Учебное пособие по информатике

-появилась развитая операционная система, обеспечивающая организацию взаимодействия человека с машиной и работу в мультипрограммном режиме (несколько одновременно размещаемых в оперативной памяти программ совместно используют ресурсы процессора);

-обработка символьной информации, в основном экономической;

-появление режима разделения времени (время разбивается на кванты – небольшие промежутки времени для выполнения какого-либо задания, у пользователя создаётся иллюзия беспрерывной работы или, если несколько пользователей, – индивидуальной работы за машиной);

-создание семейства вычислительных машин, совместимых снизу вверх на уровне машинных языков, внешних устройств, модулей конструкций;

- широкое распространение семейства мини-ЭВМ (машины с минимальной аппаратурой центрального процессора, позволяющая управлять процессами в режиме реального времени – темп выдачи минимальных управляющих воздействий на объект управления согласован со скоростью протекания процессов в этом объекте);

- появился термин вычислительная система (ВС) – это взаимосвязанная совокупность аппаратных средств вычислительной техники и программного обеспечения, предназначенная для обработки информации.

Интегральная схема представляет собой электронную схему, вытравленную на кремниевом кристалле. На такой схеме умещаются тысячи транзисторов. Следовательно, компьютеры этого поколения были вынуждены стать еще мельче, быстрее и дешевле.

Последнее свойство позволяло компьютерам проникать в различные сферы деятельности человека. Из-за этого они становились более специализированными (т. е. имелись различные вычислительные машины под различные задачи).

51

Появилась проблема совместимости выпускаемых моделей (программного обеспечения под них). Впервые большое внимание совместимости уделила компания IBM.

Было реализовано мультипрограммирование, когда в памяти находится несколько выполняемых программ, что дает эффект экономии ресурсов процессора.

Представители: ЕС ЭВМ (Единая Система ЭВМ), копирующая IBM360 и IBM-370; серия мини-ЭВМ СМ ЭВМ (Системы Машин ЭВМ), ориентированная на зарубежные модели; многопроцессорная ЭВМ М-10.

IV околение

Время появления – конец 70-х–начало 80-х годов; Элементная база процессоров и ОЗУ – большие интегральные схемы

(БИС), гигабольшие интегральные схемы (ГБИС), ультрабольшие интегральные схемы (УБИС);

Скорость обработки данных – до 109 операций в секунду; Сферы использования – измерительные комплексы; системы

числового программного управления; информационно-справочные и поисковые системы; управляющие системы всех сфер человеческой деятельности.

Новые технологии:

- параллельная обработка данных (технически реализована в многопроцессорных системах, состоящих из двух или более взаимосвязанных процессоров, работающих с общей памятью

и управляемых общей операционной системой);

-появление виртуальной памяти (страничный обмен информации между внешней и основной памятью);

-создание микропроцессоров, на основе которых были созданы микроЭВМ, а затем персональные компьютеры;

-применение нового принципа, названного открытой архитектурой;

-развитые средства диалога «человек-компьютер»;

-появление суперЭВМ (многопроцессорные вычислительные комплексы).

Представители: IBM PC и совместимые с ним персональные компьютеры; «Крей-3» – суперЭВМ (кремниевый кристалл заменен арсенидом галлия), имеющая производительность до 16 млрд. операций в секунду; «Эльбрус» – многопроцессорный вычислительный комплекс, разработанный в России.

4. Устройство персонального компьютера

Распространение персональных компьютеров к концу 70-х годов привело к некоторому снижению спроса на большие ЭВМ и мини ЭВМ.

Персональный ком ьютер (ПК) – это электронная вычислительная машина, с которой может работать пользователь, не являющийся

52

габаритами, массой, невысокой ценой и многофункциональностью применения.

Современные компьютеры строятся по принципу открытой архитектуры, который заключается в том, что при проектировании компьютера регламентируются и стандартизируются только принцип действия компьютера и его конфигурация (определенная совокупность аппаратных средств и способов соединений между ними). В результате появляется возможность сборки компьютеров из отдельных узлов и деталей, разработанных и изготовленных независимыми фирмамипроизводителями. Пользователь может модернизировать компьютер и расширять его возможности разнообразными устройствами в соответствии со своими личными предпочтениями.

Центральным звеном построения персонального компьютера является центральный процессор. Процессор – интегральная микросхема, которая осуществляет обработку информации в ходе выполнения заданной программы, а также управляет всем вычислительным процессом

икоординирует действия других устройств вычислительной машины.

Всостав процессора входят следующие элементы.

Арифметико-ло ическое устройство (АЛУ) выполняет основную работу по обработке информации, хранимой в оперативной памяти. В нем выполняются арифметические и логические операции. Кроме того, АЛУ вырабатывает управляющие сигналы, позволяющие компьютеру автоматически выбирать путь вычислительного процесса в зависимости от получаемых результатов. В АЛУ имеется набор программно-доступных быстродействующих ячеек памяти, которые называются ре истрами

роцессора, составляющие основу архитектуры процессора.

Ре истр – устройство, предназначенное для промежуточного хранения двоичной информации в процессе выполнения вычислительных операций, а также для их преобразования.

Устройство у равления – часть центрального процессора, вырабатывающая распределенную во времени и пространстве последовательность внутренних и внешних управляющих сигналов, обеспечивающих выборку и выполнение команд.

Блок декодировки – преобразует данные в двоичную систему.

Блок редварительной выборки – получает команду от устройства (клавиатура и т. д.) и запрашивает инструкции в системной памяти.

Кэшамять (или росто кэш) 1- о уровня – хранит часто использующиеся инструкции и данные.

Кэшамять 2- о уровня – хранит часто использующиеся данные. Блок шины – служит для ввода и вывода информации.

Система команд роцессора

1. Команды передачи данных

53

2.Арифметические операции (основная – сложение: вычитание сводится к сложению, умножение и деление выполняются по специальным командам)

3.Логические операции: сравнение, И, ИЛИ, НЕ; анализ отдельных битов кода, их сброс и установка

4.Сдвиги двоичного кода влево и вправо

5.Команды ввода и вывода для обмена с внешними устройствами

6.Команды управления, реализующие нелинейные алгоритмы:

условный переход, безусловный переход, обращение к подпрограмме (переход с возвратом), организация циклов.

Основными характеристиками процессора являются его тактовая частота, разрядность и размеры кэша 1-го и 2-го уровня.

Тактовая частота – это количество операций, которое процессор может выполнить в секунду. К 2003 году тактовая частота процессоров достигла 3 ГГц. Существует два типа тактовой частоты – внутренняя и внешняя. Внутренняя тактовая частота – это тактовая частота, с которой происходит работа внутри процессора. Внешняя тактовая частота или частота системной шины – это тактовая частота, с которой происходит обмен данными между процессором и оперативной памятью компьютера. В современных процессорах, например, при тактовой частоте процессора 3 ГГц, частота системной шины 800 МГц.

Разрядность роцессора определяется разрядностью его регистров. Компьютер может оперировать одновременно ограниченным набором единиц информации. Этот набор зависит от разрядности внутренних регистров. Разряд – это хранилище единицы информации. За один рабочий такт компьютер может обработать количество информации, которое может поместиться в регистрах. Если регистры могут хранить 8 единиц информации, то они 8-разрядне, и процессор 8-разрядный, если регистры 16-разрядные, то и процессор 16-разрядный и т. д. Чем большая разрядность процессора, тем большее количество информации он может обработать за один такт, а значит, тем быстрее работает процессор. На сегодняшний день существуют 32 и 64 разрядные процессоры.

Объем кэш-памяти 1-го и 2-го уровня также влияет на производительность процессора.

Наиболее популярные процессоры сегодня производят фирмы Intel, AMD и IBM. Среди процессоров от Intel: 8086, i286, i386, i486, Pentium,

Pentium II, Pentium III, Pentium 4, Celeron (упрощённый вариант Pentium),

Core 2 Duo, Core i3,5,7, Xeon (серия процессоров для серверов), Itanium, Atom (серия процессоров для встраиваемой техники) и др. AMD имеет в своей линейке процессоры архитектуры x86 (аналоги 80386 и 80486,

семейство K6 и семейство K7 – Athlon, Duron, Sempron) и x86-64 (Athlon 64, Athlon 64 X2, Phenom, Opteron и др.). Процессоры IBM (POWER6, POWER7, Xenon, PowerPC) используются в суперкомпьютерах,

54

в видеоприставках 7-го поколения, встраиваемой технике; ранее использовались в компьютерах фирмы Apple.

и взаимодействует через прерывания с другими внешними устройствами. Обычно на материнской плате располагаются разъёмы для

подключения центрального процессора, графической платы, звуковой платы, жёстких дисков, оперативной памяти и других дополнительных периферийных устройств.

Все основные электронные схемы компьютера и необходимые дополнительные устройства включаются в материнскую плату, или подключаются к ней с помощью слотов расширения.

Наиболее важной частью материнской платы является чи сет – набор интегральных схем, устанавливаемых на системной плате для обеспечения работы центрального процессора с периферийными устройствами. Он состоит, как правило, из двух частей – северного моста (Northbridge) и южного моста (Southbridge). Обычно северный и южный мост расположены на отдельных микросхемах. Именно они определяют, в значительной степени, особенности материнской платы и то, какие устройства могут подключаться к ней.

Северный мост (Northbridge) – один из основных элементов чипсета компьютера, отвечающий за работу с процессором, памятью и видеоадаптером. Северный мост определяет частоту системной шины, возможный тип оперативной памяти (в системах на базе процессоров Intel) (SDRAM, DDR, другие), её максимальный объем и скорость обмена информацией с процессором. Кроме того, от северного моста зависит наличие шины видеоадаптера, её тип и быстродействие. Для компьютерных систем нижнего ценового уровня в северный мост нередко встраивают и графическое ядро. Во многих случаях именно северный мост определяет тип и быстродействие шины расширения системы (PCI, PCI Experess, другое).

Северный мост в значительной степени влияет на то, до какой степени может быть разогнан компьютер, поскольку используемая им частота является базовой для частоты работы процессора. В современных системах, когда компьютер становится быстрее, чип всё более нагревается. Поэтому на сегодняшний день нередко используются различные типы охлаждения северного моста, например радиаторы или кулеры.

Название этого элемента можно объяснить представлением архитектуры чипсета в виде карты. В результате процессор будет располагаться на вершине карты, точно на севере. Он будет соединён с чипсетом через быстрый северный мост. А северный мост, в свою очередь, будет соединён с остальной частью чипсета через медленный южный мост.

Южный мост ( Southbridge ), так же известен как контроллерконцентратор ввода вывода I/O Controller Hub (ICH). Это микросхема,

55

которая реализует «медленные» взаимодействия на материнской плате между чипсетом материнской платы и её компонентами. Южный мост обычно не подключён напрямую к процессору (CPU), в отличие от северного моста. Северный мост связывает южный мост с CPU.

Южный мост также может включать в себя поддержку Ethernet, RAID контроллера, контроллера USB и контроллера FireWire.

Контроллер рерываний обеспечивает механизм выделения центрального процессора каждому устройству. IDE интерфейс позволяет «увидеть» системе жёсткие диски. LPC шина обеспечивает передачу данных и управление SIO (это такие устройства, как клавиатура, мышь, параллельный порт, последовательный порт, инфракрасный порт и флоппи контроллер) и BIOS ROM (флэш).

APM или ACPI функции позволяют перевести компьютер в «спящий режим» или выключить его.

Контроллер – устройство для управления периферийным оборудованием и предварительной обработки данных процессора.

Контроллер I/O объединяет интерфейсы различных низкочастотных устройств. Как правило, включает в себя следующие функции:

•контроллер дисковода флоппи;

•параллельный порт (LPT);

•один или более последовательных (COM) портов;

•интерфейс мыши;

•интерфейс клавиатуры.

Контроллер I/O может так же включать в себя и другие интерфейсы, такие как игровой (MIDI или джойстик) или инфракрасный порты. Благодаря сочетанию многих функций в одной микросхеме, уменьшилось число контроллеров на материнской плате, и таким образом, уменьшилась и её стоимость.

Шина – совокупность электрических линий для обмена данными между частями компьютера. Виды шин: локальная (подключена к контактам процессора), системная (подключение контроллеров внешних устройств) и периферийная.

Объединение функциональных блоков в компьютере осуществляется посредством следующей системы шин:

шина данных, по которой осуществляется обмен информацией между блоками компьютера;

шина адреса, используется для передачи адресов (номеров ячеек памяти или портов ввода-вывода, к которым производится обращение);

шина у равления используется для передачи управляющих сигналов. Совокупность этих трех шин называют системной шиной, системной

магистралью или системным интерфейсом. Физически шина находится непосредственно на материнской плате и связывает между собой процессор, оперативную память, контроллеры устройств компьютера, а также разъемы (слоты) расширения на материнской плате для

56

подключения различных контроллеров устройств ввода/вывода. В эти разъемы вставляются платы (карты) расширения, которые либо сами представляют собой устройство, либо обеспечивают связь с другими устройствами (т. е. являются контроллерами).

Рис. 19. Устройство современно о ком ьютера

Виды шин:

Системная шина (ISA, PCI, AGP, PCI-e)предназначена для обеспечения передачи данных между периферийными устройствами и центральным процессором, а также оперативной памятью.

PCI (Peripheral component interconnect) – шина ввода/вывода для подключения периферийных устройств к материнской плате компьютера. PCI-устройства с точки зрения пользователя самонастраиваемы (plug and play). После старта компьютера, системное программное обеспечение обследует конфигурационное пространство PCI каждого устройства, подключённого к шине и распределяет ресурсы. Существует разновидность шины PCI – PCI Exspress, новый последовательный интерфейс, использующий программную модель PCI, однако обладающий большей производительностью.

Локальной шиной (FSB, BSB, DIB), как правило, называется шина, непосредственно подключенная к контактам микропроцессора, то есть шина процессора.

57

Периферийные шины (USB – Universal Serial Bus, Firewire 1394)

предназначены для подключения периферийных устройств.

USB (Universal Serial Bus) – универсальная последовательная шина, предназначенная для подключения периферийных устройств. Шина USB представляет собой последовательный интерфейс передачи данных для среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств. Разработка спецификаций на шину USB производится в рамках международной некоммерческой организации Implementers Forum (USB-IF), объединяющей разработчиков и производителей оборудования с шиной USB. Для подключения периферийных устройств к шине USB используется четырёхпроводный кабель, при этом два провода (витая пара) в дифференциальном включении используются для приёма и передачи данных, а два провода – для питания периферийного устройства. Благодаря встроенным линиям питания, USB позволяет подключать периферийные устройства без собственного источника питания (максимальная сила тока, потребляемого устройством по линиям питания шины USB, не должна превышать 500 мА). К одному контроллеру шины USB можно подсоединить до 127 устройств через цепочку концентраторов (они используют топологию «звезда»). В настоящее время широко используются устройства, выполненные в соответствии со спецификацией USB 2.0. Спецификация USB 3.0 только начинает получать распространение.

IEEE 1394 (FireWire, i-Link) – последовательная высокоскоростная шина, предназначенная для обмена цифровой информацией между компьютером и другими электронными устройствами. Шина IEEE 1394 может использоваться с:

-компьютерами;

-аудио и видео мультимедийными устройствами;

-принтерами и сканерами;

-жёсткими дисками, массивами RAID;

-цифровыми видеокамерами и видеомагнитофонами. Характеристики шин: частота, разрядность, скорость передачи

данных.

Последовательный орт или COMорт (англ. COMmunication port) –

двунаправленный последовательный интерфейс, предназначенный для синхронной и асинхронной передачи байтовой информацией. Последовательный потому, что информация через него передаётся по одному биту, бит за битом (в отличие от параллельного порта). Ранее последовательный порт использовался для подключения терминала, позже для модема или мыши. Сейчас он используется для соединения с источниками бесперебойного питания, для связи с аппаратными средствами разработки встраиваемых вычислительных систем.

Параллельный порт, порт принтера, LPT – международный стандарт параллельного интерфейса для подключения периферийных

58

устройств персонального компьютера. В основном используется для подключения к компьютеру принтера, сканера и других внешних устройств (часто использовался для подключения внешних устройств хранения данных), однако может применяться и для других целей (организация связи между двумя компьютерами, подключение каких-либо механизмов телесигнализации и телеуправления).

5.Основная (внутренняя) память

Оеративная амять (RAM, ОЗУ) – функциональный блок, хранящий информацию для устройства управления (УУ) – команды и для АЛУ – данные, выполняющейся в данный момент программы. Состоит память из ячеек, способных хранить информацию. Ячейка памяти – вместилище порции информации в памяти компьютера, доступной для обработки отдельной командой. Количество информации, записываемое или извлекаемое из памяти за одно обращение, называется машинным словом. Оперативная память является энергозависимой, т. е. может хранить информацию, только тогда когда компьютер включен. В современных вычислительных устройствах, оперативная память выполнена по технологии динамической памяти с произвольным доступом (англ. dynamic random access memory, DRAM). Понятие памяти с произвольным доступом предполагает, что текущее обращение к памяти не учитывает порядок предыдущих операций и расположения данных в ней.

Основной характеристикой оперативной памяти является ее объем, измеряемый в мегабайтах (Мбайт).

С ециальная амять. К устройствам специальной памяти относятся

остоянная амять (ROM), ере ро раммируемая остоянная амять

(Flash Memory), амять CMOS RAM, питаемая от батарейки, видеопамять и некоторые другие виды памяти.

Постоянная амять (ПЗУ, англ. ROM, Read Only Memory – память только для чтения) – энергонезависимая память, используется для хранения данных, которые никогда не потребуют изменения. Содержание памяти специальным образом «зашивается» в устройстве при его изготовлении для постоянного хранения. Из ПЗУ можно только читать.

Пере ро раммируемая остоянная амять (Flash Memory) –

энергонезависимая память, допускающая многократную перезапись своего содержимого.

Прежде всего в постоянную память записывают программу управления работой самого процессора. В ПЗУ находятся программы управления дисплеем, клавиатурой, принтером, внешней памятью, программы запуска и остановки компьютера, тестирования устройств.

Важнейшая микросхема постоянной или Flash-памяти – модуль BIOS. Роль BIOS двоякая: с одной стороны это неотъемлемый элемент аппаратуры, а с другой стороны – важный модуль любой операционной системы. BIOS (Basic Input/Output System – базовая система ввода-вывода) –

59

совокупность программ, предназначенных для автоматического тестирования устройств после включения питания компьютера и загрузки

от батарейки. Используется для хранения информации о конфигурации и составе оборудования компьютера, а также о режимах его работы. Содержимое CMOS изменяется специальной программой Setup, находящейся в BIOS.

Для хранения графической информации используется видеопамять. Видео амять (VRAM) — разновидность оперативного ЗУ, в котором

хранятся закодированные изображения. Это ЗУ организовано так, что его содержимое доступно сразу двум устройствам — процессору и дисплею. Поэтому изображение на экране меняется одновременно с обновлением видеоданных в памяти.

Кэшамять (cache) – память ЭВМ с быстрым доступом, где дублируется часть данных с другого носителя с более медленным доступом, или хранятся данные, для получения которых требуются «дорогие» (в смысле временных затрат) вычисления. Кэш-память позволяет обращаться к часто требуемым данным быстрее, чем это происходило бы без её использования.

6. Внешние запоминающие устройства (ВЗУ)

Стример – служит для хранения информации на магнитной ленте. Основное назначение: запись и воспроизведение информации, архивация и резервное копирование данных. Использование современных стримеров имеет следующие отличительные черты.

Достоинства:

-большая ёмкость;

-низкая стоимость и широкие условия хранения информационного носителя;

-стабильность работы;

-надёжность;

-низкое энергопотребление у ленточной библиотеки большого

объёма. Недостатки:

- низкая скорость произвольного доступа к данным из-за последовательного доступа (лента должна прокрутиться

кнужному месту);

-сравнительно высокая стоимость накопителя.

Дискета – портативный магнитный носитель информации, используемый для многократной записи и хранения данных сравнительно небольшого объема (1,44 Мб). В отечественных разработках существовал термин «гибкий магнитный диск» и соответствующая аббревиатура –

60