Кит04

Компьютерные информационные технологии (КИТ)

Лекция 4

ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ Ч2.

4.1 Внешние устройства ПК

Внешние устройства ПК обеспечивают взаимодействие машины с окружающей средой пользователями, объектами управления и другими ЭВМ. Внешние устройства весьма разнообразны и могут быть классифицированы по ряду признаков. В частности по назначению можно выделить следующие виды внешних устройств:

• внешние запоминающие устройства (ВЗУ) или внешняя память ПК;

• диалоговые средства пользователя;

• устройства ввода информации;

• устройства вывода информации;

• средства связи и телекоммуникации.

Некоторые внешние устройства (монитор, принтер, клавиатура, мышь) были кратко описаны в предыдущей лекции и являются типовыми внешними устройствами. Следует также отметить, что номенклатура внешних устройств все время меняется, и это связано с постоянными попытками упростить процесс общения человека с машиной.

Среди наиболее распространенных в настоящее время внешних устройств ПК отметим сканер, модем, плоттер и стример.

Сканеры предназначены для считывания с бумажных носителей и ввода в ПК машинописных текстов, графиков, рисунков, чертежей. Сканеры можно классифицировать по ряду признаков: по способу использования (ручные, планшетные, пакетной обработки); по скорости обработки (количество листов в минуту); методу сканирования (однопроходный, двухпроходный), по разрешающей способности (величина dpi- количество точек на дюйм) т.д. Сканеры, как правило, позволяют представлять информацию как в текстовом режиме с распознаванием символов, так и в графическом виде. Наиболее распространенными на рынке являются сканеры фирм XEROX, RICOH.

Модем служит для подключения ПК к глобальной компьютерной сети Интернет по телефонным линиям связи. Модемы преобразуют цифровой сигнал в аналоговый с помощью методов аналоговой модуляции. В зависимости от режимов работы различные модемы обеспечивают различные скорости передачи данных: от 1200 бит/с до 56 Кбит/с. Наиболее популярными модемами для ПК в настоящее время являются модемы фирм 3Com и ZyXEL.

Плоттеры (графопостроители) предназначены для вывода графической информации (графиков, чертежей, рисунков) на бумажный носитель. Плоттеры бывают векторные с вычерчиванием изображения с помощью пера, фломастера или карандаша и растровые: термографические, электростатические, струйные и лазерные. Конструктивно плоттеры подразделяются на планшетные и барабанные. Основные характеристиками плоттеров являются: скорость вычерчивания (100-1000 мм/с); возможность цветного изображения и передача полутонов; разрешающая способность и четкость изображения. Лидерами на рынке плоттеров являются фирмы Hewlett Packard и Canon.

Стример (накопитель на магнитной ленте) – это устройство, которое применяется для операций резервного копирования и архивирования данных винчестера на магнитную ленту. Такое копирование происходит, как правило, в экстремальных ситуациях, когда необходимо очень быстро сохранить важную информацию с НЖМД. Все файлы, размещенные на сменной кассете, будут сохраняться без каких-либо потерь независимо от того, включен компьютер или нет. В качестве носителей информации применяются сменные кассеты различного размера с магнитной лентой. Ёмкость таких кассет составляет от 40 Мбайт до 300 Гбайт, скорость передачи данных — от 2 до 20 Мбайт в секунду, длина ленты – от 63,5 до 230 м, количество дорожек – от 20 до 144. Основными производителями стримеров являются фирмы IBM, HP, Dell и Tandberg.

4.2 Иерархия памяти ПК

Память ПК – это совокупность отдельных устройств, которые запоминают, хранят и выдают информацию. Отдельные устройства памяти называются запоминающими устройствами (ЗУ). Производительность ПК во многом зависит от состава и характеристик запоминающих устройств, которые в свою очередь различаются принципом действия и назначением. Основными операциями с памятью являются процедуры записи и считывания (выборки). Общее название указанных процедур носит название обращение к памяти. Основные характеристики памяти – это емкость и быстродействие (время обращение к памяти).

Емкость ЗУ измеряется в Байтах (1Байт = 8 Бит), Килобайтах (1 Кбайт= 2¹⁰ Байт), Мегабайтах (1Мбайт= 2¹⁰ Кбайт), Гигабайта (1Гбайт= 2¹⁰ Мбайт), Терабайтах (1Тбайт= 2¹⁰ Гбайт).

Быстродействие измеряется в секундах и в настоящее время находится в пределах от 10 ^–2 до 10 ^–9 секунд в зависимости от способа доступа к информации.

По способу доступа к хранящейся в них информации ЗУ делятся на: ЗУ с произвольным доступом; ЗУ с прямым доступом; ЗУ с последовательным доступом.

В ЗУ с произвольным доступом время обращения не зависит от места нахождения данных. Такое доступ реализован в регистрах общего назначения, КЭШ-памяти и внутренней памяти ПК.

Носитель информации в ЗУ с прямым доступом непрерывно вращается, в результате данные доступны через некоторый фиксированный промежуток времени. К ЗУ с прямым доступом относятся НЖМД, НМГД, НОД.

ЗУ с последовательным доступом, прежде чем найти необходимые данные, «просматривает» все предыдущие участки памяти. Последовательный доступ реализована в ЗУ, использующих магнитную ленту, например, в стримерах.

Следует отметить, что требования, предъявляемые к емкости и быстродействию ЗУ, являются взаимно противоречивыми с точки зрения технической реализации. Поэтому для эффективного функционирования в ПК память строится по иерархическому принципу, где на разных уровнях иерархии находятся ЗУ, обладающие различными характеристиками. Иерархическая структура памяти ПК представлена на рисунке 1.

При движении от 1-го до 3-го уровня иерархии быстродействие ЗУ уменьшается, а емкость увеличивается.

Иерархическая организация памяти позволяет повысить производительность ПК и предоставить пользователю практически неограниченную емкость памяти.

Рис.1 Иерархия памяти ПК

Назначение и основные характеристики ЗУ 1-го уровня были описаны в лекции 3 Рассмотрим 2-й и 3-й уровень иерархии памяти ПК.

Внешняя память относится к внешним устройствам ПК и используется для долговременного хранения любой информации, которая может когда-либо потребоваться для решения задач. Внешняя память содержит разнообразные виды ЗУ, но наиболее распространенными, имеющимися практически на любом компьютере, являются НЖМД, НГМД и НОД. Указанные накопители предназначены для хранения больших объемов информации, запись и выдача хранимой информации по запросу в оперативное запоминающее устройство.

НЖМД (HDD - hard disk drive) в обиходе называют "винчестером". В отличие от оперативной памяти, НЖМД гарантируют долговременное хранение информации, для чего не требуется постоянное питание компьютера от внешнего источника электроэнергии. Для записи данных в жестких дисках используется магнитный слой. Он покрывает диски, вращающиеся внутри винчестера с огромными скоростями. Вдоль дисков перемещаются головки чтения/записи. Основными характеристика современных НЖГД являются: емкость (до 1 Тбайт ); количество пластин (до 5); количество головок (10 головок); среднее время поиска информации (меньше 10 мс); скорость вращения дисков (до 10 тыс. об/мин); вес (меньше 100 г). Основными производителями НЖМД являются фирмы IBM, Seegate, Toshiba, Fujitsu, Samsung.

НГМД (FDD - floppy disk drive) представляет собой устройство чтения/записи сменных гибких дисков (флоппи-дисков, дискет). Ранее применялись магнитные диски 2-х размеров: 5,25'' (133 мм) и 3,5" (89 мм). Первые давно исчезли, а 3,5'' используются только для переноса относительно небольших (1,44 Mбайт) объемов информации между компьютерами. Данные на гибких дисках хранятся подобно данным на винчестере за тем лишь исключением, что диск во флоппи-дисководе вращается с много меньшей скоростью и он всего один. Из-за недостаточной герметизации дискеты чаще всего выходят из строя. Таким образом, как носитель информации флоппи-диск крайне ненадежен и в настоящее время применяется все реже.

НОД являются в настоящее время самыми надежными и широко распространенными ЗУ внешней памяти. Считывание информации с оптического диска происходит за счёт регистрации изменений интенсивности отраженного от алюминиевого слоя излучения маломощного лазера..

НОД подразделяются на: CD-ROM (Compact Disc Read Only Memory) – компакт- диск только для чтения; CD-R (Compact Disc Recordable) – однократно записываемый компакт- диск; CD-RW (Compact Disc Rewritable) – перезаписываемый компакт-диск; DVD (Digital Versatile Disk) – универсальный цифровой диск.

Стандартный оптический диск имеет емкость порядка 650–800 Мбайт, емкость DVD диск достигает 17 Гбайт.

DVD диск имея те же габариты, что и обычный оптический компакт-диск, вмещает чрезвычайно много информации — от 4,7 до 17 Гбайт. В настоящее время DVD-диск применяется лишь в двух областях: для хранения видеофильмов (DVD-Video или просто DVD) и сверхбольших баз данных (DVD-ROM, DVD-R). В отличие от CD-ROM, диски DVD записываются с обеих сторон. Более того, с каждой стороны могут быть нанесены один или два слоя информации. Таким образом, односторонние однослойные диски имеют объем 4,7 Гбайт (их часто называют DVD-5, т.е. диски емкостью около 5 Гбайт), двусторонние однослойные — 9,4 Гбайт (DVD-10), односторонние двухслойные — 8,5 Гбайт (DVD-9), а двусторонние двухслойные — 17 Гбайт (DVD-18). В зависимости от объема требующих хранения данных и выбирается тип DVD-диска. Если речь идет о фильмах, то на двусторонних дисках часто хранят две версии одного и того же фильма— одна широкоэкранная, вторая в классическом телевизионном формате.

Архивная память ПК предназначена для длительного и надежного хранения программ и данных. Как видно из рисунка 2.3 хранить информацию можно на дискетах, оптических дисках, съемных НЖМД, магнитной ленте и флэш-памяти. Поскольку трое первых носителей информации описаны выше, а съемный НЖМД принципиально не отличается от обычного НЖМД, отметим основные свойства флэш-памяти.

Флэш-память представляет собой особый вид энергонезависимой перезаписываемой полупроводниковой памяти. Это означает, что она не требует дополнительной энергии для хранения данных (энергия требуется только для записи), допускает изменение (перезапись) хранимых в ней данных и не содержит механически движущихся частей (как обычные НЖМД или НОД) и построена на основе интегральных микросхем.

Информация, записанная на флэш-память, может храниться очень длительное время (несколько лет), и способна выдерживать значительные механические нагрузки (в 5-10 раз превышающие предельно допустимые для обычных НЖМД).

Основное преимущество флэш-памяти перед обычными накопителями состоит в том, что флэш-память потребляет значительно (примерно в 10-20 и более раз) меньше энергии во время работы. В НЖМД, НГМД,НОД, кассетах и других механических носителях информации, большая часть энергии тратится на приведение в движение механики этих устройств. Кроме того, флэш-память компактнее большинства других механических носителей.

Размер носителя флэш-памяти составляет от 20 до 40 мм в длину, в ширину и толщина до 3 мм, емкость достигает 1Гбайт, в зависимости от типа флэш-памяти возможна перезапись информации от 10 тысяч до 1млн раз.

Благодаря низкому энергопотреблению, компактности, долговечности и относительно высокому быстродействию, флэш-память идеально подходит для использования в качестве накопителя не только в ПК, но и в таких портативных устройствах, как цифровые фото- и видео-камеры, мобильные телефоны, портативные компьютеры, MP3-плейеры, цифровые диктофоны, и т.п. В ближайшие годы флэш-память будет самым применяемым компактным накопителем информации, постепенно вытесняя привычные дискеты.

4.3 Конфигурация ПК

Конфигурацией ПК называются состав и характеристики устройств, входящих в данный компьютер. Конфигурация подбирается в зависимости от задач, которые необходимо решать ПК.

Конфигурация ПК может быть задана следующим образом:

Intel Core 2 DUO 6700, RAM DDR2 4 Gb, FDD 3.5 ^“ 1,44 Mb, HDD Seagate 500 Гб 7200, Video Nvidea GeForсe 8800 GTX 768 Mb, Net 3COM 10/100/1000 (не интегрированная), DVD-R/RW, ATX 300W, PS/2, mouse PS/2 + scroll optical, Samsung TFT 22^|| (1600x1200x75 Гц), HP LaserJet 1320, Epson Perfection 3200 Photo (A4, 3200x6400 dpi, USB), USB flash 4 Gb.

В приведенной выше конфигурации можно выделить:

• микропроцессор Intel Core 2 DUO с тактовой частотой 2Ггц;

• ОЗУ RAM DDR 2 емкостью 4 Гбайт;

• НМГД для дискет 1,44 Мбайта;

• НЖМД фирмы Seagate с емкостью 500 Гбайт и скоростью вращения 7200 об/мин;

• универсальную аудио/видео карту фирмы Nvidea семейства GeForce 8800 с памятью 768 Mб;

• сетевую плату для Ethernet (10 Мбит/сек) и Fast Ethernet (до 1000 Мбит/сек);

• НОД типа DVD-R/RW;

• корпус системного блока типа ATX 300W;

• клавиатуру с разъемом PS/2;

• мышь с прокруткой и разъемом PS/2 оптическая;

• монитор Samsung с размером экрана 30 дюймов, разрешающей способностью 1600 на 1200 точек и частотой восстановления 75 Гц;

• лазерный принтер HP LaserJet 1320;

• сканер Epson Perfection 3200 Photo, для формата А4, с разрешающей способностью 3200x6400 dpi, и подключаемый к последовательному USB- порту;

• флэш-память емкостью 4 Гбайт, подключаемая к последовательному USB-порту.

Модульность, масштабируемость и стандартизуемость отдельных блоков современных ПК позволяет быстро и гибко менять его конфигурацию

4.3 Перспективы развития ПК

1. С точки зрения технического обеспечения в ближайшие годы развитие ПК (соответствующей структуре ЭВМ Джона фон Неймана) будет идти в направлении дальнейшего повышения его быстродействия и наращивания объемов как внутренней, так и внешней памяти,

Среди множества параметров, влияющих на производительность ПК, наиболее важными являются:

• быстродействие микропроцессора, определяемое не только тактовой частотой ГТИ, но и структурой (2-х, 4-х и т.д. ядерные микропроцессоры) ;

• пропускная способность системной шины, определяющая скорость обмена с внешними устройствами ПК;

• время обращения, как к внутренним, так и внешним ЗУ;

• емкость памяти, как к внутренних, так и внешних ЗУ;

• быстродействие внешних устройств, подключаемых к ПК.

Кроме этого ПК будут становиться все более удобными для использования их человеком.

Во-первых, будет шире использоваться графический ввод данных, в том числе в режиме автоматического распознавания рукописного ввода.

Во-вторых, будет использовать голосовой ввод — сначала для управления командами, а потом будет осваиваться и автоматическая оцифровка речи.

Развитие компьютеров будет идти также по пути создания оптоэлектронных ЭВМ с массовым параллелизмом и нейронной структурой, представляющих собой распределенную сеть большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.

Ведутся интенсивные работы по совершенствованию устройств памяти и ввода – вывода. В качестве примера можно привести работы по созданию дисплеев, проецирующих изображение на сетчатку глаза (очки, шлемы), дисплеев на основе органических и полимерных материалов, обеспечивающие более высокое качество изображений, чем ЖК – мониторы, разработка голографических записывающих дисков, создание новых типов оперативной памяти, независимых от отключения питания (PRAM, MRAM, FeRAM), электронные чернила (e- ink ) и т.д.

Дальнейшее развитие получат переносные персональные компьютеры с беспроводным подключением к глобальной сети Интернет

2. Ведутся разработки по созданию ПК на так называемой ДНК – логике. ДНК – логика базируется на возможности соединения ДНК- молекул в различных конфигурациях. В этом случае можно получить гигантскую информационную мощность: если обычный ПК манипулирует значениями нуля и единицы, то в ДНК имеются четыре базовых состояния (А,Г,Т,Ц), вследствие чего возрастает число сочетаний.

ДНК- логика обещает высокую вычислительную производительность при малых объемах технического обеспечения с крайне низким потреблением энергии. В настоящее время технология находится в стадии лабораторных разработок, коммерческого внедрения нет.

3. Разрабатываются квантовые компьютеры, которые должны функционировать по законам квантовой механики. В этом случае пространство состояний бита информации также принимает множество значений определяемых комплексными амплитудами состояния электрона. В настоящее время теоретически разработаны и доказаны квантовые алгоритмы для задач разложения целого числа на простые множители. Обычному ПК, например, выполняющему 10¹⁰ флопс, потребуется около года, чтобы разложить на простые множители число и 34 цифр, а для разложения числа из 60 цифр время превысит возраст вселенной. Использование же квантовых алгоритмов позволяет решать задачу в несколько месяцев. Поэтому в настоящее время многие фирмы и государственные учреждения направляют большие средства на исследование и разработку квантовых компьютеров. В настоящее время технология находится в стадии лабораторных разработок, коммерческого внедрения нет.

13