- •Введение
- •Раздел «Создание и эволюция эвм» Глава 1. Научные предпосылки создания эвм
- •Управление и информация
- •Информация и ее свойства
- •Экономическая информация
- •Три формы адекватности информации
- •Меры информации
- •Синтаксические меры информации
- •Семантическая мера информации
- •Прагматическая мера информации
- •Показатели качества информации
- •Репрезентативность
- •Содержательность
- •Достаточность
- •Доступность
- •Актуальность
- •Своевременность
- •Точность
- •Достоверность
- •Устойчивость
- •Защищенность
- •Полезность
- •Информатика
- •Наука информатика
- •Информационные технологии
- •Индустрия информатики
- •Вопросы для самопроверки
- •Глава 2. История создания вычислительной техники
- •Механические счетные машины
- •Электромеханические счетные машины
- •Электронные вычислительные машины
- •Вопросы для самопроверки
- •Глава 3. Эволюция эвм
- •Вопросы для самопроверки
- •Глава 4. Основные классы вычислительных машин
- •Большие компьютеры
- •Серверы и рабочие станции
- •Рабочие станции
- •Серверы
- •Малые компьютеры
- •Микрокомпьютеры
- •Персональные компьютеры
- •Наколенные компьютеры
- •Компьютеры-блокноты (ноутбуки)
- •Нетбуки
- •Планшетные компьютеры
- •Райтеры
- •Электронные книги Ридеры
- •Карманные компьютеры
- •Периферийные устройства кпк
- •Коммуникаторы (смартфоны)
- •Электронные секретари
- •Электронные записные книжки
- •Вычислительные системы
- •Многомашинные и многопроцессорные вс
- •Высокопараллельные многопроцессорные вычислительные системы
- •Ассоциативные и потоковые вс
- •Ассоциативные вычислительные системы
- •Потоковые вычислительные системы
- •Суперкомпьютеры
- •Кластерные суперкомпьютеры
- •Вопросы для самопроверки
- •Раздел 2. «Информационно-логические основы построения эвм» Глава 5. Представление информации в эвм
- •Представление чисел с фиксированной и плавающей запятой
- •Алгебраическое представление двоичных чисел
- •Прочие системы счисления
- •Двоично-десятичная система счисления
- •Шестнадцатеричная система счисления
- •Выполнение арифметических операций в компьютере
- •Особенности выполнения операций над числами с плавающей запятой
- •Выполнение арифметических операций над числами, представленными в дополнительных кодах
- •Особенности выполнения операций в обратных кодах
- •Выполнение арифметических операций в шестнадцатеричной системе счисления
- •Особенности представления информации в пк
- •Вопросы для самопроверки
- •Глава 6. Логические основы построения эвм
- •Основы алгебры логики
- •Логический синтез вычислительных схем
- •Электронные технологии и элементы
- •Полевые транзисторы
- •Планарные микросхемы
- •Электронные и логические схемы
- •Триггер
- •Регистр
- •Дешифратор
- •Логические операции, выполняемые в компьютере
- •Or (или) — логическое сложение
- •Xor (исключающее или)
- •Not (не) — операция отрицания
- •Вопросы для самопроверки
- •Раздел 3 Архитектура персонального компьютера Глава 7. Основные блоки эвм и их назначение
- •Структурная схема эвм
- •Микропроцессор
- •Системная шина
- •Основная память
- •Внешняя память
- •Источник питания
- •Внешние устройства
- •Дополнительные интегральные микросхемы
- •Элементы конструкции пк
- •Функциональные характеристики эвм
- •Производительность, быстродействие, тактовая частота
- •Разрядность микропроцессора и кодовых шин интерфейса
- •Типы системного и локальных и внешних интерфейсов
- •Емкость оперативной памяти
- •Виды накопителей на жестких магнитных дисках
- •Тип и емкость накопителей на гибких магнитных дисках
- •Наличие, виды и емкость кэш-памяти
- •Аппаратная и программная совместимость с другими типами компьютеров
- •Возможность работы в многозадачном режиме
- •Надежность
- •Глава 8. Микропроцессоры
- •Микропроцессоры типа cisc
- •Микропроцессоры Over Drive
- •Микропроцессоры Pentium
- •Микропроцессоры Pentium Pro
- •Микропроцессоры Pentium mmx и Pentium II
- •Микропроцессоры Pentium III
- •Микропроцессоры Pentium 4
- •Эффективные технологии в мп Intel
- •Архитектура Intel Net Burst
- •Многоядерные микропроцессоры
- •Микропроцессоры линейки core
- •Процессоры Core Penryn
- •Микропроцессоры типа risc
- •Микропроцессоры типа vliw
- •Физическая и функциональная структура микропроцессора
- •Устройство управления
- •Арифметико-логическое устройство
- •Микропроцессорная память
- •Универсальные регистры
- •Сегментные регистры
- •Регистры смещений
- •Регистр флагов
- •Статусные флаги
- •Управляющие флаги
- •Интерфейсная часть мп
- •Вопросы для самопроверки
- •Глава 9. Системные платы и чипсеты
- •Разновидности системных плат
- •Чипсеты системных плат
- •Чипсет i965 (Broadwater)
- •Глава 10. Интерфейсная система пк
- •Шины расширений
- •Локальные шины
- •Интерфейсы pci
- •Интерфейс agp
- •Периферийные шины
- •Интерфейсы ide/ata
- •Интерфейс scsi
- •Интерфейс rs 232
- •Интерфейс ieee 1284
- •Универсальные последовательные интерфейсы
- •Последовательная шина usb
- •Стандарт ieee 1394
- •Последовательный интерфейс sata
- •Последовательный интерфейс sas
- •Семейство последовательных интерфейсов pci Express
- •Прикладные программные интерфейсы
- •Беспроводные интерфейсы
- •Интерфейсы IrDa
- •Интерфейс Bluetooth
- •Интерфейс wusb
- •Семейство интерфейсов WiFi
- •Семейство интерфейсов WiMax
- •Интерфейс WiBro
- •Прочие интерфейсы
- •Вопросы для самопроверки
- •Глава 11. Основная память пк
- •Статическая и динамическая оперативная память
- •Основная память
- •Физическая структура основной памяти
- •Оперативные запоминающие устройства
- •Виды модулей оперативной памяти
- •Типы оперативной памяти
- •Постоянные запоминающие устройства
- •Логическая структура основной памяти
- •Вопросы для самопроверки
- •Глава12. Внешние запоминающие устройства
- •Размещение информации на дисках
- •Адресация информации на диске
- •Накопители на жестких магнитных дисках
- •0,85" Винчестеры Toshiba
- •Дисковые массивы raid
- •Накопители на гибких магнитных дисках
- •Накопители на оптических дисках
- •Неперезаписываемые оптические диски cd-rom
- •Оптические диски с однократной записью
- •Оптические диски с многократной записью
- •Оптические универсальные диски dvd
- •Маркировка скоростных характеристик cd и dvd
- •Эффективные технологии хранения информации на cd и dvd
- •Многослойный cd
- •Millipede-диск
- •Флуоресцентные оптические диски
- •Особенности организации флуоресцентных дисков
- •Прочие технологии
- •Накопители на магнитооптических дисках
- •Накопители на магнитной ленте
- •Устройства флэш-памяти
- •Твердотельные накопители на базе флэш-памяти
- •Вопросы для самопроверки
- •Глава 13. Видеотерминальные устройства
- •Видеомониторы на элт
- •Монохромные мониторы
- •Цветные мониторы
- •Виды развертки изображения на мониторе
- •Цифровые и аналоговые мониторы
- •Размер экрана монитора
- •Вертикальная (кадровая) развертка
- •Строчная развертка
- •Разрешающая способность мониторов
- •Частотная полоса пропускания
- •Эргономичность электронно-лучевых мониторов
- •Видеомониторы на плоских панелях
- •Мониторы на жидкокристаллических индикаторах
- •Tmos – мониторы
- •Плазменные мониторы
- •Электролюминесцентные мониторы
- •Светоизлучающие мониторы
- •Мониторы на основе «электронной бумаги»
- •Стереомониторы
- •Видеоконтроллеры
- •Вопросы для самопроверки
- •Глава 14. Внешние устройства пк
- •Клавиатура
- •Графический манипулятор мышь
- •Принтеры
- •Матричные принтеры
- •Струйные принтеры
- •Лазерные принтеры
- •Термопринтеры
- •Твердочернильные принтеры
- •Сервисные устройства
- •Сетевые принтеры
- •С канеры
- •Типы сканеров
- •Форматы представления графической информации в пк
- •Форматы растровой графики
- •Д игитайзеры
- •Основные характеристики дигитайзеров
- •Плоттеры
- •Типы плоттеров
- •Вопросы для самопроверки
- •Глава 15. Средства мультимедиа
- •Системы речевого ввода и вывода информации
- •Системы распознавания речи
- •Системы, ориентированные на распознавание отдельных слов, команд и вопросов
- •Системы распознавания предложений и связной речи
- •Системы идентификации по образцу речи
- •Механизм распознавания речи
- •Системы синтеза речи
- •Компьютерные средства обеспечения звуковых технологий
- •Звуковые платы (карты)
- •Компьютерные средства обеспечения видеотехнологий
- •Вопросы для самопроверки
- •Раздел 4. Компьютерные сети Глава 16. Основы построения компьютерных сетей
- •Классификация и архитектура компьютерных сетей
- •Виды компьютерных сетей
- •Модель взаимодействия открытых систем
- •Локальные вычислительные сети
- •Виды локальных вычислительных сетей
- •Одноранговые локальные сети
- •Серверные локальные сети
- •Корпоративные компьютерные сети
- •Глобальная информационная сеть Интернет
- •Протоколы, используемые в сети
- •Программное обеспечение компьютерных сетей
- •Информационное обеспечение сетей
- •Вопросы для самопроверки
- •Глава 17.Техническое обеспечение компьютерных сетей
- •Серверы и рабочие станции
- •Рабочие станции
- •Серверы
- •Маршрутизаторы и коммутирующие устройства
- •Методы коммутации
- •Коммутация сообщений
- •Коммутация пакетов
- •Методы маршрутизации
- •Варианты адресации компьютеров в сети
- •Методы маршрутизации, используемые в сетях
- •Модемы и сетевые карты
- •Модемы для аналоговых каналов связи
- •Протоколы передачи данных
- •Модемы для цифровых каналов связи
- •Сетевые карты
- •Линии и каналы связи
- •Цифровые каналы связи
- •Раздел 5. Программное управление Глава 18. Программное управление — основа автоматизации вычислительного процесса После изучения главы вы должны знать:
- •Алгоритмы и языки программирования
- •Состав машинных команд
- •Пример программы на яск
- •Программное обеспечение компьютера
- •Системное программное обеспечение
- •Операционные системы компьютеров
- •Прикладное программное обеспечение
- •Прикладные программы для офиса
- •Корпоративные прикладные программы
- •Режимы работы компьютеров
- •Однопрограммный режим
- •Многопрограммный режим
- •Система прерываний программ в пк
- •Адресация регистров и ячеек памяти в пк
- •Относительная адресация
- •Стековая адресация
- •Вопросы для самопроверки
- •Глава 19.Элементы программирования на языке Ассемблер
- •Основные компоненты языка ассемблер Алфавит языка
- •Константы (числа и строки) Только целые числа
- •Строки (литералы)
- •Команды (операторы)
- •Директивы (псевдооператоры)
- •Модификаторы
- •Адресация регистров и ячеек памяти в Ассемблере
- •Непосредственная адресация
- •Прямая адресация регистров мпп
- •Адресация ячеек оп
- •Основные команды языка ассемблер
- •Команды пересылки данных
- •Арифметические команды
- •Команды сложения, вычитания и сравнения
- •Команды приращения
- •Команды умножения
- •Команды деления
- •Логические команды
- •Команды безусловной передачи управления
- •Команды перехода к подпрограмме и выхода из подпрограммы
- •Команда перехода к подпрограмме: call opr
- •Команда выхода из подпрограммы
- •Команды условной передачи управления
- •Команды условной передачи управления для беззнаковых данных
- •Команды условной передачи управления для знаковых данных
- •Команды условной передачи управления для прочих проверок
- •Команды управления циклами
- •Команды прерывания
- •Основные директивы ассемблера
- •Директивы определения идентификаторов
- •Директивы определения данных
- •Директивы определения сегментов и процедур
- •Директивы управления трансляцией
- •Программирование процедур работы с устройствами ввода-вывода
- •Программирование работы с дисплеем
- •Видеооперации с прерыванием 21h dos
- •Программирование работы с клавиатурой
- •Некоторые аспекты создания исполняемых программ
- •Процедуры формирования программы
- •Структура программы на языке ассемблера для создания файла exe
- •Программа вычисления квадратного корня
- •Основные сведения о листинге программы
- •Последовательность работы пк при выполнении программы
- •Краткие сведения об отладчике программ debug
- •Основные команды отладчика debug
- •Вопросы для самопроверки
- •Заключение. Перспективы развития информационных систем
- •Литература
Введение
Учебник предназначен для студентов, изучающих дисциплину «Аппаратные средства вычислительной техники», а также для слушателей институтов повышения квалификации, аспирантов и преподавателей, обеспечивающих учебный процесс по данной дисциплине. Книга будет весьма полезна и для специалистов, связанных с современными информационными технологиями, и для широкого круга пользователей компьютеров.
Электронные вычислительные машины и информационно-вычислительные сети являются в современном обществе самыми востребованными ресурсами. Войдя в человеческую жизнь, компьютеры сейчас стали неотъемлемой частью нашей цивилизации. И, хотя первая ЭВМ с автоматическим программным управлением была создана чуть более полувека назад, к настоящему моменту уже насчитывается пять поколений вычислительных машин. Столь бурного развития, вероятно, не претерпевала ни одна технология.
Действительно, если признанная первой большая ЭВМ ENIAC («Эниак») в 1946 году занимала площадь около 90 м2 и весила более 30 тонн, современный микропроцессор, способный вместить все электронное оборудование такой машины, имеет площадь всего 1 см2, обеспечивая при этом такую вычислительную мощность, которая превышает суммарную вычислительную мощность всех ЭВМ, имевшихся в мире в середине 60-х годов. Первая ЭВМ содержала около 18 тысяч электронных ламп, а сейчас в тысячи раз большее количество электронных компонент 0,045-мкм технологии можно разместить в поперечном срезе человеческого волоса.
Темпы развития ЭВМ опровергли все самые смелые прогнозы. Например, президент и основатель одной из ведущих компьютерных фирм Digital Equipment Corporation. Кен Олсон (Ken Olson) в начале 70-х годов в одном из интервью сказал, что нет причин, по которым кому-нибудь захотелось бы иметь дома компьютер, а уже в 1976 г. появился самый массовый в настоящее время персональный компьютер. Самый, наверное, известный в компьютерном мире человек, основатель фирмы Microsoft Билл Гейтс (Bill Gates) утверждал в 1983 году, что ни одной компьютерной программе никогда не понадобится более 640 Кбайт оперативной памяти, а сейчас его фирма выпускает программные продукты, требующие не менее 1024 Мбайт.
Определим и уточним еще некоторые понятия, важные для изучения дисциплины.
Система (от греческого systema — целое, составленное из частей соединение) — это совокупность элементов, взаимодействующих друг с другом, образующих определенную целостность, единство, обеспечивающие целенаправленное поведение. Системы весьма разнообразны. В самом общем плане все системы можно разделить на материальные и абстрактные системы. Материальные системы представляют собой совокупность материальных объектов. Абстрактные системы являются продуктом человеческого мышления — знания, теории, гипотезы.
ПРИМЕЧАНИЕ
Информационные системы относятся к категории материальных, хотя продукт труда в них и нематериален.
Элемент (компонент) системы — часть системы, имеющая определенное функциональное назначение.
Архитектура ЭВМ (системы) — это совокупность свойств компьютера (системы), существенных для программиста и пользователя.
Организация системы — внутренняя упорядоченность, согласованность взаимодействия элементов системы, проявляющаяся, в частности, в ограничении разнообразия состояний элементов в рамках системы.
Структура системы — состав, порядок и принципы взаимодействия элементов системы, определяющие основные свойства системы.
Если отдельные элементы системы разнесены по разным уровням и внутренние связи между элементами организованы только от вышестоящих к нижестоящим уровням и наоборот, то говорят об иерархической структуре системы. Чисто иерархические структуры практически встречаются редко, поэтому, несколько расширяя это понятие, под иерархической структурой понимают и такие структуры, где среди прочих связей иерархические связи имеют главенствующее значение.
Электронная вычислительная машина (ЭВМ), компьютер — комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач. По принципу действия вычислительные машины делятся на три больших класса: аналоговые (АВМ), цифровые (ЦВМ) и гибридные (ГВМ). Критерием деления вычислительных машин на эти три класса является форма представления информации, с которой они работают.
ЦВМ — цифровые вычислительные машины или вычислительные машины дискретного действия — работают с информацией, представленной в дискретной, а точнее в цифровой форме.
АВМ — аналоговые вычислительные машины или вычислительные машины непрерывного действия, работают с информацией, представленной в непрерывной (аналоговой) форме, то есть в виде непрерывного ряда значений какой либо физической величины (чаще всего электрического напряжения).
ПРИМЕЧАНИЕ
АВМ весьма просты и удобны в эксплуатации; программирование задач для решения их на этих машинах, как правило, не трудоемкое. Скорость решения задач изменяется по желанию оператора и может быть сделана сколь угодно большой (больше чем у ЦВМ), но точность решения задач очень низкая (относительная погрешность до 2–5%). На АВМ эффективно решаются математические задачи, содержащие дифференциальные уравнения, не требующие сложной логики.
Первая электромеханическая аналоговая вычислительная машина была создана в Массачусетском технологическом институте 1930 году под руководством профессора Ванневара Буша. В конце 30 годов появились уже и электронные АВМ (на 10 лет раньше, чем электронные ЦВМ).
ГВМ — гибридные вычислительные машины или вычислительные машины комбинированного действия — работают с информацией, представленной и в цифровой, и в аналоговой форме; они совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ. ГВМ целесообразно использовать для решения задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами.
В экономике (да и в науке и в технике) получили подавляющее применение ЦВМ с электрическим представлением дискретной информации — электронные цифровые вычислительные машины, обычно называемые просто электронными вычислительными машинами (ЭВМ), без упоминания об их цифровом характере. В вычислительных системах используются практически только ЭВМ (исключение составляют некоторые специальные системы научного и оборонного назначения, где аналоговые вычислительные машины используются достаточно активно, в частности для моделирования сложных систем и процессов). В связи с вышесказанным далее мы будем рассматривать только ЭВМ.
Что касается толкования понятия вычислительной системы, то имеются различные ее определения: от просто набора устройств обработки данных (автоматизированных или автоматических), от одиночного компьютера с его программным обеспечением, до совокупности нескольких взаимосвязанных вычислителей с их программным обеспечением и периферийным оборудованием, предназначенным для сбора, хранения, обработки и распределения информации. Вычислительная система может содержать лишь один компьютер, ибо начиная с 70-х годов компьютеры стали оснащаться многочисленными внешними устройствами, которые в совокупности действительно составляют систему.
В данной книге будем придерживаться следующего определения. Вычислительная система — совокупность одного и более компьютеров или процессоров, программного обеспечения и периферийного оборудования, организованная для совместного выполнения информационно-вычислительных процессов.
То же самое касается термина «вычислительная сеть» — более правильным термином является «информационно-вычислительная сеть», а в ряде случаев и «Информационная сеть», ибо вычислительные процессы превалируют над информационными лишь в локальных вычислительных сетях, да и то довольно редко. В книге будем чаще всего использовать термин «компьютерная сеть», хотя в дословном переводе он и означает «вычислительная сеть».
В первых главах учебника уделяется внимание научным предпосылкам создания вычислительных машин, эволюции ЭВМ, их классификации и общим характеристикам. Далее рассматриваются информационно-логические особенности построения вычислительных машин. В разделе функциональная и структурная организация ЭВМ основной акцент сделан на архитектуре самого массового типа ЭВМ — персональных компьютеров (ПК); рассмотрены современное состояние и характеристики основных узлов компьютера. В учебнике также рассматриваются многомашинные и многопроцессорные вычислительные системы, в частности, высокопараллельные вычислительные системы и суперЭВМ. Уделено внимание и компьютерным сетям (КС): особенностям и принципам построения сетей, модели взаимодействия открытых систем, на базе которой строится управление КС. Обсуждаются локальные и корпоративные сети, в том числе и беспроводные. Приводятся краткие сведения о сети Интернет и о ее базовых технологиях.
В последнем разделе учебника рассматриваются принципы программного управления ЭВМ, режимы работы компьютеров, система прерывания программ, играющая важную роль в организации эффективного вычислительного процесса. Кратко рассмотрены программное обеспечение современных компьютеров и элементы программирования на машинно-ориентированном языке Ассемблер, позволяющие глубже разобраться с архитектурой вычислительной машины и понять взаимодействие ее компонентов при выполнении программ.