Глава 3

Техническое обеспечение информационной технологии. Общие сведения о средствах вычислительной техники. Общая схема ЭВМ и принцип

ее работы

Еще в XIX в. английский ученый Ч. Беббидж первым определил и реализовал такие структурные компоненты своей «аналитической машины», которые до сих пор являются основными для любой ЭВМ. Все последующие модели обязательно содержали эти компоненты, только конкретные реализации их, базирующиеся на достижениях науки и техники, были различными.

Любая ЭВМ содержит следующие основные части:

— устройство ввода (УВ),

— оперативную память (ОП),

— арифметико-логическое устройство (АЛУ),

— устройство управления (УУ),

— устройство вывода (УВыв),

В современных ЭВМ АЛУ и УУ объединены в общий блок, называемый центральным процессором (ЦП).

ОБЩАЯ СХЕМА ЭВМ [ЦП]

ЦП

УВ

УУ

АЛУ

УВыв

ОП

Принцип действия ЭВМ.

Всякий вычислительный процесс должен быть представлен для ЭВМ в виде последовательности инструкций, записанных в том порядке, в котором их надо выполнять.

Команда представляет собой инструкцию о том, какое именно действие необходимо выполнять в данный момент времени, над какими следует работать операциями, где их взять и куда поместить результат.

Последовательность команд называют программой. Программу решения задач составляет пользователь.

В процессе выполнения команд сама ЭВМ выбирает очередную команду, расшифровывает ее, определяет, какое действие и над какими операциями надо выполнить. Эту операцию выполняет УУ. Оно помещает выбранные из ОП операнды в АЛУ, и там они обрабатываются. АЛУ работает под управлением УУ.

Обрабатываемые данные и сама программа должны находиться в оперативной памяти, куда они вводятся через устройство ввода. Вводить информацию можно с магнитных дисков, магнитных лент, оптических дисков, перфокарт, перфолент, с клавиатуры.

Оперативная память служит для хранения выполняемой программы, исходных данных, промежуточных и окончательных результатов вычисления. У современных ЭВМ память организована в виде общего поля, условно разделенная на байты. Все байты пронумерованы, номер байта — это его адрес.

В один байт умещается либо один алфавитно-цифровой символ, либо две цифры. Это связано с тем, что в машинной форме хранения информации каждый символ представлен комбинацией из восьми двоичных нулей и единиц, а каждая цифра из четырех. Один двоичный 0, или 1, называется бит. Следовательно, бит является наименьшей, далее неделимой машинной единицей информации.

Группа из 8 бит образует байт. Наличие адреса позволяет определить байт как наименьшую адресуемую единицу информации. Кодирование информации байтами дает возможность представления в двоичном изображении 256 различных символов (2= 256).

Таким образом, понятие байта употребляется в двух случаях:

1) как измеритель количества информации,

2) как измеритель емкости памяти.

1 KБ = 1024 б (210=:1024)

1 Мб = 1024 Кб (220 = 1024 х 1024)

1 Г = 1024 Мб (230 = 1024 х 1024)

Результаты решения задачи выводятся из ЭВМ через устройство УВыв. Выводится информация с помощью различных физических устройств на магнитные диски, магнитную ленту, на экран дисплея, на принтер.

Основные характеристики вычислительной техники (ВТ)

Основными технико-экономическими характеристиками ВТ принято считать показатели быстродействия, объемов памяти, точности вычисления, универсальности, набора выполняемых команд, стоимости.

Быстродействие ЭВМ характеризуется количеством элементарных команд, операций, выполняемых ЦП за одну секунду. Под элементарной операцией понимается любая простейшая операция сложения, пересылки, сравнения и т.д. В зависимости от области применения выпускаются ЭВМ с быстродействием от нескольких тысяч до млн. операций в сек. Типовые ЭВМ имеют быстродействие от 100 тыс. до 35 млр. опер/сек. Для решения сложных задач создаются многопроцессорные системы.

Объем или емкость памяти — это максимальное количество информации, которое можно разместить в памяти ЭВМ. Память подразделяется на внутреннюю и внешнюю. Внутренняя, или оперативная, память по объему различна у разных классов машин. К примеру, у Искры-1030 емкость ОП составляет 512 КБ, ЕС-1840 — до 640 КБ, I BM PC — 2048 КБ. Емкость внешней памяти из-за блочной структуры и съемных конструкций накопителей не ограничена. Оперативная память хранит в себе программу и данные на момент исполнения. ОП построена на полупроводниковых микросхемах и сохраняет информацию до тех пор, пока включено питание компьютера.

ПОСТОЯННОЕ ЗАПОМИНАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО (ПЗУ).

Часть программ и данные, всегда необходимые для обеспечения работы компьютера, расположены в постоянном запоминающем устройстве. Информацию, записанную в ПЗУ, можно только читать, записывается она один раз при изготовлении компьютера, либо с помощью специальных устройств. Обычно ПЗУ содержит в себе Базовую Систему Ввода Вывода (Base Input Output System - BIOS) – набор микропрограмм, управляющих общением с микропроцессором, и основные дисковые операции. Bios отвечает прежде всего за процедуру самопроверки, выполняемую после включения питания, за выполнение программы самозагрузки, низкоуровневые интерфейсы.

КЭШ – ПАМЯТЬ (Cashe memory) представляет собой небольшой блок (обычно от 32 до 2 Мв) быстродействующей, но дорогой памяти, которая находится между процессором и более мощной ОП. Контроллер памяти старается превосходить запросы процессора и заполняет ее той информацией из ОП, которая с наибольшей вероятностью потребуется процессору в ближайшем будущем. Встроенная кэш-память микропроцессоров 486 более эффективна, чем внешняя кэш-память, но ее объем 8 Кбайт недостаточен. Внешняя кэш-память позволяет еще повысить производительность ПК. Для более мощного процессора целесообразно устанавливать кэш-память большего объема.

Универсальность — это возможность применения ЭВМ для решения задач любого типа и класса. В отличие от универсальных машин бывают машины специализированные, которые выпускаются для решения задач определенного класса.

Элементная база ЭМ. Микропроцессор

Уровень развития средств вычислительной техники определяется главным образом совершенством элементной базы.

Под элементной базой (ЭБ ) понимается функционально полная система электронных элементов, позволяющая в определенных сочетаниях выполнять функции АДУ, УУ и оперативной памяти ЭВМ. Современная технология позволяет изготавливать электронные элементы в виде схем.

Передача сигналов внутри микропроцессора осуществляется с помощью шин.

В микропроцессоре содержится устройство управления, арифметико-логическое устройство и 2 группы регистров: операционные и буферные операционные регистры образуют память. Внутренняя память повышает быстродействие арифметико-логического устройства за счет сокращения числа обращений к внешней памяти. Развитие технических и программных средств вычислительной системы, а также коммуникационных устройств оказывает существенное влияние на архитектонику вычислительных сетей. Сочетание дешевых спутниковых и волоконно-оптических каналов связи позволяет применять кольцевые топологии для формирования сложных структур связи.

Наряду с концепцией распределенной обработки в таких системах наиболее полно реализуется технология распределенного хранения информации, распределенные базы данных и базы знаний. Наиболее перспективная реализация таких систем — на базе персональных и профессиональных компьютеров.

Магнитные носители информации

Накопители на жестком диске (винчестеры)

Прадназначены для постоянного хранения информации, используемой при работе с компьютером.

Основные достоинства:

ü большая емкость хранимой информации (до 700 Гбайт)

ü сохранение информации при отключении питания

ü относительно невысокая стоимость хранения информации (менее 1$ за 1 Гбайт), надежность (среднее время наработки на отказ 5-18 лет).

Второй важной характеристикой после емкости является время доступа к информации на диске. Винчестер подключается к ПК через дисковый контроллер.

Накопители на дискетах

Информация об объекте чаще всего передается посредством документов. Для ЭВМ информацию переносят на специальные машинные носители: магнитные, оптические, перфорационные.

Магнитные носители — диски, барабаны, карты — основаны на использовании индукции, т.е. применении магнитных материалов, позволяющих фиксировать 2 магнитных состояния: «+» и «—» — намагниченности. Чаще используется феррит.

К оптическим носителям относятся оптические диски, основанные на применении лазерного луча, выжигающего отверстие или углубление на поверхности носителя.

Флоппи — мягкий лавсановый диск, на котором нанесен слой магнитного материала. Диск находится в чехле, в нем имеется прорезь. На поверхности диска имеются концентрические дорожки, вдоль которых наносится информация. Дорожки пронумерованы, разделены на секторы. Секторы пронумерованы.

Продольная плотность записи — до 275 бит/мм.

Число дорожек на 1 мм — 20.

Число секторов — от 4 до 52.

Информационная емкость — от 128 Кб до 10 Мб.

ПЭВМ «Искра»— 360 Кб.

При накоплении информации в НГМД реализуется файловая система.

Файл — набор взаимосвязанных данных.

Наиболее распространены дискеты 3,25 дюйма, их емкость1,4 Мбайта, они заключены в жесткий пластмассовый конверт, что повышает их надежность и долговечность. На дискетах 3,25 дюймов имеется защелка, которая разрешает или запрещает запись на дискету. Запись запрещена, если отверстие закрыто, и разрешена, если это отверстие открыто. Не следует покупать дешевые дискеты сомнительного качества, т.к. мало того, что выше вероятность потери информации на таких дискетах, они еще и портят дисковод.

Все магнитные носители характеризуются:

1) способом доступа к данным,

2) скоростью передачи данных,

3) емкостью,

4) плотностью информации на единицу поверхности,

5) надежностью записи и хранения информации.

Накопители CD-ROM, CD-R и CD-RW

Лазерные накопители

CD-ROM – это оптический диск, выполнен из слоя стеклопластика, покрытого тонким слоем теллурия. На диске CD-ROM записывается информация, и произвести ее повторную запись невозможно. Наибольшее распространение получили 5-дюймовые диски CD-ROM емкостью 700 Мбайт. Данные на диске записываются в виде спирали.

Главной характеристикой привода CD-ROM является скорость чтения данных. В настоящее время максимальная скорость чтения 50 Х.

Диски стоят в розницу около $0,2 за штуку, что дает рекордно низкую удельную стоимость одного мегабайта хранимых данных. Следует также отметить, что компакт-диски более надежны при длительном хранении информации, чем магнитные носители: последние весьма чувствительны к электромагнитным полям и ударным нагрузкам.

CD-RW накопители на перезаписываемых дисках

Семь лет назад на компьютерном рынке появились накопители, которые дают возможность работать с перезаписываемыми CD-RW (CD-ReWritable). Такие устройства позволяют заносить информацию на существующие недорогие компакт-диски с возможностью дозаписи. Емкость носителя CD-RW (стоимость около $0,3) составляют 700 Мбайт и равна емкости дисков CD-ROM и CD-R.

Диски CD-RW считываются только на современных универсальных CD-ROM-устройствах и DVD-ROM, рассчитанных на работу с различными носителями.

Совсем недавно дисководы CD-RW были очень дорогими, сегодня их цена снизилась до $80.

В приводах CD-RW указывается три числа, как правило, в следующем порядке: первое - скорость записи, второе - перезаписи, третье – чтения 52 Х/32 Х/ 52 Х

Серьезными конкурентами записываемых и перезаписываемых компакт-дисков стали пишущие устройства DVD.

Накопители DVD-ROM, DVD-R, DVD-RW и др.

В конце 1997 - начале 1998-го года на рынке стали появляться диски и приводы DVD. Этот стандарт был создан с расчетом на то, чтобы заменить разные носители сразу в нескольких областях - в индустрии видео, в сфере информационных технологий, в звуковых записях. По замыслу разработчиков, это должен быть некий «универсальный» носитель, необычайно вместительный и надежный.

DVD (Digital VersatileDisk, ранее Digital Video Disk), т. е. многоцелевой цифровой диск - тип компакт-дисков, хранящий от 4,7 до 17 Гбайт информации, что вполне достаточно для полнометражного фильма. Почти все уже уверены, что DVD скоро вытеснят как CD-ROM, так и обычные VHS-видеокассеты. Такой объем способен удовлетворить любого производителя компьютерных игр и энциклопедий, для выпуска которых обычно требовалось несколько CD-ROM, вызывая неудобства у пользователя.

По размерам же диски CD и DVD абсолютно одинаковы - DVD лишь немного тоньше. Естественно, так же как и CD-диски, DVD производится в двух форм-факторах: 12 см (4,7 дюйма) и 8 см (3,1 дюйма). Наиболее распространенным, как и в случае с CD, скорее всего, будет форм-фактор 12 см - ведь именно на него рассчитано большинство дисководов и DVD-плейеров.

Но семикратный прирост емкости диска - это далеко не предел. Пожалуй, самое интересное в спецификациях DVD - это возможность создания двусторонних и двухслойных дисков.

Всевозможные комбинации всех вышеперечисленных технологий породили довольно много типов дисков DVD.

Существуют односторонние (SS - Single Sided) и двусторонние DVD (DS), однослойные (SL - Single Layer) и двухслойные (DL).

Стоит отметить, что вместимость двухслойных DVD-дисков не в два раза больше, чем у однослойных, как следовало бы ожидать, а немного меньше.

Основные виды DVD дисков:

· DVD-5, 12 cм, 4.7 Gb данных или свыше 2 часов видео, один слой на одной стороне. Приблизительная стоимость $0,5.

· DVD-9, 12 cм, 8.5 Gb данных или около 4 часов видео, два слоя на одной стороне. Приблизительная стоимость $3,5.

· DVD-10, 12 cм, 9.4 Gb данных или около 4,5 часа видео, на обоих сторонах по одному слою. Приблизительная стоимость $9.

· DVD-14, 12 cм, 13.24 Gb данных или около 6,5 часа видео, два слоя на одной стороне, один слой на другой.

· DVD-18, 12 cм, 17 Gb данных или более 8 часов видео, на обеих сторонах по два слоя. Пока что слишком дороги в производстве, поэтому их очень мало.

DVD-RAM

Не только Pioneer занимался разработкой стандартов записи на DVD, его партнёры по DVD форуму не дремали. Matsushita, в некоторых кругах известная как Panasonic, разработала стандарт под названием DVD-RAM. Некоторые решения, используемые в DVD-RAM пришли в него из магнитооптики. DVD-RAM диски могут быть как одно-, так и двусторонними. Для записи диск должен быть в картридже, и это ещё одно принципиальное отличие DVD-RAM дисков от всех остальных.

По утверждению производителей, DVD-RAM диск может быть перезаписан не менее 100000 раз, а запись должна сохраняться на диске не менее 30 лет.

Стоимость дисков DVD-RAM на сегодняшний момент составляет 4,7 Gb – 5,4$, 4,9Gb – $9,8.

HD DVD или Blu-Ray - война форматов

Два новых и несовместимых друг с другом формата DVD повышенной плотности обязаны своим появлением телевидению высокой четкости, для записи программ которого недостаточно емкости обычных DVD (4,7 Gb). Тем не менее пока трудно понять, какой же из двух форматов, HD DVD или Blu-Ray, станет доминирующим на рынке, ведь у обоих форматов есть сторонники из числа крупнейших мировых производителей оптических носителей, бытовой и компьютерной техники.

Оба новых формата используют сине-фиолетовый лазер с длиной волны 405 нм, в то время как в современных DVD-приводах для записи и чтения применяется красный лазер с длиной волны 650/635 нм. Более короткая волна обеспечивает меньший диаметр светового пятна от лазерного луча и, следовательно, более высокую плотность записи.

В настоящее время предусмотрены несколько вариантов дисков для каждого конкурирующего формата. В спецификациях Blu-Ray предусмотрены три типа однослойных дисков, объемом 23,3; 25,3 и 27 Gb, и три типа двухслойных дисков, объемом 46,6; 50 и 54 Gb. А также разработаны перезаписываемые диски BD-RE. Стоимость дисков BD-RE Disc SONY 25 Gb 2x – $26.

Диски HD DVD имеют две разновидности - объемом 15 и 20 Gb, хотя разработчики намерены в обозримом будущем представить двухслойные диски с удвоенной емкостью. Предусмотрены три типа носителей HD DVD: HD DVD-ROM с заводской записью, перезаписываемые диски HD DVD-RW и диски HD DVD-R с возможностью однократной записи.

Перспективные разработки

HVD, AO-DVD, DMD

Уже сейчас, когда новые стандарты только собираются выйти на рынок, появляются сообщения о разработке новых форматов, обладающих фантастической ёмкостью. Чаще всего до появления хотя бы прототипов далеко, пока что оформляются патенты.

Интересный проект предложен HVD Альянсом, в который вошли CMC Magnetics, Fuji Photo Film и ряд других компаний. Это разработка голографических дисков Holografic Versatile Disc (HVD). Ёмкость такого диска - от 100 до 1000 Гигабайт. Главный секрет - использование не одного луча лазера, а сразу миллиона! Скорость чтения при этом может достигать 1 Гбит в секунду.

Компания Iomega недавно запатентовала технологию Articulated Optical Digital Versatile Disc (AO-DVD), позволяющую увеличить емкость стандартного DVD диска в 40 - 100 раз, а скорость считывания данных - в 5 - 30 раз. При этом стоимость новых оптических дисков останется столь же невысокой, что и у привычных DVD.

Если современный DVD может вместить до 8,5 ГБ данных, то на диск AO-DVD теоретически можно записать до 800 ГБ.

Компания D Data разрабатывает Digital Multilayer Disc (DMD) - диск для красного лазера, поддерживающий до 6 слоев и имеющий ёмкость 15 Гбайт. Принцип его действия - активный слой под действием сфокусированного луча лазера начинает светиться (эффект флуоресценции), тогда как в обычном состоянии абсолютно прозрачен. Вот почему количество слоев можно довести до шести и даже больше.

Флуоресцентный многослойный диск FMD-ROM

Относительно недавно компанией C3D было объявлено о создании новейшего типа носителей информации, под общим названием FMD ROM (fluorescent multilayer disk), то есть флуоресцентный многослойный диск. Эта перспективная разработка, как ожидают ее создатели, должна после своего выхода заменить все существующие на сегодняшний момент устройства хранения информации, причем не только устаревающие диски CD-ROM, но и относительно новые DVD-ROM.

Разработчики заявляют, что уже сейчас первые прототипы способны вмещать при размере диска 12 см в диаметре, то есть на стандартном

5-дюймовом носителе до 140 Гб. Это при десяти слоях. А в ближайших планах компании C3D есть желание, как минимум, удесятерить число слоев.

Разработчиками FMD было предложено следующее решение: материал, содержащий записанную информацию, не отражает, как подложка в DVD или CD, а излучает! Использовано явление флуоресценции.

Интересных проектов со временем только прибавится. Часть из них отомрет, но выделятся два-три, которые заменят Blu-ray и HD-DVD и продолжат битву форматов. Не ради денег или господства. Но ради дальнейшего прогресса.

Классификация средств вычислительной техники

В настоящее время в нашей стране применяются ЭВМ 3-го и 4-го поколений. Отличие: в 4-м поколении применяются большие ИС.

Схема классификации ЭВМ

ЭВМ

Аналоговые Цифровые

Большие Средние Малые

Мини - Макро -

Аналоговые ЭВМ и ЭВМ непрерывного действия оперируют величинами, которые непрерывно меняются. В результате создается модель-аналог изучаемого явления управления технологическим процессом. Цифровые получили распространение во всех областях. Вся информация — в виде цифр, их последовательности. Не геометрическими размерами, а возможностями той или иной машины определяется область их применения.

Большие ЭВМ

Нужны для решения сложных научных и технических задач. Быстродействие — от 500 тыс. до 5 млн. Емкость операций памяти — 16 Мв.

В странах СЭВ разработаны ЭВМ единой серии (ЕС).

Средние ЭВМ

Обладают более низкими возможностями. Быстродействие — до сотен тысяч операций/сек. Применяются в АСУ.

Малые ЭВМ

Самый многочисленный и быстроразвивающийся класс ЭВМ.

Мини-ЭВМ

К нему принадлежит класс СМ ЭВМ, хотя по быстродействию и объему памяти последние модели не уступают ЭВМ среднего класса. Для мини-ЭВМ характерно представление данных с узким диапазоном значений.

Такие машины применяются для управления сложными видами оборудования, гибкими производственными системами, создания НРМ.

Современная модель М-ЭВМ-СМ-1420, до 1 млн. операций/сек, емкость — до 4 Мв.

Микро-ЭВМ

Основой ее является микропроцессор. В отличие от вычислительной машины в целом он способен вырабатывать и воспринимать только электрические аналоги. Необходим для управления разнообразными приборами (бытовая техника).

Появление малогабаритных периферийных устройств (НГМД и НГД), принтеров привело к созданию микро-ЭВМ — ПК для решения задач в режиме диалога «человек— ЭВМ», Искра-226—1 поколение.

II поколение: первенство принадлежит IBM PC.XT/AT. Аналоги этих машин — ЕС-1840, 1841, Искра-1030.

Появились программы различного профессионального направления: АРМ экономиста, врача и др.

Характеристика основных устройств ПЭВМ. Клавиатура

Обязательная составная часть ПК. Назначение: первичный ввод любых данных — команды, цифры, текста. Она разделена на 3 группы: центральная (алфавитно-цифровая), правая (цифровая) клавиша (NHM 20CK), левая — программируемые, функциональные клавиши F1 ..... F10.

Дисплеи — это устройства визуального отображения информации.

Минимальным стандартом видеосистемы для всех сегодняшних ПК является VGA. Стандартный VGA монитор обеспечивает графическое разрешение 640 точек по горизонтали и 480 точек по вертикали. Мониторы Super VGA могут обеспечить разрешение в графическом режиме 1024 на 768.

Мониторы могут быть: 1) алфавитно-цифровые и 2) графические.

Первый может воспроизводить только символы клавиатуры, а также символы псевдографики 1.

Следующем важным шагом при выборе монитора является «зерно» или шаг точек люминофора, т.е. расстояние между двумя соседними точками одного цвета, измеряемое в десятых долях миллиметра. Чем меньше эта величина, тем четче изображение, тем лучше для ваших глаз. Для любых видов работ на экранах размером15 дюймов, считается приемлемым шаг 0,28 мм.

Графический дисплей может воспроизводить не только символы, но и любые рисунки. У него изображение строится по принципу сочетания точек (пикселей). Чем меньше пиксель, тем четче изображение. Увеличение числа точек, высокое качество изображения, следовательно, разрешающая способность— это число пикселей на экране.

Принтеры

Принтер — это печатное устройство. Различают 2 класса: электромеханические (ударного действия), немеханические (безударного).

По принципу работы их делят на принтеры последовательной печати и параллельной (все знаки строки одновременно).

По способу изображения символов они бывают:

— матричные, у которых изображение каждого символа формируется на основе матрицы точек 9 х 9 10х7 точек; точечное изображение наносится на бумагу с помощью специальных стерженьков, закрепленных на печатной головке (высококачественные принтеры имеют 24 стерженька),

— лепестковые, у которых все символы находятся на подвижных вращающихся дисках в виде лепестков; имеют невысокую скорость печати,

— термопечатающие (основаны на использовании специально-термочувствительной бумаги).

Печатная головка с миниатюрными нагревательными элементами. Они бывают лазерные и струйные

Режимы работы принтера:

1) нормальный;

2) убористый, с узкими символами;

3) расширенный;

4) с подстрочной и надстрочной печатью.

Графопостроители, или плоттеры, — это устройства для построения графиков, схем.

Другие устройства —это группа средств, облегчающих процесс ввода графический информации.

Устройство «мышь» — это маленькая коробочка с кнопками и шнуром. Его перемещают по столу, а курсор экрана повторяет движения. Координаты всех точек по линии его движения преобразуются в цифры и вводятся в память ЭВМ.

Джойстик - аналогичен мыши, но в виде рычага. Сенсорный экран — удобное, но дорогостоящее устройство для введения графической информации. Он представляет собой прозрачную чувствительную панель, монтируемую под экраном ПК. Специальной авторучкой вычерчивают «рисунок» исходных данных, которые вводятся в память.

Вопросы для самоконтроля

1. Основные части ЭВМ.

2. Общая схема ЭВМ.

3. Принцип действия ЭВМ.

4. Двоичная система исчисления.

5. Компьютерная память.

6. Быстродействие ЭВМ.

7. Объем и емкость памяти.

8. Универсальность ЭВМ.

9. Микропроцессор.

10. Интегральная схема, физически-интегральная схема.

11. Магнитные носители информации.

12. Оптические носители информации.

13. Классификация средств вычислительной техники и их характеристика.

14. Основные блоки ЭВМ, их характеристика.