Лекции по информатике

Базовые понятия:

Информация (определение, характеристики), единицы, системы счисления, кодирование

Аппаратное обеспечение (Hardware):

Центральный процессор: ядро, тех. процесс, частота, кэш, сокет Устройства хранения данных: объём

Оперативная память: DDR, SPD

Постоянная память: RAID, HDD, SSD, CD/DVD/BR Видеоадаптер: GPU, видеопамять

Системная логика: NB, SB

Интерфейсы: PCI, AGP, PCI-E, ATA, SATA, USB Материнская плата: разъёмы, форм-фактор Системы охлаждения: радиатор, теплоотвод, вентилятор Монитор: разрешение, разъёмы, типы, LCD

Блок питания: мощность, КПД Устройства ввода: клавиатура, мышь, тачпад, тачскрин

Программное обеспечение (Software):

Системное ПО:

Базовый уровень: BIOS/EFI, MBR, загрузчики

Операционная система: файловые системы, ядро, интерфейс, драйвера API: DirectX, Open GL, .NET, кодеки

Антивирусы: Avast, ESET NOD32, Dr.Web, KAV Архиваторы: 7Zip, WinRAR, WinZIP

Дефрагментаторы: Defraggler, Diskeeper, O&O Defrag, PerfectDisk Диагностические утилиты: AIDA64, HDTune, Sandra, Speccy Дисковые утилиты: Acronis Disk Director, Paragon Partition Manager Утилиты записи CD/DVD: Ahead Nero, ImgBurn, InfraRecorder

Прикладное ПО:

Аудио редакторы: Audacity, Audition, MP3DirectCut, Wavelab Растровые графические редакторы: GIMP, MS Paint, Photoshop Векторные графические редакторы: CorelDRAW, Illustrator, Inkscape Медиа плееры: MPC, VLC, WMP

Офисные пакеты: Google Docs, Microsoft Office, OpenOffice

Интернет ПО: Google Chrome, Mozilla Firefox/Thunderbird, Opera, The Bat Инструментальное ПО

Сетевые технологии

Сетевая топология Сетевые модели: ISO и DoD

Проводные среды коммуникации: коаксиальный кабель, витая пара, волокно Беспроводные среды коммуникации: Bluetooth, WiFi, WiMax

Сетевое оборудование: повторитель, концентратор, коммутатор, маршрутизатор Сетевые протоколы: 2-7 уровня модели ISO

1

Базовые понятия

Информация (Informatio - осведомление, разъяснение, изложение, Informare - придавать форму) - абстрактное понятие, имеющее множество значений, в зависимости от контекста.

Информация - результат формализации субъектом явления, процесса или их влияний. Информация - мера снятой неопределённости.

Note: Норберт Виннер сформулировал, что «информация есть информация, а не материя и не энергия».

Характеристики информации:

-объективность (ценность);

-достоверность (чистота);

-актуальность (своевременность). Количество информации (I) в битах:

I=Log2(N), где N – количество равновероятных состояний (формула Хартли); I=Σ(-Pi*Log2(Pi)) – где Pi – вероятность отдельного события (формула Шеннона).

Система счисления - символический метод записи и представление чисел с помощью письменных знаков.

Система счисления:

-даёт представления множества чисел (целых или вещественных);

-даёт каждому числу уникальное представление (стандартное представление);

-отражает алгебраическую и арифметическую структуру чисел.

В информатике используют следующие позиционные системы счисления:

-двоичная (0, 1) - вычисления на аппаратном уровне;

-десятичная (0-9);

-шестнадцатеричная (0-9, A-F) - кодирование символов алфавита и цветов.

Набор символов, кодировка (Сharacter set) - определённая таблица кодировки конечного множества знаков, сопоставляющая каждому символу последовательность в один или несколько байтов.

ASCII (American Standard Code for Information Interchange) - американский стандартный код для обмена информацией.

ASCII представляет собой кодировку для представления десятичных цифр, латинского и национального алфавитов, знаков препинания и управляющих символов.

Юникод (Unicode) - стандарт кодирования символов, позволяющий представить знаки практически всех письменных языков.

Стандарт предложен в 1991 году некоммерческой организацией «Unicode Inc». Применение Unicode позволяет закодировать большее число символов из разных письменностей: в документах Unicode могут соседствовать китайские иероглифы, математические символы, буквы греческого алфавита, латиницы и кириллицы, при этом становится ненужным переключение кодовых страниц.

Стандарт состоит из двух разделов: универсальный набор символов (UCS - Universal Character Set) и семейство кодировок (UTF - Unicode Transformation Format).

Коды в стандарте Юникод разделены на несколько областей. Область с кодами от U+0000 до U+007F содержит символы набора ASCII с соответствующими кодами. Далее расположены области знаков различных письменностей, знаки пунктуации и технические символы. Часть кодов зарезервирована для использования в будущем.

2

Рис.1. Фрагмент Emoji стандарта Unicode 6.0.

Дискретизация - преобразование непрерывного сигнала в дискретный (имеющий конечное множество значений). В вычислительных системах дискретизацию используют для преобразования аналогового непрерывного сигнала в дискретно-непрерывный цифровой сигнал.

Note: При дискретизации по времени, непрерывный аналоговый сигнал заменяется последовательностью отсчётов, величина которых может быть равна значению сигнала в данный момент времени.

При кодировании изображений в вычислительных системах используют пространственную дискретизацию (растрирование или трассировку), аудио сигналов - частотную-временную дискретизацию, видео сигналов - пространственно-временную дискретизацию.

Рис.2. Пример пространственной дискретизации в растровом изображении.

3

Аппаратное обеспечение (Hardware)

Аппаратное обеспечение - комплекс электромеханических компонентов вычислительной системы.

Рис.3. Функциональная схема ПК.

Центральный процессор

Центральный процессор (CPU - Central Processor Unit) - унифицированное электронное устройство (микросхема), исполняющее машинные инструкции (команды).

Архитектура процессора - набор свойств и качеств, присущий семейству процессоров. Имеются различные классификации архитектуры, как по организации (RISC, CISC), так и по назначению (CPU, GPU, APU).

Архитектура CISC (Complex Instruction Set Computing - компьютер с комплексным набором команд) - семейство процессоров, характеризуемых произвольным (не фиксированным) значением длины команды и предпочтительным кодированием действий одной командой.

Архитектура ARM (Advanced RISC (Reduced Instruction Set Computer) Machine - усовершенствованная RISC (с сокращённым набором команд) машина) - семейство лицензированных процессоров, в которых быстродействие увеличивается за счёт упрощения команд.

Note: компания ARM Limited занимается исключительно разработкой ядер, зарабатывая на лицензировании архитектуры сторонним производителям.

По структуре функциональных блоков (архитектуре) современные CPU сложны и значительно различаются в зависимости от области применения, но в общем представлении можно выделить: ядро процессора, кэш, контроллер системной шины и контроллер памяти.

4

Рис.4. Структура центрального процессора.

Термин ядро процессора в зависимости от контекста употребления может обозначать:

-часть микропроцессора, содержащую основные функциональные блоки;

-часть процессора, осуществляющая выполнение одного потока команд (многоядерные процессоры способны параллельно выполнять нескольких потоков команд) .

Разрядность электронного устройства - количество разрядов (бит), одновременно обрабатываемых устройством. Термин применим к составным частям вычислительных, периферийных или измерительных устройств.

Современные настольные процессоры имеют от 1 до 8 ядер и разрядность от 32 до 64 бит. Технологический процесс - последовательность технологических операций, необходимых для выполнения определенного вида работ. Техпроцессы состоят из технологических операций, которые, в свою очередь, складываются из технологических переходов.

При производстве полупроводниковых интегральных микросхем применяется фотолитография. Фотолитография - технологический процесс, при котором на кремниевую пластину при помощи химических процессов, близких к фотографии, наносят элементы будущего чипа.

Рис.5. Технологический процесс фотолитографии.

Разрешающая способность фотолитографического оборудования в наномикронах (nm) определяет название применяемого техпроцесса. Техпроцесс косвенно определят производительность CPU (через количество элементов) и напрямую тепловыделение (чем тоньше техпроцесс тем меньше рассеиваемая мощность).

Note: Закон Мура - эмпирическое наблюдение, сделанное в 1965 году Гордоном Муром (одним из основателей Intel). Он высказал предположение, что число транзисторов на кристалле будет удваиваться каждые 24 месяца. Если такая тенденция продолжится, заключил Мур, то мощность вычислительных устройств экспоненциально возрастёт на протяжении относительно короткого промежутка времени.

Note: Тепловыделение (TDP - Thermal Design Power или Thermal Damage Point) - величина, показывающая, на отвод какой тепловой мощности должна быть рассчитана система охлаждения

5

процессора или другого полупроводникового прибора.

Тактовая частота - количество синхронизирующих тактов, поступающих на микросхему за секунду. Приближённо тактовая частота характеризует производительность, т.е. количество выполняемых операций в секунду.

Тактовая частота центрального процессора рассчитывается по формуле: CPU Freq = FSB Freq * CPU Multiplier

-FSB (Front Side Bus) Freq - частота шины, обеспечивающей взаимодействие центрального процессора и других устройств;

-CPU Multiplier - фиксированный или задаваемый множитель центрального процессора.

Серийные тактовые частоты современных процессоров варьируются от 800MHz до 3,4GHz (при частоте FSB от 100 до 200MHz).

Note: существует возможность увеличения тактовой частоты (разгон) процессора, что в случае грамотного подхода может увеличить производительность без потери стабильности работы.

Note: коммерческих целях производители заменяют обозначение FSB на более звучные названия системной шины (AMD HyperTransport, Intel QPI) и измеряют не частоту в MHz, а суммарную теоретическую пропускную способность в миллиардах транзакций в секунду (GT/s).

Кэш - быстродействующая энергозависимая память для хранения данных, вероятность обращения к которым в течении текущего такта велика.

Различают кэш 1, 2 и 3го уровней (L1, L2 и L3). Кэш L1 уровня имеет наименьшую латентность (задержку чтения/записи, время доступа), но малый размер (32-128Kb). L2 и L3 большую латентность и размер (256Kb-12Mb).

На сегодняшний день в сегменте CISC представлены процессоры 3 производителей: AMD, Intel и VIA.

Рис.6. Логотипы производителей центральных процессоров.

Note: AMD (Advanced Micro Devices) Inc. - американский производитель интегрированной электроники. Второй по величине производитель процессоров, а также крупнейший поставщик графических процессоров (с 2006) и наборов системной логики для материнских плат.

Note: Intel Corp. - американская корпорация, производящая широкий спектр электронных устройств и компьютерных компонентов (процессоры, наборы системной логики и др.).

Note: VIA (Very Innovative Architecture) Technologies - тайваньский производитель электронных схем (чипсетов, процессоров и микросхем памяти).

Семейство (Roadmap) - хронологическое представление продукции компании, включая прошлые, настоящие и будущие модели.

Табл.1. Roadmap процессоров Intel и AMD.

Физически процессор выполнен в виде кристалла (закрытого защитным кожухом) размещенного на небольшой плате с контактными ножками или площадками, которые вставляются в специальной разъём (сокет) и фиксируются рычажным или винтовым механизмом. Сокет принято называть по количеству контактов (AMD: S940 (AM2+), S941 (AM3+); Intel: LGA1366, LGA1155).

6

Рис.7. Сокет (слева сверху) и процессор (слева снизу) AM2+,

сокет (справа сверху) и процессор (справа снизу) LGA1366.

Устройства хранения данных

Устройство хранения данных (компьютерная память, запоминающее устройство) - часть вычислительной системы, физическое устройство или среда хранения данных, используемых в вычислениях, в течение определённого времени.

Наиболее часто используемые запоминающие устройства:

-модули оперативной памяти (RAM),

-жёсткие и твердотельные диски (HDD/SSD),

-CD/DVD/Blu-ray/HD DVD-диски,

-устройства флеш памяти.

Модули RAM варьируются в объёме от 512Mb до 8Gb (в зависимости от типа) и могут быть установлены наборами от 2 до 6 модулей (в пользовательском сегменте).

Объём HDD/SSD варьируется от 40Gb до 3Tb, также эти носители могут собираться в массивы хранения данных (RAID).

RAID (Redundant Array of Independent Disks - избыточный массив независимых дисков) - комплекс нескольких запоминающих устройств и контроллера, связанных каналами обмена данных и воспринимаемых внешней системой как единое целое. В зависимости от типа RAID обеспечивает различные степени отказоустойчивости (надёжности) и быстродействия.

Уровни RAID:

-RAID 0 (Striping - чередование) - информация разбивается на блоки фиксированной длины и записывается на несколько дисков одновременно.

Note: Достоинства RAID 0:

-Повышенная производительность (кратная количеству носителей).

Недостатки RAID 0:

-Надёжность RAID 0 ниже надёжности любого из носителей и снижается кратно количеству носителей (отказ любого из носителей приводит к отказу всего массива).

-RAID 1 (Mirroring - зеркало) - массив из двух носителей, являющихся полными копиями друг друга. Note: Достоинства RAID 1:

-Приемлемая скорость записи и повышенная скорость чтения;

-Высокая надёжность (вероятность отказа двух носителей значительно ниже вероятности отказа любого из них).

Недостатки RAID 1:

-Двойная стоимость полезного дискового пространства.

-RAID 5 (Striping & Parity - чередование и чётность) - информация и контрольные суммы циклически записываются на все носители массива.

Note: Достоинства RAID 5:

-Приемлемая стоимость дискового пространства (V=(N-1)*H, где N - число носителей, а H - размер

7

наименьшего носителя);

-Повышенная скорость чтения (по сравнению с отдельным носителем). Недостатки RAID 5:

-Низкая скорость записи;

-Падение производительности и надёжности при выходе из строя одного из носителей (Degrade).

-RAID 10 - RAID 0, построенный из массивов RAID 1.

-RAID 50 - RAID 0, построенный из массивов RAID 5.

CD - имеют объём от 185Mb до 703Mb, DVD от 791Mb до 7,96Gb Blue-ray/HD DVD от 12Gb до 50Gb, флэш-носители от 256Mb до 128Gb.

Оперативная память

Оперативная память (RAM - Random Access Memory) - энергозависимая система памяти, в которой хранятся данные (необходимые процессору для выполнения операций) время доступа к которым не превышает одного такта. Обязательным условием является адресуемость (каждая ячейка памяти имеет индивидуальный адрес) памяти. Обмен данными с оперативной памятью производится непосредственно процессором, либо через кэш-память.

Частота шины памяти - скорость операций чтения/записи RAM (подробнее см. Табл.2.)

В зависимости от контроллера памяти несколько установленных модулей памяти могут работать в одно-, двух- и трёхканальном режимах, что увеличивает пропускную способность памяти.

DDR (Double Data Rate - синхронная динамическая память с произвольным доступом и удвоенной скоростью передачи данных) - тип компьютерной памяти используемой в качестве оперативной и видеопамяти.

Сегодня модули DDR вытеснены модулями DDR2 и DDR3, которые в результате изменений в архитектуре позволяют получить большую пропускную способность подсистемы памяти и экономичнее в производстве.

Задержка, латентность (CL, CAS Latency - Column Address Strobe Latency) - это время ожидания (в циклах) между запросом процессора на получение ячейки с информацией и временем, когда первая ячейка станет доступной для чтения.

Кроме CL существуют также другие задержки, их называют тайминги и для краткости записывают в виде: N-N-N, где N целое число от 2 до 10. От этих параметров в значительной степени зависит пропускная способность памяти и, как следствие, быстродействие системы.

Note: В модулях DDR имеется специальная микросхема SPD (Serial Presence Detect) из которой при запуске считываются спецификации модуля. Также существует возможность вручную задать параметры (разогнать память), тем самым увеличив пропускную способность.

Note: XMP (eXtreme Memory Profiles - экстремальные профили памяти) - дополнение SPD для хранения расширенных (относительно стандартов JEDEC) профилей настроек модулей DDR3 (с пониженнымизадержками (Low/EnhancedLatency) или с повышенной частотой (High Frequency)). В случае нестабильности работы, XMP загружает отказоустойчивый режим (Fail-Safe Default), выставляющий параметры соответственно стандартам JEDEC.

8

Рис.8. Механическое исполнение модулей памяти DDR.

Среди производителей RAM стоит выделить производителей чипов памяти (Elpida, Hynix, Micron, Nanya) и сборщиков модулей (Corsair, OCZ, Patriot, Samsung, Qumo)

Рис.9. Логотипы производителей модулей памяти.

Постоянная память

По возможностям перезаписи устройства постоянной (энергонезависимой) памяти делятся на:

-ROM (Read-Only Memory) - постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), изготавливается фабричным методом и в дальнейшем нет возможности изменить записанные данные;

-PROM (Programmable Read-Only Memory) - однократно программируемое ПЗУ;

-EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory) - многократно перепрограммируемое ПЗУ;

-Strorage - устройства с возможностью непрерывной многократной перезаписи.

По типу доступа:

-устройства с произвольным доступом (HDD, SSD, Flash, FDD);

-устройства с последовательным доступом (CD/DVD, магнитные плёночные носители).

Жёсткий диск (HDD - Hard Disk Drive), накопитель на жёстких магнитных дисках, винчестер - энергонезависимое устройство хранения информации, основанное на принципе магнитной записи. Информация в HDD записывается на жёсткие (алюминиевые или стеклянные) диски, покрытые слоем ферромагнитного материала (CrO2). Используется одна или несколько пластин на одной оси.

9

Намагничивающие головки в рабочем режиме не касаются поверхности благодаря потоку воздуха, образующегося у поверхности при вращении. В простое головки находятся за пределами диска в безопасной зоне, где исключён нештатный контакт с пластинами.

С целью адресации пространство поверхности пластин делится на дорожки (концентрические кольцевые области). Каждая дорожка делится на равные отрезки - сектора.

Note: В жестких дисках разметка на сектора производится с помощью сервометок, создаваемых высокоточным механическим устройством. Сервометки наносятся на рабочую поверхность магнитного диска, образуя цилиндрические дорожки равноотстоящие от центра. Каждая дорожка делится на различное количество секторов в зависимости от длины окружности, обеспечивая постоянную плотность записи. При работе жесткого диска сервометки используются для удержания головки над требуемой дорожкой и стабилизации частоты вращения.

Рис.10. Структура HDD.

S.M.A.R.T. (Self-Monitoring Analysis & Reporting Technology) - технология оценки состояния жёсткого диска встроенной аппаратурой само диагностики, а также механизм прогнозирования времени выхода устройства из строя. SMART производит наблюдение за основными характеристиками накопителя, каждая из которых получает оценку.

Каждый атрибут S.M.A.R.T. имеет несколько полей. Каждое поле относится к определённому классу из следующих:

ID (Number) - идентификатор, номер атрибута S.M.A.R.T. Название одного и того же атрибута программами может выдаваться по-разному, а идентификатор всегда однозначно определяет атрибут. Value (Current) - текущее значение атрибута в величинах неизвестной размерности. В процессе работы винчестера оно может уменьшаться, увеличиваться и оставаться неизменным. По показателю Value нельзя судить о здоровье атрибута, не сравнивая его со значением Threshold.

Worst - наихудшее значение, которого достигало значение Value за жизнь накопителя. В процессе работы оно может уменьшаться либо оставаться неизменным. По нему тоже нельзя однозначно судить о здоровье атрибута, нужно сравнивать его с Threshold.

Threshold - значение, которого должен достигнуть Value этого же атрибута, чтобы состояние атрибута было признано критическим. Если Value > Threshold - атрибут в порядке; если меньше либо равен - с атрибутом проблемы. Даже при Value > Threshold, накопитель на может быть умирающим, поэтому при оценке здоровья смотреть стоит на другой класс атрибута, а именно - RAW.

RAW (Data) - самый важный и нужный для оценки показатель. Он содержит в реальные значения, выражаемые в различных единицах измерения, напрямую говорящие о текущем состоянии диска. Основываясь именно на этом показателе, формируется значение Value. Именно анализируя поле RAW можно объективно оценить состояние накопителя.

Атрибуты можно разделить на две группы:

-накапливающие (число оборотов шпинделя, число перемещений головок, количество циклов включения/выключения) - содержат статистику возникновения событий со времени первого запуска диска;

-текущие (высота головок над поверхностью диска, число переназначенных секторов, время поиска дорожки и количество ошибок поиска) - содержат значения в настоящий момент, для него свойственно периодическое изменение.

Наиболее важные для оценки здоровья атрибуты S.M.A.R.T.:

01 Raw Read Error Rate (текущий / накапливающий для WD) содержит частоту возникновения ошибок при чтении с пластин. При работе накопителя всегда возникают ошибки такого рода, и он преодолевает их самостоятельно, это нормально, просто на дисках, которые в этом поле содержат 0 или небольшое число, производитель не счёл нужным указывать истинное количество этих ошибок.

10