ИНФОРМАТИКА

ТЕМА 2.
ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА
РЕАЛИЗАЦИИ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ
1. История развития ЭВМ. Понятие и основные виды архитектуры ЭВМ.
2. Состав и назначение основных элементов персонального компьютера, их характеристики.
2.1. Процессор.
2.2. Контролеры.
2.3. Запоминающие устройства: классификация, принцип действия, основные характеристики.
2.4. Устройства ввода/вывода данных, их разновидности и основные характеристики.

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ЭВМ.
ПОНЯТИЕ И ОСНОВНЫЕ ВИДЫ АРХИТЕКТУРЫ ЭВМ
В 1945 г. в США создана вычислительная машина «ЭНИАК» на электронных лампах. В 1951 г. в СССР Лебедевым создана малая электронно-счетная машина (МЭСМ). В 1946 – 1948 годах в Принстонском университете (США) коллективом исследователей под руководством Джона фон Неймана был разработан проект ЭВМ, который никогда не был реализован, но идеи которого используются и по сей день. Этот проект получил название машины фон Неймана или Принстонской машины. В состав проекта входила структура машины и принципы её функционирования.
Структура Принстонской машины

Принципы функционирования вычислительной машины,
предложенные Джоном фон Нейманом
1. ЭВМ состоит из процессора, памяти и внешних устройств.
2. Единственным источником активности (не считая стартового и аварийного вмешательства человека-оператора) в ЭВМ является процессор, который в свою очередь, управляется программой, находящейся в памяти ЭВМ.
3. Память состоит из ячеек, имеющих каждая свой адрес. Каждая ячейка хранит команду программы или некоторую единицу обрабатываемой информации: причем и команда и информация выглядят одинаково (машинное слово).
4. В любой момент процессор выполняет одну команду программы, адрес которой находится в специальном регистре процессора – счетчике команд.
5. Обработка информации происходит только в регистрах процессора. Информацию в процессор можно ввести из любой ячейки памяти или внешнего устройства и, наоборот, можно направить из процессора в любую ячейку или на внешнее устройство.
6. В каждой команде программы зашифрованы следующие предписания: а) из каких ячеек памяти взять обрабатываемую информацию; б) какие совершить операции с взятой информацией; в) в какие ячейки памяти направить полученную информацию; г) как изменить содержимое счетчика команд, чтобы знать, откуда взять следующую команду.
7. Процессор исполняет программу команда за командой в соответствии с содержимым счетчика команд и расположением команд в памяти, пока не получит команду остановиться.

В соответствии с принципом иерархии памяти блок «Память» на рисунке делится на два блока – внешняя и внутренняя память.
Внешняя память традиционно отводится для долговременного хранения данных и программ, а сама оперативная обработка данных в соответствии с программой, как это было рассмотрено выше, выполняется во внутренней памяти.
В современных компьютерах блоки УУ и АЛУ объединены в блок, называемый процессором (или микропроцессором).
В состав процессора, кроме указанных блоков, входят также несколько регистров – специальных небольших областей памяти, куда процессор помещает промежуточные результаты и некоторую другую информацию, необходимую ему в ближайшие такты работы.

Архитектура ЭВМ – это совокупность общих принципов организации аппаратно-программных средств и их основных характеристик, определяющая функциональные возможности ЭВМ при решении соответствующих типов задач.
Перечень наиболее общих принципов построения ЭВМ, которые относятся к архитектуре:
1. Структура памяти ЭВМ.
2. Способы доступа к памяти и внешним устройствам.
3. Возможность изменения конфигурации компьютера.
4. Система команд.
5. Форматы данных.
6. Организация интерфейса.
ПОНЯТИЕ И ОСНОВНЫЕ ВИДЫ АРХИТЕКТУРЫ ЭВМ

Архитектуры ЭВМ в основном определяются технической базой, используемой при реализации элементов ЭВМ и производительностью машины.
По типу технической базы для элементов выделяют несколько поколений ЭВМ:
1. Ламповые схемы.
2. Полупроводниковые схемы.
3. Интегральные схемы (ИС).
4. Большие и сверхбольшие интегральные схемы (БИС и СБИС).
По производительности машины подразделяются на:
1. Вычислительные системы (многопроцессорные ЭВМ).
2. Большие ЭВМ или мейнфреймы с многопользовательским режимом работы.
3. Малые ЭВМ, применяемые для автоматизации технологических процессов.
4. Персональные компьютеры (ПК).
В настоящее время в России наиболее распространенными являются персональные IBM-совместимые компьютеры.

Первая персональная ЭВМ Altair 8800 была создана в 1975 году американской фирмой MITS.
Второй ПЭВМ была Apple, созданная двумя талантливыми американцами С.Возняком и С.Джобсом. В настоящее время это большая компания Apple Computer.
Наиболее бурный и быстрый прогресс ПЭВМ наступил после подключения к их производству в начале 80-х годов таких известных компьютерных фирм International Business Machine Cor. (IBM), Digital Equipment Cor. (DEC), Hewllet-Packard (HP).

ФИЗИЧЕСКАЯ СХЕМА ПК

СОСТАВ И НАЗНАЧЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА, ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Микропроцессор - это электронная схема, выполняющая все вычисления и обработку информации.
Одна из основных характеристик микропроцессора - тактовая частота. Она указывает скорость выполнения элементарных операций внутри микропроцессора и измеряется в гигагерцах (ГГ). Чем больше тактовая частота, тем больше производительность компьютера.
В состав микропроцессора, помимо АЛУ и УУ входит и своя небольшая по объему память, выполняющая роль буфера для временного размещения данных.
Контроллеры устройств - это электронные схемы, управляющие различными устройствами компьютера.
Различают виды контроллеров в зависимости от их подключения к соответствующим устройствам:
1) входящие в состав материнской платы - интегрированные;
2) расположенные на отдельных платах контроллеров, которые вставляются в специальные разъемы, называемые слотами, на материнской плате.

Внутренняя память
Внутренняя память компьютера предназначена для оперативной обработки данных. Она является более быстрой, чем внешняя память, что соответствует принципу иерархии памяти, выдвинутому в проекте Принстонской машины. Следуя этому принципу, можно выделить уровни иерархии и во внутренней памяти.
Выделяют следующие виды внутренней памяти:
Оперативная. В нее помещаются программы для выполнения и данные для работы программы, которые используются микропроцессором. Она обладает большим быстродействием и является энергозависимой. Обозначается RAM – Random Access Memory – память с произвольным доступом. Данная память характеризуется небольшим временем доступа (порядка нескольких наносекунд) и сравнительно большим информационным объемом – порядка сотен и тысяч Мб.
Кэш-память (от англ. caсhe – тайник). Она служит буфером между RAM и микропроцессором и позволяет увеличить скорость выполнения операций, т.к. является сверхбыстродействующей. В нее помещаются данные, которые процессор получил, и будет использовать в ближайшие такты своей работы. Эта память хранит копии наиболее часто используемых участков RAM. При обращении микропроцессора к памяти сначала ищутся данные в кэш-памяти, а затем, если остается необходимость, в оперативной памяти. Информационный объем кэш-памяти – единицы и десятки Мб.

Постоянная память - BIOS (Basic Input-Output System). В нее данные занесены при изготовлении компьютера. Обозначается ROM - Read Only Memory. Хранит:
– программы для проверки оборудования при загрузке операционной системы;
– программы начала загрузки операционной системы;
– программы по выполнению базовых функций по обслуживанию устройств компьютера;
– программу настройки конфигурации компьютера - Setup. Позволяет установить характеристики: типы видеоконтроллера, жестких дисков и дисководов для дискет, режимы работы с RAM, запрос пароля при загрузке и т.д.;
Полупостоянная память - CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor). Хранит параметры конфигурации компьютера. Обладает низким энергопотреблением, потому не изменяется при выключении компьютера, т.к. питается от аккумулятора.
Видеопамять. Используется для хранения видеоизображения, выводимого на экран. Входит в состав видеоконтроллера. Информационный объем видеопамяти – десятки Мб.
Для обращения к элементам памяти они снабжаются адресами, начиная с нуля. Максимальный адрес основной памяти определяется функциональными возможностями того или иного компьютера. Например, для 32-разрядного адреса максимальный размер памяти 232 = 4 Гб.

Внешняя память
Внешняя память представлена в основном магнитными и оптическими носителями.
Магнитные носители делятся на магнитные ленты (стримеры), которые используются для хранения архивов и нашли неширокое применение, и магнитные диски. Жесткие магнитные диски (винчестеры) имеют сравнительно большое время доступа (порядка миллисекунд) и большой информационный объем – до нескольких сотен Гб.
Имеются следующие элементы физической структуры магнитных дисков: секторы, дорожки, стороны дисков, цилиндры.
Минимальным адресуемым элементом данных для операционной системы является кластер – совокупность нескольких секторов.

Оптические носители – приводы для работы с CD и DVD-дисками. Принцип действия – прожигание поверхности диска лазерным лучом или изменение фазового состояния вещества, нанесенного на поверхность диска.
На CD рабочей поверхностью является одна сторона и имеется только одна дорожка. На DVD рабочей поверхностью может быть одна ли обе стороны диска.
CD-ROM – лазерный компакт-диск для хранения больших объемов однократно записанной информации объемом до нескольких сотен Мб (порядка 700 Мб). Эту информацию можно только прочитать, используя специальное устройство чтения с компакт-дисков – привод CD-ROM. Для перезаписываемых носителях (CD-WR) должны быть специальные компакт-диски и приводы.
В настоящее время на рынок массовой техники вышли пишущие DVD-приводы, имеющие информационный объем до нескольких единиц до нескольких
десятков Гб.
Мультиформатные пишущие DVD-приводы могут записывать информацию на любые типы CD или DVD-носителей.

Подсистема ввода-вывода
Производительность и эффективность использования компьютера определяются не только возможностями его процессора и характеристиками основной памяти, но в очень большой степени составом его периферийных устройств (ПУ).
Шина – это линия обмена данными между отдельными элементами и устройствами на материнской плате. По функциональному назначению различают три категории шин: шина данных, адресная шина и шина управления.
Шина данных. По этой шине происходит копирование данных из оперативной памяти в регистры процессора и наоборот. В ПК на базе процессоров Intel Pentium шина данных 32- или 64-разрядная. Это означает, что за один такт на обработку поступает сразу 4 или 8 байт данных.
Адресная шина. Данные, которые передаются по этой шине, трактуются как адреса ячеек оперативной памяти. Именно с этой шины процессор считывает адреса команд, которые необходимо выполнить, а также адреса данных, которые обрабатывает команда. В современных процессорах адресная шина 32-разрядная, она обеспечивает адресацию до 4 Гбайт памяти.
Шина команд. По этой шине из оперативной памяти поступают команды, выполняемые процессором. Команды представлены в виде байтов. Простые команды вкладываются в один байт, но есть и такие команды, для которых нужно два, три и больше байта. Большинство современных процессоров имеют 32-разрядную командную шину, хотя существуют 64-разрядные процессоры с командной шиной.

Устройства ввода-вывода
Клавиатура (для ввода команд операционной системы, информации, управления работой программы в режиме диалога).
Дисплей (монохромный или цветной) позволяет выводить на него тексты и любые графические изображения.
Принтер. Матричные принтеры. Принцип печати состоит в том, что иголочки, расположенные на вращающемся барабане, пробивают красящую ленту в требуемых местах в нужное время. Качество печати невысокое, но его можно повысить за счет нескольких проходов текста при печати. Скорость печати – одна страница за 10÷60 с.
Струйные принтеры печатают за счет чернил, выдуваемых из микросопел. Качество печати выше чем у матричных, на печать одной страницы, насыщенной графикой и цветом уходит до нескольких минут. В последнее время благодаря внедрению новых технологий увеличивается разрешающая способность печати, достигается великолепная цветопередача, увеличивается скорость печати, а сама печать по качеству не уступает фотографии.