Основы информатики
Понятия информации, информационного процесса и информационного общества. Архитектура компьютера, и краткие характеристики его устройства. Классификация программного обеспечения компьютера, возможности и принципы работы с операционной системой Windows XP.
| Рубрика | Программирование, компьютеры и кибернетика |
| Вид | учебное пособие |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 18.10.2014 |
| Размер файла | 2,3 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Конкурентоспособная экономика базируется на системе финансовых организаций, способных предоставить услуги всем потенциальным клиентам. Без использования вычислительной техники, новейших информационных технологий и систем электронной передачи финансовой информации создать систему финансовых учреждений, отвечающих современным требованиям, невозможно. Российские финансовые учреждения учитывают сложившиеся требования к уровню автоматизации, внедряя передовые компьютерные технологии и осваивая международные стандарты.
Участникам фондового рынка России доступны услуги многих глобальных сетей. Этими системами активно пользуются биржи, брокерские конторы, промышленные предприятия.
2. Общий состав персональных ЭВМ и вычислительных систеМ
2.1 Состав персонального компьютера
Персональный компьютер (ПК) - это единая система, представляющая собой набор сменных компонентов, соединенных между собой стандартными интерфейсами. Компонентом здесь выступает отдельный узел (устройство), выполняющий определенную функцию в составе системы. Интерфейсом называют стандарт присоединения компонентов к системе. Это разъемы, наборы микросхем.
Полное описание набора и характеристик устройств, составляющих данный компьютер, называется конфигурацией ПК.
Существует «минимальная» конфигурация ПК (рис. 2.1), т.е. минимальный набор устройств, без которых работа с ПК становится бессмысленной. Это: системный блок, монитор, клавиатура, мышь.
Рис. 2.1. Базовая конфигурация компьютерной системы
В составе системного блока имеются:
ь материнская плата;
ь устройство для чтения лазерных компакт-дисков (CDROM);
ь устройство для чтения и записи магнитных дискет;
ь магнитное устройство для чтения и записи большой емкости (более 1 Гбайта) - это жесткий диск (винчестер).
Материнская плата расположена в глубине системного блока. Материнская (системная) плата - важнейший элемент ПК, к которому подключено все то, из чего состоит сам компьютер. Она служит для объединения и организации взаимодействия других компонентов. Это своеобразная база, на основе которой можно получить десятки вариантов различных ЭВМ, приспособленных для выполнения необходимых работ.
Материнская плата представляет собой лист из стеклотекстолита. С одной стороны этого листа находится разводка соединений электронных элементов, а с другой - сами элементы:
ь процессор;
ь оперативная память;
ь постоянная память;
ь кварцевый резонатор тактового генератора;
ь аккумулятор;
ь слоты расширения;
ь разъемы для подключения клавиатуры и блока питания;
ь системная и локальная шины;
ь дополнительные микросхемы.
Типовой персональный компьютер также имеет в своем составе:
ь печатающее устройство для вывода информации на бумажный носитель;
ь сканер для считывания информации с бумажного носителя.
Для российских условий дополнительным оборудованием (во многих странах уже считающимся стандартным) выступают:
ь телевизионный и УКВ тюнер для воспроизведения телевизионных и радио передач;
ь источник бесперебойного питания;
ь дисковод DVD;
ь модем;
ь сетевая карта.
2.2 Архитектура компьютера
2.2.1 Классическая архитектура ЭВМ и принципы фон Неймана
Термин «архитектура» довольно часто встречается в литературе по вычислительной технике. Архитектура ПК - это описание совокупности устройств и блоков компьютера, а также связей между ними. Кроме того, архитектура - это описание принципа действия ПК. Ближе всего к понятию архитектура находится термин «функциональная схема».
Исторически компьютер появился как машина для вычислений и назывался электронной вычислительной машиной - ЭВМ. Структура такого устройства была описана знаменитым математиком Джоном фон Нейманом в 1945 г. Фон Нейман выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ и предложил ее структуру, которая воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ. На рис. 2.2 пунктирными линиями обозначены цепи сигналов управления (управляющие связи), одинарными - цепи передачи данных и адресов (информационные связи).
Основными блоками по Нейману являются устройства управления (УУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ), оперативная память, внешняя память, устройства ввода и вывода. ВЗУ - внешнее запоминающее устройство отличается от других устройств ввода\вывода тем, что данные в него заносятся в виде, удобном компьютеру, но недоступном для непосредственного восприятия человеком. Так, накопитель на магнитных дисках относится к внешней памяти, а клавиатура - устройство ввода, дисплей и печать - устройства вывода.
Рис. 2.2. Структурная схема вычислительного устройства
Устройство управления и арифметико-логическое устройство в компьютерах объединены в один блок - процессор, являющийся преобразователем информации, поступающей из памяти и внешних устройств (выборка команд из памяти, кодирование и декодирование, выполнение арифметических и логических операций, согласование работы узлов компьютера).
ОЗУ - оперативное запоминающее устройство или память, хранит данные, адреса и команды, обладает высокой скоростью записи и чтения чисел. Состоит из некоторого количества пронумерованных ячеек, в каждой из которых могут находиться или обрабатываемые данные, или инструкции программ.
В построенной по описанной схеме ЭВМ происходит последовательное считывание команд из памяти и их выполнение. Номер (адрес) очередной ячейки памяти, из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специальным устройством - счетчиком команд в УУ. Его наличие также является одним из характерных признаков рассматриваемой архитектуры.
2.2.2 Совершенствование и развитие внутренней структуры ЭВМ
Такая классическая схема соответствовала компьютерам 1 и 2го поколений; 3е поколение ЭВМ характеризуется переходом от транзисторов к большим интегральным микросхемам (БИС). Значительные успехи в миниатюризации электронных схем не просто способствовали уменьшению размеров базовых функциональных узлов компьютера, но и создали предпосылки для существенного роста быстродействия компьютера.
Быстродействие процессора значительно выросло, что привело к противоречию между высокой скоростью обработки информации внутри машины и медленной работой устройств ввода\вывода. Устройства ввода\вывода содержат механически движущиеся части и работают значительно более медленно. Процессор большей частью простаивал в ожидании информации из внешнего мира.
Со временем процессор освободили от управления работой внешних устройств. Работой внешних устройств стали управлять «периферийные процессоры» - контроллеры (рис. 2.3). Контроллер - устройство, аппаратно согласовывающее работу системы и дополнительного устройства. Контроллер можно рассматривать как специализированный процессор, управляющий работой «вверенного ему» внешнего устройства по специальным программам обмена. Центральный процессор при необходимости произвести обмен выдает задание на его осуществление контроллеру. Дальнейший обмен информацией может протекать под руководством контроллера без участия центрального процессора.
Один из самых важных контроллеров - ПДП-контроллер (ПДП - прямой допуск к памяти) обеспечивает прямой доступ к оперативной памяти. При считывании информации с диска в память и наоборот процессор должен запустить системную шину, выбрать несколько байт информации, поместить в свою внутреннюю память, снова запустить шину и эту информацию поместить в устройство, обслуживающее диск. Процесс выполнения программ замедляется за счет потери времени на эти операции. ПДП-контроллер выполняет эти операции, не загружая процессор и системную шину. Выполнение программы и пересылка информации идут одновременно.
Наличие интеллектуальных контроллеров внешних устройств стало важной отличительной чертой машин 3го и 4го поколения.
Для связи между отдельными функциональными узлами ЭВМ используется общая шина (часто ее называют магистралью). Шина -- это линия для передачи сигналов, к которой могут параллельно подключаться несколько устройств компьютера. Шина состоит из трех частей (рис. 2.3):
ь шина данных, по которой передается информация;
ь шина адреса, определяющая, куда передаются данные;
ь шина управления, регулирующая процесс обмена информацией.
Рис. 2.3. Структура современного персонального компьютера
Описанную схему легко пополнять новыми устройствами. На практике такая структура применяется только для компьютеров с небольшим числом внешних устройств. При увеличении потоков информации между устройствами компьютера единственная магистраль перегружается, что существенно тормозит работу. В состав компьютера могут вводиться одна или несколько дополнительных шин. Например, одна шина может использоваться для обмена с памятью, вторая - для связи с «быстрыми», а третья - с «медленными» внешними устройствами.
В центральный процессор кроме регистров общего назначения (РОН) добавлена кэш-память. Промежуточные результаты при выполнении арифметических и логических операций над данными сохраняются в РОН. Кэш-память используется для ускорения выполнения операций за счет запоминания на некоторое время полученных ранее данных, которые будут использоваться процессором в ближайшее время. Введение в компьютер кэш-памяти позволяет сэкономить время, которое без нее тратилось на пересылку данных и команд из процессора в оперативную память и обратно. Кэш-память имеет большее быстродействие, чем оперативная память.
Принципиально новым в структуре современного компьютера и принципе его действия является понятие прерываний. Прерывание - это остановка работы ПК при возникновении определенного события. Прерывания появились в связи с переходом от математических вычислений, которые не зависят от внешних условий, к обработке информации в реальном масштабе времени. Компьютер должен реагировать на изменение внешних условий иногда немедленно, запоминая эти события или даже меняя алгоритм его обработки. Если в процессор извне поступает сигнал запроса на прерывание, которое обрабатывается всегда, выполнение текущей программы приостанавливается. В заранее определенной области ОЗУ сохраняются все промежуточные результаты и адрес останова в программе. Микропроцессор выполняет специальную программу обработки прерывания, в которой указано, что надо сделать в этом случае. После ее завершения восстанавливаются все промежуточные результаты, и микропроцессор продолжает выполнение текущей программы с запомненного ранее адреса.
В современных компьютерах возможна также параллельная работа нескольких процессоров. За счет распараллеливания выполнения одной задачи или параллельного выполнения многих задач достигается увеличение общей производительности компьютера. Для этого предусматривают цепи, связывающие между собой отдельные процессоры.
Персональный компьютер типа IBM PC, названный по имени американской компании, которая в 1981 г. впервые выпустила такие ПК (International Business Machines Personal Computer), стал стандартом персональных компьютеров.
В IBM PC была заложена возможность усовершенствования его отдельных частей и использования новых устройств. Фирма IBM сделала компьютер не единым неразъемным устройством, а обеспечила возможность его сборки из независимо изготовленных частей. Методы совместимости устройств с компьютером IBM PC не держались в секрете, а были доступны всем желающим. Этот принцип, называемый принципом открытой архитектуры, предусматривает возможность дополнения имеющихся аппаратных средств новыми устройствами без замены старых. Например, можно наращивать оперативную память, подключать новые периферийные устройства, заменять старые устройства новыми без замены компьютера. Такие операции называются «upgrade» (расширить, обновить).
2.2.3 Основной цикл работы компьютера
Важной составной частью фон-неймановской архитектуры является счетчик адреса команд. Этот специальный внутренний регистр процессора всегда указывает на ячейку памяти, в которой хранится следующая команда программы. При включении питания или при нажатии на кнопку сброса (начальной установки) в счетчик аппаратно заносится стартовый адрес находящейся в постоянном запоминающем устройстве программы инициализации всех устройств и начальной загрузки. Дальнейшее функционирование компьютера определяется программой. Вся деятельность компьютера - это непрерывное выполнение тех или иных программ, причем программы могут в свою очередь загружать новые программы и т.д.
Каждая программа состоит из отдельных машинных команд. Каждая машинная команда, в свою очередь, делится на ряд элементарных унифицированных составных частей, которые принято называть тактами. В зависимости от сложности команды она может быть реализована за разное число тактов. Например, пересылка информации из одного внутреннего регистра процессора в другой выполняется за несколько тактов, а для перемножения двух целых чисел их требуется на порядок больше.
При выполнении каждой команды компьютер проделывает определенные стандартные действия:
ь согласно содержимому счетчика адреса команд считывается очередная команда программы (ее код обычно заносится на хранение в специальный регистр УУ, который носит название регистра команд);
ь счетчик команд автоматически изменяется так, чтобы в нем содержался адрес следующей команды (в простейшем случае для этой цели достаточно к текущему значению счетчика прибавить некоторую константу, определяющуюся длиной команды);
ь считанная в регистр команд операция расшифровывается, извлекаются необходимые данные и над ними выполняются требуемые действия.
Затем во всех случаях, за исключением команды останова или наступления прерывания, все описанные действия циклически повторяются.
2.3 Функциональные компоненты компьютера
2.3.1 Микропроцессор
В технической литературе используют два термина: процессор и микропроцессор. Различие указанных терминов заключается в уточнении технологии изготовления и габаритов процессора. Микропроцессор (МП) изготавливается по полупроводниковой технологии и размещается на одном кристалле, в одной микросхеме (иногда говорят - в одном чипе). Большая интегральная схема содержит сотни тысяч и миллионы активных элементов (транзисторов). Если 8разрядный процессор Intel 8088, на котором работал первый IBM PC, содержал 3,5 тыс. транзисторов, то процессоры Pentium вмещают уже свыше 3 млн. транзисторов.
Микропроцессор (центральный микропроцессор, CPU) - программно управляемое устройство, предназначенное для обработки информации под управлением программы, находящейся в данный момент в оперативной памяти. Микросхема устанавливается на материнской плате и связана с материнской платой интерфейсом процессорного разъема (Socket).
Микропроцессор может обрабатывать данные любой природы: текст, числа, графику, звук и др. Это возможно потому, что данные перед использованием на компьютере преобразуются к простейшему виду, представляются в двоичном коде, «оцифровываются». Для описания работы цифровых устройств используется двоичная система счисления, Булева логика, законы алгебры логики.
Процессоры классифицируются по базовому типу, называющемуся семейством. С целью преемственности программного обеспечения последующие модели и модификации процессоров, как правило, содержат всю систему команд своих предшественников. Существует большое количество различных семейств процессоров, среди которых можно выделить семейство Intel и совместимых с ними AMD и Cyrix, на которых базируется значительная часть ПК. Фирмой Intel был создан процессор Pentium и его модификации Pentium Pro, Pentium II, Pentium III, Pentium IV. Процессоры фирмы Motorola, применяемые в компьютерах фирмы Apple, относятся к другому семейству.
Основными характеристиками процессора являются:
ь тактовая частота - количество тактов, производимых процессором за 1 секунду. Операции, производимые процессором, не являются непрерывными, они разделены на такты. Тактовая частота определяет скорость выполнения операций и непосредственно влияет на производительность процессора. Процессор Pentium и его модификации имеют тактовые частоты от 60 МГц до 3 ГГц (выполняют 3 миллиарда операций в секунду);
ь быстродействие - характеристика, связанная с тактовой частотой. Определяется количеством команд (операций), производимых в 1 секунду. Быстродействие зависит от тактовой частоты и от выполняющейся программы, от того, какие команды - сложения или, скажем, деления - в ней преобладают. Быстродействие определяется на специальных тестовых программах. Измеряется в бит/с.
ь разрядность - количество двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт. Чем больше количество одновременно обрабатываемых разрядов, тем выше вычислительная мощность компьютера. Указывая разрядность процессора 64, имеют в виду, что процессор имеет 64разрядную шину данных, т.е. за один такт он обрабатывает 64 бита.
2.3.2 Шины
Комплекс, состоящий из пучка проводов и электронных схем, обеспечивающих правильную передачу информации внутри компьютера, называют магистралью, системной шиной или просто шиной. Шина характеризуется разрядностью и частотой.
Максимальное количество одновременно передаваемой информации называется разрядностью шины. Разрядность шины определяется разрядностью процессора и в настоящее время составляет 64 бита. Чем выше разрядность шины, тем больше информации она может предавать в единицу времени.
Поиск устройства или ячейки памяти осуществляет процессор. Каждое устройство или ячейка имеет свой адрес. Адрес передается по адресной шине, сигналы по которой передаются в одном направлении от процессора к оперативной памяти и устройствам. Разрядность адресной шины определяет адресное пространство процессора, т.е. количество ячеек памяти. Количество адресуемых ячеек памяти рассчитывается по формуле: N = 2i, где i - разрядность адресной шины. Если разрядность адресной шины составляет 32 бита, то максимально возможное количество адресуемых ячеек памяти равно 232 = 4 294 967 296 ячеек.
Информация по шине передается в виде импульсов электрического тока. Шина работает не непрерывно, а циклами. Количество циклов срабатывания шины в единицу времени называется частотой шины.
Шина связывает между собой не только процессор и оперативную память, фактически все устройства компьютера - диски, клавиатура, дисплей и т.д. - так или иначе принимают и передают данные через шину. Для этого в шине предусмотрены стандартные разъемы, к которым подключаются те или иные устройства компьютера. Если шина одна, то пропускная способность ввода\вывода ограничена. Скорость шины лимитируется физическими факторами - длиной шины и количеством подсоединяемых устройств. Поэтому в современных крупных системах используется комплекс взаимосвязанных шин. Традиционно шины делятся на шины, обеспечивающие организацию связи процессора с памятью и шины ввода\вывода.
Шины ввода\вывода могут иметь большую протяженность, поддерживать подсоединение многих типов устройств и обычно следуют одному из шинных стандартов. Шины процессор память сравнительно короткие, высокоскоростные и соответствуют организации системы памяти для обеспечения максимальной пропускной способности канала память - процессор.
Некоторые компьютеры имеют единственную шину для памяти и устройств ввода\вывода. Такая шина называется системной. Локальной шиной называется шина, электрически выходящая непосредственно на контакты микропроцессора. Она обычно объединяет процессор, память, схемы буферизации для системной шины и ее контроллер, а также некоторые вспомогательные схемы.
Первоначально применялась шина ISA (8 и 16разрядная, частота - 8 МГц), созданная в начале 80х годов и обладавшая невысокой пропускной способностью. Сейчас шина ISA иногда используется для подключения низкоскоростных устройств (клавиатуры, мыши и т.д.).
В настоящее время чаще используются:
ь шина PCI (Peripheral Component Interconnect bus - шина взаимодействия периферийных устройств);
ь графическая шина AGP (Accelerated Craphic Port - ускоренный графический порт);
ь Hyper Transport - высокоскоростная шина для соединения внутренних устройств компьютерной системы. Тактовая частота достигает 800 МГц. Пропускная способность составляет до 6,4 Гбайт/с;
ь USB предназначена для подключения до 256 внешних устройств (таких, как мышь, принтер, сканер, фотокамера, FMтюнер и т.д.) к одному USBканалу (по принципу общей шины). Пропускная способность до 480 Мбит/с (в версии USB 2.0).
В современных компьютерах частота процессора может превышать частоту системной шины (частота процессора 1 ГГц, а частота шины - 100 МГц).
2.3.3 Память
Память - функциональная часть компьютера, предназначенная для записи, хранения и выдачи информации. В ПК имеется несколько видов памяти: ОЗУ, ПЗУ, РОН, Кэш, СМОS, ВЗУ. Существует еще видеопамять - электронная память, размещенная на видеокарте.
Производительность ПК во многом определяется быстродействием процессора, а также объемом оперативной памяти и скоростью доступа к ней.
Оперативная память (RAM - random access memory, ОЗУ) - устройство, предназначенное для хранения обрабатываемой информации (данных) и программ, управляющих процессом обработки информации. Конструктивно представляет собой набор микросхем, размещенных на одной небольшой плате (модуль, планка). Модуль (модули) оперативной памяти вставляется в соответствующий разъем материнской платы, позволяя таким образом связываться с другими устройствами ПК (рис. 2.4, 2.5).
Рис. 2.4. Модули оперативной памяти
Рис. 2.5. Инсталляция модуля ОП в слот
Можно считать, что оперативная память представляет собой последовательность пронумерованных байтов. Каждый байт имеет свой номер, который по аналогии с номерами домов на улице принято называть адресом. Содержимое любого байта памяти может обрабатываться независимым от остальных байтов образом. Указав адрес байта, можно получить код, который в нем записан, или занести, записать в этот байт какойлибо другой код.
С точки зрения физического принципа действия различают динамическую память (DRAM) и статическую память (SRAM).
Микросхемы динамической памяти используются в качестве основной оперативной памяти компьютера. Ячейки динамической памяти можно представить в виде микроконденсаторов, способных накапливать заряд на своих обкладках. Это наиболее распространенный и экономически доступный тип памяти. Конденсаторы необходимо подзаряжать каждые несколько миллисекунд.
В статической памяти элементы построены на триггерах - схемах с двумя устойчивыми состояниями. Для одного триггера требуется 46 транзисторов. После записи элемент памяти хранит информацию сколь угодно долго. Имеет высокое быстродействие и низкую удельную плотность. Микросхемы статической памяти используются в качестве кэш-памяти. Разработаны разные модификации статической и динамической памяти.
Память характеризуется двумя параметрами:
ь время доступа;
ь длительность цикла.
Время доступа - промежуток времени между формированием запроса на чтение информации и моментом поступления запрошенной информации из памяти. Длительность цикла - минимальное допустимое время между двумя последовательными обращениями к памяти. На время написания учебника типовой компьютер имеет 512 Мб или 1024 Мб оперативной памяти.
Оперативная память энергозависима - при выключении электропитания информация, помещенная в оперативную память, исчезает безвозвратно (если она не была сохранена на какой-либо носитель информации).
Для ускорения доступа к оперативной памяти используется кэш-память (cache - запас, тайник). Это сверхбыстрая оперативная память, предназначенная для временного хранения текущих данных и помещенная между оперативной памятью и процессором. Специальные программно-аппаратные средства обеспечивают опережающее копирование данных из оперативной памяти в кэш и обратное копирование данных по окончании их обработки. Обработка данных в кэш-памяти производится быстрее, что приводит к увеличению производительности ПК. Непосредственного доступа из программы в кэш-память нет.
CMOSпамять (изготовленная по технологии CMOS - complementary metal - oxide semiconductor) предназначена для длительного хранения данных о конфигурации и настройке компьютера (дата, время, пароль), в том числе, когда питание компьютера выключено. Для этого используют специальные электронные схемы со средним быстродействием, но очень малым энергопотреблением, питаемые от специального аккумулятора, установленного на материнской плате. Это полупостоянная память.
Данные CMOSпамяти записываются и считываются под управлением команд, содержащихся в другом виде памяти - ПЗУ. Она называется ROM (read only memory) - постоянная память, т.е. память, хранящая информацию при отключенном питании теоретически сколь угодно долго. Это такая память, в которую данные занесены при ее изготовлении. Постоянная память содержит наборы групп команд для непосредственного управления различными устройствами ПК, а также их тестирования при включении. Эти программы называются BIOS (Basic Input/output System - базовая система ввода вывода). В BIOS содержится также программа настройки конфигурации компьютера - SETUP. Она позволяет установить некоторые характеристики устройств ПК. BIOS непосредственно ориентирована на конкретную аппаратную реализацию компьютера и может быть различной даже в однотипных компьютерах.
2.3.4 Внешние запоминающие устройства
Устройства внешней памяти или, иначе, внешние запоминающие устройства весьма разнообразны. Их можно классифицировать по целому ряду признаков: по виду носителя, типу конструкции, по принципу записи и считывания информации, методу доступа и т.д. Один из возможных вариантов классификации ВЗУ приведен на рис. 2.6.
Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) - это электромеханические запоминающие устройства, которые характеризуются большим объемом хранимой информации и низким (по сравнению с электронной памятью) быстродействием. К ВЗУ относятся накопители на магнитной ленте (НМЛ), накопители на гибких магнитных дисках (НГМД), накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД), накопители на оптических дисках (НОД) и др.
Рис. 2.6. Классификация ВЗУ
Носитель информации - это материальный объект, способный хранить информацию. Например, в первых ЭВМ носителями информации являлись бумажные ленты и карты, на которых были пробиты (перфорированы) отверстия.
При магнитной записи информации с помощью записывающей головки происходит изменение магнитной индукции носителя. Носитель изготавливают из ферримагнитного материала. Располагается носитель на подложке, в качестве которой может выступать пластмассовая пленка, металлические или стеклянные диски.
Ток, протекающий по обмотке записывающей головки, создает в сердечнике (магнито-проводе) магнитный поток. Через узкий зазор в сердечнике магнитный поток намагничивает носитель в одном из двух направлений, что зависит от направления протекающего по обмотке тока. Разные направления намагниченности носителя соответствуют логическому нулю или логической единице. Таким образом, записывающая головка - это маленькие электромагниты, которые своим электромагнитным полем изменяют ориентацию магнитных доменов в носителе в зависимости от полярности протекающего в обмотке тока.
При считывании информации с ленты или диска движущийся намагниченный носитель индуцирует в считывающей головке электродвижущую силу. Полярность возникающего на обмотке напряжения зависит от направления намагниченности носителя.
Накопители на магнитных дисках включают в себя ряд систем:
ь электромеханический привод, обеспечивающий вращение диска;
ь блок магнитных головок для чтения и записи;
ь системы установки (позиционирования) магнитных головок в нужное для записи или чтения положение;
ь электронный блок управления и кодирования сигналов.
Дискета - гибкий пластиковый диск с нанесенным на обе стороны магнитным покрытием, заключенный в достаточно твердый пластиковый конверт для предохранения от механических повреждений. Информация на диск наносится вдоль концентрических окружностей (рис. 2.7) - дорожек.
Каждая дорожка разбита на несколько секторов (обычно 18) - минимально возможных адресуемых участков. Стандартная емкость сектора - 512 байт.
Рис. 2.7. Логическая структура поверхности магнитного диска
Процедура разметки нового диска - нанесение секторов и дорожек - называется форматированием. Одноименные сектора обеих поверхностей образуют кластеры. В центре дискеты имеется приспособление для захвата и обеспечения вращения диска внутри пластмассового корпуса. Дискета вставляется в дисковод, который вращается с постоянной угловой скоростью. Магнитные головки примыкают к обеим поверхностям и при вращении диска проходят мимо всех кластеров дорожки. Перемещение головок по радиусу с помощью шагового двигателя обеспечивает доступ к каждой дорожке. Запись/чтение осуществляется целым числом кластеров, обычно под управлением операционной системы.
Для дискет формата 3,5'' максимальная емкость составляет 2,88 Мб, самый распространенный формат емкости для них - 1,44 Мб.
В целях сохранения информации гибкие магнитные диски необходимо предохранять от воздействия сильных магнитных полей и нагревания, так как такие воздействия могут привести к размагничиванию носителя и потере информации.
Накопителем на гибких дисках является дисковод ZIP фирмы Iomega. Накопитель подобен дискете по принципу действия, (но емкостью около 100 Мб) и вставляется в специальный дисковод. Носитель информации имеет гибкую основу, сам накопитель использует эффект Бернулли.
Основная идея такого накопителя заключается в следующем. Воздушные потоки, возникающие вследствие вращения гибкого диска, вызывают изгиб части поверхности диска, находящейся под головкой. Однако диск не соприкасается с головкой, и между ними остается небольшой, достаточно стабильный зазор, который обеспечивается потоками воздуха. Этот эффект позволяет использовать более плотную запись информации.
Жесткий магнитный диск (винчестер, HDD - Hard Disk Drive) -накопитель, предназначенный для долговременного хранения всей имеющейся в компьютере информации. Операционная система, постоянно используемые программы загружаются с жесткого диска, на нем хранится большинство документов. Жесткий диск является несменным носителем.
Жесткий диск представляет собой герметичную коробочку (рис. 2.8), внутри которой спрятано несколько дисков, покрытых магнитным слоем. Над ними очень быстро движутся несколько головок чтения-записи.
Размещено на http://www.allbest.ru/
221
Рис. 2.8. Жесткий диск
Винчестер содержит набор пластин, представляющих собой чаще всего металлические диски, покрытые магнитным материалом (гаммаферритоксид, феррит бария, окись хрома и т.п.) и соединенные между собой при помощи шпинделя (вала, оси). Жесткие диски изготавливаются из алюминия, латуни, керамики или стекла. Для записи данных используются обе поверхности дисков. Шпиндель вращается с высокой постоянной скоростью ( 8000 оборотов в минуту). Вращение головок осуществляется с помощью двух электродвигателей. Данные записываются или считываются с помощью головок записи и считывания, по одной на каждую поверхность диска. На рис. 2.9 для упрощения показаны головки, расположенные только с одной стороны диска.
Рис. 2.9. Устройство жесткого диска
Запись информации на диск ведется по строго определенным местам - концентрическим дорожкам (трекам). Дорожки, как и в случае гибких дисков, делятся на сектора. Специальный двигатель с помощью кронштейна позиционирует головку над заданной дорожкой (перемещает ее в радиальном направлении). При повороте диска головка располагается над нужным сектором. Очевидно, что все головки перемещаются одновременно и считывают информацию с одинаковых дорожек разных дисков. Дорожки винчестера с одинаковыми порядковыми номерами, расположенные на разных дисках, называются цилиндром.
Внутренняя полость винчестера заполняется очищенным от пыли воздухом, а внутри корпуса поддерживается атмосферное давление. При вращении диски создают сильный поток воздуха, который постоянно очищается фильтром.
Основные параметры жесткого диска.
ь Емкость - винчестер имеет объем от 40 Гб до 200 Гб и более.
ь Скорость чтения данных. Средний сегодняшний показатель - около 8 Мбайт/с.
ь Среднее время доступа. Измеряется в миллисекундах и обозначает то время, которое необходимо диску для доступа к любому выбранному вами участку. Средний показатель - 9 мс.
ь Скорость вращения диска. Показатель, напрямую связанный со скоростью доступа и скоростью чтения данных. Скорость вращения жесткого диска в основном влияет на сокращение среднего времени доступа (поиска). Повышение общей производительности особенно заметно при выборке большого числа файлов.
ь Размер кэш-памяти - быстрой буферной памяти небольшого объема, в которую компьютер помещает наиболее часто используемые данные. У винчестера есть своя кэш-память размером
ь до 8 Мбайт.
ь Фирма производитель. Освоить современные технологии могут только крупнейшие производители, потому что организация изготовления сложнейших головок, пластин, контроллеров требует крупных финансовых и интеллектуальных затрат. В настоящее время жесткие диски производят семь компаний: Fujitsu, IBMHitachi, Maxtor, Samsung, Seagate, Toshiba и Western Digital. При этом каждая модель одного производителя имеет свои, только ей присущие особенности.
В ПК используются также диски с высокой плотностью записи, на поверхности которых для более точного позиционирования магнитной головки используется лазерный луч. По внешнему виду эти диски напоминают 3,5дюймовые дискеты, но имеют более жесткую конструкцию. Накопители на флоптических дисках - выполняют обычную магнитную запись информации, но со значительно большей плотностью размещения дорожек на поверхности диска. Такая плотность достигается ввиду наличия на дисках специальных нанесенных лазерным лучом серводорожек, служащих при считывании/записи базой для позиционирования лазерного луча, и соответственно, магнитной головки, жестко связанной с лазером. Стандартная емкость флоптического диска
20,8 Мбайта; накопители сверхвысокой плотности записи (VHD Very High Density) используют кроме лазерного позиционирования еще и специальные дисководы, обеспечивающие иную технологию записи/считывания - "перпендикулярного" способа записи вместо обычного "продольного".
По способу организации записи и считывания оптические диски могут быть разделены на три класса: только для чтения CDROM (Read Only), с однократной записью и многократным считыванием СCWORM (Continuous Composite Write Once Read Many) и с многократной перезаписью информации CDRW (Compact DiscReWritable).
В основе записи информации с помощью лазера лежит модуляция интенсивности излучения лазера дискретными значениями 0 и 1. Излучение достаточно мощного лазера оставляет на поверхности диска метки, вызванные воздействием луча на металл. Поверхность диска предварительно покрывается тонким слоем металла - теллура.
При записи логической единицы луч прожигает в пленке теллура микроскопическое отверстие. Если единицы следуют одна за другой, то за счет вращения диска во время записи отверстие оказывается вытянутым вдоль дорожки. Запись ведется с большой плотностью - 630 дорожек на миллиметр. Длина всей спиральной дорожки около 5 км.
Таким способом изготавливается первичный «мастер диск», с которого затем производится тиражирование всей партии дисков методом литья под давлением.
При считывании информации с оптического диска луч считывающего лазера отражается от поверхности диска, кроме мест, выжженных записывающим лучом. Отраженные лучи с помощью оптической системы, состоящей из призм и линз, направляются на фотодетектор. Делитель луча отправляет отраженный луч по отдельной траектории к фотодетектору (рис. 2.10). Напряжение на выходе фотодетектора воспроизводит впадины и бугорки, имеющиеся на оптическом диске.
Рис. 2.10. Принцип работы оптических дисков
Технология записи на перезаписывающие диски иная.
Запись информации в магнитооптических накопителях осуществляется на диск из стекла, содержащий магнитный слой из сплава тербия, железа и кобальта. Этот сплав имеет низкую температуру Кюри (около 145С). Температура Кюри - это такая температура, при которой появляется возможность перемагнитить данный сплав. С помощью лазера нагревают небольшой участок диска до температуры Кюри и прикладывают магнитное поле нужного направления. После остывания данный участок запоминает направление намагниченности.
Для считывания данных используют эффект Керра, который проявляется в изменении направления поляризации лазерного луча, отраженного от намагниченной поверхности.
Более высокой плотностью записи обладают диски DVD (Digital Video Disc). Информация на этих дисках может быть размещена на одной либо на обеих сторонах, в одном либо в двух слоях. Переключение между слоями осуществляется фокусировкой лазера на требуемом расстоянии.
Классическим способом резервного копирования является применение стримеров - устройств записи на магнитную ленту. Однако возможности этой технологии как по емкости, так и по скорости, сильно ограничены физическими свойствами носителя. Стример по принципу действия очень похож на кассетный магнитофон. Данные записываются на магнитную ленту, протягиваемую мимо головок. Недостатком стримера является слишком большое время последовательного доступа к данным при чтении. Емкость стримера достигает нескольких Гбайт, что меньше емкости современных винчестеров, а время доступа во много раз больше.
В качестве стримера порой используют обычный видеомагнитофон. Для этого компьютер должен быть укомплектован специальной платой - «АрВид».
Устройства, основанные на кристаллах электрически перепрограммируемой памяти, не имеющие подвижных частей, называются флэш-память. Физический принцип организации ячеек флэш-памяти можно считать одинаковым для всех выпускаемых устройств, как бы они ни назывались. Различаются такие устройства по интерфейсу и применяемому контроллеру, что обусловливает разницу в емкости, скорости передачи данных и энергопотреблении.
USB Flash Drive - последовательный интерфейс USB с пропускной способностью 12 Мбит/с или его современный вариант USB 2.0 с пропускной способностью до 480 Мбит/с. Сам носитель заключен в обтекаемый компактный корпус, напоминающий автомобильный брелок. Может служить не только «переносчиком» файлов, но и работать как обычный накопитель - с него можно запускать приложения, воспроизводить музыку и сжатое видео, редактировать и создавать файлы.
PC Card (PCMCIA ATA) - основной тип флэш-памяти для компактных компьютеров.
В настоящее время существует четыре формата карточек PC Card: Type I, Type II, Type III и CardBus, различающиеся размерами, разъемами и рабочим напряжением. Емкость PC Card достигает 4 Гб, скорость - 20 Мб/с при обмене данными с жестким диском.
MirrorBit Flash, разработанная компанией AMD, основана на технологии хранения в ячейке двух бит. Каждая ячейка разделена на симметричные (зеркальные) половинки изолирующим слоем из нитрида кремния и, таким образом, имеет удвоенную емкость. За счет «зеркальности» более быстро формируется стандартная 16битная страница данных, что увеличивает скорость обмена. Чипы семейства MirrorBit имеют емкость 64 Мбит и могут быть установлены на большинство современных типов твердотельных устройств памяти.
CompactFlash (CF) - самый распространенный, универсальный и перспективный формат. Легко подключается к любому ноутбуку. Основная область применения - цифровая фотография. По емкости (до 3 Гбайт) сегодняшние CFкарты не уступают IBM Microdrive, однако отстают по скорости обмена данными (около 2 Мбайт/с).
Miniature Card (MC) - карточка флэш-памяти, предназначена в основном для карманных компьютеров, мобильных телефонов и цифровых фотокамер. Стандартная емкость составляет 64 Мбайт.
SmartMedia - основной формат для карт широкого применения от банковских и проездных в метро до удостоверений личности. Тонкие пластинки весом 2 грамма имеют открыто расположенные контакты, но значительная для таких габаритов емкость (до 128 Мбайт) и скорость передачи данных (до 600 Кбайт/с) обусловили их проникновение в сферу цифровой фотографии и носимых МР3устройств.
Memory Stick - «эксклюзивный» формат фирмы Sony, практически не используется другими компаниями. Максимальная емкость -- 256 Мбайт, скорость передачи данных доходит до 410 Кбайт/с, цены сравнительно высокие.
xD Picture Card (extreme Digital) является новым типом флэш-памяти, разработанным компанией Toshiba специально для цифровых фотоаппаратов. В момент написания учебника - это самое миниатюрное устройство флэш-памяти. Благодаря использованию технологии NAND не имеет ограничений на максимальный объем.
2.3.5 Порты
Порты - это устройства для подключения к системной шине различных внешних устройств. Различают несколько типов портов: внутренний (таймерный), клавиатурный, коммуникационный, игровой (джойстик). Каждому порту выделяется группа адресов, по которым в порт записываются или из порта считываются данные, служебная информация для программирования параметров порта и текущее состояние порта.
Через таймерный порт можно программировать частоту следования меток времени, используемых в электронных часах компьютера. Сигналы порта подсчитываются операционной системой, для хранения накопленного значения используется область памяти с определенным адресом.
Клавиатурный порт обеспечивает ввод кодов нажатых клавиш. Данные от порта накапливаются и обрабатываются в специальном кольцевом буфере клавиатуры в определенной области памяти.
Коммуникационные порты обеспечивают подключение таких внешних устройств как мышь, принтер, сканер, внешний модем и некоторых других. Эти порты подразделяются на последовательные (СОМ1 и COM2) и параллельные (LPT).
Последовательные порты обеспечивают двусторонний побайтовый обмен последовательными кодами, выполнены в виде 25контактного и 9контактного разъемов. Порты размещаются в контроллере, который устанавливается либо на системной плате, либо на мультикарте и выведен на заднюю панель системного блока. Порты можно запрограммировать на требуемую скорость передачи данных. Используются обычно для подключения мыши и модема.
Параллельные порты могут реализовать либо однонаправленную побайтовую (8 электрических импульсов) передачу параллельных кодов, либо двунаправленную. Порты выполнены в виде 25контактного разъема на задней стенке системного блока. Параллельный порт имеет более высокую скорость передачи информации, чем последовательные порты, и используется для подключения принтера.
Коммуникационные порты используются также для межкомпьютерной связи в режиме Link.
Широкое распространение получил порт USB (Universal Serial Bus - универсальная последовательная шина). Он обеспечивает высокоскоростное подключение к компьютеру сразу нескольких периферийных устройств (сканера, цифровых камер и т.п.).
Также высокоскоростное подключение до 7 устройств (винчестеров, сканеров, CDROM дисководов и т.п.) к компьютеру реализует интерфейс малых вычислительных систем (Small Computer System Interface). SCSIадаптеры размещаются в слотах расширения системной платы.
Подключение джойстиков, предназначенных для управления играми, реализуется в специальный игровой порт (Gameпорт), который размещается на звуковой карте.
2.3.6 Устройства вывода
Выводимая информация может отображаться на экране монитора, печататься на бумаге (с помощью принтера или плоттера), воспроизводиться в виде звуков (с помощью акустических колонок или головных телефонов), регистрироваться в виде тактильных ощущений (технология виртуальной реальности), распространяться в виде управляющих сигналов (устройства автоматики), передаваться в виде электрических сигналов по сети.
2.3.6.1 Мониторы
К средствам визуального отображения относятся мониторы.
Монитор работает под управлением специального аппаратного устройства - видеоадаптера, который преобразует информацию, предназначенную для вывода на экран, из внутреннего машинного представления в представление монитора. Видеокарта установлена в слот расширения системной платы в системном блоке, и с помощью нее монитор подключается к компьютеру.
Дисплей и адаптер очень тесно связаны между собой и совместно определяют качество изображения - разрешение, количество воспроизводимых цветов, скорость регенерации (число кадров в единицу времени).
Отображение информации на экране монитора возможно в одним из двух режимов: символьном или графическом. В любом режиме изображение на экране составляется из отдельных точек, каждая из которых имеет свой цвет или яркость. В графическом режиме, который в основном используется в современных программных продуктах, управление цветом или яркостью осуществляется для каждой точки экрана в отдельности. В текстовом режиме управление цветом или яркостью осуществляется сразу для группы точек, образующих прямоугольную матрицу определенного размера. Для этой группы задается цвет фона, то есть цвет точек, не участвующих в формировании символа, цвет символа и код символа. Формирование символа осуществляется под управлением специального электронного устройства - знакогенератора, представляющего для каждого символа кодовой таблицы набор байтов, определяющих местоположение в матрице точек с цветом символа и цветом фона. Изменение таблицы знакогенератора позволяет менять шрифт и создавать альтернативные таблицы кодировок символов.
В обязанности современной видеокарты входит быстрая и качественная обработка двумерной графики и поддержка (возможность вывода на экран качественно прорисованного) объемного, трехмерного изображения (3D, 3Dimensions). Кроме того, у многих видеокарт есть и дополнительные функции - прием изображения внешнего источника - видеокамеры, видеомагнитофона или телевизионной антенны (эти операции выполняют, соответственно, видеовход и TVтюнер), вывод изображения на внешние устройства - телевизор или видеомагнитофон (этим занимается видеовыход). Видеокарта оснащена достаточно мощным специализированным графическим процессором и собственной оперативной памятью (видеопамятью), объем которой постепенно догоняет стандартный объем оперативной памяти самого компьютера.
Бурное развитие графического пользовательского интерфейса операционных систем, прикладных и игровых программ явилось стимулом к появлению нового поколения видеоадаптеров, которые принято называть «графическими ускорителями». Это означает, что многие графические функции выполняются в самом видеоадаптере на аппаратном уровне, благодаря чему высвобождаются ресурсы процессора для выполнения других задач.
Основные параметры видеокарт.
1. Разрешающая способность - определенное количество точек графического изображения на единицу площади. Чем больше этих точек, тем менее зернистой и более качественной будет картинка. Разрешающую способность описывают две величины -- количество точек по вертикали и по горизонтали: 640480, 800600, 1024768, 1152864, 12801024, 16001200, 17921344.
2. Цветовой режим - количество цветов. Любая современная видеокарта обеспечит количество цветов от 16 до нескольких десятков миллионов, достигая границы чувствительности человеческого глаза. Самый «грубый» режим - 16 цветов. LowColor - режим 256 цветов. High Color - режим «высококачественного цвета» (65 тыс. цветов). True Color - режим «реального цвета» (16 млн. цветов). Два последних режима являются «рабочими» для Windows, они же чаще всего используются в играх.
Эти два параметра вместе называются видеорежимом (режим 80060065K - разрешение 800600 при 65 тыс. цветов).
3. Максимальная частота развертки (Refresh Rate) - частота обновления кадров. Чем выше частота развертки - тем меньше будет «рябить» экран монитора. Для комфортной работы необходимо, чтобы частота вертикальной развертки составляла не менее 80 Гц, т.е. чтобы изображение на экране обновлялось с частотой не менее 80 раз в секунду.
Управление видеокартой в графическом режиме, в том числе включение того или иного графического режима, осуществляется с помощью специальной программы, называемой графическим драйвером. Стандартные драйверы имеют расширение bgi, например svga256.bgi.
В настоящее время наиболее распространены цветные мониторы с видеоадаптером SVGA (Super Video Graphic Array - видеографическая матрица). Монохромные мониторы в современных компьютерах не используются. Характеристиками монитора являются:
ь размер зерна люминофора (вещества, светящегося под воздействием пучка электронов);
ь размер экрана по диагонали.
Размер зерна - это минимальный размер пикселя, который может быть получен в данном мониторе. Минимальный элемент изображения на экране (точка) называется пикселем - от английского «picture element». Нельзя смешивать понятия «пиксель» и «зерно». Размер зерна изменить нельзя, а размер пикселя зависит от режима видеоадаптера. Для адаптеров с высоким разрешением нет смысла использовать монитор с крупным размером зерна. Приемлемым сегодня считается зерно 0,28 мм, качественные мониторы имеют зерно 0,25-0,24 мм, профессиональные - 0,22 мм. Величина зерна заметно сказывается на контрастности изображения. Поэтому для графических работ следует выбирать мониторы с зерном не более 0,25 мм.
Мониторы имеют различный размер экрана. Размер диагонали экрана измеряется в дюймах
(1 дюйм = 2,54 см) и составляет 15,17, 19, 21 и более дюймов.
В настоящее время используются два вида мониторов: мониторы на электроннолучевой трубке (ЭЛТ) и жидкокристаллические мониторы.
Параметры монитора ЭЛТ определяются характеристиками электроннолучевой трубки и качеством элементов, управляющих видеотрактом.
Конструкция ЭЛТ совпадает с телевизионным кинескопом (рис. 2.11).
Перечислим основные детали, из которых состоит ЭЛТ: катод, анод, экран, колба модулятор, горизонтальные отклоняющие пластины, вертикальные отклоняющие пластины. Катод, анод и модулятор образуют электронный прожектор, который иногда называют электронной пушкой. Горизонтальные и вертикальные отклоняющие пластины образуют отклоняющую систему.
Подобные документы
История развития аппаратных средств и программного обеспечения. Представление данных (числа, символы, графика, звук). Язык двоичных кодов. Устройство компьютера (архитектура). Навыки пользователя в работе с операционной системой, программным обеспечением.
презентация [1,9 M], добавлен 19.10.2014Совместное функционирование всех устройств компьютера и доступ к его ресурсам. Понятие и функции графической операционной системы Windows. Справочная служба Windows. Управление файловой системой. Технология "Plug and Play". Графический интерфейс Windows.
контрольная работа [22,2 K], добавлен 22.01.2011Архитектура современного персонального компьютера. Виды и характеристики центральных и внешних устройств ЭВМ. Структурная и функциональная схемы персонального компьютера. Устройства для ввода информации в системный блок и для отображения информации.
курсовая работа [592,5 K], добавлен 18.01.2012Установка программного обеспечения на компьютер, снабженный операционной системой Microsoft Windows XP Service Pack2: офисных программ, антивируса, программы для работы в Интернете "Opera". Диагностика корректной установки программного обеспечения.
отчет по практике [101,1 K], добавлен 05.07.2009Методы и единицы измерения количества и объема информации. Общее понятие, виды, классификация программного обеспечения. Классическая архитектура электронной вычислительной машины. Основополагающие принципы логического устройства компьютера Фон Неймана.
реферат [272,3 K], добавлен 16.02.2014Архитектура и принцип действия персонального компьютера, понятие и классификация его программного обеспечения. Блок-схема алгоритма расчета квадратного трехчлена. Назначение, возможности, интерфейс и работа Windows. Программирование на Visual Basic.
реферат [33,5 K], добавлен 26.12.2009Внутренние и внешние устройства персонального компьютера. Классификация и характеристики ЭВМ, основы учения и структуры первых поколений. Основные принципы построения ПК. Функции центрального процессора и операционные устройства управления компьютера.
курсовая работа [109,7 K], добавлен 04.11.2010Понятие и внутреннее устройство современного персонального компьютера, особенности взаимосвязи отдельных компонентов. Функциональные возможности, классификация и типы операционных систем. Основные понятия и принципы реализации защиты информации.
курс лекций [1,6 M], добавлен 19.12.2013Общая функциональная схема компьютера. Назначение, основные характеристики устройств. Назначение, основные функции операционной системы. Работа с файлами. Ввод и вывод данных. Состав и назначение программного обеспечения компьютера. Носители информации.
методичка [36,2 K], добавлен 05.10.2008Информационные процессы с точки зрения деятельности человека. Вопросы на знание устройства компьютера, его ключевых характеристик. Основные понятия информатики, определения и сущность. Основы программирования, логические схемы. Основы работы с графикой.
шпаргалка [105,2 K], добавлен 29.05.2009
