[Alekseev_A.P.]_Informatika_2015(z-lib.org)

__________________________________________________________________________________

Вывод звуковой информации осуществляется с помощью акустических колонок и головных телефонов, которые подключаются через специальный адаптер (контроллер,

звуковую плату).

Существует несколько способов воспроизведения звуков (в частности, музыкальных произведений). Частотный способ (FM-синтез) воспроизведения звука основан на имитации звука реальных инструментов, а табличный способ (wave-table- синтез) оперирует записанными в памяти звуками реальных инструментов.

Частотный синтез основывается на том, что для получения какого-либо звука используются математические формулы (модели),

которые описывают спектр частот конкретного музыкального инструмента. Звуки, получаемые по этой технологии, характеризуются металлическим оттенком.

Волновой синтез основан на использовании цифровой записи реальных инструментов, так называемых семплов (samples). Семплы — это образцы звучания различных реальных инструментов, хранящиеся в памяти звуковой карты.

При воспроизведении звуков по технологии волнового синтеза пользователь слышит звуки реальных инструментов, поэтому создаваемая звуковая картина ближе к естественному звучанию инструментов.

Семплы могут храниться двумя способами: либо постоянно в ПЗУ, либо загружаться в оперативную память звуковой карты перед их использованием. Существует большой набор разнообразных семплов, что позволяет формировать практически бесконечное разнообразие звуков.

Рассмотрим конструкцию жидкокристаллического монитора (ЖКМ). В ЖКМ используется физический эффект изменения пространственного положения молекул кристаллов под действием электрического поля. При этом жидкие кристаллы выполняют как бы роль заслонок (клапанов). При одних значениях управляющих сигналов заслонки открываются и пропускают свет. При других значениях управляющих сигналов свет через жидкие кристаллы не проходит. В ЖКМ изображение формируется из большого числа точек (пикселей), которые образуют прямоугольную матрицу, причём управление процессом формирования изображения идёт цифровым спосо-

122 Устройства вывода информации

__________________________________________________________________________________

бом. В ЖКМ одновременно изменяется свечение всех элементов целой строки матрицы.

Матрица ЖКМ (Liquid Crystal Display, LCD) сделана из вещества, находящегося в жидком агрегатном состоянии, но обладающего свойствами кристаллов. Под действием электрического поля жидкие кристаллы изменяют свою пространственную ориентацию (поворачиваются) и этим варьируют интенсивность проходящего света.

Монитор представляет собой многослойную конструкцию, которая содержит поляризаторы 1 и 2 (см. рисунок), матрицу управляющих транзисторов, цветные фильтры, стеклянные пластины, между которыми размещены жидкие кристаллы.

Цветное изображение формируется за счёт использования фильтров трёх цветов (RGB). В цветных ЖКМ используется известный психофизический эффект: комбинация красного, синего и зелёного цветов в разных пропорциях позволяет получить любой цвет или цветовой оттенок.

Источник света (лампа) в ЖКМ располагается за экраном (за матрицей). Заметим, что жидкокристаллический экран порой называют панелью. Изменяя электрическое напряжение на отдельных элементах матрицы (транзисторах), можно управлять степенью прохождения света от источника к наблюдателю.

__________________________________________________________________________________

Принцип действия ЖКМ основан на эффекте поляризации. Вначале свет проходит через первый поляризационный фильтр (Поляризатор 1), который характеризуется определённым углом поляризации. В ЖКМ установлен ещё один поляризатор (Поляризатор 2). В зависимости от угла поляризации второго поляризатора, свет будет либо полностью им поглощаться (если угол поляризации второго фильтра перпендикулярен углу поляризации первого фильтра), либо беспрепятственно проходить (если углы совпадают). Плавное изменение угла поляризации проходящего света позволяет регулировать интенсивность видимого (проходящего) света. Угол поляризации проходящего света изменяют с помощью жидких кристаллов. Их ориентация в пространстве зависит от величины управляющего напряжения, подаваемого на матрицу тран-

зисторов.

Таким образом, изменяя управляющее напряжение на каждом транзисторе матрицы, можно варьировать пространственное положение жидких кри-

сталлов в данной точке. Изменение пространственного положения кристаллов приводит к изменению угла поляризации света в данной точке экрана (а, значит, и к изменению интенсивности свечения данной точки экрана).

124 Классификация ЭВМ

__________________________________________________________________________________

4.3. Классификация ЭВМ

Порядок — это хаос, к которому привыкли.

Роберт Лембке

Число классификаций ЭВМ велико, и они постоянно совершенствуются. Однако мала вероятность появления такой исчерпывающей классификации ЭВМ, как, например, созданная Д.И. Менделеевым «Периодическая таблица химических элементов», которая позволяет предсказать свойства неизвестного науке химического элемента.

Компьютеры могут быть классифицированы (упорядочены) по различным признакам, в частности:

по принципу действия (аналоговые вы-

числительные машины - АВМ, цифровые вычислительные машины - ЦВМ, гибридные вычислительные машины - ГВМ);

по функциональным возможностям

(универсальные, проблемно-ориентированные и специализированные ЭВМ);

по числу потоков и команд (SISD, MISD, SIMD, MIMD);

по этапам создания и элементной базе (на электромагнитных реле, электронных лампах, транзисторах, микросхемах малой степени интеграции, микросхемах большой степени интеграции);

по размерам и вычислительной мощно-

сти (суперЭВМ, большие ЭВМ, малые ЭВМ, микроЭВМ, настольные — Desktop, порта-

тивные — Lap Top, Note Book и план-

станции — клиенты).

Дадим небольшие комментарии к каждой классификации.

Первая электронная вычислитель-

126 Классификация ЭВМ

__________________________________________________________________________________

Для решения сложных задач прогнозирования метеообстановки, управления оборонными комплексами, моделирования ядерных испытаний, криптоанализа, астрофизики и др. — были разработаны наиболее сложные и мощные машины — суперЭВМ.

Создать высокопроизводительную суперЭВМ на одном микропроцессоре не удается из-за ограничения скорости распространения электромагнитных волн (ограничение тактовой частоты процессора) и наличия предельного температурного барьера. Современные технологии производства интегральных полупроводниковых микросхем уже не позволяют радикально уменьшить размеры радиоэлементов. Наличие больших паразитных емкостей у транзисторов также ограничивает быстродействие устройств из-за длительных переходных процессов. Поэтому суперЭВМ проектируют в виде многопроцессорных вычислительных систем (МПВС). При этом одновременно (параллельно) работает несколько десятков тысяч (и даже сотен ты-

сяч) процессоров, увеличивая тем самым суммарную производительность системы. Зримо представить грандиозность суперЭВМ можно, прочитав книгу Д.Брауна «Цифровая крепость».

Наибольшей производительностью на июнь 2013 г. обладает китайская суперЭВМ Тяньхэ-2. У машины более трех миллионов вычислительных ядер и 1,4 петабайта

оперативной памяти. Её производительность составила 33,86 петафлопс (число операций с плавающей точкой в секунду). СуперЭВМ занимает площадь в 720 м2, её потребляемая мощность составляет 17 МВт. Для сравнения заметим, что Жигулёвская ГЭС смогла бы обеспечить примерно 140 таких ЭВМ.

__________________________________________________________________________________

МПВС имеют несколько разновидностей:

векторные МПВС, в которых все процессоры P одновременно выполняют одну команду I над различными данными D. Это однократный поток команд с многократным потоком данных — SIMD (Single Instruction Stream /Multiple Data Stream);

конвейерные МПВС, в которых процессоры одновременно выполняют разные операции I над последовательным потоком обрабатываемых данных D; по принятой классификации такие МПВС относятся к системам с многократным потоком команд и однократным потоком данных — MISD (Multiple Instruction Stream / Single Data Stream);

матричные МПВС, в которых процессоры P одновременно выполняют разные операции I над несколькими потоками обрабатываемых данных D — многократный поток команд с многократным потоком данных — MIMD

I(Multiple Instruction Stream / Multiple Data Stream).

PЭВМ, которые по числу обрабатываемых потоков команд и данных являются простейшими.

Аббревиатура SISD (Single Instruction Stream / Single Data Stream) означает оди-

128 Классификация ЭВМ

__________________________________________________________________________________

ночный поток команд и одиночный поток данных. К этому классу относятся машины фон-неймановского типа. В таких машинах есть только один поток команд, все команды обрабатываются последовательно друг за другом, и каждая команда инициирует одну операцию с одним потоком данных.

Универсальные ЭВМ предназначены для решения широкого класса научно-технических задач и являются наиболее сложными и дорогими ма-

шинами. Для проблемно-ориентированных ЭВМ характерно ограничение машинных ресурсов применительно к определенному классу задач. Такие ЭВМ используются в автоматизированных системах управления технологическими процессами (АСУТП), автоматизированных системах научных исследований (АСНИ), системах автоматизированного проектирования (САПР), в автоматизированных рабочих местах (АРМ). Специализированные ЭВМ служат для решения узкого класса задач (или даже одной задачи), требующих многократного повторения рутинных операций (например, продажа билетов на транспорте, коммутация на автоматической телефонной станции, статистическая обработка информации в измерительном приборе).

Вцифровых вычислительных машинах (ЦВМ) информация циркулирует в виде двоичных сигналов (кодов), с помощью которых представляются буквы, числа, знаки препинания, математические символы, управляющие сигналы, графические изображения, звуковые картины и т. д. Все данные, адреса и команды, в конечном счете, заменяются сигналами двух уровней — высокого и низкого, которые принято называть единицами и нулями.

Ваналоговых вычислительных машинах (АВМ) электрические сигналы имеют непрерывный характер. О результатах вычислений судят по величине электрических напряжений на выходе операционных усилителей, которые составляют основу АВМ.

Гибридные вычислительные машины (ГВМ) — это комбиниро-

ванные машины, которые работают с информацией, представленной и в цифровой, и в аналоговой формах.

Сервер (Server) — компьютер, предоставляющий услуги другому компьютеру — клиенту (рабочей станции). С помощью сервера другие компьютеры получают доступ к базам данных, находящимся на сервере, принтерам и факсам, подключенным к серверу. Среди компьютеров различают почтовые серверы, серверы печати, файл-серверы, серверы доменных имен и т. п.

Взаключение еще раз отметим, что рассмотренные классификации в известной мере условны, так как границы между группами ЭВМ размыты и очень подвижны во времени.

__________________________________________________________________________________

5.Системное программное обеспечение

5.1.Понятие об операционной системе

Вдетстве я долго ждал, когда прогреется кинескоп.

Теперь я жду, когда загрузится у телевизора операционная система.

Анекдот

Операционная система (ОС) — комплекс программ, предназначенных для управления устройствами, процессами, распределения аппаратных и программных ресурсов между процессами.

Под устройствами понимаются: компьютеры, сети, банкоматы, смартфоны, фотоаппараты, видеокамеры, часы, электронные книги, проигрыватели (плейеры), бытовая техника. В дальнейшем при рассмотрении операционных систем преимущественно будем говорить о ЭВМ.

Процесс (задача) — совокупность взаимосвязанных операций (действий), с помощью которых ЭВМ преобразует входные данные в выходные в соответствии с выбранным алгоритмом (программой). Одни процессы запускаются по инициативе пользователя, другие инициализируются ОС для выполнения своих функций. Процесс – это программа, запущенная на исполнение.

Ресурсы - аппаратные и программные средства ЭВМ, которые выделяются операционной системой процессу на ограниченный промежуток времени.

ОС распределяет имеющиеся ресурсы ЭВМ между процессами, скрывает от пользователей и программистов второстепенные детали, упрощает взаимодействие пользователя с устройствами. Так при записи файла на жёсткий диск ОС прячет от пользователя многие технические детали: пользователь не знает, на каких дорожках и секторах размещен сохранённый файл. При одновременной работе нескольких приложений пользователь не знает, какие конкретные ячейки оперативной памяти отданы каждому приложению.

При работе на ЭВМ пользователю приходится многократно выполнять типичные операции, которые одинаковы для многих приложений. К таким операциям относятся: запись, поиск, считывание, копирование, переименование, перемещение и удаление файлов. Операционная система позволяет упростить выполнение этих операций.

130 Понятие об операционной системе

__________________________________________________________________________________

Так, например, чтобы считать файл с жесткого диска, ОС находит в таблице размещения файлов его описание, определяет, где он находится на жестком диске (определяет номер дорожки, сектор), перемещает считывающую головку в нужную позицию, считывает данные и записывает их в определенное место ОЗУ.

ОС стремится создать пользователю комфортные условия при выполнении типичных, часто повторяемых операций. Если говорить образно, то операционная система — это слуга, который заботится об удобствах своего хозяина-пользователя. Естественно, что такие положительные свойства ОС появились не сами собой. Они созданы кропотливым трудом инженеров и программистов.

Создание и совершенствование ОС происходило (и происходит) одновременно с изобретением новых аппаратных средств. Появление ручных манипуляторов (типа «мышь») и создание сенсорных экранов привело к появлению совершенно разных операционных систем. Системные программы и аппаратные средства модифицировались одновременно (параллельно), развивая друг друга. Программисты первой ЭВМ «ЭНИАК» вводили в ОЗУ команды с помощью переключателей (коммутаторов). Для загрузки программы в бытовом компьютере «Радио-86» пользователь должен был вначале по слуху определить, где находится начало файла на магнитной ленте. Очевидно, что операционные системы мейнфреймов и ноутбуков - трансформеров коренным образом отличаются друг от друга.

Перечислим основные функции операционных систем.

Создание дружественного пользовательского интерфейса, позволяющего легко управлять работой ЭВМ.

Распределение оперативной памяти и процессорного времени между одновременно выполняемыми вычислительными процессами.

Обеспечение многопроцессорности (одновременная работа нескольких процессоров).

Поддержка работоспособности периферийных устройств.

Обработка прерываний.

Создание и поддержка файловой системы.

Восстановление работоспособности ЭВМ при возникновении сбоев.

Поддержка работы ЭВМ в локальных и глобальных сетях.

Защита ЭВМ от злоумышленников (аутентификация, авторизация и аудит).

Распределение ресурсов ЭВМ в соответствии с приоритетом выполняемых процессов.

Родительский контроль (защита детей от ознакомления с содержимым непристойных сайтов).