Тема 2. Технические средства обработки информации

Самым древним инструментом для счета являлась человеческая рука, от нее взяли начало пятеричная, десятеричная и двадцатеричная системы счисления. Первым механизмом для счета стал абак (перемещение камешков по желобу), похожий на счеты. В V-VII веках укрепилась десятичная система счисления. В 40-х годах ХVII века Блезом Паскалем было изобретено механическое устройство, позволяющее складывать числа. В XVII веке Лейбниц представил устройство для сложения и умножения чисел. В XIX веке Чарльз Беббидж соединил идею механической машины с программным управлением. В конце 30-х годов XX века в США построили ЭВМ, включающую элементы сложения и вычитания, электронную память, механические компоненты, а до конца 40-х годов был создан ряд машин, в основе которых лежали принципы универсальных ЭВМ (Кембридж, Англия). Основоположником отечественной вычислительной техники стал С.А. Лебедев, под руководством которого была создана малая электронная счетная машина.

По используемой элементной базе ЭВМ разделяют на поколения:

первое (50-е гг. ХХ века): ЭВМ на электронных лампах (Урал, М-2). Программирование осуществлялось в командах, а отладка программы за пультом;

второе (60-е гг.): ЭВМ на транзисторах (машины БЭСМ-24, Минск-22 и другие). Программирование осуществлялось с использованием алгоритмических языков высокого уровня (Фортран, Алгол, Бейсик);

третье (70-е гг.): ЭВМ на полупроводниковых интегральных схемах с малой и средней степенью интеграции, когда сотни тысяч транзисторов находились в одном корпусе. Машины этого вида EС-ЭВМ, СМ-ЭВМ;

четвертое (80-е гг.): ЭВМ на больших и сверхбольших интегральных схемах (от десятка до миллионов транзисторов в одном кристалле);

пятое (90-е гг.): ЭВМ с десятками параллельно работающих микропроцессоров, позволяющих строить эффективные системы обработки;

шестое: оптоэлектронные ЭВМ с массовым параллелизмом и нейронной структурой – с распределенной сетью большого числа микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.

Сферы применения ЭВМ. Главной тенденцией развития вычислительной техники в настоящее время является дальнейшее расширение сфер применения ЭВМ и, как следствие, переход от отдельных машин к их системам и комплексам разнообразных конфигураций с широким диапазоном функциональных возможностей и характеристик. Наиболее перспективными являются, создаваемые на основе персональных ЭВМ, территориально распределенные многомашинные вычислительные системы. Вычислительные сети ориентируются не столько на вычислительную обработку информации, сколько на коммуникационные информационные услуги – электронную почту, системы телеконференций и информационно-справочные системы.

Смена информационной среды. Специалисты считают, что в начале XXI века произойдет смена основной информационной среды. Многократно увеличатся удельные объемы информации, получаемой нетрадиционными способами. Так, пользователям сети Internet в настоящее время доступна практически любая информация, находящаяся в хранилищах знаний этой сети.

При создании ЭВМ устойчивый приоритет в последние годы имеют сверхмощные компьютеры – супер-ЭВМ, а также сверхминиатюрные персональные компьютеры. Ведутся поисковые работы по созданию ЭВМ шестого поколения (нейрокомпьютеров), базирующихся на распределенной нейронной архитектуре. В частности, в нейрокомпьютерах могут использоваться уже имеющиеся специализированные сетевые микропроцессоры-транспьютеры (микропроцессоры сети со встроенными средствами связи).

По принципам действия вычислительные машины подразделяют на цифровые, аналоговые и гибридные машины.

Цифровые вычислительные машины (ЦВМ) – это вычислительные машины дискретного действия, которые предназначаются для работы с информацией, представленной в цифровой форме.

Аналоговые вычислительные машины (АВМ) работают с информацией, представленной в непрерывной (аналоговой) форме, то есть в виде непрерывных значений какой-либо физической величины (например, электрического напряжения). К их достоинствам можно отнести нетрудоемкий процесс программирования задач и возможность изменения скорости их решения, к недостаткам - ограниченный круг решаемых задач и низкую точность результатов.

Гибридные вычислительные машины (ГВМ) – это вычислительные машины комбинированного действия, работающие с информацией, представленной в цифровой и в аналоговой форме. Они совмещают в себе достоинства аналоговых и цифровых вычислительных машин, используются для управления сложными, опасными, быстродействующими системами и процессами.

По производительности ЭВМ можно разделить на следующие группы:

Супер-ЭВМ – это сверхпроизводительные системы с производительностью в сотни и тысячи миллионов операций в секунду. Используются для решения особо сложных задач, связанных с обработкой больших объемов данных в режиме реального времени. Супер-ЭВМ может иметь не один, а множество параллельно работающих процессоров.

Универсальные компьютеры общего назначения предназначены для решения сложных научно-технических и экономических задач управления.

Мини- и микрокомпьютеры рассчитаны на решение широкого круга задач, но в отличие от предшествующих машин имеют упрощенную организацию и меньшую стоимость. Это вычислительные машины, создаваемые на основе больших интегральных схем. Микрокомпьютеры используются для управления отдельными технологическими процессами. Персональные компьютеры относятся к машинам данной группы. Они предназначены для работы в условиях дома или на предприятии. Настройка, обслуживание и установка программного обеспечения компьютеров такого класса могут выполняться самими пользователями.

В зависимости от назначения в системе обработки данных мини-компьютеры можно подразделить на:

сервера – это компьютеры, предоставляющие ресурсы всем пользователям. Различают файловые серверы, серверы баз данных, печати и другие.

сетевые персональные компьютеры – это компьютеры делового применения для работы в вычислительной сети. Настройка, техническая поддержка и установка программного обеспечения производится не конечным пользователем, а централизованно.

профессиональные рабочие станции – это специализированные высокопроизводительные компьютеры, ориентированные на профессиональную деятельность в определенной области. Обычно они оснащены дополнительным оборудованием и специальным программным обеспечением.

В зависимости от внутренней структуры ЭВМ подразделяют на:

- векторно-конвейерные компьютеры, которые имеют конвейерные функциональные устройства и набор векторных команд;

- массивно-параллельные компьютеры с распределенной памятью, в которых микропроцессоры соединяются с помощью сетевого оборудования;

- параллельные компьютеры с общей памятью, в которых вся оперативная память разделяется несколькими процессорами, обращающимися к общей дисковой памяти;

- кластерные компьютеры представляют собой вычислительный узел как комбинацию из нескольких процессоров (традиционных и векторно-конвейерных) и общей для них памятью. Для повышения мощности создается кластер из нескольких узлов, объединенных высокоскоростным каналами.

ЭВМ для выполнения своих функций имеет минимальный набор функциональных блоков, составляющих ее классическую структуру (архитектуру):

блок для выполнения арифметических и логических операций (арифметико-логическое устройство);

блок для хранения информации или память (запоминающее устройство);

устройство для ввода исходных данных (устройство ввода);

устройство для вывода результатов (устройство вывода);

устройство управления, обеспечивающее взаимосвязанную работу всех устройств ЭВМ.

Современные компьютеры, базируясь на тех же принципах, имеют некоторые отличия:

- запоминающее устройство ЭВМ представлено значительно большим числом уровней (а не только внутреннее и внешнее запоминающее устройство, как это было в старых моделях ЭВМ);

- арифметико-логическое устройство и устройство управления объединены в единый блок, называемый центральным процессором;

- появился разнообразный арсенал устройств ввода и вывода данных.

Основные характеристики компьютеров: быстродействие (производительность, тактовая частота); разрядность машины и кодовых шин интерфейса; типы системного и локального интерфейсов; емкость оперативной памяти; емкость накопителей на жестких и гибких магнитных дисках; виды и емкость кэш-памяти; тип видеомонитора и видеоадаптера; наличие математического сопроцессора; программное обеспечение и вид операционной системы; аппаратная и программная совместимость с другими типами ЭВМ; возможность работы в вычислительной сети; надежность; стоимость и др.

Лекция №4

Системный блок персонального компьютера состоит из корпуса, в котором располагаются наиболее важные компоненты. Внутренними устройствами системного блока являются системная плата, жесткий диск, дисковод гибких и компакт (CD-ROM) дисков, видео и звуковая карты, блок питания. Устройства, подключаемые снаружи блока, называют внешними или периферийными.

Системная (материнская) плата является основной частью компьютера, при помощи которой его компоненты объединяются в одно целое. Это своеобразная база, на основе которой можно получить десятки вариантов ЭВМ различного функционального назначения. На системной плате располагаются:

- микропроцессор;

- микропроцессорный комплект (чипсет) - набор микросхем, управляющих работой внутренних устройств и определяющих основные функциональные возможности компьютера;

- системная и локальная шины;

- оперативная память;

- постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), обеспечивающее длительное хранение данных, в т.ч. и при выключенном компьютере;

разъемы для подключения дополнительных устройств (слоты).

Микропроцессор – это «мозг» персонального компьютера. Он представляет собой небольшую электронную интегральную схему, которая выполняет все вычисления и обработку информации. Основные функции микропроцессора: выполнение вычислений; пересылка данных между внутренними регистрами; управление ходом вычислительного процесса.

Основной характеристикой микропроцессоров является быстродействие, которое в значительной степени зависит от его тактовой частоты. Тактовая частота указывает, сколько элементарных операций микропроцессор выполняет в одну секунду, и измеряется она в мегагерцах.

Архитектура микропроцессора определяет, какие данные он может обрабатывать, какие машинные инструкции входят в набор команд, как происходит обработка данных, каков объем внутренней памяти микропроцессора.

Системная шина предназначена для передачи информации между процессором и остальными компонентами компьютера. Она обеспечивает три направления передачи информации: между микропроцессором и основной памятью; между микропроцессором и портами ввода–вывода внешних устройств; между основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств.

Все порты ввода-вывода посредством унифицированных разъемов подключаются к шине либо непосредственно, либо через контролеры (адаптеры).

Системная шина включает в себя: кодовую шину данных (КШД); кодовую шину адреса (КША); кодовую шину инструкций (КШИ).

Пропускная способность системной шины вместе с параметрами работы микропроцессора влияют на скорость работы компьютера.

Для увеличения производительности системы используются локальные шины, связывающие процессор непосредственно с контролерами периферийных устройств и увеличивающие тем самым общее быстродействие персонального компьютера. Специально разработаны шины для работы с графическими данными и видеоданными. Фирмы-разработчики системных плат предусматривают возможность комбинации системных и локальных шин.

Запоминающие устройства компьютера предназначены для хранения информации. Операции, выполняемые запоминающими устройствами, – запись, хранение и считывание информации. Основными характеристиками памяти являются ее емкость (объем хранимой информации) и время доступа.

Оперативная память достаточно дорогая часть компьютера, ограниченная по объему. Из оперативного запоминающего устройства процессор берет программы и исходные данные для обработки, в него записываются полученные результаты. Название «оперативное» это устройство получило потому, что работает очень быстро. При выключении компьютера содержимое оперативного запоминающего устройства стирается.

Функция оперативного запоминающего устройства - место хранения промежуточных результатов работающих программ. Местонахождение - в виде интегральных схем на материнской плате. Параметры - емкость в байтах (4- 1024 мегабайта). Свойства - это временная память. При обработке информации может произойти обращение к любой ячейке оперативной памяти, поэтому ее называют памятью с произвольным доступом. Для повышения производительности системы используется сверхоперативная память или кэш-память.

Виртуальная память – это совокупность оперативной памяти, внешних запоминающих устройств, а также комплекса программно-аппаратных средств, обеспечивающих динамическую переадресацию данных, в результате чего пользователь не заботится о том, где именно находятся необходимые ему данные, а функции по требуемому перемещению данных берет на себя вычислительная система.

Постоянная память (постоянное запоминающее устройство) служит для хранения неизменяемой программной и справочной информации, позволяет оперативно только считывать хранящуюся в нем информацию. Изменять информацию в постоянном запоминающем устройстве нельзя.

Важнейшей функцией этой памяти является хранение базовой системы ввода-вывода BIOS, хранение программ тестирования и программы начального загрузчика, выполняющего функцию загрузки операционной системы с диска. Обращение к постоянной памяти происходит медленнее, но информация в ней хранится постоянно, в т.ч. и после выключения компьютера. Кэш-память позволяет вносить изменения в BIOS, дает возможность, не меняя микросхем, изменять или дополнять функции BIOS для взаимодействия с другими новыми устройствами, подключаемыми к персональному компьютеру.

Накопитель – это устройство для долговременного хранения больших объемов информации, т.н. «внешние запоминающие устройства» или «устройства массовой памяти». Внешние накопители располагаются вне системного блока, внутренние – внутри системного блока.

Информация на гибкий магнитный диск (ГМД) – дискету записывается вдоль концентрических кругов, называемых дорожками, которые, в свою очередь, делятся на сектора. Количество дорожек, секторов, размер сектора зависят от типов устройства, носителя и способа его форматирования.

Существуют накопители для дискет размером в 3,5 и 5,25 дюйма (последние практически вышли из употребления). Емкость дискеты зависит от того, каким образом она отформатирована. Форматирование – это процесс записи на диск специальной управляющей информации, определяющей точки начала и конца отдельных секторов дискеты. Стандартная длина сектора в DOS – 512 байт. Стандартное форматирование дискет размером 3,5 дюйма позволяет размещать на них до 1,44 Мбайт информации. На смену старым моделям дискет приходят их усовершенствованные разновидности, позволяющие записывать больший объем информации (до 100 Мбайт).

Накопители на жестких магнитных дисках представляют собой один или несколько металлических дисков, размещенных на одной оси и заключенных в герметизированный металлический корпус. Поверхности дисков покрыты специальным магниточувствительным веществом.

Жесткий диск – это основное устройства для долговременного хранения информации. Он перед использованием должен быть отформатирован. Информация на жестком диске размещается на дорожках, а внутри дорожек – по секторам. К основным параметрам жестких дисков относятся емкость и производительность. В современных персональных компьютерах емкость накопителя на жестком магнитном диске достигает несколько десятков сотен Гбайт. Жесткие диски несменяемы. Они требуют очень бережного обращения, поскольку даже при простой тряске их головки могут быть повреждены.

Накопители на сменных компакт – дисках (CD-ROM) используются как высококачественные носители аудио- и видео- записей или как носители компьютерной информации. Функция: надежное место хранения инсталляционных программ, объемных программ и файлов. Компакт-диск устанавливается на время работы с программой. Местонахождение - устройство CD-ROM (компакт - диски только для чтения) в системном блоке. Емкость диска 700 Мбайт. Параметры CD-ROM - существуют 2,4, … , 52 и более скоростные накопители. Свойства - высокая скорость обращения к диску, надежное хранение информации, большая информационная емкость, удобство в использовании, не нуждаются в специальном хранении.

Привод DVD [Digital Versatile Disk drive — привод цифрового многоцелевого диска] — оп­тико-механическое устройство долговременной внешней памяти, предназначенное для записи и считывания информации со съемного оптического носителя DVD, способен считывать CD-R и CD-RW диски.

DVD [Digital Versatile Disk — цифровой многоцелевой диск] — полимерный диск большой емкости, который применяется для записи полнометражных фильмов, звука сверхвысокого качества и мультимедийных компьютерных программ. DVD отличаются по емкости: односторонние, двусторонние, однослойные и двухслойные. Односторонние однослойные DVD-диски имеют емкость 4,7 Гбайт, двухслойные — 8,5 Гбайт, двухсторонние однослойные вмещают 9,4 Гбайт, двухсторонние двухслойные — 17 Гбайт. Луч лазера в приводе CD-ROM имеет длину волны 780 нм, а в приводе DVD длина волны составляет 635–650 нм, благодаря чему плотность записи DVD диска существенно возросла.

Флэш-диски. Неподвижные флэш-диски (Solid State) содержат микросхему флэш-памяти объемом до 1 Гбайт, имеют миниатюрные габариты, просты в обращении и представляют собой очень надежные носители информации. Флэш-диски поставляются в комплекте с USB-кабелями, обеспечивающими подключение к компьютеру через USB-порты.

Накопитель на магнитной ленте (стример) – это устройство для записи и воспроизведения цифровой информации на кассету с магнитной лентой, аналогично обычным магнитофонным аудикассетам. Стримеры используются для резервного архивирования информации и создаются как во внешнем, так и во внутреннем исполнении. Емкость стримеров – от 40 Мбайт до 1,5 Гбайт.

Клавиатура – это основное стандартное устройство для ввода информации от пользователя в компьютер, обеспечивающее управление им. Используется 101- и 102-клавишная клавиатура под Windows. Расположение клавиш на клавиатуре компьютера соответствует стандарту печатающих машинок.

Клавиатура состоит из четырех областей: алфавитно-цифровая (основная) клавиатура; навигационная клавиатура; дополнительная клавиатура (дублирует все клавиши основной клавиатуры); функциональные клавиши.

Другими устройствами ввода информации являются «координатные манипуляторы» – мыши, трекболы (встроенный в клавиатуру шар, который можно крутить, добиваясь перемещения курсора), пойнтеры (размещаются на клавиатуре и выглядят как рычаг, с помощью которого можно изменять положение курсора).

Для вывода текстовой и графической информации на экран используется монитор (дисплей), а для получения «твердой копии» информации применяют различного типа принтеры.

Монитор – это устройство визуального представления данных. Это главное устройство вывода. Режимы работы монитора: символьный и графический. В обоих случаях экран разбит на строки и столбцы. Но в первом случае в каждое знакоместо экрана (на пересечении столбца и строки) выводится 1 символ из 256, а во втором случае – точки, из которых затем и складывается изображение. Мониторы выпускаются в модификациях с длиной диагонали экрана 9, 14, 15, 17, 19, 20 или 21 дюйм. Класс защиты монитора определяется общепризнанными международными стандартами, которым соответствует монитор с точки зрения требований техники безопасности.

Принтеры – это устройства для вывода информации на печать. Принтеры делятся на четыре типа: Точечно-матричные принтеры; Литерные принтеры; Струйные принтеры; Лазерные принтеры.

Графопостроители (плоттеры) – это специальные устройства, позволяющие вычерчивать сложные графические изображения. Применяются в картографии, архитектуре, при изготовлении сложных проспектов.

Стримеры, упомянутые в пункте «Накопители информации», могут быть использованы для записи информации с компьютера на магнитную кассету с одновременным сжатием данных.

Лекция №5