Συστήµατα Αριθµών, Πληροφορία, και Ψηφιακή Υπολογιστές

Transcript

1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Συστήµατα Αριθµών, Πληροφορία, και Ψηφιακή Υπολογιστές Σελίδες 3-21, ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Περιεχόµενα 1.1 ΨΗΦΙΑΚΗ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΕΣ 1.2 Αναπαράσταση Αριθµών 1.3 Αριθµητικές Λειτουργίες 1.4 εκαδικοί Κώδικες 1.5 Αλφαριθµητικοί Κώδικες Κεφάλαιο 1 - Συστήµατα Αριθµών 1 Κεφάλαιο 1 - Συστήµατα Αριθµών Ψηφιακοί Υπολογιστές και Πληροφορία 1.1 Βασική οµή ΨηφιακούΣυστήµατος Κοινωνία της Πληροφορίας Πληροφορία διέπει σχεδόν τα πάντα Ευρεία χρήση ψηφιακών συστηµάτων για επεξεργασία και αποθήκευση πληροφοριών Ψηφιάκα Συστήµατα Γενικής Χρήσεως (προγραµµατιζόµενα) προσωπικός υπολογιστής, servers Εξειδικευµένης (περιορισµένος προγραµµατισµός) moile phones, πλυντήριο, αυτοκίνητο, CD player, playstation Επεξεργαστής Μονάδα Ελέγχου Μνήµη ιάδροµος εδοµένων Είσοδος/ Έξοδος Κεφάλαιο 1 - Συστήµατα Αριθµών 3 Κεφάλαιο 1 - Συστήµατα Αριθµών Βασική οµή ΨηφιακούΣυστήµατος Οθόνη, Εκτυπωτής Πληκτρολόγιο, Ποντίκι, ίσκος Πρόσβαση σε ευτερεύουσα Μνήµη, ίκτυο, ιαδύκτυο Κεφάλαιο 1 - Συστήµατα Αριθµών 5 Κεφάλαιο 1 - Συστήµατα Αριθµών 6 1

2 Επεξεργαστής 1.2 Αναπαράσταση Πληροφορίας Αναπαράσταση πληροφοριών σε υπολογιστές µε ψηφιακά διακριτά σήµατα voltage/current, transistors Τυπικά δυο σήµατα (inary) High/Low True/False 1/0 υαδικό ψηφίο (inary digit): 1 it Αναπαράσταση πληροφοριών µε its (εντολές και δεδοµένα) Κεφάλαιο 1 - Συστήµατα Αριθµών 7 Κεφάλαιο 1 - Συστήµατα Αριθµών Αναπαράσταση Αριθµών: εκαδικό Σύστηµα 1.2 Αναπαράσταση Αριθµών: Βάση r = 7 x x x x10-1 Κάθε αριθµός γράφεται ως µια σειρά ψηφίων A n-1 A n-2 A 1 A 0. A -1 A -2 A -m+1 A -m n ψηφία αριστερά (ακέραιο) υποδιαστολής και m ψηφία δεξιά (κλασµατικό) A i ένα από τα ψηφία (0,1,2,3,4,5,6,7,8,9) i είναι η θέση µε βάρος10 i Βαση 10 (ase 10) - εκαδικό (decimal) Κεφάλαιο 1 - Συστήµατα Αριθµών 9 Αναπαράσταση κάθε αριθµού µε ένα πολυώνυµο A n-1 r n-1 +A n-2 r n-2 + +A 1 r 1 +A 0 r 0 +A -1 r -1 +A -2 r A -m+1 r -m+1 +A -m r -m A i ένα από τα ψηφία (0,1,2,,r-1) A n-1 most significant digit (msd) A -m least significant digit (lsd) (76.3) 9 Κεφάλαιο 1 - Συστήµατα Αριθµών Αναπαράσταση Αριθµών: Βάση r A n-1 r n-1 +A n-2 r n-2 + +A 1 r 1 +A 0 r 0 +A -1 r -1 +A -2 r A -m+1 r - m+1 +A -m r -m A i ένα από τα ψηφία (0,1,2,,r-1) A n-1 most significant digit(msd) A -m least significant digit(lsd) msd (76.3) 9 lsd βάση 9: ολα ψηφία µεταξύ 0 και 8 Βαση 1.2 Αναπαράσταση Αριθµών: Βάση 2: υαδικό Σύστηµα (Binary) µόνο δυο ψηφία 0 και 1 βάρoς θέσηςi είναι 2 i Μετατροπή από βάση-2 σε βάση-10 (11010) 2 =1x2 4 +1x2 3 +0x2 2 +1x2 1 +0x2 0 = (26) 10 ( ) 2 = ( ) 10 Κεφάλαιο 1 - Συστήµατα Αριθµών 11 Κεφάλαιο 1 - Συστήµατα Αριθµών 12 2

3 n 2 n n 2 n K (Kilo) K K K K K K M (Mega) G (Giga) 1.2 Oκταδικό και εκαεξαδικό Σύστηµα (octal και hexadecimal) Βάση-8: 0,1,2,3,4,5,6,7 (173.04) 8 = ( ) 10 Βάση-16: 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,Α,Β,C,D,E,F (B6A3) 16 = ( ) 10 8=2 3 : κάθε οκταδικό ψηφίο αντιστοιχεί σε 3 δυαδικά ψηφία 16=2 4 : κάθε δεκαεξαδικό ψηφίο αντιστοχεί σε 4 δυαδικά ψηφία Πιο ευκολοδιάβαστο από 0/1, απλή µετατροπή T (Tera) Κεφάλαιο 1 - Συστήµατα Αριθµών 14 βαση10 βαση2 βαση8 βαση A B C D E F Patterns των its 1.2 Xρήσιµα... Αν το (ν) 10 =2 n και n 0,1,2.. (v) 10 =( n ) 2 (256) 10 = 2 8 = ( ) 2 στο inary η ακέραια αναπαράσταση περιέχει ένα 1 και n 0 στα δεξιά του 1 Αν το (ν) 10 = 2 n -1 και n 1,2.. (v) 10 =( n-1 1 n ) 2 (255) 10 = 2 8-1= ( ) 2 αναπαράσταση περιέχει n 1 Κεφάλαιο 1 - Συστήµατα Αριθµών Μετατροπή in2oct, oct2in, in2hex, hex2in 1.2 Μετατροπή in2oct, oct2in, in2hex, hex2in ( ) 2 = ( ) 8 ( ) 2 = ( ) 8 Χωρίζουµε την ακολουθία (από αριστερά στα δεξιά) σε ζεύγη των 3-ων ή 4-ων ψηφίων και αντιστοιχούµε κάθε ζεύγος µε ένα 8-δικο ή 16-δικο ψηφίο. ( ) 8 = ( ) 2 ( ) 8 = (όχι ορθή αναπαράσταση ) 2 ( ) 2 = (53D.A8) 16 (B60.FA1) 16 = ( ) 2 Πως oct2hex hex2oct; Κεφάλαιο 1 - Συστήµατα Αριθµών 17 Κεφάλαιο 1 - Συστήµατα Αριθµών 18 3

4 1.2 Πεδίο Τιµών (numer ranges) Περιορισµένο πεδίο τιµών λόγο καθορισµένου αριθµού its στο υλικό ενός υπολογιστή (εφαρµογές, αρχιτεκτονική, υλοποίηση) Υπολογιστές σήµερα αναπαραστούν τιµές συνήθως µε 8,16,32,64 και 128 its Με 2 its πόσοι διαφορετικοί συνδυασµοί; Κεφάλαιο 1 - Συστήµατα Αριθµών Πεδίο Τιµών (numer ranges) Με n its πόσες διαφορετικές τιµές; 2 n Με 16 its 2 16 διαφορετικές τιµές απρόσηµοι ακέραιοι: 0 µέχρι (65535) 16 it αναπαράσταση του Προέκταση: προγράµµατα επεξεργάζονται άµεσα µόνο υποσύνολα αριθµών (int, float) Leading Zeros: συνηθως θα τα αγνοούµαι στο χαρτί Κεφάλαιο 1 - Συστήµατα Αριθµών Αριθµητικές Λειτουργίες: Binary Αριθµητική (arithmetic) 1/14 Ανεξάρτητα βάσης;κανόνες ίδιοι µε βάση10 Α Β Άθροισµα(sum) 1.3 Binary Αριθµητική (arithmetic) 2/14 Ανεξάρτητα βάσης;κανόνες ίδιοι µε βάση10 Kρατούµενο(carry) Α Β Άθροισµα(sum) Eπιβεβαίωση... Κεφάλαιο 1 - Συστήµατα Αριθµών 21 Κεφάλαιο 1 - Συστήµατα Αριθµών Binary Αριθµητική (arithmetic) 3/14 Ανεξάρτητα βάσης;κανόνες ίδιοι µε βαση10 Kρατούµενο(carry) Α Β Άθροισµα(sum) Binary Αριθµητική (arithmetic) 4/14 Ανεξάρτητα βάσης;κανόνες ίδιοι µε βαση10 Kρατούµενο(carry) Α Β Άθροισµα(sum) Eπιβεβαίωση... Κεφάλαιο 1 - Συστήµατα Αριθµών 23 Κεφάλαιο 1 - Συστήµατα Αριθµών 24 4

5 1.3 Binary Αριθµητική (arithmetic) 5/ Binary Αριθµητική (arithmetic) 6/14 Ανεξάρτητα βάσης;κανόνες ίδιοι µε βαση10 Kρατούµενο(carry) Α Β Άθροισµα(sum) Ανεξάρτητα βάσης;κανόνες ίδιοι µε βαση10 Kρατούµενο(carry) Α Β Άθροισµα(sum) a i i c i c i+1 s i a i i c i c i+1 s i Κεφάλαιο 1 - Συστήµατα Αριθµών 25 Κεφάλαιο 1 - Συστήµατα Αριθµών Binary Αριθµητική (arithmetic) 7/ Binary Αριθµητική (arithmetic) 8/14 Β ιαφορά(differ.) Kρατούµ.(orrow) Β ιαφορά(differ.) Eπιβεβαίωση... Κεφάλαιο 1 - Συστήµατα Αριθµών 27 Κεφάλαιο 1 - Συστήµατα Αριθµών Binary Αριθµητική (arithmetic) 9/ Binary Αριθµητική (arithmetic) 10/14 Kρατούµ.(orrow) Β ιαφορά(differ.) Α Β ιαφορά(differ.) Kρατούµ.(orrow) Β ιαφορά(differ.) Α Β ιαφορά(differ.) Κεφάλαιο 1 - Συστήµατα Αριθµών 29 Κεφάλαιο 1 - Συστήµατα Αριθµών 30 5

6 1.3 Binary Αριθµητική (arithmetic) 11/ Binary Αριθµητική (arithmetic) 12/14 Kρατούµ.(orrow) Β ιαφορά(differ.) Α Β ιαφορά(differ.) - Kρατούµ.(orrow) Β ιαφορά(differ.) Kρατούµ.(orrow) Α Β ιαφορά(differ.) Eπιβεβαίωση... Κεφάλαιο 1 - Συστήµατα Αριθµών 31 Κεφάλαιο 1 - Συστήµατα Αριθµών Binary Αριθµητική (arithmetic) 13/ Binary Αριθµητική (arithmetic) 14/14 Πολλαπλασιασµός AxB Α Β 110x Πολλαπλασιασµός AxB Α Β 110x Γινόµενο(prod.) Eπιβεβαίωση Κεφάλαιο 1 - Συστήµατα Αριθµών 33 Κεφάλαιο 1 - Συστήµατα Αριθµών Hex Arithmetic 1/2 1.3 Hex Arithmetic 2/2 Για κάθε ζεύγος ψηφίων Ηex2Dec, Πρόσθεση Dec2Hex Α+Β Α 59F Β E46+ Για κάθε ζεύγος ψηφίων Ηex2Dec, Πρόσθεση Dec2Hex Α+Β Carry 1010 Α 59F Β E46+ 13E5 Κεφάλαιο 1 - Συστήµατα Αριθµών 35 Κεφάλαιο 1 - Συστήµατα Αριθµών 36 6

7 1.3 Μετατροπή Βάσης r2n (ase conversion) Mετατροπή decimal2r Εάν r και n είναι δύναµη τουδυο εύκολη διαδικασία Αλλιώς r2decimal, decimal2n γνωστό Πώς; Κεφάλαιο 1 - Συστήµατα Αριθµών 37 Ξεχωριστός αλγόριθµος για ακέραιο και κλασµατικό µέρος Ακέραιο: διαιρούµε τοναριθµό µε r σηµειώνουµε το πηλίκο και το υπόλοιπο σταµατάαντοπηλίκοείναι0 επανάλαβε άλλα µε διαιρετέο το πηλίκο dec2oct, (153) 10 = ( 231 ) 8 r Π Υ 19 1 Κεφάλαιο 2 1-3Συστήµατα Αριθµών dec2in dec2r Κλασµατικό Μέρος (41) 10 = ( ) 2 Π Υ Αλγόριθµος πολλαπλασιάζουµε τοναριθµό µε r σηµειώνουµε τοακέραιοµέρος του γινόµενου σταµατά αν το κλασµατικό µέρος του γινόµενου είναι 0 επανάλαβε άλλα µε πολλαπλασιαστέο το κλασµατικό µέρος Κεφάλαιο 1 - Συστήµατα Αριθµών 39 Κεφάλαιο 1 - Συστήµατα Αριθµών dec2r Κλασµατικό Μέρος 1.3 dec2r Κλασµατικό Μέρος (0.6875) 10 =( ) 2 Γα Γκ (0.513) 10 = ( 0.407) 8 µεχρι 3 κλασµατικά ψηφία Γα Γκ Ακρίβεια και Στρογγυλοποίηση ( ) 10 = ( ) 8 Προσοχη: ίδια τιµή στο ακέραιο και κλασµατικό για µια βάση διαφορετική αναπαράσταση σε Κεφάλαιο 1 - Συστήµατα Αριθµών 41 αλλη βάση (5.5) 10 = (101.1) 2 Κεφάλαιο 1 - Συστήµατα Αριθµών 42 7

8 1.4 εκαδικοί Κώδικες 1.4 Κωδικοποίηση Άνθρωποι άνετοι µε τοδεκαδικό Υπολογιστές µε τοδυαδικό εν µιλούν/γράφουν όλοι αγγλικά Ανάγκη για κωδικοποίηση Βinary-Coded Decimal (BCD) (ιστορικό) ASCII UNICODE Aναπαράσταση µε n-it κώδικες (2 n µοναδικοί κώδικες:0-2 n -1) ενός συνόλου στοιχείων Σύνολο µε r στοιχεία χρειάζεται n=ceil(log 2 r) its ώστε κάθε στοιχείο να έχει µοναδική κώδικα Σύνολο µε 4 στοιχεία µπορεί να κωδικοποιηθεί µε 2-it κώδικες (00,01,10,11) Προέκταση:σύνολα µε περισσότερα (άπειρα) στοιχεία από µοναδικούς κώδικες µπορεί να αναπαρασταθούν, άλλα πολλά στοιχεία θα έχουν τον ίδιο κώδικα (πχ πραγµατικοί αριθµοί) Κεφάλαιο 1 - Συστήµατα Αριθµών 43 Κεφάλαιο 1 - Συστήµατα Αριθµών ΒCD 1.4 BCD Κωδικοποίηση δεκαδικών σε δυαδικό ceil(log 2 10)= 4its για κάθε δεκαδικό ψηφίο = 6 συνδυασµοί δεν χρησιµοποιούνται Πιο συχνή κωδικοποίηση dec BCD Κεφάλαιο 1 - Συστήµατα Αριθµών 45 Ένας δεκαδικός µε ν ψηφία χρειάζεται 4ν its για να αναπαρασταθεί στο ΒCD (2042) 10 = ( ) BCD (2042) 10 = ( ) 2 σηµασία its εξαρτάται από την κωδικοποίηση που χρησιµοποιείται (χαρτί και µηχανή) + Πιο εύκολη η µετατροπή dec2in για ΒCD - εν χρησιµοποιεί όλους τους συνδυασµούς Κεφάλαιο 1 - Συστήµατα Αριθµών Πρόσθεση σε ΒCD 1/6 1.4 Πρόσθεση σε ΒCD 2/6 Binary πρόσθεση ανά δυο ψηφία. Χρειάζεται προσαρµογή όταν το άθροισµα είναι>9: πρόσθεση 6 10 (0110) 2 στο άθροισµα για σωστό ΒCD ψηφίο και σωστό κρατούµενο στο επόµενο ζεύγος Κρατουµ. 1 1 υαδικό Αθρ Πρόσθεση εκαδικό Κεφάλαιο 1 - Συστήµατα Αριθµών 47 Κεφάλαιο 1 - Συστήµατα Αριθµών 48 8

9 Grey Codes Χρήσιµο για εφαρµογές όπου στη δυαδική µέτρηση πρέπει να αλλάξει ένα µόνο ψηφίο. Grey Codes: Παράδειγµα εφαρµογής Κεφάλαιο 1 - Συστήµατα Αριθµών 49 Κεφάλαιο 1 - Συστήµατα Αριθµών Αλφαριθµητικοί Κώδικες: ΑSCII American Standard code for Information Interchange 1.5 ΑSCII Κωδικοποίηση για αγγλικούς αλφαβητικούς χαρακτήρες, αριθµητικά ψηφία, ειδικούς χαρακτήρες ΑSCII διεθνές πρότυπο µε 7-it codes (πόσοι µοναδικοί κώδικες;) a ,, z A ,, Z ,, Κεφάλαιο 1 - Συστήµατα Αριθµών 51 Κεφάλαιο 1 - Συστήµατα Αριθµών ΕΛΟΤ 928 Πρότυπο ΕΛΟΤ 928 (Ελληνικού Οργανισµού Τυποποίησης) Εγκεκριµένο απο την ISO (International Standards Organization) ιδει τον κώδικα Λατινικών χαρακτήρων σε 8-it ΕΛΤΟ 928 µε 8- its codes 16 h : α ,..., ω Ε1 h,..., F9 h A ,, Ω C1 h,, D9 h τόνος µονοτονικού B4 h 1.5 UNICODE: ISO it κώδικας για την κωδικοποίηση χαρακτήρων των διαφόρων γλωσσών του κόσµου F 16 : Τυποποιηµένοι χαρακτήρες σε ASCII code 00A FF 16 Λατινικά 1: Επιπρόσθετα γράµµατα για τις γλώσσες της Ευρώπης, π.χ Ελληνικά (ΕΛΟΤ 928) FFFF 16 : Χρησιµοποίηση για γλώσσες µε ιδεογραφικούς χαρακτήρες, π.χ. Κινέζικα και επιπρόσθετοι κώδικες που είναι περιορισµένοι για µελλοντική χρήση Κεφάλαιο 1 - Συστήµατα Αριθµών 53 Κεφάλαιο 1 - Συστήµατα Αριθµών 54 9

10 1.5 Bits (ψηφία ακεραιότητας) Επιπλέον its σε ένα κώδικα για αναγνώριση ή/και διόρθωση λαθών κατά την µεταφορά δεδοµένων Πχ 1it-parity για κώδικες ΑSCII ΑSCII Binary Even Odd A ? ? ? ? Even : Ζυγός ο αριθµός των its µε τιµή 1 Odd : Μονός ο αριθµός των its µε τιµή Bits (ψηφία ακεραιότητας) Επιπλέον its σε ένα κώδικα για αναγνώριση ή/και διόρθωση λαθών κατά την µεταφορά δεδοµένων Πχ parity για κώδικες ΑSCII ΑSCII Even Odd A Πως αναγνωρίζεται το λάθος; Τι γίνεται; Κεφάλαιο 1 - Συστήµατα Αριθµών 55 Κεφάλαιο 1 - Συστήµατα Αριθµών ιαδικασία 1.5 Παράδειγµα µε even parity (αποστολή ascii ) 1/7 Εάν το αποτέλεσµα ελέγχου είναι λάθος ζητούµε επανάληψη αποστολής δεδοµένων Κεφάλαιο 1 - Συστήµατα Αριθµών 57 Κεφάλαιο 1 - Συστήµατα Αριθµών Παράδειγµα µε even parity (αποστολή ascii ) 2/7 1.5 Παράδειγµα µε even parity (αποστολή ascii ) 3/7 62 h h Κεφάλαιο 1 - Συστήµατα Αριθµών 59 Κεφάλαιο 1 - Συστήµατα Αριθµών 60 10

11 1.5 Παράδειγµα µε even parity (αποστολή ascii ) 4/7 1.5 Παράδειγµα µε even parity (αποστολή ascii ) 5/7 62 h h OK Κεφάλαιο 1 - Συστήµατα Αριθµών 61 Κεφάλαιο 1 - Συστήµατα Αριθµών Παράδειγµα µε even parity ( Με λάθος ) 6/7 1.5 Bits (ψηφία ακεραιότητας) 62 h ΛΑΘΟΣ! Ζήτα Aποστολή Πόσα λάθη µπορεί να αναγνωριστούν µε 1 parity it; Even : εντοπίζει 1, 3, 5, 7, λάθη Κεφάλαιο 1 - Συστήµατα Αριθµών 63 Κεφάλαιο 1 - Συστήµατα Αριθµών 64 11