων Οι δύο δυαδικές τιμές ενός ψηφιακού σήματος αναπαρίστανται από διαστήματα τιμών τάσεως. HIGH (1) : Αν η τάση είναι μεγαλύτερη από ένα επίπεδο LOW (0) : Αν η τάση είναι μικρότερη από ένα επίπεδο Στα ψηφιακά κυκλώματα, το HIGH αντιπροσωπεύεται από τάση +5 V, ενώ το LOW από τάση 0 V. Επειδή όμως στα πραγματικά κυκλώματα δεν μπορείς ποτέ να είσαι απόλυτος/η στις τιμές τάσεως (π.χ. λόγω πτώσης τάσεως στο κύκλωμα), χρησιμοποιούνται τα ακόλουθα διαστήματα τιμών τάσεως: Για κυκλώματα CMOS: LOW: V HIGH: V Για κυκλώματα TTL: LOW: V HIGH: V

11 Μετατροπή αριθμών από το δυαδικό στο δεκαδικό σύστημα Παράδειγμα 1: ( ,01) (211.25) Παράδειγμα 2: ( ) (6764) 10

12 Δυνάμεις του δύο n 2 n n 2 n n 2 n

13 Μετατροπή αριθμών από το δεκαδικό στο δυαδικό σύστημα Μέθοδος 1 Διαδικασία (α) Διαίρεση του δεκαδικού αριθμού με το δύο. (β) Καταγραφή του πηλίκου της διαίρεσης και του υπόλοιπου. (γ) Διαίρεση του πηλίκου με το δύο. (δ) Επανάληψη των (β) και (γ) έως ότου το πηλίκο είναι 0. (ε) Σχηματισμός του δυαδικού αριθμού καταγράφοντας τα υπόλοιπα από το τέλος προς την αρχή. Παράδειγμα ( 74) 10 (?) και υπόλοιπο και υπόλοιπο και υπόλοιπο και υπόλοιπο και υπόλοιπο και υπόλοιπο και υπόλοιπο 1 ( 74) MSB LSB ( ) 2

14 Μετατροπή αριθμών από το δεκαδικό στο δυαδικό σύστημα Μέθοδος 1 Παράδειγμα ( 3254) 10 (?) και και και και και και και και και και και και υπόλοιπο υπόλοιπο 1 υπόλοιπο 1 υπόλοιπο υπόλοιπο 1 υπόλοιπο 1 υπόλοιπο υπόλοιπο 1 υπόλοιπο υπόλοιπο υπόλοιπο 1 0 υπόλοιπο 1 ( 3254) ( ) 2

15 Μετατροπή αριθμών από το δεκαδικό στο δυαδικό σύστημα Μέθοδος 1 Όταν ο αριθμός είναι μικρότερος από 1: (α) Πολλαπλασιασμός του αριθμού με το δύο. (β) Καταγραφή του ακέραιου αριθμού (0 ή 1) (γ) Πολλαπλασιασμός του κλασματικού αριθμού με το δύο. (δ) Επανάληψη των (β) και (γ) έως ότου το γινόμενο είναι 1. (ε) Σχηματισμός του δυαδικού αριθμού καταγράφοντας τους ακεραίους αριθμούς σε κάθε στάδιο από την αρχή προς το τέλος. Παράδειγμα ( 0.125) 10 (?) 2 MSB ακέραιος ακέραιος : 0 : 0 ( 0.125) ( ) ακέραιος : 1 LSB Αν έχουμε ένα αριθμό με ακέραιο και κλασματικό μέρος, τότε κάνουμε την μετατροπή του αριθμού ξεχωριστά στα δύο μέρη.

16 (353.45) 10 (?) 2 Ακέραιο μέρος και υπόλοιπο και υπόλοιπο και υπόλοιπο και υπόλοιπο και υπόλοιπο και υπόλοιπο και υπόλοιπο και υπόλοιπο και υπόλοιπο 1 Παράδειγμα (353.45) 10 ( ) 2 Δεκαδικό μέρος ακέραιος: ακέραιος: ακέραιος: ακέραιος: ακέραιος: ακέραιος: ακέραιος: ακέραιος: 1 Δεν συγκλίνει! Σταματούμε μέχρι εδώ.

17 Μετατροπή αριθμών από το δεκαδικό στο δυαδικό σύστημα Μέθοδος 2 Διαδικασία (α) Γράψε όλες τις δυνάμεις του 2 που είναι ίσες ή μικρότερες από τον δεκαδικό αριθμό. (β) Μπορούμε να αφαιρέσουμε την μεγαλύτερη δύναμη του 2 από τον αριθμό; Αν ναι, γράφουμε το αποτέλεσμα της αφαίρεσης και σημειώνουμε 1 κάτω από τη δύναμη του δύο. Αν όχι σημειώνουμε 0 κάτω από τη δύναμη του δύο. (γ) Προχωρούμε στην επόμενη δύναμη του δύο και επαναλαμβάνουμε το (β) με το αποτέλεσμα της αφαίρεσης έως ότου φτάσουμε στο 0. Παράδειγμα ( 27) 10 (?) = = = 3 2 = = ( 27) ( ) 2

18 Μετατροπή αριθμών από το δεκαδικό στο δυαδικό σύστημα Μέθοδος 2 Παράδειγμα ( 618) 10 (?) = = = = 42 ( 618) ( ) = = 10-8 = = 2-2 = 0

19 Παράδειγμα (3253) 10 (?) = = = = = = = = = 5-4 = = 1-1 = (3253) 10 ( ) 2

20 Ερωτήσεις?

21 Δυαδική αριθμητική Μπορούν να γίνουν αριθμητικές πράξεις όπως και στο δεκαδικό σύστημα: Πρόσθεση Αφαίρεση Πολλαπλασιασμός Διαίρεση

22 Δυαδική αριθμητική: Πρόσθεση Κανόνες: = = = = 10 (γράφουμε 0 και μεταφέρουμε ένα στο επόμενο ψηφίο) Παράδειγμα

23 Ασκήσεις στην τάξη (1) Μετατρέψτε τους ακόλουθους δυαδικούς αριθμούς σε δεκαδικούς: (α) ( ) (β) ( ) (170) (21.875)

24 Ασκήσεις στην τάξη (2) Μετατρέψτε τους ακόλουθους δεκαδικούς αριθμούς σε δυαδικούς : (α) και υπόλοιπο και υπόλοιπο και υπόλοιπο και υπόλοιπο και υπόλοιπο 1 (β) = = = = 8-8 = (18) 10 (10010) ( ) 10 ( ) ακέραιος ακέραιος ακέραιος : : 0 0 : 1

25 Ασκήσεις στην τάξη (3) Κάνετε τις ακόλουθες πράξεις:

26 ΕΠΑΝΑΛΗΨΗ Δυαδικό σύστημα Βάση: 2 Χρησιμοποιεί δύο ψηφία: 0, 1 Παράδειγμα: ( ,011) 2 = 1x x x x x x x x x x2-3 = = (75.375) 10

27 Δυαδική αριθμητική: Πρόσθεση Κανόνες: = = = = 10 (γράφουμε 0 και μεταφέρουμε ένα στο επόμενο ψηφίο) Παράδειγμα

28 Δυαδική αριθμητική: Αφαίρεση Κανόνες: 0-0 = = 1 (και δανειζόμαστε 1 από το επόμενο πιο σημαντικό ψηφίο) (ή προσθέτουμε 1 στο επόμενο ψηφίο του αφαιρετέου) 1-0 = = 0 Παράδειγμα Παράδειγμα

29 Δυαδική αριθμητική: Πολλαπλασιασμός Κανόνες: 0*0 = 0 0*1 = 0 1*0 = 0 1*1 = 1 Παράδειγμα x

30 Παραδείγματα πολλαπλασιασμού x x Έλεγχος: 21x2 = 42 Έλεγχος: 7x7 = 49

31 Παραδείγματα αφαίρεσης Έλεγχος: = 100 Έλεγχος: = 38

32 Ερωτήσεις?

33 Προσημασμένοι δυαδικοί αριθμοί Ανάγκη αναπαράστασης αρνητικών αριθμών. Στο δεκαδικό σύστημα χρησιμοποιούμε το πρόσημο. Στο δυαδικό μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε ένα επιπλέον ψηφίο στην αρχή του αριθμού. 0 : θετικό πρόσημο (+) 1 : αρνητικό πρόσημο (-)

34 Προσημασμένοι δυαδικοί αριθμοί Παράδειγμα Αποφασίζουμε πρώτα τον μέγιστο αριθμό ψηφίων που χρειαζόμαστε. (-7) 10 = (1111) 2 (-2) 10 = (1010) 2 (+7) 10 = (0111) 2 Έχουμε 4 ψηφία: το πρώτο ορίζει το πρόσημο και τα υπόλοιπα 3 τον αριθμό διάστημα τιμών -7 μέχρι +7 Πρόβλημα 1: Τι παριστάνει ο αριθμός 1000; Πρόβλημα 2: Πως γίνονται τώρα οι αριθμητικές πράξεις;

35 Προσημασμένοι δυαδικοί αριθμοί Λύση: Χρήση της μεθόδου συμπλήρωμα ως προς δύο (two s complement) Μπορούν να γίνουν οι αριθμητικές πράξεις όπως και πριν. Το πρώτο ψηφίο σε αυτή τη μέθοδο δεν έχει μόνο πρόσημο, αλλά και την τιμή που του αναλογεί λόγω της θέσης του. Προσοχή: Πρέπει ο αριθμός των ψηφίων που απαιτούνται να προαποφασίζεται και να τηρείται.

36 Συμπλήρωμα ως προς δύο (two s complement) Στο παράδειγμα με 4 ψηφία: 3 ( abcd ) 2 a ( 2 ) b (2 ) c (2 ) d ( ) (1000) 2 = (-8) 10 (1010) 2 = (-6) 10 (1111) 2 = (-1) 10 (0000) 2 = (0) 10 (0111) 2 = (7) 10 Παρατήρηση: (-8) 10 + (7) 10 = (1000) 2 + (0111) 2 = (1111) 2 = (-1) 10

37 Συμπλήρωμα ως προς δύο (two s complement) Μετατροπή δυαδικού αριθμού σε συμπλήρωμα ως προς δύο Άλλαξε όλα τα στοιχεία του δυαδικού αριθμού από 0 σε 1 και αντίστροφα, και πρόσθεσε 1. Παράδειγμα με 4 ψηφία = 1111 = (-1) = 1000 = (-8) = 1011 = (-5) 10 Προσοχή: Να θυμάστε πάντοτε να χρησιμοποιείται το σωστό αριθμό ψηφίων για τον αριθμό που θέλετε να αναπαραστήσετε. π.χ. για το -9, χρησιμοποιήστε τον αριθμό σαν +9 και βρείτε το συμπλήρωμα ως προς δύο: =10111=(-9) 10 Αν έχετε αμφιβολίες χρησιμοποιήστε περισσότερα ψηφία για σιγουριά!

38 Παραδείγματα (α) (-10) 10 (10) 10 = (01010) = = (-10) 10 (β) (-23) 10 (23) 10 = (010111) = = (-23) 10 (γ) (-57) 10 (57) 10 = ( ) = = (-57) 10

39 Ερωτήσεις?

40 Ομαδοποίηση δυαδικών ψηφίων Bit (Binary digit - Δυαδικό ψηφίο) Είναι η μικρότερη ποσότητα πληροφορίας (π.χ. 0101: 4 bits, : 8bits) 1 Byte = 8 bits (μια ακολουθία 8 δυαδικών ψηφίων) 1 kilobyte (kb) = 2 10 Bytes = 1024 Bytes 1 MegaByte (MB) = 2 10 kb = Bytes 1 GigaByte (GB) = 2 10 MB 1 TeraByte (TB) = 2 10 GB

41 Κωδικοποίηση δεδομένων - κώδικας ASCII -- Οι Η/Υ αναπαριστούν κάθε είδους δεδομένα (γράμματα, αριθμούς, ήχο) μέσω ακολουθιών από δυαδικά ψηφία. Γι αυτό το λόγο χρησιμοποιούνται κώδικες. -- Το ASCII (American Standard Code for Information Interchange) δημιουργήθηκε για να υπάρχει μια κοινή αναπαράσταση δεδομένων. -- Συμπεριλαμβάνει 128 αλφαριθμητικά στοιχεία 94 στοιχεία που μπορούν να εκτυπωθούν (26 κεφαλαία και 26 μικρά γράμματα, 10 αριθμούς και 32 σύμβολα) 34 στοιχεία που δεν μπορούν να εκτυπωθούν (χαρακτήρες που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο υπολογιστών) -- Χρησιμοποιεί 7 δυαδικά ψηφία. -- Ένα όγδοο ψηφίο χρησιμοποιείται για την ανίχνευση λαθών σε δεδομένα επικοινωνίας και υπολογισμού (ονομάζεται δυαδικό ψηφίο ισοτιμίας, parity bit).

42 Πίνακας ASCII A 3 A 2 A 1 A 0 A 6 A 5 A 4

43 Παράδειγμα Γράψετε το όνομα του μαθήματος μας σαν σειρά δυαδικών ψηφίων χρησιμοποιώντας τον κώδικα ASCII H M Y