Информатика и защита информации. Для студентов гуманитарных и технических специальностей

2.1. Компьютеры

Основным элементом информационных технологий является компьютер. «Компьютер» – переводится как вычислитель. История его начинается с 1642 г., когда Блез Паскаль изобрел механическое устройство для сложения чисел. 1672 г. Готфрид Вильгельм Лейбниц сконструировал арифмометр, позволяющий вычислять 4 арифметических действия. С XIX века арифмометры были очень распространены. В первой половине XIX века английский математик Чарльз Бэббидж построил аналитическую машину, которая работала по программам на перфокартах. Машина оказалась слишком сложна, но он разработал идеологию. В 1943 г. американец Говард Эйкен на предприятии фирмы IBM построил электромеханическую вычислительную машину «Марк – 1». Приблизительно в то же время немец Конрад Цузе в 1941 г. построил такую же машину.

Затем группа специалистов в США под руководством Дж. Мочли, Преснера и Экерта сконструировали подобную машину, под названием «ENIAC», на основе электронных ламп, а не реле. Её серьёзный недостаток – выделялось много тепла и затруднен был процесс ввода программ. В 1945 г. к работе был привлечен Джон Фон Нейман, математик, который сформулировал общие принципы работы ЭВМ. В 1949 г. был построен первый компьютер, где были воплощены все принципы Неймана. Его построил английский исследователь Маркс Уилксон.

Согласно принципам Неймана (рис. 1) компьютер должен иметь:

1) арифметически – логическое устройство, выполняющее операции;

2) устройство управления – организующее процесс выполнения программ;

3) запоминающее устройство (память) для хранения программ, данных;

4) внешние устройства ввода – вывода данных.

Рисунок 1 – Абстрактная схема компьютера

С помощью внешнего устройства в память вводят программу. Устройство управления считывает ее с памяти и ориентирует выполнение по порядку, установленному памятью и выводит информацию на внешнее печатное устройство или экран.

В 1948 г. с появлением транзисторов, а с 1958 г. – интегральных микросхем компьютеры с 1968 г. стали выпускаться на микросхемах.

Роберт Нойс, основатель фирмы Intel, с 1970 г. начал продавать интегральные схемы памяти, и фирма выпустила первый микропроцессор Intel – 4004.

В 1974 г. фирма Intel выпустила версию Intel-8080, которая до конца 70 г. стала стандартом микрокомпьютерной индустрии. А в 1975 году был создан первый коммерческий компьютер «Альтаир-8080» фирмой MITS. Его возможности были скромные, но успех очень большой.

В это же время Полл Аллен и Билл Гейтс, основатели фирмы Microsoft создали для компьютера «Альтаир» интерпретатор языка BEISIC, что позволило легко писать программы для него. К 1979 г. спрос на ЭВМ упал, и фирма IBM решила уделить внимание персональным компьютерам (ПК). В качестве эксперимента руководство дало полную свободу отделу, занимавшемуся разработкой ПК, и те использовали блоки других фирм и открытую архитектуру. В 1983 г. был выпущен ПК IBM PC AT на основе микропроцессора Intel – 80286. Так как успех у персональных компьютеров был очень сильным и спрос на них стремительно рос, то чуть позднее их выпуском стали заниматься и многие другие фирмы и предприятия. Сегодня их сборкой и выпуском занимаются в США, Европе, Китае, Тайване, России и других странах.

Представление информации в персональном компьютере

Компьютер может обрабатывать информацию только в числовой форме. Поэтому вся другая информация: звуки, изображения, тексты должны быть преобразованы в числовую форму. Процесс преобразования называется кодированием.

Числа в ПК представляются с помощью 0 и 1, то есть компьютеры работают в двоичной системе.

Единицей информации является один бит, т.е. двоичный разряд, который может принимать значение 1 или 0. Обычно ПК работает с 8 битами сразу. Восемь последовательных битов составляют байт. В нем можно закодировать = 256 символов. Более крупная единица – килобайт (Кбайт) равный 1024 байта (), мегабайт (Мбайт) равный 1024 Кбайта, и гигабайт 1024 мегабайта. Например, объём книги 300 страниц приблизительно равно 900 Кбайт. На одну стандартную дискету ёмкостью 1.44 Кбайт можно записать примерно 450 – 500 страниц текста.

Рисунок 2 – Взаимодействие компонентов компьютера

Архитектура компьютера

Персональный компьютер – сложное устройство, состоящее в основном из электронных блоков, установленных в корпусе и связанных между собой шлейфами кабелей – так называемая аппаратная часть. Однако, кроме того, компьютер имеет и интеллектуальную часть – программное обеспечение или логическую часть. Поэтому, говоря об устройстве компьютера, всегда надо различать его аппаратную часть и его программную часть (логическую). Рассмотрим вначале его аппаратную часть.

Компьютер – это комплекс взаимосвязанных электронных устройств, каждому из которых поручена определенная функция (рис. 2). Этот комплекс называют конфигурацией или архитектурой ПК. Конкретный ПК может работать с разным набором внешних устройств. Но существует «минимальная» конфигурация, без которой работа на ПК становится невозможной.

Различают системный блок (рис.3) и внешние устройства ПК. К внешним устройствам относят монитор, клавиатуру, мышь и все остальные устройства, например, модем, принтер, сканер.

Системный блок

Системный блок (заключенные в металлический корпус основные электронные элементы ПК и платы) чаще всего содержит:

¨ системную (материнскую) плату с процессором, микросхемы памяти, генератор тактовых импульсов, системную магистраль, контроллеры (адаптеры) внешних устройств, слоты – разъёмы для подключения контроллеров;

¨ звуковые и видеокарты;

¨ накопитель на жестких дисках;

¨ дисководы;

¨ блок питания.

Рисунок 3 – Внешний вид системного блока

Процессор (микропроцессор) – это центральное устройство компьютера («мозг» машины). Проводит вычисления и управляет работой всех устройств. Процессоры различаются между собой по типу модели и характеристикам. Основные модели процессоров IBM – совместимых компьютеров фирмы Intel:

¨ 1974 г. – 8-разрядный процессор 8080 (4800 транзисторов, 75 команд, 64 Кбайта памяти);

¨ 1978 г. – 16-разрядный процессор 8086 – ХТ (1 миллион операций в секунду (млн. оп/с), 4,77—10 МГц);

¨ 1982 г. – 80286 – РС (1—2 млн. оп/с, 6—25 МГц);

¨ 1986 г. – 80386 – 32-разрядный (6—12 млн. оп/с, 16—33 МГц);

¨ 1990 г. – 80486 – (20—40 млн. оп/с, 25—50 МГц);

¨ 1993 г. – Pentium – 32- разрядный (120—200 млн. оп/с, 60 МГц, 3 миллиона транзисторов);

¨ 1995 г. – Pentium РRO (300 млн. оп/с, 150 – 200 МГц);

¨ 1997 г. – Pentium II (233 – 450 МГц);

¨ 2000 г. – Pentium III (566 – 1000 МГц);

¨ Pentium IV (1400 – 1700 МГц и более, 42 миллиона транзисторов).

В последнее время фирмой Intel разрабатываются процессоры Itanium, имеющие более высокие характеристики. Их главная особенность – 64 разрядная внутренняя архитектура. В настоящее время процессоры Itanium, Itanium 2 используются в мощных серверах. Эти процессоры требуют специального программного обеспечения. Фирма Intel выпускает также процессоры типа Celeron, несколько дешевле первых.

Кроме фирмы Intel в создании процессоров участвуют и другие фирмы AMD (AMD, Athlon, Duron), Cyrix, VIA, IBM и т.п., характеристики выпускаемых процессоров которых тоже достаточно высоки, а цены несколько ниже.

Основными характеристиками процессоров являются тактовая частота и разрядность

Тактовая частота или быстродействие – это количество информации, обрабатываемой за секунду, которая указывает, сколько элементарных операций (тактов) микропроцессор выполняет за одну секунду.

Такт – это промежуток времени между началом подачи текущего импульса и началом подачи следующего. На выполнение процессором каждой операции отводится определенное количество тактов. Тактовая частота измеряется в мегагерцах (МГц). Герц – единица измерения частоты колебаний, равняется одному колебанию в секунду. МГц – это миллионы герц, миллион колебаний в секунду, миллион операций в секунду.

Разрядность – максимальное количество информации, которое может обрабатываться или передаваться процессором одновременно – количество обрабатываемых бит информации как единое целое (4, 8, 16, 32, 64). Бывают процессоры, имеющие 8 разрядов, 16, 32 и даже более (исходя из целей, которые преследуются при работе на данных ЭВМ).

Краткая справка процессоров Intel

Процессоры Pentium фирмы Intel объединяют в себе высокую производительность с гибкостью и совместимостью, характеризующими платформу персонального компьютера. В настоящее время процессор Pentium является основой большинства продаваемых ПК и обеспечивает широкие возможности для работы с новым поколением мультимедийного программного обеспечения и Internet.

Intel Pentium I. Выпущен в 1993 г. Разрядность шины адреса – 32 бита, таким образом, максимальный размер адресуемой памяти равен 4 Гб. Разрядность шины данных – 64 бита.

Процессоры семейства Pentium I производятся с использованием полупроводниковой технологии.

Процессоры Pentium I включают в себя:

Суперскалярная архитектура – два параллельно работающих конвейера обработки позволяют одновременно обрабатывать до двух инструкций за такт. Процессор имеет встроенный усовершенствованный блок вычисления с плавающей точкой. Конвейерная организация позволяет обрабатывать две целочисленные операции и одну (а при определённых условиях и две) операцию с плавающей точкой за такт.

Рисунок 4 – Intel pentium

Pentium PRO

Выпущен в 1995 году. Тройная суперскалярная архитектура (конвейер имеет 12 уровней и поддерживает динамическое выполнение инструкций) – возможно выполнение 3-х команд за такт. Семейство процессоров Pentium Pro – это следующее поколение высокопроизводительных изделий Intel для мощных настольных компьютеров, рабочих станций и серверов. Это семейство включает в себя процессоры с тактовой частотой от 150 Mгц и выше, которые легко объединяются в многопроцессорные системы до четырех процессоров в каждой

Основные характеристики

– Тактовая частота ядра 150, 166, 180 и 200 Mгц

– Оптимизирован для 32-разрядных приложений, работающих под управлением современных 32-разрядных операционных систем

– Единый корпус содержит процессор Pentium Pro, кэш-память и интерфейс системной шины

– Наращивается до четырехпроцессорной системы с 4Гб памяти

Рисунок 5 – Intel pentium pro

Intel Pentium II. Эта модель появилась в 1997 году.

Фактически Pentium II является продолжением линейки Pentium PRO с новыми усовершенствованиями, а также упрощениями, введёнными для удешевления себестоимости процессора.

Семейство процессоров Intel Pentium II включает процессоры с тактовыми частотами 233 и 266 МГц для настольных ПК, рабочих станций и серверов и с тактовой частотой 300 МГц для рабочих станций. Все они совместимы по кодам с предыдущими поколениями процессоров Intel. Процессоры Pentium II обеспечивают максимальную производительность приложений при работе в оперативных системах Windows 95, Windows NT и UNIX.

Bluetooth 1.2 и обладает мульти слотом для карт памяти – Memory Stick (Pro) /SD/xD. Цена на Fujitsu LifeBook P7120 с процессором Intel Pentium-M составит 2250 долларов США, с процессором Intel Celeron-M всего 1799 долларов США.

Известный всему миру южнокорейский промышленный гигант «LG» начал выпуск ряд моделей новых ноутбуков.

Ноутбук LG LM70 P333 является почти самым старшим в этом ряду (выше лишь LG LM70 P555).

Рисунок 6 – Intel pentium 2

Intel Pentium III. Представленный в начале 1999 года, процессор Pentium® III, был создан для использования преимуществ Интернета.

Процессор Intel® Pentium® III с кэш-памятью второго уровня объемом 512 КБ выпускается с тактовыми частотами вплоть до 1.40 ГГц. Процессор имеет кэш-память второго уровня объемом 512 КБ с улучшенной передачей данных (память встроена в кристалл, работает на частоте процессора и имеет код коррекции ошибок (ECC)). Некоторые модели процессора снабжены блоком DPL, который предвидит, какие данные вскоре потребуются процессору, и заранее загружает их в кэш-память с улучшенной передачей данных, что еще больше повышает производительность процессора и приложения.

Рисунок 7 – Intel pentium 3

Intel Pentium 4. Представленный в конце 2000 года, процессор Pentium® 4 стал наиболее популярным процессором для современных ПК. Разработан для пользователей передовых игровых программ, цифровой музыки, видео и фото.

Процессор Pentium 4 с тактовой частотой 3,20 ГГц и усовершенствованной системной шиной с частотой 800 МГц позволяет более эффективно использовать многозадачность при одновременном выполнении нескольких приложений.

Семейство процессоров Intel® Pentium® 4 – это самые совершенные и самые мощные процессоры Intel для настольных ПК и рабочих станций начального уровня. Процессор Intel® Pentium® 4 рассчитан на такие приложения и модели использования, где особенно ценится производительность. Спектр таких приложений весьма широк: обработка аудио- и видеопотоков, транслируемых через Интеренет, обработка изображений, создание и редактирование видео, передача и обработка речи, трехмерное моделирование, системы автоматизированного проектирования, игры, мультимедийные приложения и многозадачные среды.

Рисунок 8 – Intel pentium 4

Память

Информация, обрабатываемая в ЭВМ, сохраняется в памяти. Различают оперативную память и долговременную память. Оперативная память – это рабочая область процессора, которая создаётся и используется при работе ПК и освобождается при его выключении. Содержание ее при выключении компьютера не сохраняется.

Долговременная память не стирается при выключении ПК и хранится на специальных внутренних или внешних накопителях – жёстких и гибких дисках (дискетах), лазерных компакт-дисках, флешках.

Оперативная память

Оперативную память можно подразделить на непосредственно оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), и кэш-память (Cache memory) – сверхоперативную память, которая устанавливается между процессором и ОЗУ. Предназначена для хранения наиболее часто используемых участков ОЗУ, т.е. это тоже часть оперативной памяти. Так как время доступа к кэш-памяти в несколько раз меньше, чем к обычной, то вначале процессор ищет необходимые данные в кэш-памяти, а потом уже в остальной.

Физически оперативная память выполняется в виде специальных микросхем, которые вставляются в гнёзда расположенные на плате материнской платы.

Долговременная память

К устройствам долговременной памяти относятся жёсткий диск (винчестер), гибкие диски, компакт-диски, флэшь и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Термин «винчестер» возник из жаргонного названия первой модели жесткого диска емкостью 16 Кбт (IBM, 1973 г.), имевшего 30 дорожек по 30 секторов, что случайно совпало с калибром «30/30» известного охотничьего ружья «Винчестер».

Чаще всего в качестве долговременных накопителей информации используют твёрдые диски HDD (Hard Disk) или гибкие FFD (Floppy). При чтении и записи диск вращается в дисководе относительно своей оси, для чего имеется электродвигатель. Гибкие диски вращаются только при чтении – записи и по завершении этих процессов двигатель отключается. Скорость вращения – 6 об/с. Жесткие диски вращаются постоянно, со скоростью от 60 до 120 об/с. Чем больше обороты диска, тем быстрее считывается информация. В целом скорость работы диска зависит от его контроллера, типа шины, быстродействия процессора.

Следует заметить, что гибкие диски всё больше выходят из употребления (умирают), так как не надежны, и их ёмкость всего 1,44 Мбайта, что для современных пользователей крайне мало. Сегодня все больше используются флэшь-карты, память которых доходит до 10 Гбайт, и продолжает расти.

Накопители на жестком диске предназначены для хранения большого объема информации длительное время, в том числе и программ операционной системы.

Выполняются из алюминиевого диска или нескольких дисков, покрытых ферромагнитным материалом. Диски приводятся во вращение электродвигателями с большой скоростью.

Основные характеристики жесткого диска – ёмкость в Гбайтах и скорость работы диска. Ёмкость современных HDD – до 300 и выше Гигабайт. Скорость работы диска – это скорость доступа к информации.

Для хранения и переноса информации используют также оптические диски (CD-ROM). Их ёмкость порядка 600 Мбайт, и они не боятся магнитных полей, так как выполнены полностью из не магнитных материалов.

Флэш-память

Развитие новых цифровых технологий ознаменовалось появлением флэш-карт – миниатюрных автономных носителей информации, емкость которых сегодня практически равна емкости жестких дисков. Полное название этих устройств – Flash Memory Cards (в просторечии «флэшки»). Технология флэш-памяти появилась около 20 лет назад, и с тех пор интерес к ней с каждым годом неуклонно растет. Флэш-память используется в различных цифровых устройствах: для хранения BIOS в компьютерах, в качестве носителя микропрограмм для микроконтроллеров, а также в принтерах, карманных компьютерах, видеокартах, сотовых телефонах, электронных часах, записных книжках, телевизорах, кондиционерах, микроволновых печах, стиральных машинах и другой аппаратуре. Преимущества флэш-памяти:

• энергонезависимость, то есть флэш-память не требует дополнительной энергии для хранения данных (энергия требуется только для записи);

• перезаписываемость, допускающая изменение (перезапись) хранимых в ней данных;

• полупроводниковая (твердотельная) основа, то есть во флэш-памяти не содержится никаких механических движущихся частей (как в жестких дисках или в компакт-дисках).

В последние годы флэш-карты стали основным типом сменной памяти, используемой в цифровых мультимедийных устройствах, начиная от цифровых фотоаппаратов, где они активно применяются с 1997 года. Причем количество и номенклатура устройств, использующих в качестве сменных носителей флэш-карты, увеличиваются буквально каждый месяц. Поэтому спрос на флэш-карты неуклонно растет, количество компаний-производителей стремительно увеличивается, а цена мегабайта информации, записанного на таком носителе, быстро падает.

Системная магистраль

Связь и обмен информацией между компонентами ПК осуществляется с помощью системной магистрали. Магистраль – это общая линия проводов (шин), к которой подсоединяются все компоненты ПК.