Технические средства обработки информации

Лекция № 3

Основные вопросы лекции:

1. Технические средства информатики.

2. Понятие о принципах работы ЭВМ.

3. Основные компоненты персонального компьютера.

Технические средства информатики

ЭВМ — основное техническое средство обработки информации, классифицируемое по ряду признаков, в частности: по назначению, принципу действия, способам организации вычислительного процесса, размерам и вычислительной мощности, функциональным возможностям, способности к параллельному выполнению программ и др.

По назначению ЭВМ можно разделить на три группы:

· универсальные (общего назначения) — предназначены для решения самых разных инженерно-технических задач: экономических, математических, информационных и других задач, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных. Характерными чертами этих ЭВМ являются высокая производительность, разнообразие форм обрабатываемых данных (двоичных, десятичных, символьных), разнообразие выполняемых операций (арифметических, логических, специальных), большая емкость оперативной памяти, развитая организация ввода-вывода информации;

· проблемно-ориентированные — предназначены для решение более узкого круга задач, связанных обычно с технологическими объектами, регистрацией, накоплением и обработкой небольших объемов данных (управляющие вычислительные комплексы);

· специализированные — для решения узкого круга задач, чтобы снизить сложность и стоимость этих ЭВМ, сохраняя высокую производительность и надежность работы (программируемые микропроцессоры специального назначения, контроллеры, выполняющие функции управления техническими устройствами).

По принципу действия (критерием деления вычислительных машин является форма представления информации, с которой они работают):

· аналоговые вычислительные машины (АВМ) — вычислительные машины непрерывного действия, работают с информацией, представленной в непрерывной форме, т.е. виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины (чаще всего электрического напряжения); в этом случае величина напряжения является аналогом значения некоторой измеряемой переменной. Например, ввод числа 19.42 при масштабе 0.1 эквивалентен подаче на вход напряжения в 1.942 В;

· цифровые вычислительные машины (ЦВМ) — вычислительные машины дискретного действия, работают с информацией, представленной в дискретной, а точнее в цифровой, форме — в виде нескольких различных напряжений, эквивалентных числу единиц в представляемом значении переменной;

· гибридные вычислительные машины (ГВМ) — вычислительные машины комбинированного действия, работают с информацией, представленной и в цифровой, и в аналоговой форме.

АВМ просты и удобны в эксплуатации; программирование задач для решения на них нетрудоемкое, скорость решения изменяется по желанию оператора (больше, чем у ЦВМ), но точность решения очень низкая (относительная погрешность 2-5 %). На АВМ решают математические задачи, содержащие дифференциальные уравнения, не содержащие сложной логики. ЦВМ получили наиболее широкое распространение, именно их подразумевают, когда говорят про ЭВМ. ГВМ целесообразно использовать для управления сложными быстродействующими техническими комплексами.

По поколениям можно выделить следующие группы:

1 поколение. В 1946г. была опубликована идея использования двоичной арифметики (Джон фон Нейман, А. Бернс) и принципа хранимой программы, активно использующиеся в ЭВМ 1 поколения. ЭВМ отличались большими габаритами, большим потреблением энергии, малым быстродействием, низкой надежностью, программированием в кодах. Задачи решались в основном вычислительного характера, содержащие сложные расчеты, необходимые для прогноза погоды, решения задач атомной энергетики, управления летательной техникой и других стратегических задач.

2 поколение. В 1948 г. Bell Telefon Laboratory объявила о создании первого транзистора. По сравнению с ЭВМ предыдущего поколения улучшились все технические характеристики. Для программирования используются алгоритмические языки, предприняты первые попытки автоматического программирования.

3-е поколение. Особенностью ЭВМ 3 поколения считается применение в их конструкции интегральных схем, а в управлении работой компьютера — операционных систем. Появились возможности мультипрограммирования, управления памятью, устройствами ввода-вывода. Восстановление после сбоев взяла на себя операционная система. С середины 60-х до середины 70-х годов важным видом информационных услуг стали базы данных, содержащие разные виды информации по всевозможным отраслям знаний. Впервые возникает информационная технология поддержки принятия решений. Это совсем новый способ взаимодействия человека и компьютера.

4-е поколение. Основные черты этого поколения ЭВМ — наличие запоминающих устройств, запуск ЭВМ с помощью системы самозагрузки из ПЗУ, разнообразие архитектур, мощные ОС, объединение ЭВМ в сети. Начиная с середины 70-х годов, с созданием национальных и глобальных сетей передачи данных ведущим видом информационных услуг стал диалоговый поиск информации в удаленных от пользователя базах данных.

5-е поколение. ЭВМ со многими десятками параллельно работающих процессоров, позволяющих строить эффективные системы обработки знаний; ЭВМ на сверхсложных микропроцессорах с параллельной векторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных команд программы.

6-е поколение. Оптоэлектронные ЭВМ с массовым параллелизмом и нейронной структурой — с сетью из большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих структуру нейронных биологических систем.

Классификация ЭВМ по размерам и функциональным возможностям.

Большие ЭВМ. Исторически первыми появились большие ЭВМ, элементная база которых прошла путь от электронных ламп до интегральных схем со сверх высокой степенью интеграции. Однако их производительность оказалась недостаточной для моделирования экологических систем, задач генной инженерии, управления сложными оборонными комплексами и др.

Большие ЭВМ часто называют за рубежом MAINFRAME и слухи об их смерти сильно преувеличены.

Как правило, они имеют:

· производительность не менее 10 MIPS (миллионов операций с плавающей точкой в секунду)

· основную память от 64 до 10000 МВ

· внешнюю память не менее 50 ГВ

· многопользовательский режим работы

Основные направления использования — это решение научно-технических задач, работа с большими БД, управление вычислительными сетями и их ресурсами в качестве серверов.

Малые ЭВМ. Малые (мини) ЭВМ — надежные, недорогие и удобные в эксплуатации, обладают несколько более низкими, по сравнению с большими ЭВМ возможностями.

Супер-мини ЭВМ имеют:

· емкость основной памяти — 4-512 МВ

· емкость дисковой памяти — 2 - 100 ГВ

· число поддерживаемых пользователей - 16-512.

Мини-ЭВМ ориентированы на использование в качестве управляющих вычислительных комплексов, в системах несложного моделирования, в АСУП, для управления технологическими процессами.

СуперЭВМ. Это мощные многопроцессорные ЭВМ с быстродействием сотни миллионов - десятки миллиардов операций в секунду.

Достичь такую производительность на одном микропроцессоре по современным технологиям невозможно, в виду конечного значения скорости распространения электромагнитных волн (300000 км/сек), ибо время распространения сигнала на расстояние в несколько миллиметров становится соизмеримым со временем выполнения одной операции. Поэтому суперЭВМ создают в виде высокопараллельных многопроцессорных вычислительных систем.

В настоящее время в мире насчитывается несколько тысяч суперЭВМ, начиная от простеньких офисных Cray EL до мощных Cray 3, SX-X фирмы NEC, VP2000 фирмы Fujitsu (Япония), VPP 500 фирмы Siemens (Германия).

Микро ЭВМ или персональный компьютер. ПК должен иметь характеристики, удовлетворяющие требованиям общедоступности и универсальности:

· малую стоимость

· автономность эксплуатации

· гибкость архитектуры, дающую возможность адаптироваться в сфере образования, науки, управления, в быту;

· дружественность операционной системы;

· высокую надежность (более 5000 часов наработки на отказ).

Большинство из них имеют автономное питание от аккумуляторов, но могут подключаться к сети.

Специальные ЭВМ. Специальные ЭВМ ориентированы на решение специальных вычислительных задач или задач управления. В качестве специальной ЭВМ можно рассматривать также электронные микрокалькуляторы. Программа, которую выполняет процессор, находится в ПЗУ или в ОП, а т.к. машина решает, как правило, одну задачу, то меняются только данные. Это удобно (программу хранить в ПЗУ), в этом случае повышается надежность и быстродействие ЭВМ. Такой подход часто используется в бортовых ЭВМ, управлении режимом работы фотоаппарата, кинокамеры, в спортивных тренажерах.

Понятие о принципах работы ЭВМ

В основу архитектуры современных персональных компьютеров положен магистрально-модульный принцип. Модульный принцип позволяет потребителю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию. Модульная организация компьютера опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между устройствами.

Магистраль включает в себя три многоразрядные шины:

· шину данных,

· шину адреса

· и шину управления.

Шины представляют собой многопроводные линии.

Шина данных. По этой шине данные передаются между различными устройствами. Например, считанные из оперативной памяти данные могут быть переданы процессору для обработки, а затем полученные данные могут быть отправлены обратно в оперативную память для хранения. Таким образом, данные по шине данных могут передаваться от устройства к устройству в любом направлении.

Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора, т.е. количеством двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт. Разрядность процессоров постоянно увеличивалась по мере развития компьютерной техники.

Магистрально-модульное устройство компьютера

Шина адреса. Выбор устройства или ячейки памяти, куда пересылаются или откуда считываются данные по шине данных, производит процессор. Каждое устройство или ячейка оперативной памяти имеет свой адрес. Адрес передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном направлении от процессора к оперативной памяти и устройствам (однонаправленная шина). Разрядность шины адреса определяет адресное пространство процессора, т.е. количество ячеек оперативной памяти, которые могут иметь уникальные адреса. Разрядность шины адреса постоянно увеличивалась и в современных персональных компьютерах составляет 32 бит.

Шина управления. По шине управления передаются сиг­налы, определяющие характер обмена информацией по ма­гистрали. Сигналы управления определяют какую операцию считывание или запись информации из памяти нужно производить, синхронизируют обмен информацией между устройствами и т.д.

В основу построения подавляющего большинства компьюте­ров положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 г. американским ученымДжоном фон Нейманом.

1. Принцип программного управления. Программа состоит из набора команд, выполняющихся процессором автоматически в определенной последовательности.Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды. А так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти. Если же нужно после выполнения команды перейти не к следующей, а к какой-то другой, используются командыусловного илибезусловного перехода, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды «стоп». Таким образом,процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.

2. Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти, поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти — число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.Это открывает целый ряд возможностей. Например,программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей (так в программе организуется выполнение цик­лов и подпрограмм).Более того, команды одной программы могут быть получены как результаты исполнения другой программы. На этом принципе основаныметоды трансляции — перевода текста программы с языка программирования высокого уровня на язык конкретной машины.

3. Принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек. Процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти так, чтобы к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен. Компьютеры, построенные на перечисленных принципах, относятся к типуфон-неймановских. Но существуют компьютеры, принципиально отличающиеся от фон-неймановских. Для них, например, может не выполняться принцип программного управления, т. е. они могут работать без счетчика команд, указывающего текущую выполняемую команду программы. Для обращения к какой-либо переменной, хранящейся в памяти, этим компьютерам необязательно давать ей имя. Такие компьютеры называются не фон-неймановскими.

Основные компоненты персонального компьютера

Компьютер имеет модульную структуру, которая включает:

Системный блок

Металлический корпус с блоком питания. В настоящее время системные блоки выпускают стандарта ATX, размером 21x42x40см, блок питания - 230Вт, рабочее напряжение 210-240В, отсеки 3x5.25'' и 2x3.5'', автоматическое выключение по завершению работы. В корпусе также располагается динамик.

1.1. Системная (материнская) плата (motherboard), на которой располагаются различные устройства, входящие в системный блок. Конструкция материнской платы сделана по принципу модульного конструктора, что позволяет каждому пользователю достаточно легко заменять вышедшие из строя или устаревшие элементы системного блока. На системной плате крепятся:

а) Процессор (CPU - Central Processing Unit) - большая интегральная схема на кристалле. Выполняет логические и арифметические операции, осуществляет управление функционированием компьютера. Процессор характеризуется фирмой изготовителем и тактовой частотой. Наиболее известными изготовителями являются Intel и AMD. Процессоры имеют собственные имена Athlon, Pentium 4, Celeron и т.д. Тактовая частота определяет быстродействие процессора и измеряется в Герцах (1\с). Так, Pentium 4 2,2 ГГц, имеет тактовую 2200000000 Гц (выполняет более 2-х миллиардов операций в секунду). Еще одна характеристика процессора – это наличие кэш-памяти (cache) – еще более быстрая, чем RAM память, в которой хранятся наиболее часто используемые CPU данные. Кэш является буфером между процессором и ОЗУ. Кэш полностью прозрачен, не обнаруживается программно. Кэш снижает общее количество тактов ожидания процессора при обращении к ОЗУ.

б) Сопроцессор (FPU - Floating Point Unit). Встроен в CPU. Выполняет арифметические операции с плавающей запятой.

в) Контроллеры - микросхемы, отвечающие за работу различных устройств компьютера (клавиатуры, HDD, FDD, мыши и т.д.). Сюда же отнесем и микросхему ПЗУ (Постоянное Запоминающее Устройство) в которой хранится ROM-BIOS.

г) Слоты (шины) - разъемы (ISA, PCI, SCSI, AGP и т.д.) под различные устройства (оперативная память, видеокарта и т.п.).

Шина - собственно, набор проводов (линий), соединяющий различные компоненты компьютера для подвода к ним питания и обмена данными. Существующие шины: ISA (частота – 8МГц, количество разрядов – 16, скорость передачи данных – 16Мб/с),

д) Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ, RAM - Random Access Memory (типы SIMM, DIMM (Dual Inline Memory Module), DRAM (Dynamic RAM), SDRAM (Synchronous DRAM), RDRAM)) - микросхемы, служащие для кратковременного запоминания промежуточных команд, значений вычислений, производимых CPU, а также других данных. Там же для повышения быстродействия хранятся исполняемые программы. ОЗУ - быстродействующая память со временем регенерации 7·10^-9 сек. Емкость до 1Гб. Питание 3.3В.

е) Видеокарта (видеоакселератор) - устройство, расширяющее возможности и ускоряющее работу с графикой. Видеокарта имеет свою видеопамять (16, 32, 64, 128Мб) для хранения графической информации и графический процессор (GPU – Graphic Processor Unit), берущий на себя вычисления при работе с 3D графикой и видео. GPU работает на частоте 350МГц и содержит 60млн. транзисторов. Поддерживается разрешение 2048х1536 60Гц при 32 битном цвете. Производительность: 286 млн. пикселей/сек. Может иметь выход на TV и видеовход. Поддерживаются эффекты: прозрачность и просвечивание, затенение (получение реалистичного освещения), блики, цветовое освещение (источники света разных цветов), смазывание, объемность, затуманивание, отражение, отражение в кривом зеркале, дрожание поверхностей, искажение изображения, вызываемое водой и теплым воздухом, трансформация искажений по шумовым алгоритмам, имитация туч на небе и др.

ж) Звуковая карта - устройство, расширяющее звуковые возможности компьютера. Звуки генерируются с помощью записанных в память (32Мб) образцов звуков разных тембров. Одновременно воспроизводится до 1024 звуков. Поддерживаются различные эффекты. Могут иметь линейный вход/выход, выход на наушники, микрофонный вход, разъем для джойстика, вход для автоответчика, аналоговый и цифровой вход CD аудио.

з) Сетевая карта - устройство, отвечающее за подключение компьютера к сети для возможности обмена информацией.

Кроме материнской платы в системном блоке находятся:

1.2. Накопитель на жестком магнитном диске (винчестер, HDD - Hard Disk Drive) - герметично запаянный корпус с вращающимися магнитными дисками и магнитными головками. Служит для долговременного хранения информации в виде файлов (программы, тексты, графика, фотография, музыка, видео). Емкость - 75 Гб, размер буфера 1-2Мб, скорость передачи данных 66.6Мб/сек. Максимальная скорость вращения шпинделя - 10 000, 15000 об./мин. HDD фирмы IBM имеет емкость 120Гб, скорость вращения шпинделя 7200 об/мин.

1.3. Накопитель на гибком магнитном диске (дисковод, флоппи, FDD - Floppy Disk Drive) - устройство, служащее для записи/считывания информации с дискет, которые можно переносить с компьютера на компьютер. Емкость дискеты: 1.22Мб (размер 5.25'' (1''=2.54см)), 1.44Мб (размер 3.5''). 1.44Мб эквивалентно 620 страницам текста.

1.4. CD-ROM (Compact Disc Read Only Memory) - устройство, служащее только для считывания информации с CD. Двоичная информация с поверхности CD считывается лучом лазера. Емкость CD - 640Мб=74мин. музыки=150000стр. текста. Скорость вращения шпинделя 8560 об/мин., размер буфера 128Кб, максимальная скорость передачи данных 33.3Мб/сек. Скачки и срывы при воспроизведении видео являются причинами не заполнения или переполнения буфера, служащего для промежуточного хранения передаваемых данных. Имеются регулятор громкости и выход на наушники (для прослушивания музыкальных CD).

1.5. CD-R (Compact Disc Recorder) - устройство, служащее для считывания и однократной записи информации на CD. Запись основана на изменении отражающих свойств вещества подложки CD под действием луча лазера.

1.6. DVD-ROM диски (цифровые видео диски) имеют гораздо большую информационную емкость (до 17 Гбайт), т.к. информация может быть записана на двух сторонах, в два слоя на одной стороне, а сами дорожки имеют меньшую толщину.

Первое поколение DVD-ROM накопителей обеспечивало скорость считывания информации примерно 1,3 Мбайт/с. В настоящее время 5-скоростные DVD-ROM достигают скорости считывания до 6,8 Мбайт/с.

Существуют DVD-R диски (R — recordable, записываемый), которые имеют золотистый цвет. Специальные DVD-R дисководы обладают достаточно мощным лазером, который в процессе записи информации меняют отражающую способность участков поверхности записываемого диска. Информация на таких дисках может быть записана только один раз.

1.7. Существуют также CD-RW и DVD-RW диски (RW — Rewritable, перезаписываемый), которые имеют «платиновый» оттенок. Специальные CD-RW и DVD-RW дисководы в процессе записи информации также меняют отражающую способность отдельных участков поверхности дисков, однако информация на таких дисках может быть записана многократно. Перед перезаписью записанную информацию «стирают» путем нагревания участков поверхности диска с помощью лазера.

Состав ЭВМ кроме системного блока входят следующие устройства ввода-вывода информации.

2. Монитор (дисплей) - устройство вывода графической информации. Есть цифровые и жидкокристаллические. Размеры по диагонали - 14'', 15'', 17'', 19'', 21'', 24''. Размер пикселя - 0.2-0.3мм. Частота смены кадров - 77Гц при разрешении 1920x1200 пиксель, 85Гц при 1280x1024, 160Гц при 800x600. Количество цветов определяется количеством разрядов на один пиксель и может быть 256 (2⁸, где 8 - количество разрядов), 65536 (2¹⁶, режим High Color), 16 777 216 (2²⁴, режим True Color, может быть и 2³²). Есть электронно-лучевые и LCD мониторы. Мониторы используют RGB систему образования цвета, т.е. цвет получается смешением 3-х основных цветов: красного (Red), зеленого (Green) и синего (Blue).

3. Клавиатура (keyboard) - устройство ввода команд и символьной информации (108 клавиш). Подключается к последовательному интерфейсу (COM порт).

4. Манипулятор типа мышь (mouse) - устройство ввода команд. Стандартом является 3-х кнопочная мышь с колесом прокрутки (scrolling).

5. Печатающее устройство (принтер) - устройство для вывода информации на бумагу, пленку или другую поверхность. Подключается к параллельному интерфейсу (LPT порт). USB (Universal Serial Bus) – универсальная последовательная шина заменившая устаревшие COM и LPT порты.

а) Матричный. Изображение формируется иголками, пробивающими красящую ленту.

б) Струйный. Изображение формируется выбрасываемыми из сопел (до 256) микрокаплями краски. Скорость движения капель до 40м/с.

в) Лазерный. Изображение на бумагу переносится со специального барабана, наэлектризованного лазером, к которому притягиваются частички краски (тонера).

6. Сканер - устройство для ввода изображений в компьютер. Есть ручной, планшетный, барабанный.

7. Модем (МОдулятор-ДЕМодулятор) - устройство, позволяющее обмениваться информацией между компьютерами через аналоговые или цифровые каналы. Модемы отличаются друг от друга максимальной скоростью передачи данных (2400, 9600, 14400, 19200, 28800, 33600, 56000 бит в секунду), поддерживаемыми протоколами связи. Бывают модемы внутренние и внешние.