МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ Національний університет "Львівська політехніка"
Інститут енергетики та систем керування
АПАРАТНЕ ТА СИСТЕМНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ЕОМ
НАВЧАЛЬНИЙ ПОСІБНИК
з дисципліни "Комп’ютерна техніка та організація обчислювальних робіт" для студентів базового напрямку
6.050701 "Електротехніка та електротехнології" всіх форм навчання
Затверджено на засіданні кафедри електропостачання
промислових підприємств, міст та сільського господарства
Протокол №14 від 24 травня 2007 р.
Львів – 2007
Апаратне та системне забезпечення ЕОМ. Навчальний посібник з дисципліни "Комп’ютерна техніка та організація обчислювальних робіт" для студентів базового напрямку 6.050701 "Електротехніка та електротехнології" / Укладачі Гречин Т.М., Музичак А. З. – м. Львів: Видавництво Національного університету "Львівська політехніка", 2007. – 196 с.
Укладачі: Т.М. Гречин, доц., канд. техн. наук. А. З. Музичак, асистент,
Відповідальний за випуск:
А. А. Маліновський, проф., докт. техн. наук
Рецензенти:
П. Ф. Гоголюк, доц., канд. техн. наук, В. Г. Федишин, доц., канд. техн. наук
2
ЗМІСТ |
|
ЗМІСТ ............................................................................................................... |
3 |
ПЕРЕДМОВА....................................................................................................... |
6 |
Розділ 1. Історія розвитку та структура комп’ютера....................................... |
9 |
1.1. Інформатика як наука.............................................................................. |
9 |
1.1.1. Терміни та означення........................................................................ |
9 |
1.1.2. Головні завдання курсу................................................................... |
10 |
1.1.3. Зв’язок курсу з іншими дисциплінами.......................................... |
10 |
1.2. Напрями комп’ютеризації електроенергетики.................................... |
10 |
1.2.1. Потреба інформатизації.................................................................. |
10 |
1.2.2. Інформаційні рівні виробничого процесу..................................... |
12 |
1.2.3. Рівні опрацювання інформації....................................................... |
13 |
1.3. Історія розвитку та принципи побудови |
|
обчислювальної техніки........................................................................ |
14 |
1.3.1. Передумови виникнення комп’ютера........................................... |
14 |
1.3.2. Комп’ютер фон Неймана................................................................ |
16 |
1.3.3. Персональні комп’ютери................................................................ |
18 |
1.3.4. Народження радянського комп’ютера.......................................... |
19 |
1.3.5. Сучасний стан та перспективи розвитку...................................... |
21 |
1.4. Класи та типи комп’ютерів................................................................... |
23 |
1.4.1. Сучасне використання комп’ютерів.............................................. |
23 |
1.4.2. Одноразові комп’ютери.................................................................. |
24 |
1.4.3. Вбудовані комп’ютери.................................................................... |
25 |
1.4.4. Побутові комп’ютери...................................................................... |
25 |
1.4.5. Персональні комп’ютери................................................................ |
25 |
1.4.6. Сервери............................................................................................. |
27 |
1.4.7. Суперкомп’ютери............................................................................ |
27 |
1.4.8. Історія термінаторів........................................................................ |
29 |
1.5. Будова персонального комп’ютера...................................................... |
30 |
1.5.1. Відмінності сучасного комп’ютера і комп’ютера Неймана ....... |
30 |
1.5.2. Мікропроцесор................................................................................. |
32 |
1.5.3. Комп’ютерна пам’ять...................................................................... |
34 |
1.5.4. Архітектура системних інтерфейсів.............................................. |
37 |
1.5.5. Контролери....................................................................................... |
43 |
1.5.6. Системна плата................................................................................ |
46 |
1.5.7. Інтерфейси периферійних пристроїв............................................. |
46 |
1.5.8. Зовнішні запам’ятовувальні пристрої........................................... |
48 |
1.6. Пристрої введення/виведення інформації........................................... |
54 |
1.6.1. Пристрої загального призначення................................................. |
54 |
1.6.2. Клавіатура........................................................................................ |
54 |
3
1.6.3. Маніпулятор "миша"....................................................................... |
55 |
1.6.4. Монітор (дисплей)........................................................................... |
55 |
1.6.5. Принтери і графопобудовувачі...................................................... |
59 |
1.6.6. Сканер............................................................................................... |
60 |
1.6.7. USB-Drive......................................................................................... |
61 |
1.6.8. Мережеве обладнання..................................................................... |
61 |
1.6.9. Модем............................................................................................... |
62 |
1.6.10. Система забезпечення, корпус комп’ютера................................ |
62 |
Розділ 2. Програмно-апаратне забезпечення персонального |
|
комп’ютера ........................................................................................ |
63 |
2.1. Поняття обчислювальної системи........................................................ |
63 |
2.1.1. Ієрархія обчислювальної системи ................................................. |
63 |
2.1.2. Зв’язок програмного й апаратного забезпечення ........................ |
64 |
2.2. Архітектура апаратного забезпечення................................................. |
65 |
2.2.1. Виникнення архітектури ЕОМ....................................................... |
65 |
2.2.2. Класична архітектура Джона фон Неймана................................. |
66 |
2.2.3. ЕОМ з паралельною архітектурою................................................ |
69 |
2.2.4. Гарвардська архітектура................................................................. |
71 |
2.2.5. ЕОМ з архітектурою потоків даних.............................................. |
72 |
2.2.6. Архітектура з розвинутими засобами інтерпретації.................... |
74 |
2.2.7. Тегові архітектури........................................................................... |
75 |
2.2.8. Клітинна архітектура...................................................................... |
75 |
2.3. Центральний процесор як основа апаратної |
|
платформи............................................................................................... |
77 |
2.3.1. Функції сучасного процесора ........................................................ |
78 |
2.3.2. CISC-процесори............................................................................... |
78 |
2.3.3. RISC-процесори............................................................................... |
88 |
2.3.4. Розширення архітектури сучасних процесорів............................ |
92 |
2.3.5. Принципи розроблення сучасних процесорів.............................. |
95 |
2.3.6. Мікроконтролери............................................................................. |
96 |
2.3.7. Архітектури та програмна сумісність......................................... |
104 |
2.4. Поняття операційної системи............................................................. |
105 |
2.4.1. Еволюція операційних систем та основні ідеї............................ |
106 |
2.4.2. Стандартизація ОС. Відкриті та альтернативні ОС................... |
108 |
2.4.3. Класифікація ОС............................................................................ |
111 |
2.5. Поняття прикладного програмного забезпечення............................ |
118 |
2.5.1. Поняття інформаційних технологій............................................ |
118 |
2.5.2. Текстові процесори....................................................................... |
119 |
2.5.3. Електронні таблиці........................................................................ |
120 |
2.5.4. Графічні процесори....................................................................... |
120 |
2.5.5. Системи інженерних розрахунків................................................ |
123 |
4
2.5.6. Об’єкти "Мультимедіа" ................................................................ |
126 |
2.5.7. Вузькоспеціалізоване програмне забезпечення......................... |
130 |
Розділ 3. Системне програмне забезпечення............................................... |
132 |
3.1. Поняття системного програмного забезпечення |
|
персонального комп’ютера................................................................. |
132 |
3.2. Базовий набір функцій введення-виведення |
|
інформації – BIOS ................................................................................ |
132 |
3.2.1. Початкове завантаження комп’ютера......................................... |
134 |
3.2.2. Інші завдання BIOS....................................................................... |
138 |
3.2.3. Перехід до операційної системи.................................................. |
139 |
3.3. Налаштування CMOS BIOS ................................................................ |
140 |
3.3.1. Головне меню програми налаштування...................................... |
141 |
3.3.2. Стандартні налаштування CMOS ................................................ |
144 |
3.3.3. Integrated peripherals, PnP/PCI ресурси ....................................... |
145 |
3.3.4. Advanced chipset features – джерело початкового |
|
завантаження.................................................................................. |
147 |
3.3.5. PC Health – система контролю стану комп’ютера..................... |
149 |
3.3.6. Power Management – керування енергоспоживанням ............... |
150 |
3.3.7. Захист комп’ютера і BIOS............................................................ |
151 |
3.3.8. Особливості налаштування промислових BIOS ........................ |
153 |
3.4. Поняття операційної системи............................................................. |
153 |
3.4.1. Історія розвитку операційних систем.......................................... |
155 |
3.4.2. Моделі побудови ОС..................................................................... |
161 |
3.4.3. Структура ОС................................................................................. |
166 |
3.5. Організація зберігання інформації на постійних |
|
носіях..................................................................................................... |
171 |
3.5.1. Логічні основи зберігання інформації......................................... |
172 |
3.5.2. Фізичні основи зберігання даних ................................................ |
176 |
3.5.3. Побудова файлових систем.......................................................... |
183 |
3.6. Надійність та швидкодія технології RAID ........................................ |
185 |
3.6.1. RAID0: Паралельні диски – підвищення швидкодії.................. |
186 |
3.6.2. RAID1: Дзеркальні диски............................................................. |
187 |
3.6.3. RAID 0/1: Дзеркало на багатьох дисках...................................... |
188 |
3.6.4. Від RAID 2 до RAID 6 .................................................................. |
189 |
3.6.5. Реалізація RAID масивів............................................................... |
190 |
СПИСОК РЕКОМЕНДОВАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ........................................... |
192 |
5
ПЕРЕДМОВА
Ознакою часу, в якому ми живемо, є лавинне нагромадження інформації і бурхливий розвиток інформаційних технологій. Сучасному інженеру необхідно обробляти, збирати, аналізувати та використовувати в процесі своєї діяльності інформацію, яка поступає до нього через засоби масової інформації (пресу, телебачення, радіо, інтернет).
Тому у сучасному світі технічний прогрес людства практично досягається тільки в тих випадках, коли частину інтелектуального навантаження беруть на себе комп'ютери. Одним зі способів досягти максимального прогресу в цій області, є створення "штучного інтелекту", коли комп'ютер бере на себе не лише однотипні, багаторазово повторювані операції, але й сам зможе навчатися. Саме створення повноцінного "штучного інтелекту" відкриває перед людством нові обрії розвитку.
Термін інтелект (intelligence) походить від латинського слова intelectus – що означає розум, розсудок; розумові здібності людини. Під цим терміном можна розуміти здатність мозку розв’язувати задачі шляхом набуття, запам’ятовування і цілеспрямованого перетворення знань в процесі навчання на досвіді і адаптації до різних обставин. Відповідно штучний інтелект (artifical intelligence) звичайно тлумачиться як здатність автоматичних систем брати на себе окремі функції інтелекту людини, наприклад вибирати і приймати оптимальні рішення на основі раніше отриманого досвіду і раціонального аналізу зовнішніх дій.
На сьогодні людство тільки починає по справжньому розуміти основні процеси, пов’язані із життям. І зі здивуванням виявляє, що чим більше деталей стає відомо, тим більше поряд з ними відкривається складного і незрозумілого. Людина, то з впевненістю демонструє всесильність науки у найскладніших речах, то раптом виявляє, що у її пізнаннях про буденне є глибокі провали.
Характерними рисами інтелекту, що проявляються в процесі пошуку розв’язків завдань, є здатність до навчання, узагальнення, нагромадження досвіду (знань і навичок) і адаптації до умов, що постійно змінюються. Завдяки цим якостям інтелекту мозок може вирішувати різноманітні завдання, а також легко перебудовуватися з розв’язування одного завдання на інше. Таким чином, мозок, наділений інтелектом, є універсальним засобом розв’язання широкого кола завдань (у тому числі неформалізованих) для яких немає стандартних, заздалегідь відомих методів рішення.
Уже зрозуміло, що спроби простого копіювання біології технічними засобами неефективні. При згадці про 100 мільярдів нейронів мозку, а у кожного нейрона – ще тисячі зв’язків, ентузіазм "догнати природу і
6
перегнати" відразу тане. А ще необхідно врахувати здатність матерії до самоорганізації, без якої неможливо уявити будь-які еволюційні процеси.
Самоорганізація почалась від моменту першого вибуху, з якого пішов ланцюжок народження і ускладнення структур: атоми – неорганічні молекули (мінерали) – органічні речовини. Далі йшла еволюція живих систем. В деталях самоорганізація непередбачувана: можливі лише ймовірнісні прогнози по тенденціях. При цьому на кожному її етапі можливий зворотний напрям – в сторону розпаду складного аж до елементів (до хаосу). Але новий "порядок із хаосу" буде уже іншим. Простим прикладом самоорганізації можуть бути морозні узори на вікнах, чинниками яких є вода, холод і скло. Якщо на них подихати, вони розтануть. Через пів години картина з’явиться нова але вже з іншим узором.
Й хоча механізм роботи людського мозку досі незрозумілий, однак геній людини уже довів: можна не копіювати а винайти заново і не гірше за природу. Таким чином людство тимчасово переключилося на "комп’ютерну науку" і досягло у цьому напрямі грандіозного успіху. Те, що раніше здавалося вершиною людської творчості – гра в шахи, шашки, розпізнавання зорових і звукових образів, синтез нових технічних рішень, на практиці виявилося не такою вже й складною справою. Тепер робота ведеться не на рівні можливості чи неможливості реалізації вище перерахованих задача, а про знаходження найоптимальнішого алгоритму. Більш того ці проблеми тепер навіть не відносять до проблем штучного інтелекту, відповідно є надія, що й повне моделювання процесів мислення людини виявиться не такою вже й складною справою.
Однак вернімося до земних справ. Навряд чи варто нагадувати, що комп'ютери стали справжніми помічниками людини без яких уже не може обійтися ні комерційна фірма, ні державна організація. Із самого початку персональні комп'ютери показали свою зручність і для офісу, і для будинку. Їх придбання стало бажаним не лише професіоналами, але й рядовими користувачами.
Загальновідомо, що користувачі бувають:
•початківці (ті, хто тільки починає опановувати азами комп'ю- терної науки)
•просунуті (ті, хто вже досконало володіє навичками начебто зміни зовнішнього вигляду робочого стола й т.п.).
Окремою категорією виступають люди, професію яких коротко можна назвати словом "комп’ютерщик" (ці люди вміють практично все, щоправда, вони самі іноді про це не знають).
Перша категорія користувачів є найпоширенішою. Робота комп'ютера для них уявляється досить загадковим явищем, і займаються
7
вони в основному набором і роздруковуванням текстів, часопроводженням за іграми (які працюють) і спогляданням відеофільмів (природно, тих які запускаються).
Друга категорія, як правило, уже не задовольняється однією лише роботою за комп'ютером. Невгамовне прагнення до досягнення нових вершин змушує незміцнілі розуми випробовувати на власний страх і ризик різні програмні новинки, корисні поради з оптимізації роботи комп'ютера й багато чого іншого, що для початківців є темним лісом.
Третя категорія користувачів найменш чисельна. В неї входять люди, чия професійна діяльність змушує їх займатися складанням, налаштовуванням і ремонтом комп'ютерів та систем.
Даний навчальний посібник покликаний збільшити кількість технічно-грамотних людей, знайомих з технологічною базою, структурою, засобами програмування і використання електронних обчислювальних машин. Адже комп’ютерна цивілізація уже почалась, в подальшому електроніка на молекулярних елементах іще збільшить можливості для створення нових комп’ютерів, придатних для будь-якої мети.
8
РОЗДІЛ 1.
ІСТОРІЯ РОЗВИТКУ ТА СТРУКТУРА КОМП’ЮТЕРА
1.1.Інформатика як наука
1.1.1.Терміни та означення
Комп’ютерна наука (computer science – наука про комп’ютери, чи точніше, наука про перетворення інформації за допомогою комп’ютерів) чи інформатика (утворено об’єднанням двох слів "інформація" + "автоматика") – це міждисциплінарна, методологічна наука про інформаційні процеси, про моделі, про алгоритми і алгоритмізацію, про програми і програмування, про виконавців алгоритмів і різні виконавчі системи та про їх використання у суспільстві, в природі, в пізнанні.
Предмет інформатики неможливо точно визначити, він – складний, багатосторонній, динамічний. Але можна відмітити три основні вітки комп’ютерної науки: теоретичну, практичну і технічну. Відмітимо, що поділ інформатики як науки і людської діяльності на ті чи інші частини залежить від мети, задач, наявних ресурсів і часто буває умовним.
Теоретична інформатика (brainware – "мозкове" забезпечення)
вивчає теоретичні проблеми інформаційних середовищ.
Практична, прикладна інформатика (software – "гнучке" або програмне забезпечення) вивчає практичні проблеми інформаційних середовищ.
Технічна інформатика (hardware, "важке" або апаратне забезпечення) вивчає технічні проблеми інформаційних середовищ.
Наведемо приклад: Задача побудови математичної моделі прогнозу кредитного ризику банку – це задача теоретичної інформатики і звичайно економіки. Побудова алгоритму прогнозу за цією моделлю – задача прикладної інформатики. Розроблення комп’ютерної програми (комплексу програм) для прогнозу ризику – задача практичної інформатики.
Часто (особливо, в області практичної інформатики) говорять про предметну інформатику, наприклад, про медичну інформатику, фізичну інформатику, комп’ютерну фізику, інформатику електроенергетики тощо.
Для прикладу визначимо предмети фізичної і енергетичної комп’ютерних наук. Фізична інформатика, іноді інтерпретується як комп’ютерна фізика, вивчає проблеми інформаційних процесів, керування, питання самоорганізації, хаосу і порядку в відкритих фізичних системах. Інформатика електроенергетики вивчає основи і методи застосування обчислювальної техніки як універсальних пристроїв перетворення інформації (фізичних моделей, моделей-аналогів, структурних матема-
9