Основы современных информационных технологий. Для студентов высших учебных заведений

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 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 – Необходимые составляющие 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.

Языки программирования для персонального компьютера

Так как компьютер понимает только машинный язык, то и программы для него должны так же быть на машинном языке. Однако реализация этого весьма трудоёмка. Поэтому вначале программы писались на языке близком к машинному так называемый АВТОКОД или АССЕМБЛЕР.

Сейчас программы на АССЕМБЛЕРЕ используют, когда надо достичь максимального быстродействия и минимального размера.

Сегодня применяются языки более понятные программисту: Паскаль, Си++, Ява, Дельфи и т. д. Однако они требуют преобразования в язык машины. Это делается с помощью специальных программ, называемых трансляторами или компиляторами, с помощью которых исходные файлы программ, написанных на языке высокого уровня, преобразуются в исполнительные файлы (с расширением EXE или COM). Поэтому языки ассемблера и другие машинно-ориентированные языки называются языками низкого уровня, остальные – высокого уровня.

Вся информация в ПК хранится в каталогах и подкаталогах в виде папок и вложенных в них или отдельно файлов. Каталог – упорядоченное хранение файлов. Папка хранит несколько файлов, количество которых не ограничено. Файл – отдельная информация (текст, программы и т.д.), имеющая расширение: EXE, TXT, COM, SIS и т.д., в зависимости от содержания файла.

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.

Рисунок 2 – Схематическая схема современного ПК

Системный блок

Системный блок (заключенные в металлический корпус основные электронные элементы ПК) 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;

¨ накопитель на гибких дисках;

¨ дисководы;

¨ блок питания.

Рисунок 3 – Системный блок

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:

¨ 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.

Главные характеристики процессора

Тактовая частота или быстродействие – 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).

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. Долговременная память не стирается при работе и хранится на специальных внутренних или внешних накопителях – жёстких и гибких дисках (дискетах).

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 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).

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.

У гибких дисков магнитный слой нанесен на лавсановую основу. Применяются для перенесения информации с одного ПК на другой. Для хранения информации применяются все реже – мала ёмкость. 3,5 дюймовые дискеты различаются по ёмкости информации, чаще всего сейчас используется 1,44 Мбайта. Каждая дискета имеет защиту от записи – небольшую прорезь в виде квадратика в углу с защёлкой. Если отверстие закрыто, то запись разрешена, открыто – запрещена.

Накопители на жестком диске (винчестеры) – 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 100 и выше Гигабайт. Скорость работы диска – это скорость доступа к информации.

Принцип действия этих дисков следующий. На гибкую или жесткую основу наносится ферромагнитный слой – ферромагнетик, материал, имеющий доменную структуру. Магнитная ориентация доменных областей хаотична. При специальном намагничивании эти домены (области однонаправленной магнитной ориентации) приобретают одно направление, и это направление остается очень долго, до тех пор, пока их не перемагнитят. Поэтому эти носители информации боятся воздействия магнитных полей.

Намагничивание части носителя производится с помощью специальных головок чтения-записи.

Рисунок 4 – Намагничивание информационного носителя

В магнитооптических устройствах запись и намагничивание намагничивающей зоны выполняется с помощью лазерного луча, который позволяет намного уменьшить размер перемагничивающей зоны и тем самым увеличить ёмкость хранения информации. Эти магнитооптические устройства устойчивы к сильным внешним магнитным полям.

В последнее время всё больше для хранения и переноса информации используют оптические диски (CD-ROM), так как их ёмкость значительно больше, чем у стандартных дискет. Кроме того, они не боятся магнитных полей, так как выполнены полностью из не магнитных материалов.

Принцип работы дисковода CD-ROM

Поверхность оптического диска (CD-ROM) перемещается относительно лазерной головки с постоянной линейной скоростью, а угловая скорость меняется в зависимости от радиального положения головки. Луч лазера направляется на дорожку, фокусируясь при этом с помощью катушки. Луч проникает сквозь защитный слой пластика и попадает на отражающий слой алюминия на поверхности диска. При попадании его на выступ, он отражается на детектор и проходит через призму, отклоняющую его на светочувствительный диод. Если луч попадает в ямку, то он рассеивается и лишь малая часть излучения отражается обратно и доходит до светочувствительного диода. На диоде световые импульсы преобразуются в электрические, яркое излучение преобразуется в нули, слабое – в единицы. Таким образом, ямки воспринимаются дисководом как логические нули, а гладкая поверхность как логические единицы.

Производительность CD-ROM обычно определяется его скоростными характеристиками при непрерывной передаче данных в течение некоторого промежутка времени и средним временем доступа к данным. Существуют одно-, двух-, трех-, четырех-, пяти, шести и восьмискоростные дисководы, обеспечивающие считывание данных со скоростью 150, 300, 450, 600, 750, 900, 1200 Кбайт/с соответственно. Для повышения производительности дисководов их снабжают буферной памятью (стандартные объемы КЭШа: 64, 128, 256, 512, 1024 Кбайт). Буфер дисковода представляет собой память для кратковременного хранения данных, после считывания их с CD-ROM, но до пересылки в плату контролера, а затем в ЦП. Такая буферизация дает возможность дисковому устройству передавать данные в процессор небольшими порциями, а не занимать его время медленной пересылкой постоянного потока данных.

Устройство и технология производства CD-ROM

Все диски CD-ROM имеют один и тот же физический формат изготовления и емкость до 700 Мбайт. Диск диаметром 120 мм, толщиной 1,2 мм и центральным отверстием диаметром 15 мм. Центральная область вокруг отверстия шириной 6 мм называется зоной крепления (clamping area). За ней непосредственно следует заголовочная область (lead in area), содержащая оглавление диска (table of content). Далее расположена область шириной 33 мм, предназначенная для хранения данных и физически представляющая собой единый трек. Завершающей является терминальная область (lead out) шириной 1 мм. Внешний обод диска шириной 3 мм. Область хранения данных логически может содержать от 1 до 99 треков, однако разнородная информация не может быть смешанна на одном треке. В последнее время появились небольшие компакт-диски, примерно вдвое меньше обычных для удобства ношения.

Цифровая информация хранится на дисках, в виде чередующихся по ходу спирали ямок, нанесенных на поверхность полиуглеродного пластика. Ямка воспринимается лучом лазера как логический ноль, а гладкая поверхность как логическая единица.

Диск СD-ROM изготавливается методом штамповки. Со стеклянной матрицы изготавливают пластиковую основу, после этого поверх пластика для отражения лазерного луча наносится слой алюминия, который в свою очередь покрывается защитным слоем лака. На диск CD-R для увеличения коэффициента отражения лазерного луча на пластик наносят слой золота, который покрывают красителем, затем на краситель наносят защитный слой лака.

Флэш-память

Развитие новых цифровых технологий ознаменовалось появлением флэш-карт – миниатюрных автономных носителей информации, емкость которых сегодня практически равна емкости вчерашних 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.

Шины делятся на три вида:

· шина данных – для передачи информации;

· шина адреса – задает адрес в памяти, по которому записываются данные;

· шина управления – передает управляющие импульсы.

Все современные компьютеры строятся по магистрально – модульному принципу (принцип открытой архитектуры): все элементы компьютера являются модулями, т.е. можно дополнять ПК новыми компонентами без замены старых, или заменять старые компоненты новыми, не меняя весь ПК. (upgrade – расширить, обновить). Это позволяет пользователю самому комплектовать нужную конфигурацию ЭВМ и при необходимости ее модернизировать.