5. Технические средства информационных технологий

Технические (аппаратные) средства информационных технологий в англоязычной литературе называют hardware (дословно – жесткие изделия), в отличие от программных средств – software (дословно – мягкие изделия). К техническим средствам относятся компьютеры, подключаемое к ним периферийное оборудование и сетевые коммуникации.

5.1. Основные блоки персонального компьютера

Персональный компьютер (ПК) – это настольная или переносная ЭВМ, характеризующаяся сравнительно малой стоимостью и универсальностью применения. Современный компьютер конструктивно состоит из системного блока, видеомонитора, клавиатуры. К нему всегда подключается манипулятор мышь или какой-нибудь ее аналог (Track Ball и т.п.), часто – аудиоколонки, принтер, плоттер, сканер, сетевые коммуникации, иногда – другие, менее распространенные периферийные устройства.

Основные функциональные части компьютера размещаются в корпусе системного блока. В нем крепится материнская плата, содержащая системную шину, генератор тактовых импульсов, контроллер клавиатуры, последовательный порт LPT1 и параллельные порты COM1, COM2. В современных компьютерах Pentium материнская плата содержит также контроллеры накопителей на жестких и гибких магнитных дисках (НЖМД и НГМД), а также USB-порты – универсальные порты для подключения периферийных устройств. USB-порт обеспечивает передачу данных и питания. Поэтому, если устройство, например сканер, подключается к системному блоку через USB-порт, то это периферийное устройство уже не надо подключать к электрической сети.

В материнскую плату вставляются процессор, блоки оперативной памяти – ОП (оперативного запоминающего устройства - ОЗУ), таймер и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). В материнскую плату также вставляется видеокарта – плата, обеспечивающая обмен между системной шиной и монитором, а при необходимости - звуковая карта, сетевая карта и модем, если он внутренний. В корпусе системного блока компьютера размещаются также блок питания с вентиллятором, НЖМД (винчестеры) и НГМД. Сборка современного компьютера сравнительно проста, благодаря высокой интеграции блоков. Поясним те из них, которые наиболее важны для понимания функционирования компьютера (см. рис. 5.1).

Системная шина – основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение всех его устройств и передачу информации в трех основных направлениях:

• между процессором и основной памятью,

• между процессором и портами ввода-вывода внешних устройств,

• между основной памятью и портами ввода-вывода, т.е. в режиме прямого доступа к памяти.

Свои функции системная шина выполняет с помощью входящих в нее проводов и схем сопряжения, по которым во все блоки компьютера передаются управляющие сигналы, требуемые адреса основной памяти, содержимое этих адресов, т.е. операнды машинных команд, и энергопитание большинства устройств. Все устройства подключаются к шине непосредственно или через порты и контроллеры (адаптеры) с помощью унифицированных разъемов. Например, в разъемы винчестера и CD ROM (устройство чтения с компакт-дисков) вставляются разъемы шлейфов, идущих от контроллера НЖМД, причем часто для этой цели используются два разъема на одном и том же шлейфе проводов.

Рис. 5.1. Структурная схема персонального компьютера

Процессор (микропроцессор) управляет работой всех блоков и выполняет операции над данными – логические и арифметические. С помощью логических операций проверяются различные условия (см. блок 4 на рис. 4.1), что часто приводит к изменению последовательности выполнения команд в программе. С помощью арифметических операций числа, предварительно выбранные из основной памяти на регистры арифметического устройства процессора, могут складываться, перемножаться и т.п. (см. раздел 3). Вообще говоря, процессор персонального компьютера имеет обширную систему команд, и их только условно можно делить на логические и арифметические. Процессоры с полным набором команд (Complex Instruction Set Computing) называют CISC-процессорами. Большинство современных ПК типа IBM PC оснащаются именно CISC-процессорами. На выполнение одной команды в таких процессорах тратится не менее 4 тактов. В мощных вычислительных системах все чаще используются RISC-процессоры, в которых применен сокращенный набор команд (Reduced Instruction Set Computing). Такие компьютеры содержат только простые, самые употребительные команды, из которых “собираются” сложные операции. Зато каждая команда в RISC-процессоре выполняется за один такт. До появления процессоров Pentium микропроцессор компьютеров типа IBM PC выполнял только операции с фиксированной точкой, а для работы с действительными числами в системном блоке компьютера размещался еще математический сопроцессор. Теперь он находится в составе процессора. Для того чтобы многократно не обращаться к оперативной памяти для чтения команд и операндов при исполнении циклов, современный процессор имеет встроенную быстродействующую КЭШ-память емкостью до 512 Кбайт и больше у дорогих моделей. Часть этой памяти может размещаться на материнской плате. КЭШ-память не доступна для пользователя (в переводе Cache означает «тайник»).

Генератор тактовых импульсов задает упоминавшиеся уже такты работы машины в виде последовательности электрических импульсов. Тактовая частота – одна из основных характеристик компьютера, во многом определяющая его быстродействие.

Оперативная память (ОП) обеспечивает оперативную запись, хранение и предоставление информации другим блокам ПК во время его работы. Это быстрая, но энергозависимая память: ее содержимое не сохраняется после выключения компьютера. Объем оперативной памяти современного ПК 256-512 Мб и более.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) содержит тест, проверяющий в момент включения компьютера работу памяти и устройств, хранит параметры подключенных к компьютеру дисковых накопителей, последовательность попыток загрузки ОС (например, первая попытка - с диска A: , если же на нем нет системной дискеты, то с диска C: ). ПЗУ также хранит программу чтения с диска в ОП программы-загрузчика ОС и некоторые другие программы базовой системы ввода-вывода (BIOS – Base Input/Output System). ПЗУ – это либо энерго-малозависимая память (поддерживается батарейкой), либо энергонезависимая память на флэшкарте.

Таймер – это электронные часы, с которых программы при необходимости снимают текущую дату и время с точностью до долей секунды. Таймер поддерживается батарейкой – обычно той же, что и ПЗУ.

Монитор (дисплей) и видеоадаптер образуют видеосистему компьютера, которая необходима для отображения информации. Монитор, клавиатура и мышь позволяют пользователю управлять работой программ, взаимодействуя с ними (см. раздел 2). Монитор может быть выполнен на основе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) или на основе жидкокристаллической панели (LCD). На мониторе отображается информация, формируемая программами в памяти видеоадаптера. Основными параметрами, характеризующими видеосистему компьютера, являются размер диагонали экрана в дюймах (например, 17 дюймов), емкость видеобуфера (например, 256 Мб), а также разрешение, которое можно установить программно. Разрешение – это количество точек, формирующих изображение на дисплее (например, 1024  768). На материнских платах присутствует порт AGP (Advanced Graphic Port), через который подключаются видеокарты (видеоадаптеры).

Клавиатура обычно состоит из 101 клавиши, но встречаются более удобные при работе с Windows клавиатуры из 104 клавиш. На клавишах нанесены латинские и русские буквы, цифры, знаки препинания и другие символы, используемые для управления работой программ. Клавиши можно разбить на 5 групп:

• буквенно-цифровые, размещенные в центральной части клавиатуры; для переключения в режим ввода русских букв чаще всего применяется одновременное нажатие двух клавиш – <Ctrl> + <Shift> или <Alt> + <Shift>; для обратного переключения эти же клавиши нажимаются повторно; если удерживать клавишу <Shift>, то вводимые буквы будут заглавными; если надо перейти на верхний регистр, например, для ввода заголовка, то нажимают клавишу <Caps Lock>; при ее повторном нажатии верхний регистр отменяется;

• клавиши малой цифровой клавиатуры, размещенные в правой части клавиатуры; иногда с их помощью удобнее вводить числа; они могут использоваться и для перемещения курсора – после нажатия на клавишу <Num Lock>;

• клавиши перемещения курсора, размещенные между первыми двумя группами клавиш;

• функциональные клавиши F1, F2, …, F12; в некоторых программах они используются как командные кнопки, т.е. для активизации событийных процедур;

• управляющие клавиши, используемые для переключения регистров, или для прерывания работы программы (клавиша <Pause/Break>), для перезагрузки компьютера (комбинация <Alt> + <Ctrl> + <Del>), для копирования в буфер обмена графического образа экрана (<Print Screen>) или же графического образа активного окна (<Alt> + <Print Screen>), для завершения ввода какой-либо команды или фрагмента информации (<Enter>) и для некоторых других целей.

Накопители на магнитных дисках используются для долговременного хранения файлов, содержащих разнообразную информацию – данные и программы. В отличие от ОП, дисковые запоминающие устройства считаются внешними, хотя обычно крепятся в корпусе системного блока.

Накопители на гибких магнитных дисках (НГМД) позволяют записывать и многократно перезаписывать файлы на дискеты, имеющие диаметр 3.5 дюйма и емкость 1.44 Мбайта. В последнее время для оперативного перенесения файлов вместо дискет применяются флэш-карты, конструктивно оформляемые в виде брелков. Они подключаются к USB-портам, причем в корпусе современного компьютера несколько USB-портов обычно выводятся на переднюю панель. Емкость флэш-карт увеличивается с каждым годом и для большинства моделей уже превысила 1 Гб. Поэтому можно считать, что накопители на гибких магнитных дисках (дискеты) доживают последние годы.

Накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД) – это винчестеры. Они позволяют записывать и перезаписывать файлы на пакет герметично закрытых дисков, вращающихся на общей оси. Каждый диск состоит из дорожек. Магнитные головки записи-чтения, не касаясь дисков, как бы летят над ними. Дорожки всех дисков винчестера, равноудаленные от оси, логически образуют цилиндр. Дорожки делятся на сектора, а сектора – на кластеры. Кластер – это минимальный объем дисковой памяти, выделяемый для записи файла. Объем кластера обычно от 4 до 32 Кб, а емкость всего винчестера теперь, как правило, превышает 40 Гб. Если файл не помещается в цепочку смежных кластеров (дальше место занято другим файлом), то он записывается в несколько цепочек кластеров. Для каждого кластера ОС запоминает на диске номер следующего кластера, занятого файлом. При первом сохранении файла (File/Сохранить как…) или при его закрытии номер первого кластера заносится в каталог. Если некорректно завершить работу программ (например, просто выключить компьютер из сети), то некоторые создаваемые программами файлы не будут отображены в каталоге диска, и на винчестере останутся «занятые» кластеры, на которые нет ссылок в каталогах файловой системы. Их освобождают с помощью служебной программы ScanDisk. Другая служебная программа (Defrag) периодически применяется, чтобы повысить эффективность использования диска. Путем перемещения содержимого кластеров эта программа добивается того, чтобы каждый файл размещался в одной цепочке смежных кластеров. Все это справедливо для файловых систем FAT-16 и FAT-32. В Windows NT/2000/XP, предлагается использовать файловую систему NTFS, в которой единой таблицы размещения файлов FAT (File Allocation Table) уже нет. NTFS – более сложная, по сравнению с FAT-32, файловая система, но у нее есть такие преимущества, как невозможность появления «ничейных» кластеров, способность к самовосстановлению, а также практически неограниченный размер тома и файла на нем (до 16 экзабайт; 1 экзабайт = 1000000 гигабайт; при использовании FAT32 можно отформатировать тома, объем которых не превышает 32 Гбайт). Кроме того, NTFS позволяет назначать права доступа к отдельным файлам. Однако если файл будет скопирован из раздела или тома NTFS в раздел или на том FAT, все права доступа и другие уникальные атрибуты, присущие NTFS, будут утрачены.

Накопители на лазерных дисках (CD ROM – Compact Disk Read-Only Memory) позволяют считывать информацию с компакт-дисков емкостью 700-800 Мбайт. Компакт-диск имеет дорожку в виде непрерывной спирали, на которой чередуются отражающие участки и не отражающие свет впадины. Подобно дискете, он вставляется в устройство CD ROM, после чего работа с ним не отличается от работы с данными на жестком диске или дискете, только перезапись информации невозможна. В промышленных условиях компакт-диски изготавливаются путем прессовки.

В последние годы широкое распространение получили перезаписывающие CD, а также DVD-приводы и соответствующие диски CD-RW и DVD-RW. Формат DVD был разработан для записи кинофильмов. На однослойном одностороннем DVD-диске помещается 4.7 Гб информации, т.е. двухчасовой фильм или любые другие файлы. На двухслойном или двустороннем и, тем более, на двустороннем двухслойном DVD-диске объем хранимых данных в 2-4 раза больше, причем DVD-приводы позволяют работать и с CD-дисками. CD и DVD-диски чрезвычайно удобны для периодического сохранения информации.

На CD и DVD- дисках теперь поставляется программное обеспечение, обучающие программы, музыка, видеофильмы, справочники, базы данных и т.п. Правда, чтобы иметь возможность использовать аудио и видеоинформацию, компьютер надо еще укомплектовать звуковой картой и аудиоколонками. Для ввода звуковой информации требуется также микрофон. Если компьютер оснастить еще ТВ-тюнером, то он в полном объеме выполняет и функции телевизора.

В совокупности комплекс аппаратных и программных средств, позволяющих человеку общаться с компьютером через звук, видео, графику, т.е. в естественных для себя средах, называют средствами мультимедиа (multimedia – многосредовость). Звук и видео используются не только для развлечений, но и для пояснения формализованных данных.