1.4. Технические средства реализации информационных процессов

Вычислительной системой называется конкретный набор взаимодействующих между собой устройств и программ, предназначенных для обслуживания одного рабочего участка. Её центральным устройством является компьютер.

Электронная вычислительная машина (ЭВМ, компьютер) представляет собой комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач.

Часто, говоря о компьютере, имеют в виду вычислительную систему.

Чтобы судить о возможностях ЭВМ, их принято классифицировать по определенным признакам, например, по габаритам и функциональным возможностям (производительности):

• сверхпроизводительные ЭВМ и системы (супер-ЭВМ);

• большие ЭВМ (универсальные ЭВМ общего назначения);

• средние ЭВМ;

• малые или мини-ЭВМ;

• сверхмалые микро-ЭВМ;

• персональные компьютеры;

• микропроцессоры.

При рассмотрении ЭВМ как средства обработки информации важную роль играет понятие архитектуры ЭВМ (рис. 1.2).

Под архитектурой ЭВМ понимается совокупность общих принципов организации аппаратно-программных средств и их характеристик, определяющая функциональные возможности ЭВМ при решении соответствующих классов задач.

Архитектура ЭВМ учитывает множество факторов, среди которых важнейшими являются: стоимость, сфера применения, функциональные возможности, удобство эксплуатации, а одним из главных компонентов архитектуры являются аппаратные средства.

Архитектуру вычислительного средства следует отличать от структуры, которая средства определяет его конкретный состав на некотором уровне детализации (устройства, блоки, узлы и т.д.) и описывает связи внутри средства во всей их полноте. Архитектура же определяет правила взаимодействия составных частей вычислительного средства, описание которых выполняется в той мере, в какой это необходимо для формирования правил их взаимодействия. Она регламентирует не все связи, а наиболее важные, которые должны быть известны для более грамотного использования данного средства (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Основные компоненты архитектуры ЭВМ

Несмотря на то, что современные ЭВМ внешне не имеют ничего общего с первыми моделями, основополагающие идеи, заложенные в них и связанные с понятием алгоритма, разработанного Аланом Тьюрингом, а также архитектурной реализацией, предложенной Джоном фон Нейманом, пока не претерпели коренных изменений (за исключением систем параллельной обработки информации).

Любая ЭВМ неймановской архитектуры содержит:

• арифметико-логическое устройство (АЛУ);

• устройство управления (УУ);

• запоминающее устройство (ЗУ);

• устройства ввода-вывода (УВВ);

• пульт управления (ПУ).

В современных ЭВМ АЛУ и УУ объединены в общее устройство, называемое центральным процессором (рис. 1.3.).

Рис. 1.3. Обобщенная логическая структура ЭВМ

Процессор, или микропроцессор, является основным устройством ЭВМ. Он пред­назначен для выполнения вычислений по хранящейся в запоминающем устройстве программе и обеспечения общего управления ЭВМ. Быстродействие ЭВМ в значительной мере определяется скоростью работы процессора. Для ее увеличения процессор исполь­зует собственную память небольшого объема, именуемую местной, или сверхоператив­ной, что в некоторых случаях исключает необходимость обращения к запоминающему устройству ЭВМ.

Вычислительный процесс должен быть предварительно представлен для ЭВМ в виде программы — последовательности инструкций (команд), записанных в порядке выпол­нения. В процессе выполнения программы ЭВМ выбирает очередную команду, расшиф­ровывает ее, определяет, какие действия и над какими операндами следует выполнить. Эту функцию осуществляет УУ. Оно же помещает выбранные из ЗУ операнды в АЛУ, где они и обрабатываются. Само АЛУ работает под управлением УУ.

Обрабатываемые данные и выполняемая программа должны находиться в запоми­нающем устройстве  памяти вычислительной машины, куда они вводятся через устройство ввода. Емкость памяти измеряется в величинах, кратных байту. Память представляет собой сложную структуру, построенную по иерархическому принципу, и включает в себя запоминаю­щие устройства различных типов. Функционально она делится на две части: внутрен­нюю и внешнюю.

Внутренняя, или основная память,  это запоминающее устройство, напрямую свя­занное с процессором и предназначенное для хранения выполняемых программ и дан­ных, непосредственно участвующих в вычислениях. Обращение к внутренней памяти ЭВМ осуществляется с высоким быстродействием, но она имеет ограниченный объем, определяемый системой адресации машины.

Внутренняя память, в свою очередь, делится на оперативную (ОЗУ) и постоянную (ПЗУ). Оперативная память, по объему составляющая большую часть внутрен­ней памяти, служит для приема, хранения и выдачи информации. При выключении пи­тания ЭВМ содержимое оперативной памяти в большинстве случаев теряется. Посто­янная память обеспечивает хранение и выдачу информации. В отличие от содержимого оперативной памяти, содержимое постоянной заполняется при изготовлении ЭВМ и не может быть изменено в обычных условиях эксплуатации. В постоянной памяти хранят­ся часто используемые (универсальные) программы и данные, к примеру, некоторые программы операционной системы, программы тестирования оборудования ЭВМ и др. При выключении питания содержимое постоянной памяти сохраняется.

Внешняя память (ВЗУ) предназначена для размещения больших объемов информа­ции и обмена ею с оперативной памятью. Для построения внешней памяти используют энергонезависимые носители информации (диски и ленты), которые к тому же являют­ся переносимыми. Емкость этой памяти практически не имеет ограничений, а для обра­щения к ней требуется больше времени, чем к внутренней.

Внешние запоминающие устройства конструктивно отделены от центральных уст­ройств ЭВМ (процессора и внутренней памяти), имеют собственное управление и вы­полняют запросы процессора без его непосредственного вмешательства. В качестве ВЗУ используют накопители на магнитных и оптических дисках, а также накопители на маг­нитных лентах.

По принципам функционирования ВЗУ разделяются на устройства прямого дос­тупа (накопители на магнитных и оптических дисках) и устройства последователь­ного доступа (накопители на магнитных лентах). Первые обла­дают большим быстродействием, поэтому они являются основными внешними запо­минающими устройствами, постоянно используемыми в процессе функционирования ЭВМ. Вторые используются в основном для резерви­рования информации.

Устройства ввода-вывода служат соответственно для ввода информации в ЭВМ и вывода из нее, а также для обеспечения общения пользователя с машиной. Иногда их называют периферийными или внешними устройствами ЭВМ. К ним относятся, в частности, дисплеи (мониторы), клавиатура, манипуляторы типа «мышь», алфавитно-цифровые печатающие устройства (принтеры), графопостроители, сканеры и др. Процессы ввода-вывода протекают с использованием внутренней памяти ЭВМ. Для управления внешними устройствами (в том числе и ВЗУ) и согласования их с системным интерфейсом служат групповые устройства управления внешними устрой­ствами, так называемые адаптеры или контроллёры.

Системный интерфейс — это конструктивная часть ЭВМ, предназначенная для взаи­модействия ее устройств и обмена информацией между ними.

В больших, средних и супер-ЭВМ в качестве системного интерфейса используются сложные устройства, имеющие встроенные процессоры ввода-вывода, именуемые ка­налами, обеспечивающими высокую скорость обмена данными между ком­понентами ЭВМ.

Отличительная особенность малых ЭВМ состоит в использовании в качестве сис­темного интерфейса системных шин. Различают ЭВМ с многошинной структурой и с общей шиной. В первом случае для обмена информацией между устройствами используются отдельные группы шин, во втором  все устройства ЭВМ объединяются с помо­щью одной группы шин, в которую входят подмножества шин для передачи данных, адреса и управляющих сигналов.

Пульт управления служит для выполнения оператором ЭВМ или системным про­граммистом системных операций в ходе управления вычислительным процессом, который конструктивно часто выполняется вме­сте с центральным процессором. Кро­ме того, при техническом обслуживании ЭВМ за пультом управления работает инже­нерно-технический персонал.

В связи с внедрением персонального компьютера во все сферы жизнедеятельности человека остановимся на его устройстве (рис. 1.4.) более подробно. Компьютер предназначен для выполнения двух основных функций: вычислительной и обработки информации.

Все основные устройства компьютера расположены в системном блоке, что видно из схемы.

Микропроцессор – "сердце компьютера". Выполняет все вычисления и обработку данных, управляет работой всех остальных устройств. Скорость его работы во многом определяет быстродействие компьютера. Микропроцессор характеризуется типом (моделью) и тактовой частотой. Тактовая частота указывает, сколько элементарных операций (тактов) он выполняет в одну секунду. Под элементарной операцией понимается любая простейшая опе­рация типа сложения, пересылки, сравнения и т. д. Она измеряется в мегагерцах (МГц). Например, 66, 90, 100, 166, 266, 466 и т. д. МГц. Типы Intel 80286, Intel 80386, Intel 80486, Pentium, Pentium I, Pentium II, Pentium III, Pentium IV.

Рис. 1.4. Устройства персонального компьютера

Память компьютера подразделяется на:

• внутреннюю оперативную (ОЗУ) (характеризуется объёмом, например, 1, 2, 4, 8, 16, …, 126, 256, 512 Мбайт);

• сверхоперативную (КЕШ-память);

• память на жёстком диске (винчестер);

• внешнюю память (на гибких магнитных и CD дисках ).

КЕШ-память – "сверхоперативная" память относительно небольшого объёма, в которой хранятся наиболее часто используемые при работе микропроцессора участки оперативной памяти. Располагается "между" микропроцессором и оперативной памятью, и при обращении микропроцессора к памяти сначала производится поиск нужных данных в кеш-памяти. Характеризуется объёмом: 128, 256,512 Кбайт.

Память на жёстком магнитном диске (винчестере) предназначена для постоянного хранения информации, используемой при работе с компьютером. Это программы операционной системы (Windows), часто используемые пакеты программ, прикладные программы (Word, Excell и др.), а также пользовательские программы и документы. При выключении компьютера вся информация сохраняется. Винчестеры характеризуются своей ёмкостью – объёмом хранимой на них информации. Например: 4 Гбайта, 20 Гбайт, 40 Гбайт и т.д.

Внешняя память на гибких "флоппи" дисках и CD-дисках используется для хранения информации, не используемой постоянно, для переноса документов и программ с одного компьютера на другой, для хранения резервных архивных копий информации, содержащейся на жёстком диске. Различают диски CD-R, CD-RW и DVD, дискеты 5,25" и 3,5" дюйма. Диски более надёжны и могут хранить значительно больше информации, чем дискеты. В настоящий момент дискеты на 5,25" практически перестали использоваться. Современные компьютеры не оснащены дисководами для них.

Контроллёры и адаптеры внешних устройств представляют собой электронные схемы, которые управляют внешними устройствами: клавиатурой, принтером, монитором, модемом и т.д. Они взаимодействуют с микропроцессором и оперативной памятью через системную магистраль (шину) передачи данных.

К устройствам, входящим в состав системного блока, можно отнести и CD-ROM - устройство для считывания информации с лазерных компакт-дисков.

Все перечисленные устройства крепятся внутри системного блока, часть из них на специальной плате, называемой материнской, и соединены системной шиной – устройством, осуществляющим обмен данными между всеми устройствами компьютера.

Дисплей (монитор) – устройство для вывода текстовой и графической информации на экран. Дисплеи бывают монохромными и цветными. Различаются дисплеи и размерами по диагонали 14", 15", 17" , 19", типом EGA, VGA, Super VGA, жидкокристаллические и разрешающей способностью – количеством точек по горизонтали и по вертикали.

Клавиатура предназначена для ввода в компьютер буквенно-цифровой информации, а также ряда специальных символов.

Манипулятор "мышь" облегчает ввод информации в компьютер. Наиболее полно удобство этого устройства ввода пользователь ощутил, когда основной операционной системой, используемой повсеместно, стала Windows различных версий. Ввод информации с помощью "мыши" осуществляется нажатием одной из её клавиш.

Принтер предназначен для вывода информации на бумагу. Все принтеры могут выводить текстовую, а многие и графическую информацию. Различают черно-белые и цветные принтеры. Они подразделяются на три основных класса: матричные, струйные и лазерные. Матричные принтеры оснащены печатающей головкой с набором металлических иголок, которые ударяют по бумаге через красящую ленту при движении головки вдоль печатаемой строки. В струйных принтерах изображение формируется микрокаплями специальных чернил, выдуваемых на бумагу с помощью сопел. Лазерные принтеры переносят изображение на бумагу со специального барабана, к которому электрически притягиваются частички краски. Наиболее качественную печать дают лазерные принтеры.

При обработке информации мы пользуемся всеми устройствами, включёнными в компьютер.