Введение
Информатика - наука об информации и технических средствах ее сбора, хранения, обработки и передачи.
В настоящее время информатика и ее практические результаты становятся важнейшим двигателем научно-технического прогресса и развития человеческого общества. Скорость развития средств обработки и передачи информации поразительна, в истории человечества этому бурно развивающемуся процессу нет аналога. Сведения, касающиеся прикладной области, быстро устаревают. На смену одним технологиям приходят другие, более совершенные и более сложные. Специалисты в области информационных технологий должны непрерывно обучаться и повышать свою квалификацию.
Изначальная цель данной работы – дать представление о принципах действия технических средств (hard ware) информатики в рамках программы соответствующего курса. Дополнительные цели – ознакомление с историей развития технических средств и решение некоторых проблем коммуникации.
Благодаря учебному пособию Вы будете знать:
архитектуру, классификацию и состав современного персонального компьютера (ПК);
компоненты, входящие в системный блок, основные параметры материнской платы, центрального процессора и оперативной памяти;
устройства для записи и хранения информации, используемые в вычислительной технике, их основные характеристики и параметры;
основные характеристики и типы внутренней и внешней памяти ПК;
устройства ввода и вывода информации из ПК, дополнительные устройства и их разновидности, назначение, принципы работы, способы подключения.
Благодаря учебному пособию Вы будете уметь:
правильно использовать возможности аппаратного обеспечения ПК;
идентифицировать основные узлы системного блока компьютера и периферийные устройства;
различать порты и разъемы для подключения периферийных устройств;
подключать периферийные устройства к системному блоку;
подбирать оптимальную конфигурацию компонентов ПК в соответствии с задачами, стоящими перед пользователем.
1. Классификация и архитектура современных компьютеров
Совокупность устройств, предназначенных для автоматической или автоматизированной обработки информации называют вычислительной техникой. Конкретный набор, связанных между собою устройств, называют вычислительной системой. Центральным устройством большинства вычислительных систем является электронная вычислительная машина (ЭВМ) или компьютер.
1.1. Краткая история развития вычислительной техники
1.1.1. Первые счетно-аналитические устройства
История компьютера тесным образом связана с попытками облегчить и автоматизировать большие объемы вычислений. Даже простые арифметические операции с большими числами затруднительны для человеческого мозга. Поэтому уже в древности появилось простейшее счетное устройство - абак. В семнадцатом веке была изобретена логарифмическая линейка (рис.1.1), облегчающая сложные математические расчеты.
Рис. 1.1. Логарифмические линейки: круглая и прямоугольная
В 1642 году Блез Паскаль сконструировал восьмиразрядный суммирующий механизм (рис. 1.2) .
Рис. 1.2. Суммирующая машина Паскаля
Машина Паскаля представляла собой механическое устройство в виде ящичка с многочисленными связанными одна с другой шестерёнками. Складываемые числа вводились в машину при помощи соответствующего поворота наборных колёсиков. На каждое из этих колёсиков, соответствовавших одному десятичному разряду числа, были нанесены деления от 0 до 9. При вводе числа, колесики прокручивались до соответствующей цифры. Совершив полный оборот, избыток над цифрой 9 колёсико переносило на соседний разряд, сдвигая соседнее колесо на 1 позицию. Первые варианты «Паскалины» (так назвали машину) имели пять зубчатых колёс, позднее их число увеличилось до шести или даже восьми, что позволяло работать с большими числами, вплоть до 9999999. Ответ появлялся в верхней части металлического корпуса. Вращение колёс было возможно лишь в одном направлении, исключая возможность непосредственного оперирования отрицательными числами. Тем не менее, машина Паскаля позволяла выполнять не только сложение, но и другие операции, но требовала при этом применения довольно неудобной процедуры повторных сложений. Вычитание выполнялось при помощи дополнений до девятки, которые для помощи считавшему появлялись в окошке, размещённом над выставленным оригинальным значением.
Идея создания машины, выполняющей вычисления, появилась у выдающегося немецкого математика и философа Готфрида Вильгельма Лейбница после его знакомства с голландским математиком и астрономом Христианом Гюйгенсом. Огромное количество вычислений, которое приходилось делать астроному, навело Лейбница на мысль о создании механического устройства, которое могло бы облегчить такие.
Механический калькулятор (рис.1.3) был создан Лейбницем в 1673 году. Сложение чисел выполнялось при помощи связанных друг с другом колёс, так же как на вычислительной машине Паскаля.
Рис. 1.3. Механический калькулятор Лейбница
Добавленная в конструкцию движущаяся часть (прообраз подвижной каретки будущих настольных калькуляторов) и специальная рукоятка, позволявшая крутить ступенчатое колесо (в последующих вариантах машины — цилиндры), позволяли ускорить повторяющиеся операции сложения, при помощи которых выполнялось деление и перемножение чисел. Необходимое число повторных сложений выполнялось автоматически.
Прототипом арифмометров (от греч. αριθμός — число) — настольных механических вычислительных машин с ручным приводом для выполнения арифметических действий, получивших распространение в 1-й половине XX в., послужила счётная машина, изобретённая в 1890 году русским механиком В. Т. Однером (рис. 1.4). Однер заменил ступенчатые валики Лейбница зубчатым колесом с меняющимся числом зубцов.
Рис.1.4. Одна из модификаций арифмометра Однера
В течение многих десятков лет он был самой распространённой вычислительной машиной. Только распространение электронных калькуляторов вытеснило арифмометр Однера из всеобщего употребления.
Все основные идеи, которые лежат в основе работы компьютеров, были изложены еще в 1833 году английским математиком Чарльзом Бэббиджем (рис. 1.5). Он разработал проект машины для выполнения научных и технических расчетов, где предугадал основные устройства современного компьютера, а также его задачи.
Управление такой машиной должно было осуществляться программным путем. Для ввода и вывода данных Бэббидж предлагал использовать перфокарты - листы из плотной бумаги с информацией, наносимой с помощью отверстий. В то время перфокарты уже использовались в текстильной промышленности. Отверстия в них пробивались с помощью специальных устройств - перфораторов. Идеи Бэббиджа стали реально воплощаться в жизнь в конце 19 века.
В 1888 году американский инженер Герман Холлерит сконструировал первую электромеханическую счетную машину. Эта машина, названная табулятором, могла считывать и сортировать статистические записи, закодированные на перфокартах. В 1890 году изобретение Холлерита было впервые использовано в 11-й американской переписи населения. Работа, которую пятьсот сотрудников выполняли в течение семи лет, Холлерит сделал с 43-мя помощниками на 43-х табуляторах за один месяц.
Рис. 1.5. Один из узлов аналитической машины Бэббиджа
В 1896 году Герман Холлерит основал фирму Computing Tabulating Recording Company, которая стала основой для будущей Интернэшнл Бизнес Мэшинс (International Business Machines Corporation, IBM) - компании, внесшей гигантский вклад в развитие мировой компьютерной техники.
Дальнейшее развитие науки и техники позволили в 40-х годах построить первые вычислительные машины. Создателем первого действующего компьютера Z3 (рис. 1.6) с программным управлением считают немецкого инженера Конрада Цузе.
В феврале 1944 года на одном из предприятий IBM в сотрудничестве с учеными Гарвардского университета по заказу ВМС США была создана машина "Mark 1" (рис. 1.7). Это был монстр весом около 35 тонн. В "Mark 1" использовались механические элементы для представления чисел и электромеханические - для управления работой машины.
Рис. 1.6. Z3 — первая программно-управляемая вычислительная машина
Числа хранились в регистрах, состоящих из десятизубных счетных колес. Каждый регистр содержал 24 колеса, причем 23 из них использовались для представления числа (т.е. "Mark 1" мог "перемалывать" числа длинной до 23 разрядов), а одно - для представления его знака. Регистр имел механизм передачи десятков и, поэтому, использовался не только для хранения чисел; находящееся в одном регистре, число могло быть передано в другой регистр и добавлено к находящемуся там числу(или вычтено из него). Всего в "Mark 1" было 72 регистра и, кроме того, дополнительная память из 60 регистров, образованных механическими переключателями. В эту дополнительную память вручную вводились константы - числа, которые не изменялись в процессе вычислений.
Рис. 1.7. Вычислительная машина MARK-1
Умножение и деление производилось в отдельном устройстве. Кроме того, машина имела встроенные блоки, для вычисления sin x, 10x и log x.
Скорость выполнения арифметических операций в среднем составляла: сложение и вычитание - 0,3 секунды, умножение - 5,7 секунды, деление - 15,3 секунды. Таким образом "Mark 1" был "эквивалентен" примерно 20 операторам, работающим с ручными счетными машинами.
Основоположниками компьютерной науки по праву считаются Клод Шеннон - создатель теории информации, Алан Тьюринг - математик, разработавший теорию программ и алгоритмов, и Джон фон Нейман - автор конструкции вычислительных устройств, которая до сих пор лежит в основе большинства компьютеров. В те же годы возникла еще одна новая наука, связанная с информатикой, - кибернетика, наука об управлении как одном из основных информационных процессов. Основателем кибернетики является американский математик Норберт Винер. Одно время слово "кибернетика" использовалось для обозначения вообще всей компьютерной науки, а в особенности тех ее направлений, которые в 60-е годы считались самыми перспективными: искусственного интеллекта и робототехники. Вот почему в научно-фантастических произведениях роботов нередко называют "киберами". А в 90-е годы это слово опять всплыло для обозначения новых понятий, связанных с глобальными компьютерными сетями - появились такие неологизмы, как "киберпространство", "кибермагазины" и даже "киберсекс".