Основные понятия информатики и ее использование

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основные понятия об информации и информатике

Понятие Информатики. Терминnmm,, «информатика» введен французскими учеными середине 60-х годов XX ст., когда началось широкое использование вычислительной техники, и происходит от двух слов information (информация) и automatique (автоматика), дословно переводится как "информационная автоматика". Тогда в англоязычных странах пользовались термином "Computer Science" для обозначения науки о преобразовании информации, которая базируется на использовании вычислительной техники.

Классическое определение информатики. Информатика - это наука, изучающая структуру, общие свойства, вопросы сбора, хранения, поиска, переработки (преобразования), использования (актуализации) знаний, научно-технической информации. Информатика - наука об информации и информационных процессах, о моделях и моделировании, об алгоритмах и алгоритмизации, о программах и программировании для различных классов исполнителей алгоритмов, в частности, компьютеров, об их использовании в общественном развитии. Это определение назовем «рабочим» определением информатики; оно используется часто при рассмотрении научно-практических проблем. Структура современной информатики может быть схематично представлена так:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис 1. Основные разделы информатики

Предмет информатики составляют следующие понятия:

* аппаратное обеспечение средств вычислительной техники (Hardware, переводится как "твёрдые изделия");

* программное обеспечение средств вычислительной техники (Software - "мягкие изделия");

* средства взаимодействия аппаратного и программного обеспечения;

* средства взаимодействия человека с аппаратными и программными

средствами.

В информатике особое внимание уделяется вопросам взаимодействия. Для этого даже есть специальное понятие - интерфейс. Средства взаимодействия аппаратного и программного обеспечения иногда называют программно-аппаратным интерфейсом, а средства взаимодействия человека с аппаратными и программными средствами - интерфейсом пользователя

Основной задачей информатики является систематизация приемов и методов работы с аппаратными и программными средствами вычислительной техники.

В настоящее время информатика и ее практические результаты становятся важнейшим двигателем научно-технического прогресса и развития человеческого общества. Скорость развития средства обработки и передачи информации поразительна, в истории человечества этому бурно развивающемуся процессу нет аналога. Однако, иметь теоретические и практические знания в области информатики в наше время стало необходимостью для всех, потому что общество, в котором мы живем, является информационным обществом.

Информационное общество - общество, в котором большинство работающих, занято производством, хранением, переработкой и реализацией информации, особенно высшей ее формы-знаний

Информация и формы ее представления

Понятие информации является основополагающим понятием информатики. Термин «информация» происходит от латинского informatio -- разъяснение, изложение, осведомленность. Информация для человека -- это знания, которые он получает из различных источников. Любая деятельность человека представляет собой процесс сбора и переработки информации, принятия на ее основе решении и их выполнения. С появлением современных средств вычислительной техники она стала выступать в качестве одного из важнейших ресурсов научно-технического прогресса. Важнейшие свойства информации:

объективность и субъективность;

полнота;

достоверность;

адекватность;

доступность;

актуальность

С понятием информации связаны такие понятия, как сигнал, сообщение и данные. Сигнал (от латинского signum -- знак) представляет собой любой процесс, несущий информацию. Сообщение -- это информация, представленная в определенной форме и предназначенная для передачи. Данные -- это информация, представленная в формализованном виде и предназначенная для обработки ее техническими средствами, например, ЭВМ.

Информационные ресурсы - совокупность данных, организованных для эффективного получения достоверной информации.

По способу передачи и восприятия различают следующие виды информации: визуальную -- передаваемую видимыми образами и символами, аудиальную -- звуками, тактильную -- ощущениями, органолептическую -- запахами и вкусом, машинную -- выдаваемую и воспринимаемую средствами вычислительной техники, и т. д.

Информационные процессы

Информация проявляется в информационных процессах. Под информационными процессами понимаются любые действия с информацией. В структуре возможных операций с информацией можно выделить следующие:

поиск -- извлечение хранимой информации;

сбор -- накопление информации с целью обеспечения достаточной полноты для принятия решений;

формализация -- приведение данных, поступающих из различных источников, к одинаковой форме, чтобы сделать их сопоставимыми между собой;

фильтрация -- отсеивание "лишних" данных, в которых нет необходимости для принятия решения;

сортировка -- упорядочение данных по заданному признаку с целью удобства использования; повышает доступность информации;

архивация данных -- организация хранения данных в удобной и легкодоступной форме; служит для снижения экономических затрат по хранению данных и повышает общую надежность информационного процесса в целом;

защита данных -- комплекс мер, направленных на предотвращение утраты, воспроизведения и модификации данных;

транспортировка данных -- прием и передача данных между удаленными участниками информационного процесса;

преобразование данных -- перевод данных из одной формы в другую или из одной структуры в другую.

Информационная система - система, предназначенная для хранения, обработки, поиска, распространения, передачи и предоставления информации. Информационная техника представляет собой материальную основу информационной технологии, с помощью которой осуществляется сбор, хранение, передача и обработка информации. До середины XIX века, когда доминирующими были процессы сбора и накопления информации, основу информационной техники составляли перо, чернильница и бумага. Коммуникация (связь) осуществлялась путем направления пакетов (депеш). На смену «ручной» информационной технике в конце XIX века пришла «механическая» (пишущая машинка, телефон, телеграф и др.), что послужило базой для принципиальных изменений в технологии обработки информации. Понадобилось еще много лет, чтобы перейти от запоминания и передачи информации к ее переработке. Это стало возможно с появлением во второй половине нашего столетия такой информационной техники, как электронные вычислительные машины, положившие начало «компьютерной технологии». Технология -- это совокупность знаний о способах и средствах проведения производственных процессов, при которых происходит качественное изменение обрабатываемых объектов. Информационная технология -- это совокупность методов, производственных процессов и программно-технических средств, объединенных в технологическую цепочку, обеспечивающую сбор, обработку, хранение, распространение и отображение информации с целью снижения трудоемкости процессов использования информационного ресурса, а также повышения их надежности и оперативности.

Количество информации и кодирование

Количество информации есть количественная мера разнообразия, т. е. количество информации воспринятой приемником в результате сообщения, характеризуется разнообразием сигнала порожденного в приемнике этим сообщением. Минимальное разнообразие обеспечивается наличием двух состояний. Информационная ёмкость одной ячейки памяти, способной находиться в двух различных состояниях, принята за единицу измерения количества информации - 1 бит. На физическом уровне бит является ячейкой памяти, которая в каждый момент времени находится в одном из двух состояний: «0» или «1».. Количество информации равное 1 биту можно получить в ответе на вопрос типа «да»/ «нет». Лампочка, которая может либо «гореть», либо «не гореть» также символизирует бит. Информация любого типа: символьная, графическая, звуковая, командная для представления на электронных носителях кодируется на основании алфавита, состоящего только из двух символов (0, 1), т.е. двоичным кодом.

Код - это набор условных сигналов для записи или передачи некоторых заранее определенных понятий.

Кодирование -- это представление, моделирование одного набора знаков другим с помощью кода. Кодовая таблица -- это соответствие между набором знаков и их кодами, обычно разными числами.

Любой способ кодирования характеризуется наличием основы (алфавит, спектр цветности, система координат, основание системы счисления…) и правил конструирования информационных образов на этой основе.

На электронных носителях под хранение одного символа текста отводится 1 байт. Для того чтобы каждый символ, который можно ввести с клавиатуры в латинском регистре, получил свой уникальный двоичный код, требуется 7 бит. На основании последовательности из 7 бит может быть получено N=27=128 различных комбинаций из нулей и единиц, т.е. двоичных кодов. Чтобы хранить также и коды национальных символов каждой страны требуется добавить еще 1 бит, что увеличит количество уникальных комбинаций из нулей и единиц вдвое, т.е. в нашем распоряжении дополнительно появится 128 свободных кодов (со 128-го по 255-й), в соответствие которым можно поставить символы русского алфавита.

Таким образом, отведя под хранение информации о коде каждого символа 8 бит, мы получим N=28=256 уникальных двоичных кодов, что достаточно, чтобы закодировать все символы, которые можно ввести с клавиатуры.

Однако байт - мелкая единица измерения объема данных, более крупными являются килобайт, мегабайт, гигабайт, терабайт…

1 Байт = 8 Бит

Таблица 10.

Именование	Обозначение	Значение в байтах
килобайт	1 Кb	1 024 b	1 024 b
мегабайт	1 Mb	1024 Кбайт	1 048 576 b
гигабайт	1 Gb	1024 Мбайт	1 073 741 824 b
терабайт	1 Tb	1024 Гбайт	1 099 511 627 776 b

Кодирование текстовой информации. Таблицы ASCII. UNICODE

Самая распространенная и универсальная компьютерная кодовая таблица ASCII (аски-коды) (American Standard Code for Information Inter- change) В системе ASCII закреплены две таблицы кодирования: базовая и расширенная. Базовая таблица закрепляет значения кодов от 0 до 127, а расширенная относится к символам с номерами от 128 до 255. Первые 32 кода базовой таблицы, начиная с нулевого, отданы производителям аппаратных средств (в первую очередь производителям компьютеров и печатающих устройств). В этой области размещаются так называемые управляющие коды, которым не соответствуют никакие символы языков, и, соответственно, эти коды не выводятся ни на экран, ни на устройства печати, но ими можно управлять тем, как производится вывод прочих данных. Начиная с кода 32 по код 127 размещены коды символов английского алфавита, знаков препинания, цифр, арифметических действий и некоторых вспомогательных символов. Международный стандарт, в котором предусмотрена кодировка символов русского алфавита, носит название кодировки ISO (International Standard Organization - Международный институт стандартизации). На практике данная кодировка используется редко. Если кодировать символы не восьмиразрядными двоичными числами, а числами с большим количеством разрядов, то и диапазон возможных значений кодов станет намного больше. Такая система, основанная на 16-разрядном кодировании символов, получила название универсальной -UNICODE. Шестнадцать разрядов позволяют обеспечить уникальные коды для 65 536 различных символов -- этого поля достаточно для размещения в одной таблице символов большинства языков планеты. Юникод включает практически все современные письменности, в том числе: арабскую, армянскую, бенгальскую, бирманскую, греческую, грузинскую, деванагари, иврит, кириллицу, коптскую, кхмерскую, латинскую, тамильскую, хангыль, хань (Китай, Япония, Корея), чероки, эфиопскую, японскую (катакана, хирагана, кандзи) и другие. С академической целью добавлены многие исторические письменности, в том числе: древнегреческая, египетские иероглифы, клинопись, письменность майя, этрусский алфавит. В Юникоде представлен широкий набор математических и музыкальных символов, а также пиктограмм.

Системы счисления

Система счисления (СС) - способ кодирования числовой информации, т.е. способ записи чисел с помощью некоторого алфавита, символы которого называют цифрами.

Различают системы счисления позиционные и непозиционные. Пример позиционной системы счисления -- арабская (современная десятичная), непозиционной -- римская.

Таблица 3.

Позиционная СС	Непозиционная СС
005 = 5*1 (пять) 050 = 5*10 (пятьдесят) 500 = 5*100 (пятьсот)	IX = 10-1 = 9 XI = 10+1 = 11 XX = 10+10 = 20

В позиционных системах счисления величина, обозначаемая цифрой в записи числа, зависит от её положения в числе (позиции, разряда). Количество используемых цифр называется основанием системы счисления.

Так, в десятичной системе счисления, основание которой равно 10, различают 10 арабских цифр - 0, 1, 2, ..., 9.

В вычислительной технике широко применяют двоичную, восьмеричную и шестнадцатеричную систему счисления. Двоичная система счисления имеет основание 2, и, следовательно, ее алфавит состоит из двух цифр - 0 и 1; алфавит восьмеричной системы счисления составляют цифры 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7; шестнадцатеричной - десять арабских цифр от 0 до 9 и еще шесть символов - А (10), В (11), С (12), D (13), E (14), F (15)

Перевод целых чисел из системы счисления с основанием k в десятичную систему счисления

Число, записанное в позиционной системе счисления с любым основанием, переводится в десятичную систему счисления по правилу (1).

Где y - число; k - основание системы счисления; xi - цифры числа; i - номер позиции (разряда) числа, начиная с 0. Так, на основании формулы (6) десятичное число 638(10) представляется следующим образом:

Если, например, 45(8) - число, записанное в восьмеричной системе счисления, то

45(8)=4*81+5*80=4*8+5*1=32+5=37(10)

Число 203(5) записано в пятеричной системе счисления, тогда

203(5)=2*52+0*51+3*50=2*25+0*5+3*1=50+0+3=53(10)

Меняется только основание системы счисления, алгоритм остается неизменным.

1101(2)=1*23+1*22+0*21+1*20=1*8+1*4+0*2+1*1=13(10)

Перевод целых чисел из десятичной системы счисления в систему счисления с другим основанием

Для осуществления такого перевода необходимо делить число с остатком на основание системы счисления до тех пор, пока частное больше основания системы счисления. Пример перевода десятичного числа 25(10) в двоичный вид показан на рисунке 16.

Рис. 16. Перевод числа из десятичной СС в двоичную.

Результат перевода записывается в обратном порядке, т.е. начиная с последнего результата деления.

	Рис. 17 Перевод из СС с основанием 10 в СС с основанием 16
Рис. 17. Перевод из СС с основанием 16 в СС с основанием 10..

Кодирование графической информации

Существует несколько способов кодирования графической информации.

При рассмотрении черно-белого графического изображения с помощью увеличительного стекла заметно, что в его состав входит несколько мельчайших точек, образующих характерный узор (или растр). Линейные координаты и индивидуальные свойства каждой из точек изображения можно выразить с помощью целых чисел, поэтому способ растрового кодирования базируется на использовании двоичного кода представления графических данных. Общеизвестным стандартом считается приведение черно-белых иллюстраций в форме комбинации точек с 256 градациями серого цвета, т. е. для кодирования яркости любой точки необходимы 8-разрядные двоичные числа.

В основу кодирования цветных графических изображений положен принцип разложения произвольного цвета на основные составляющие, в качестве которых применяются три основных цвета: красный (Red), зеленый (Green) и синий (Blue). На практике принимается, что любой цвет, который воспринимает человеческий глаз, можно получить с помощью механической комбинации этих трех цветов. Такая система кодирования называется RGB (по первым буквам основных цветов). При применении 24 двоичных разрядов для кодирования цветной графики такой режим носит название полноцветного (True Color).

Каждый из основных цветов сопоставляется с цветом, дополняющим основной цвет до белого. Для любого из основных цветов дополнительным будет являться цвет, который образован суммой пары остальных основных цветов. Соответственно среди дополнительных цветов можно выделить голубой (Cyan), пурпурный (Magenta) и желтый (Yellow). Принцип разложения произвольного цвета на составляющие компоненты используется не только для основных цветов, но и для дополнительных, т. е. любой цвет можно представить в виде суммы голубой, пурпурной и желтой составляющей. Этот метод кодирования цвета применяется в полиграфии, но там используется еще и четвертая краска - черная (Black), поэтому эта система кодирования обозначается четырьмя буквами - CMYK. Для представления цветной графики в этой системе применяется 32 двоичных разряда. Данный режим также носит название полноцветного.

Приуменьшении количества двоичных разрядов, применяемых для кодирования цвета каждой точки, сокращается объем данных, но заметно уменьшается диапазон кодируемых цветов. Кодирование цветной графики 16-разрядными двоичными числами носит название режима High Color. При кодировании графической цветной информации с применением 8 бит данных можно передать только 256 оттенков. Данный метод кодирования цвета называется индексным.

Кодирование звуковой информации

В настоящий момент не существует единой стандартной системы кодирования звуковой информации, так как приемы и методы работы со звуковой информацией начали развиваться по сравнению с методами работы с другими видами информации самыми последними. Поэтому множество различных компаний, которые работают в области кодирования информации, создали свои собственные корпоративные стандарты для звуковой информации. Но среди этих корпоративных стандартов выделяются два основных направления.

В основе метода FM (Frequency Modulation) положено утверждение о том, что теоретически любой сложный звук может быть представлен в виде разложения на последовательность простейших гармонических сигналов разных частот. Каждый из этих гармонических сигналов представляет собой правильную синусоиду и поэтому может быть описан числовыми параметрами или закодирован. Звуковые сигналы образуют непрерывный спектр, т. е. являются аналоговыми, поэтому их разложение в гармонические ряды и представление в виде дискретных цифровых сигналов выполняется с помощью специальных устройств - аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Обратное преобразование, которое необходимо для воспроизведения звука, закодированного числовым кодом, производится с помощью цифроаналоговых преобразователей (ЦАП). Из-за таких преобразований звуковых сигналов возникают потери информации, которые связаны с методом кодирования, поэтому качество звукозаписи с помощью метода FM обычно получается недостаточно удовлетворительным и соответствует качеству звучания простейших электромузыкальных инструментов с окраской, характерной для электронной музыки. При этом данный метод обеспечивает вполне компактный код, поэтому он широко использовался в те годы, когда ресурсы средств вычислительной техники были явно недостаточны.

Основная идея метода таблично-волнового синтеза (Wave-Table) состоит в том, что в заранее подготовленных таблицах находятся образцы звуков для множества различных музыкальных инструментов. Данные звуковые образцы носят название сэмплов. Числовые коды, которые заложены в сэмпле, выражают такие его характеристики, как тип инструмента, номер его модели, высоту тона, продолжительность и интенсивность звука, динамику его изменения, некоторые компоненты среды, в которой наблюдается звучание, и другие параметры, характеризующие особенности звучания. Поскольку для образцов применяются реальные звуки, то качество закодированной звуковой информации получается очень высоким и приближается к звучанию реальных музыкальных инструментов, что в большей степени соответствует нынешнему уровню развития современной компьютерной техники.

Режимы и методы передачи информации

Для корректного обмена данными между узлами локальной вычислительной сети используют определенные режимы передачи информации:

1) симплексная (однонаправленная) передача;

2) полудуплексная передача, при которой прием и передача информации источником и приемником осуществляются поочередно;

3) дуплексная передача, при которой производится параллельная одновременная передача, т. е. каждая станция одновременно передает и принимает данные.

В информационных системах очень часто применяется дуплексная или последовательная передача данных. Выделяют синхронный и асинхронный методы последовательной передачи данных.

Синхронный метод отличается тем, что данные передаются блоками. Для синхронизации работы приемника и передатчика в начале блока посылают биты синхронизации. После этого передаются данные, код обнаружения ошибки и символ, обозначающий окончание передачи. Эта последовательность образует стандартную схему передачи данных при синхронном методе. В случае синхронной передачи данные передаются и в виде символов, и как поток битов. Кодом обнаружения ошибки чаще всего является циклический избыточный код обнаружения ошибок (CRC), который определяется по содержимому поля данных. С его помощью можно однозначно определить достоверность принятой информации.

К преимуществам метода синхронной передачи данных относят:

* высокую эффективность;

* надежный встроенный механизм обнаружения ошибок;

* высокую скорость передачи данных.

Основным недостатком этого метода является дорогое интерфейсное оборудование.

Асинхронный метод отличается тем, что каждый символ передается отдельной посылкой. Стартовые биты предупреждают приемник о начале передачи, после чего передается сам символ. Для определения достоверности передачи применяется бит четности. Бит четности равен единице, когда количество единиц в символе нечетно, и нулю, когда их количество четное. Последний бит, который называется «стоп-битом», сигнализирует об окончании передачи. Эта последовательность образует стандартную схему передачи данных при асинхронном методе.

Преимуществами метода асинхронной передачи являются:

* недорогое (по сравнению с синхронным) интерфейсное оборудование;

* несложная отработанная система передачи.

К недостаткам этого метода относят:

* потери третьей части пропускной способности на передачу служебных битов;

* невысокую скорость передачи по сравнению с синхронным методом;

* невозможность определить достоверность полученной информации с помощью бита четности при множественной ошибке.

Метод асинхронной передачи используется в системах, в которых обмен данными происходит время от времени и не требуется высокая скорость их передачи.

Основные классы вычислительных машин

Вычислительные машины могут быть классифицированы по ряду признаков, в частности:

? по принципу действия;

? по этапам создания и элементной базе;

? по назначению;

? по способу организации вычислительного процесса;

? по размеру вычислительной мощности;

? по функциональным возможностям;

? по способности к параллельному выполнению программ и т. д.

Классификация ЭВМ по принципу действия

По принципу действия вычислительные машины делятся на три больших класса: аналоговые, цифровые и гибридные. Критерием деления вычислительных машин на эти три класса является форма представления информации, с которой они работают.

? ? ЦВМ -- цифровые вычислительные машины, или вычислительные

машины дискретного действия -- работают с информацией, представленной в дискретной, а точнее, в цифровой форме.

? АВМ -- аналоговые вычислительные машины, или вычислительные

машины непрерывного действия, работают с информацией, представленной в

непрерывной (аналоговой) форме, то есть в виде непрерывного ряда значений

какой-либо физической величины (чаще всего электрического напряжения).

? ГВМ -- гибридные вычислительные машины, или вычислительные машины комбинированного действия - работают с информацией, представленной и в цифровой, и в аналоговой форме; они совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ. ГВМ целесообразно использовать для решения задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами.

В экономике (да и в науке, и технике) получили подавляюще широкое распространение ЦВМ с электрическим представлением дискретной информации - электронные цифровые вычислительные машины, обычно называемые просто электронными вычислительными машинами (ЭВМ), без упоминания об их цифровом характере.

Классификация ЭВМ по этапам создания. По этапам создания и элементной базе компьютеры условно делятся на поколения:

? 1-е поколение, 50-е годы: ЭВМ на электронных вакуумных лампах;

? 2-е поколение, 60-е годы: ЭВМ на дискретных полупроводниковых приборах (транзисторах);

? 3-е поколение, 70-е годы: компьютеры на полупроводниковых интегральных схемах с малой и средней степенью интеграции (сотни-тысячи транзисторов в одном корпусе).

Интегральная схема - электронная схема специального назначения, выполненная в виде полупроводникового кристалла, объединяющего большое число активных элементов (диодов и транзисторов);

? 4-е поколение, 80-90-е годы: компьютеры на больших(БИС) и сверхбольших интегральных схемах(СБИС), основная из которых - микропроцессор (десятки тысяч миллионы активных элементов на одном кристалле). Начало выпуска персональных компьютеров.

? 5-е поколение, настоящее время: компьютеры с многими десятками параллельно работающих микропроцессоров и сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных инструкций программы;

6-е и последующие поколения: оптоэлектронные компьютеры с массовым параллелизмом и нейронной структурой, с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.

Классификация ЭВМ по назначению

По назначению компьютеры можно разделить на три группы

универсальные (общего назначения),

проблемно-ориентированные

специализированные.

Универсальные компьютеры предназначены для решения самых различных инженерно-технических, экономических, математических, информационных и т. д. Они широко применяются в вычислительных центрах коллективного пользования и в других мощных вычислительных комплексах.

Проблемно-ориентированные компьютеры предназначены для решения более узкого круга задач, связанных, с управлением технологическими объектами, с регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных, с выполнением расчетов по относительно несложным алгоритмам;

Специализированные компьютеры предназначены для решения определенного узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций. Такая узкая ориентация компьютеров позволяет четко специализировать их структуру, существенно снизить их сложность и стоимость при сохранении высокой производительности и надежности их работы.

Классификация ЭВМ по размерам и вычислительной мощности

По размерам и вычислительной мощности компьютеры можно разделить на сверхбольшие (суперкомпьютеры, суперЭВМ), большие, малые и сверхмалые (микрокомпьютеры или микроЭВМ).

Функциональные возможности компьютеров обусловлены такими важнейшими технико-эксплуатационными характеристиками, как:

? быстродействие, измеряемое усредненным количеством операций, выполняемых машиной за единицу времени;

? разрядность и формы представления чисел, которыми оперирует компьютер;

? номенклатура, емкость и быстродействие всех запоминающих устройств;

? номенклатура и технико-экономические характеристики внешних устройств хранения, обмена и ввода-вывода информации;

? типы и пропускная способность устройств связи и сопряжения узлов

компьютера между собой (тип внутримашинного интерфейса);

? способность компьютера одновременно работать с несколькими пользователями и выполнять параллельно несколько программ (многозадачность);

? типы и технико-эксплуатационные характеристики операционных систем, используемых в машине;

? наличие и функциональные возможности программного обеспечения;

? способность выполнять программы, написанные для других типов компьютеров (программная совместимость с другими типами компьютеров);

? система и структура машинных команд;

? возможность подключения к каналам связи и к вычислительной сети;

? эксплуатационная надежность компьютера;

? коэффициент полезного использования компьютера во времени, определяемый соотношением времени полезной работы и времени профилактики.

Исторически первыми появились большие ЭВМ, элементная база которых

прошла путь от электронных ламп до интегральных схем со сверхвысокой степенью интеграции.

Большие компьютеры

Большие компьютеры за рубежом часто называют мэйнфреймами (mainframe); к ним относят компьютеры, имеющие:

? высокую производительность не менее 100 MIPS;

? большую основную память;

? внешнюю память не менее 500 Гбайт;

? многопользовательский режим работы (обслуживают одновременно от 16 до 1000 пользователей).

Основные направления применения мэйнфреймов -- решение научно-технических задач, работа в вычислительных системах с пакетной обработкой информации, работа с большими базами данных, управление вычислительными сетями и их ресурсами. Последнее направление -- использование мэйнфреймов в качестве больших серверов вычислительных сетей -- часто отмечается специалистами как наиболее актуальное.

Родоначальником современных больших компьютеров являются машины фирмы IBM. Модели IBM 360 и IBM 370 с их архитектурой и программным обеспечением взяты за основу и при создании отечественной системы больших машин ЕС ЭВМ.

Среди лучших разработок мэйнфреймов за рубежом следует в первую очередь отметить американские:

? IBM 3090, IBM 4300 (4331, 4341,.4361, 4381), пришедшие на смену IBM 380 в 1979 году (2-е поколение мэйнфреймов);

? IBM ES/9000, созданные в 1990 году (3-е поколение);

? S/390 и AS/400 (4-е поколение).

М 1800 японской фирмы Fujitsu и т. Д.

Зарубежными фирмами рейтинг мэйнфреймов определяется по многим показателям, среди них:

? надежность,

? производительность;

? емкость основной и внешней памяти;

? время обращения к основной памяти;

? время доступа и трансфер внешних запоминающих устройств;

? характеристики кэш-памяти;

? количество каналов и эффективность системы ввода-вывода;

? аппаратная и программная совместимость с другими компьютерами;

? поддержка сети и т. д.

Малые компьютеры и их особенности

? Малые компьютеры (миниЭВМ) -- надежные, недорогие и удобные в эксплуатации компьютеры, обладающие несколько более низкими по сравнению с мэйнфреймами возможностями.

Все модели миникомпьютеров разрабатываются на основе микропроцессорных наборов интегральных микросхем, 32, 64 и 128-разрядных микропроцессоров.

Основные их особенности:

? широкий диапазон производительности в конкретных условиях применения;

? аппаратная реализация большинства системных функций ввод-вывода информации;

? простая реализация многопроцессорных и многомашинных систем;

? высокая скорость обработки прерываний;

? возможность работы с форматами данных различной длины.

К достоинствам миникомпьютеров можно отнести:

? специфичную архитектуру с большой модульностью;

? лучшее, чем у мэйнфреймов, соотношение производительность--цена;

? повышенную точность вычислений.

Мини компьютеры ориентированы на использование в качестве управляющих вычислительных комплексов. Традиционная для подобных комплексов широкая номенклатура периферийных устройств дополняется блоками межпроцессорной связи, благодаря чему обеспечивается реализация вычислительных систем с изменяемой структурой. Наряду с использованием миникомпьютеров для управления технологическими процессами, они успешно применяются для вычислений в многопользовательских вычислительных системах, в системах автоматизированного проектирования, в системах моделирования несложных объектов, в системах искусственного интеллекта.

Родоначальником современных миникомпьютеров можно считать компьютеры PDP-11 фирмы DEC (США), они явились прообразом и наших отечественных миниЭВМ - Системы Малых ЭВМ (СМ ЭВМ): СМ 1, 2, 3, 4, 1400, 1700 и т. д. В настоящее время семейство миникомпьютеров PDP-11 включает большое число моделей, начиная от VAX-11 до VAX-3600; мощные модели миникомпьютеров класса 8000 (VAX-8250, 8820); супермини компьютеры класса 9000 (VAX-9410, 9430) и т. д.

Миникомпьютеры VAX полностью перекрывают весь диапазон характеристик этого класса компьютеров и в подклассе суперминикомпьютеров стирают грань с мэйнфреймами.

Среди прочих миникомпьютеров следует отметить:

? однопроцессорные: IBM 4381, HP 9000;

? многопроцессорные: Wang VS 7320, AT&T ЗВ 4000;

? суперминикомпыотеры HS 4000, по характеристикам не уступающие мэйнфреймам.

Микрокомпьютеры и их подклассы. Поколения ПК

Микрокомпьютеры весьма многочисленны и разнообразны. Среди них можно выделить несколько подклассов.

? Многопользовательские микрокомпьютеры -- это мощные микрокомпьютеры, оборудованные несколькими видеотерминалами и функционирующие в режиме разделения времени, что позволяет эффективно работать на них сразу нескольким пользователям.

? Персональные компьютеры -- однопользовательские микрокомпьютеры, удовлетворяющие требованиям общедоступности и универсальности применения.

ноутбук - переносной компьютер, обладающий вычислительной мощностью ПК. Он может в течение некоторого времени функционировать без питания от электрической сети;

карманный ПК (электронный органайзер), не превосходящий по размерам калькулятор, клавиатурный или бесклавиатурный, по своим функциональным возможностям похож на ноутбук;

? Рабочие станции (workstation) представляют собой однопользовательские микрокомпьютеры, часто специализированные для выполнения определенного вида работ (графических, инженерных, издательских и т. д.).

? Серверы (server) -- многопользовательские мощные микрокомпьютеры в вычислительных сетях, выделенные для обработки запросов от всех рабочих станций сети.

? Сетевые компьютеры (network computer) -- упрощенные микрокомпьютеры, обеспечивающие работу в сети и доступ к сетевым ресурсам, часто специализированные на выполнение определенного вида работ (защита сети от несанкционированного доступа, организация просмотра сетевых ресурсов, электронной почты и т. д.).

Персональные компьютеры (ПК) относятся к классу микрокомпьютеров,

но ввиду их массовой распространенности заслуживают особого внимания. ПК для удовлетворения требованиям общедоступности и универсальности применения должна обладать такими качествами, как:

? малая стоимость ПК, находящаяся в пределах доступности для индивидуального покупателя;

? автономность эксплуатации без специальных требований к условиям окружающей среды;

? гибкость архитектуры, обеспечивающая ее адаптируемость к разнообразным применениям в сфере управления, науки, образования, в быту;

? дружественность операционной системы и прочего программного обеспечения, обусловливающая возможность работы с ней пользователя без специальной профессиональной подготовки;

? высокая надежность работы (более 5000 часов наработки на отказ).

Среди современных ПК в первую очередь следует отметить компьютеры американской фирмы IBM (International Business Machine Corporation).

Широко известны персональные компьютеры, выпускаемые американскими фирмами: Apple (компьютеры Macintosh), Compaq Computer, Hewlett-Packard, Dell, DEC (Digital Equipment Corporation), а также фирмами Великобритании: Spectrum, Amstrad; Франции: Micral; Италии: Olivetti; Японии: Toshiba, Matsushita (Panasonic) и Partner.

Наибольшей популярностью в настоящее время пользуются персональные компьютеры фирмы IBM, первые модели которых появились в 1981 году, и их аналоги других фирм; существенно уступают по популярности ПК фирмы Apple (Macintosh), занимающие по распространенности 2-е место.

В настоящее время мировой парк компьютеров составляет более четверти миллиарда штук, из них около 90% -- это персональные компьютеры (компьютеров типа IBM PC более 80% всех ПК).

Отечественная промышленность (страны СНГ) выпускала микрокомпьютеры:

? Apple-совместимые -- диалоговые, вычислительные комплексы ДВК-1-

ДВК-4 на основе «Электроника МС-1201»; «Электроника 85», «Электроника 32» и т. п.;

? IBM PC-совместимые - ЕС1840-ЕС1842, ЕС1845, ЕС1849, ЕС1861, «Искра 1030», «Истра 4816», «Нейрон И9.66» и т. д.

По поколениям персональные компьютеры делятся на:

o 1-го поколения: используют 8-битовые микропроцессоры;

o 2-го поколения: используют 16-битовые микропроцессоры;

o 3-го поколения: используют 32-битовые микропроцессоры;

o 4-го поколения: используют 64-битовые микропроцессоры.

Суперкомпьютеры. Виды суперкомпьютеров

К суперкомпьютерам относятся мощные многопроцессорные вычисли-

тельные машины с быстродействием сотни миллионов -- десятки миллиардов операций в секунду.

Создать такие высокопроизводительные компьютеры на одном микропроцессоре (МП) не представляется возможным ввиду ограничения, обусловленного конечным значением скорости распространения электромагнитных волн (300 000 км/с), поскольку время распространения сигнала на расстояние несколько миллиметров (линейный размер стороны МП) при быстродействии 100 миллиардов операций в секунду становится соизмеримым со временем выполнения одной операции. Поэтому суперкомпьютеры создаются в виде высокопараллельных ногопроцессорных вычислительных систем (МПВС).

Высокопараллельные МПВС имеют несколько разновидностей.

1. Магистральные (конвейерные) МПВС, у которых процессор одновременно выполняет разные операции над последовательным потоком обрабатываемых данных. По принятой классификации такие МПВС относятся к системам с многократным потоком команд и однократным потоком данных (МКОД или MISD -- Multiple Instruction Single Data).

2. Векторные МПВС, у которых все процессоры одновременно выполняют одну команду над различными данными -- однократный поток команд с многократным потоком данных (ОКМД или SIMD - Single Instruction MultipleData).

3. Матричные МПВС, у которых микропроцессор одновременно выполняет разные операции над последовательными потоками обрабатываемых данных - многократный поток команд с многократным потоком данных (МКМД или MIMD - Multiple Instruction Multiple Data).

В суперкомпьютере используются все три варианта архитектуры МПВС:

? структура MIMD в классическом ее варианте (например, в суперкомпьютере BSP фирмы Burrought);

? параллельно-конвейерная модификация, иначе MMISD, то есть многопроцессорная (Multiple) MISD архитектура (например в суперкомпьютер «Эльбрус 3»);

? параллельно-векторная модификация, иначе MSIMD, то есть многопроцессорная SIMD архитектура (например в суперкомпьютере Cray 2).

Наибольшую эффективность показала MSIMD архитектура, поэтому в современных суперкомпьютерах чаще всего находит применение именно она (суперкомпьютеры фирм Cray, Fujitsu, NEC, Hitachi и т. д.)- Первый суперкомпьютер был задуман в 1960 и создан в 1972 году (машина ILLIAC IV с производительностью 20 MFLOPS), а начиная с 1975 года лидерство в разработке суперкомпьютеров захватила фирма Cray Research, выпустившая Cray 1 с производительностью 160 MFLOPS и объемом оперативной памяти 8 Мбайт, а в 1984 году -- Cray 2, в полной мере реализовавший архитектуру MSIMD и ознаменовавший появление нового поколения суперкомпьютеров. Производительность

Cray 2 -- 2000 MFLOPS, объем оперативной памяти -- 2 Гбайт (классическое соотношение, ибо критерий сбалансированности ресурсов компьютера -- «каждому MFLOPS производительности процессора должно соответствовать не менее 1 Мбайт оперативной памяти»).

В настоящее время в мире насчитывается несколько тысяч суперкомпьютеров, начиная от простых офисных Cray EL до мощных Cray 3, Cray 4, Cray Y-MP C90 фирмы Cray Research, Cyber 205 фирмы Control Data, SX-3 и SX-Xкомпании NEC, VP 2000 компании Fujitsu (обе фирмы японскиеХ VPP 500 компании Fujitsu Siemens (немецко-японская) и т. д., производительностью несколько десятков тысяч MFLOPS.

Среди лучших суперкомпьютеров можно отметить и отечественные суперкомпьютеры. В сфере производства суперкомпьютеров Россия, пожалуй, впервые, представила собственные оригинальные модели компьютеров (все остальные, включая и ПЭВМ, и малые ЭВМ, и универсальные компьютеры за редким исключением, например ЭВМ «Рута НО», копировали зарубежные решения, и, в первую очередь, разработки фирм США).

В СССР, а позднее в России была разработана и реализуется (сейчас, правда, почти заморожена) государственная программа разработки суперкомпьютеров. В рамках этой программы были спроектированы и выпущены такие суперкомпьютеры, как повторяющая Cray-архитектуру модель «Электроника СС БИС», оригинальные разработки: ЕС 1191, ЕС 1195, ЕС 1191.01, ЕС 1191.10, «Эльбрус».

Архитектура современного компьютера

Современную архитектуру компьютера определяют следующие принципы(фон-Неймана):

Принцип программного управления. Обеспечивает автоматизацию процесса вычислений на ЭВМ. Согласно этому принципу, для решения каждой задачи составляется программа, которая определяет последовательность действий компьютера. Эффективность программного управления будет выше при решении задачи этой же программой много раз (хотя и с разными начальными данными).

Принцип программы, сохраняемой в памяти. Согласно этому принципу, команды программы подаются, как и данные, в виде чисел и обрабатываются так же, как и числа, а сама программа перед выполнением загружается в оперативную память, что ускоряет процесс ее выполнения.

Принцип произвольного доступа к памяти. В соответствии с этим принципом, элементы программ и данных могут записываться в произвольное место оперативной памяти, что позволяет обратиться по любому заданному адресу (к конкретному участку памяти) без просмотра предыдущих.

На основании этих принципов можно утверждать, что современный компьютер - техническое устройство, которое после ввода в память начальных данных в виде цифровых кодов и программы их обработки, выраженной тоже цифровыми кодами, способно автоматически осуществить вычислительный процесс, заданный программой, и выдать готовые результаты решения задачи в форме, пригодной для восприятия человеком.

На самом деле архитектура ЭВМ охватывает широкий круг проблем, связанных с построением комплекса аппаратных и программных средств и учитывающих множество факторов. Среди этих факторов важнейшими являются: стоимость, сфера применения, функциональные возможности, удобство эксплуатации, а одним из главных компонентов архитектуры являются аппаратные средства. Основные компоненты архитектуры ЭВМ можно представить в виде схемы (рис.4.1).

Рис. 4.1. Схема основных компонентов архитектуры ЭВМ

Архитектуру вычислительного средства следует отличать от его структуры. Структура вычислительного средства определяет его конкретный состав на некотором уровне детализации (устройства, блоки узлы и т. д.) и описывает связи внутри средства во всей их полноте. Архитектура же определяет правила взаимодействия составных частей вычислительного средства, описание которых выполняется в той мере, в какой это необходимо для формирования правил их взаимодействия. Она регламентирует не все связи, а наиболее важные, которые должны быть известны для более грамотного использования данного средства.

К понятию архитектуры относятся следующие принципы построения ЭВМ:

структура памяти ЭВМ;

способы доступа к памяти и внешним устройствам;

возможность изменения конфигурации компьютера;

система команд;

форматы данных;

организация интерфейса.

классическая архитектура ЭВМ (архитектура фон-Неймана).

Рис.4.2. Схема классической архитектуры ЭВМ

По мере развития ЭВМ классическая архитектура претерпела существенные усовершенствования. Основное направление этих изменений -- разгрузка центрального процессора от функций обмена информацией и передачи их специальным устройствам -- контроллерам. Шинная архитектура является открытой, поскольку позволяет подключать новые устройства.

Базовая конфигурация ПК (состав оборудования)

В базовую конфигурацию ПК входят:

Системный блок.

Монитор.

Клавиатура.

Мышь.

1. Системный блок

- содержит основную электронику компьютера. По внешнему виду системные блоки различаются формой корпуса. Корпуса персональных компьютеров выпускают в горизонтальном (desktop) и вертикальном (tower) исполнении.

Устройства, находящиеся внутри системного блока, называют внутренними, а устройства, подключаемые к нему снаружи, называют внешними. Внешние дополнительные устройства, предназначенные для ввода, вывода и длительного хранения данных, также называют периферийными (сканер, принтер).

2. Монитор

- устройство визуального представления данных. Это не единственно возможное, но главное устройство вывода (получение почти 100% информации).

Типы мониторов:

CRT - мониторы (на основе электронно-лучевой трубки);

LCD - мониторы (на жидких кристаллах на TFT-панелях);

PDP - мониторы (плазменные).

3. Клавиатура

- клавишное устройство управления персональным компьютером. Служит для ввода алфавитно-цифровых (знаковых) данных, а также команд управления. Комбинация монитора и клавиатуры обеспечивает простейший интерфейс пользователя. С помощью клавиатуры управляют компьютерной системой, а с помощью монитора получают от нее отклик.

По методу подключения к системному блоку различают проводные и беспроводные клавиатуры. Передача информации в беспроводных системах осуществляется инфракрасным лучом. Обычный радиус действия таких клавиатур составляет несколько метров. Источником сигнала является клавиатура.

4. Мышь (ручные манипуляторы)

Перемещение мыши по плоской поверхности синхронизировано с перемещением графического объекта (указателя мыши) на экране монитора.

Мыши отличаются по принципу работы. К наиболее популярным относятся механические и оптические.

Принцип работы механических мышей заключается в следующем: в нижней части мыши имеется шарик, который вращается при движении мыши. Достоинство механических мышей - их дешевизна и надежность работы. Недостаток - недолговечность.

Основной принцип оптических мышей - с помощью светодиода под мышью подсвечивается участок поверхности. Снимок с помощью цифровой камеры передается в процессор мыши, который делает выводы о направлении перемещения мыши. Достоинства - долговечность и чувствительность.

К числу регулируемых параметров мыши относятся: чувствительность (выражает величину перемещения указателя на экране при заданном линейном перемещении мыши), функции левой и правой кнопок, а также чувствительность к двойному нажатию (максимальный интервал времени, при котором два щелчка кнопкой мыши расцениваются как один двойной щелчок).

Кроме обычной мыши существуют и другие типы манипуляторов, например: трекболы, пенмаусы, инфракрасные мыши.

Трекбол в отличие от мыши устанавливается стационарно, и его шарик приводится в движение ладонью руки. Преимущество трекбола состоит в том, что он не нуждается в гладкой рабочей поверхности, поэтому трекболы нашли широкое применение в портативных персональных компьютерах.

Инфракрасная мышь отличается от обычной наличием устройства беспроводной связи с системным блоком.

Тачпад представляет собой сенсорную площадку, движение пальца по которой вызывает перемещение курсора

Системный блок. Корпус системного блока

По внешнему виду системные блоки различаются формой корпуса. Корпуса персональных компьютеров выпускают в горизонтальном (desktop) и вертикальном (tower) исполнении.

Основной параметр, определяющий «стандартность» корпуса, называется формфактором. Существует два стандарта на размещение компонентов компьютера в корпусе: AT и ATX. Их основными отличиями являются:

* формат и способ размещения материнской платы;

* конструкция блока питания;

* способ подачи электропитания на материнскую плату.

В настоящее время применяются только корпуса форм-фактора АТХ.

На передней панели корпуса размещаются индикаторы состояния компьютера - Power (включено питание), Turbo (система работает с максимальной скоростью) и Hard (работает накопитель на жестких дисках - «винчестер»); кнопки управления - выключатель питания компьютера, сброса Reset и кнопка Turbo (которая “перекочевала” в современный компьютер из старых времен).

Еще на переднюю панель выходят рабочие части накопителей на гибких дисках и дисковода CD-ROM - здесь вставляются и вынимаются дискеты и лазерные диски.

Задняя стенка корпуса системного блока компьютера используется для всевозможных подключений. В ней есть несколько щелей для доступа к разъемам плат расширения и отверстия для разъема клавиатуры, вентилятора и сетевых разъемов блока питания.

Компоненты системный блок

В состав системного блока входят все основные узлы компьютера:

системная плата;

блок питания;

накопитель на жестком магнитном диске;

накопитель на гибком магнитном диске;

накопитель на оптическом диске;

разъемы для дополнительных устройств.

Источник питания -- это блок, содержащий системы автономного и сетевого питания компьютера.

Материнская плата. Платы расширения

Материнская плата -- печатная плата, на которой осуществляется монтаж большинства компонентов компьютерной системы. Название происходит от английского motherboard, иногда используется сокращение MB или слово mainboard -- главная плата.

Материнская плата обеспечивает связь между всеми устройствами ПК, посредством передачи сигнала от одного устройства к другому.

На поверхности материнской платы имеется большое количество разъемов предназначенных для установки других устройств: sockets - гнезда для процессоров; slots - разъемы под оперативную память и платы расширения; контроллеры портов ввода/ вывода.

Также материнская плата, содержит системную шину, микропроцессорный комплект (чипсет) -- набор микросхем, управляющих работой внутренних устройств компьютера и определяющих основные функциональные возможности материнской платы;

На компьютерах Pentium материнская плата содержит контроллеры накопителей на жестких и гибких магнитных дисках (НЖМД и НГМД). В материнскую плату как -бы вставляются процессор, блоки оперативной памяти - ОП (оперативного запоминающего устройства - ОЗУ), таймер и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). В материнскую плату также вставляется видеокарта - плата, обеспечивающая обмен между системной шиной и монитором, а при необходимости - звуковая карта, сетевая карта, модем (если он внутренний), плата расширения портов (содержит COM-порты для подключения дополнительных устройств).

Основные характеристики материнских плат:

* модель чипсета;

* тип используемого процессора (зависит от разъема для установки процессора);

* формат;

* число и тип разъемов для установки дочерних плат;