информатика / MathCad и MatLab / Уч метод комплекс для металлургов

1 АПАРАТНЕ І ПРОГРАМНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ІНФОРМАТИКИ

1.1 Теоретичні положення

1.1.1 Предмет і задачі дисципліни. Поняття про апаратне і програмне забезпечення інформатики

Інформатика – це фундаментальна наука, що вивчає загальні властивості інформації, процеси, методи і засоби її обробки, а також принципи функціонування цих засобів і методи управління ними. Особливості інформатики як наукової та навчальної дисципліни полягають в тому, що її прикладна частина затребувана сьогодні у всіх сферах діяльності людини.

У металургії функціонує безліч автоматизованих систем контролю і управління технологічними процесами. Наприклад, в світовій практиці на сучасних доменних печах вже відмовилися від використання вторинних контрольно-вимірювальних приладів – вся інформація відображається на екранах моніторів комп’ютерів. Пульт керування конвертером – це теж екрани моніторів. На металургійних підприємствах також застосовуються і упроваджуються системи управління виробництвом, ресурсами підприємства, технологічними процесами, системи автоматизованого проектування, наукових досліджень та інші.

Дані – це інформація, представлена у формалізованому виді і призначена для її обробки технічними засобами, наприклад персональним комп’ютером (ПК).

Для вимірювання кількості інформації існують одиниці:

1 біт – найменша одиниця кількості інформації, що відповідає одному двійковому розряду (може приймати значення 0 або 1);

1 байт – основна одиниця кількості інформації, що містить 8 біт (1 символ); 1 Кбайт = 1024 байт; 1 Мбайт = 1024 Кбайт; 1 Гбайт = 1024 Мбайт; 1 Терабайт = 1024 Гбайт.

Інформаційні технології – це сукупність методів, процесів і програмно-технічних засобів, що забезпечують збір, обробку, зберігання, розповсюдження і відображення інформації.

Сучасні комп’ютери обробляють мультимедійну інформацію,

11

ньої інтеграції, четвертого (починаючи з 70-х років по теперішній час) – на великих інтегральних схемах ВІС (мікропроцесорах). Застосування мікропроцесорів в ЕОМ дозволило створити персональний комп’ютер (ПК), відмінними особливостями якого є невеликі розміри і низька вартість. В даний час розробляються ЕОМ п’ятого покоління, елементною базою яких є надвеликі інтегральні схеми.

ЕОМ, виходячи з їх обчислювальної потужності і габаритів, підрозділяються:

−суперкомп’ютери – найпотужніші за швидкодією і продуктивністю обчислювальні машини. Це великі комп’ютери, які займають великі зали за площею, складаються з сотень процесорів, мають велику оперативну пам’ять і високу швидкодію. Вони створюються для вирішення конкретних задач замовника, що вимагають великих обчислень, але складові елементи суперкомп’ютера є серійними. Суперкомп’ютери застосовуються для вирішення великомасштабних обчислювальних задач і моделювання, для складних обчислень в аеродинаміці, метеорології, фізиці високих енергій, також знаходять застосування і у фінансовій сфері;

−великі машини або мейнфрейми (Mainframe), які використовуються в фінансовій сфері, оборонному комплексі, застосовуються для комплектування відомчих, територіальних і регіональних обчислювальних центрів. Це великі комп’ютери з високою швидкодією і великими обчислювальними ресурсами, які можуть обробляти велику кількість даних і виконувати обробку запитів одночасно декількох тисяч користувачів. Мейнфрейми виконані з надмірними технічними характеристиками, що робить їх дуже надійними. Вони мають один корпус – системний блок розміром з шафу, до якого можуть підключатися термінали (термінал складається з монітора і клавіатури). Використовуються для зберігання і обробки великих баз даних, а також великих веб-вузлів з великою кількістю одночасних звернень;

−середні ЕОМ широкого призначення, що використовуються для управління складними технологічними виробничими процесами;

−міні-ЕОМ, орієнтовані на використання в якості керуючих обчислювальних комплексів, як мережевих серверів;

13

−мікро-ЕОМ, в яких центральним процесором є мікропроцесор. До них відносяться вбудовані мікро-ЕОМ (вбудовані в різне устаткування, апаратуру або прилади) і персональні комп’ютери (ПК).

В даний час найбільшого поширення набули персональні комп’ютери, які можна класифікувати по ряду ознак. По платформі ПК підрозділяються:

−IBM-сумісні, яких більшість (приблизно 90 % від загальної кількості ПК в світі);

−фірми Apple (досить популярні на Заході ПК серії Macintosh),

вкраїнах СНД застосовуються в основному у видавничій справі (в поліграфії для підготовки повнокольорових ілюстрацій і дизайну).

За призначенням ПК поділяються:

−сервери, що служать центральними вузлами в комп’ютерних мережах. Це головний, керуючий комп’ютер в локальній мережі або вузловий комп’ютер в Інтернет, який постійно підключений. На серверах встановлюється програмне забезпечення, що дозволяє керувати роботою мережі, і зберігається інформація, якою можуть користуватися всі комп’ютери, підключені до мережі. Від сервера залежить працездатність всієї мережі і збереження баз даних та іншої інформації, тому сервери мають декілька резервних дублюючих систем зберігання даних, електроживлення. За технологічної сумісності сервери бувають IBM-сумісними і Macintosh-сумісними;

−робочі станції, які є споживачами послуг мережі, тобто використовуються як клієнт. Звичайно це ПК підприємств, фірм, організацій;

−домашні комп’ютери.

За розмірами ПК поділяються:

−настільні (desktop);

−портативні переносні або ноутбуки (від англ. слова notebook). Перші переносні комп’ютери називали лаптопи (від laptop – лежачий на колінах). Ноутбук має рідкокристалічний дисплей, клавіатуру, поєднану з системним блоком, і оптичний дисковод;

−кишенькові переносні, які поміщаються на долоні (від англ.

14

palmtop, що означає лежачий на долоні). Їх ще називають «електронні секретарі». В цих комп’ютерах програми занесені в мікросхеми. У набір програм входить операційна система, текстовий і графічний редактори, система баз даних і електронні таблиці, програми для роботи в Інтернеті. Ці комп’ютери дозволяють обробляти документи, вести бази даних, проводити обчислення, роздруковувати документи, записувати їх на диск, працювати в Інтернеті, але встановити нові програми не можна;

−кишенькові PDA (personal digital assistent – особистий цифро-

вий асистент). Ці комп’ютери не мають клавіатури, оснащені сенсорним екраном, і інформація вводиться на екран за допомогою спеціальної указки-стека;

−Mini-PC, які трохи більше кишенькових, але поміщаються на долоні. На відміну від кишенькових, в міні-PC використовується звичайна операційна система Windows XP.

Загальна назва кишенькових комп’ютерів – handhold computers – комп’ютери, які тримають в руках.

Записні книжки не відносяться до персональних комп’ютерів. Смартфон (від smartphone – розумний телефон) – це мобільний

телефон з розширеною функціональністю, що наближається до кишенькового персонального комп’ютера (КПК). Для позначення деяких пристроїв, що суміщають функціональність мобільного телефону і КПК, часто використовується термін «комунікатор». Комунікатор (від англ Communicator, PDA Phone.) – кишеньковий персональний комп’ютер, доповнений функціональністю мобільного телефону.

1.1.3 Структура персонального комп’ютера

До базової конфігурації ПК відносяться пристрої, без яких він не може працювати:

−системний блок;

−клавіатура, яка забезпечує введення інформації;

−маніпулятор миша, що полегшує введення інформації в

комп’ютер;

15

−монітор, призначений для зображення текстової і графічної інформації.

У ПК, що випускаються в портативному варіанті, системний блок, монітор і клавіатура об’єднуються в один корпус.

У системному блоці розташовані основні вузли комп’ютера:

−системна або материнська плата (motherboard), на якій встановлені дочірні плати (контролери пристроїв, адаптери або карти) і інші електронні пристрої;

−блок живлення, що перетворює електроживлення мережі в постійний струм низької напруги для електронних схем комп’ютера;

−накопичувач на жорсткому магнітному диску, призначений для читання і запису на жорсткий магнітний диск (вінчестер);

−накопичувачі на оптичних дисках (типу DVD-RW або CDRW), призначені для читання і запису на компакт-диски;

−накопичувачі (або дисководи) для гнучких магнітних дисків, що використовуються для читання і запису на дискети;

−пристрої охолодження.

Основним пристроєм ПК є материнська (або системна) плата, яка визначає його конфігурацію. Всі пристрої ПК підключаються до цієї плати за допомогою роз’ємів, розташованих на цій платі. З’єднання всіх пристроїв в єдину систему забезпечується за допомогою системної магістралі (шини).

Ядро ПК утворюють процесор (центральний мікропроцесор) і основна пам’ять. Мікропроцесор призначений для виконання арифметичних і логічних операцій. Це невелика мікросхема, що знаходиться на материнській платі і виконує всі обчислення і обробку інформації. У комп’ютерах типу IBM РС використовуються мікропроцесори фірми Intel і сумісні з ними мікропроцесори інших фірм.

Компонентами мікропроцесора є:

−арифметико-логічний пристрій (АЛП), який виконує арифметичні і логічні операції;

−пристрій керування, що керує всіма пристроями ПК;

−регістри, що використовуються для зберігання даних і адрес;

16

−схема керування шиною і портами, що здійснює підготовку пристроїв до обміну даними між мікропроцесором і портом вводувиводу, а також керуюча шиною адресу і керування.

Основними характеристиками мікропроцесора є:

−тип (наприклад, AMD Athlon, Intel Pentium, Intel Celeron);

−тактова частота, що характеризує швидкодію ПК. Це кількість елементарних операцій (складання), що виконуються мікропроцесором

водиницю часу;

−розрядність. Показує число двійкових розрядів, що одночасно обробляються при виконанні однієї команди. Більшість сучасних процесорів 32-розрядні, але випускаються і 64-розрядні процесори;

−наявність вбудованого математичного співпроцесора;

−наявність і розмір кеш-пам’яті.

Пам’ять ПК підрозділяється на основну (внутрішню) і зовнішню. Основними видами внутрішньої пам’яті є:

−оперативна (RAM, ОЗП) – оперативний запам’ятовуючий пристрій (від англ. Random Access Memory). ОЗП призначений для зберігання інформації протягом одного сеансу роботи з комп’ютером, при виключенні живлення інформація з ОЗП стирається. З нього процесор зчитує програми і початкові дані для обробки в свої регістри, в нього записує отримані результати. Назву «оперативна» ця пам’ять отримала тому, що вона працює дуже швидко, в результаті процесору не доводиться чекати при читанні або запису даних в пам’ять. Проте швидкодія ОЗП нижча за швидкодію регістрів процесора, тому перед виконанням команд процесор переписує дані з ОЗП в регістри;

−постійна (ROM, ПЗП) – постійний запам’ятовуючий пристрій (від англ. Random Access Memory). При виключенні живлення інформація в ПЗП зберігається. ПЗП містить BIOS (базова система вводувиводу), яка після включення живлення виконує тестування устаткування і дає команду на завантаження операційної системи. ПК має також незалежну пам’ять CMOS, яка живиться від акумулятора і зберігає інформацію про устаткування ПК, поточну дату і час.

За наявності кеш-пам’яті (понадоперативної пам’яті) дані з ОЗП

17

спочатку переписуються в неї, а потім в регістри процесора. При повторному зверненні до пам’яті спочатку проводиться пошук потрібних даних в кеш-пам’яті і необхідні дані з кеш-пам’яті переносяться в регістри, тому підвищується швидкодія.

Зовнішня пам’ять представлена рядом зовнішніх запам’ятовуючих пристроїв (ЗЗП), основними з яких є:

−накопичувач на жорсткому магнітному диску, вінчестер (HDD, НЖМД), саме швидке і ємне з усіх ЗЗП;

−накопичувачі на оптичних дисках (CD-ROM і DVD-ROM призначені для читання дисків, CD-RW і DVD-RW дозволяють читати і записувати диски);

−накопичувачі (або дисководи) для гнучких магнітних дисків (FDD, НГМД) для читання і запису на дискети. Ємність дискети –

1,44 Мбайт, розмір – 3,5'';

−флеш (flash)-накопичувачі.

Системна магістраль (шина) – це сукупність проводів і роз’ємів, що забезпечують об’єднання всіх пристроїв ПК в єдину систему і їх взаємодію. Вона містить лінії:

−адреси (для звернення до комірок ОЗП);

−даних, які є двонаправленими і забезпечують передачу інформації в двох напрямах (від пристроїв і на пристрої);

−керування (для передачі керуючих сигналів пристроям). Слоти (роз’єми) розширення конфігурації ПК призначені для

підключення додаткових пристроїв до основної шини даних комп’ютера. До основних плат розширення, призначених для підключення до шини додаткових пристроїв, відносяться:

−відеоадаптери (відеокарти);

−звукові плати;

−внутрішні модеми;

−мережеві адаптери для підключення до локальної мережі.

У ПК інформація із зовнішніх пристроїв (клавіатури, жорсткого диска і так далі) пересилається в ОЗП, а інформація (результати виконання програм) з ОЗП також виводиться на зовнішні пристрої (моні-

18

тор, жорсткий диск, принтер і так далі). Пристрої, які здійснюють обмін інформацією між оперативною пам’яттю і зовнішніми пристроями називаються контролерами або адаптерами, іноді картами. Контролери, адаптери або карти мають свій процесор і свою пам’ять, тобто є спеціалізованим процесором. Контролери або адаптери (схеми, що керують зовнішніми пристроями комп’ютера) знаходяться на окремих платах, які вставляються в уніфіковані роз’єми (слоти) на материнській платі. Вони призначені для узгодження електричних сигналів, що передаються між ПК і пристроєм.

Периферійні пристрої – це пристрої, які підключаються до контролерів ПК і розширюють його функціональні можливості. За призначенням вони поділяються на пристрої введення, виведення, зберігання даних і обміну даними. До пристроїв введення даних відносяться:

−клавіатура;

−миша, а також трекболи і пойнтери, які застосовуються в портативних ПК замість миші;

−сканер, який використовується для введення рисунків, фотографій, друкарського тексту;

−графічний планшет (дігитайзер), що складається з планшета і світлового пера для введення графічної інформації;

−цифрові камери, Web-камери;

−мікрофон, аудіоцентр або інше джерело для введення звуку;

−TV-тюнер для прийому телевізійних сигналів.

До пристроїв виведення даних відносяться:

−монітор;

−принтер;

−плотер (графобудівник) для виведення рисунків, креслень, схем на листи великого формату;

−колонки, підключені до звукової карти.

За принципом дії всі сучасні монітори підрозділяються:

−на базі електронно-променевої трубки (CRT);

−рідкокристалічні (LCD);

19

−плазмові. Принцип роботи плазмової панелі полягає в керованому холодному розряді розрядженого газу (ксенону або неону), що знаходиться в іонізованому стані (холодна плазма). Гідність плазмових моніторів полягає у відсутності мерехтіння зображення, картинка має високу контрастність і чіткість по всьому дисплею, мають хорошу оглядовість під будь-яким кутом і малу товщину панелі. До недоліків слід віднести велику споживану потужність.

Основними характеристиками монітора є:

−розмір в дюймах (1 дюйм приблизно рівний 2,5 см) по діаго-

налі (15'', 17'', 19'', 20'', 22'' і ін.);

−роздільна здатність, яка характеризується кількістю крапок по горизонталі і вертикалі в графічному режимі (наприклад, 1024 х 768, 1280 х 1024);

−частота оновлення (регенерації) зображення (частота кадрової розгортки). Показує, скільки разів за секунду монітор може повністю змінити зображення (наприклад, 75, 85, 100 Гц);

−клас захисту, що визначається міжнародними стандартами, які задають вимоги за якістю зображення і обмеження по електромагнітному випромінюванню.

Принтери – це друкувальні пристрої, що дозволяють одержувати копії документів на папері або прозорому носії. За принципом дії найбільш поширені лазерні, струминні і матричні принтери. Лазерні принтери забезпечують високу швидкість і якість друку. Перевагами струминних принтерів є їх простота і низька вартість, але вартість друку на них може бути значно вище, ніж у лазерних. В кольоровому друці вони перевершують лазерні принтери по показнику якість/ціна. Перевагами матричних принтерів є низька вартість друку, можливість друкувати під копірку кілька копій документу, недоліками – повільність і шум в роботі.

До пристроїв зберігання і захисту даних відносяться різні зовнішні запам’ятовуючі пристрої, що перераховані раніше, а також джерела безперебійного живлення (UPS), призначені для захисту ПК від збоїв електроживлення.

До пристроїв обміну даними відносяться:

20