Технические средства реализации информационных процессов

1. Принципы работы и компоненты
персонального компьютера
1.1. Роль информации в современном мире
Электронная вычислительная машина (ЭВМ) – это комплекс технических средств,
предназначенных для автоматической обработки информации. Она может решать
практически все ваши задачи, при этом необходимы две составляющие:
 аппаратное обеспечение (hardware) – это комплекс технических устройств
компьютера;
 программное обеспечение (ПО, software) – это совокупность программ, где
программа – это набор инструкций, по которым работает аппаратное обеспечение,
а цель каждой программы – решить какую-либо задачу пользователя.
Элементарными знаниями в области аппаратного обеспечения и устойчивыми
знаниями и навыками работы с необходимым ему программным обеспечением должен
обладать Пользователь (человек, который использует компьютер в качестве
инструмента для решения производственных или личных задач и который не является
при этом компьютерным специалистом).
В настоящее время индустрия производства компьютеров и программного
обеспечения является одной из наиболее важных сфер экономики развитых и
развивающихся стран. Причины стремительного роста индустрии персональных
компьютеров:
 невысокая стоимость;
 сравнительная выгодность для многих деловых применений;
 простота использования;
 возможность индивидуального взаимодействия с компьютером без посредников и
ограничений;
 высокие возможности по переработке, хранению и выдаче информации;
 высокая надёжность, простота ремонта и эксплуатации;
 возможность расширения и адаптации к особенностям применения компьютеров;
 наличие программного обеспечения, охватывающего практически все сферы
человеческой деятельности, а также мощных систем для разработки нового
программного обеспечения.
Рис. 1. Система подключения устройств к системному блоку.
Мощность компьютеров постоянно увеличивается, а область их применения постоянно
расширяется. Компьютеры могут объединяться в сети, что позволяет миллионам людей
легко обмениваться информацией с компьютерами, находящимися в любой точке земного
шара.
1.2. Представление информации в компьютере
Единицей информации является байт. Ячейка памяти имеет емкость 1 байт, если она
может хранить один символ – букву, цифру, знак препинания и т.д. Так, строка текста,
состоящая из 10 букв, занимает в памяти 10 байт.
Бит – минимальная единица информации. На практике обычно используются единицы:
 байт (8 бит);
 Кбайт (1024 байта);
 Мбайт (1024 Кбайта);
 Гбайт (1024 Мбайта).
Обработка информации в персональном компьютере (ПК) основана на обмене
электрическими сигналами между различными устройствами машины. Эти сигналы
возникают в определенной последовательности. Признак наличия сигнала можно
обозначить цифрой 1, признак отсутствия – цифрой 0. Таким образом, в ПК реализуются
два устойчивых состояния. С помощью определенных наборов цифр 0 и 1 можно
закодировать любую информацию. Каждый такой набор нулей и единиц называется
двоичным кодом. Количество информации, кодируемое двоичной цифрой 0 или 1,
называется битом. С помощью набора битов можно представить любое число и любой
знак. Знаки представляются восьмиразрядными комбинациями битов – байтами (т.е. 1
байт = 8 бит). Например, русская буква А – байт 10000000. Любую комбинацию битов
можно интерпретировать как число. Например, 110 означает число 6, а 01101100 – число
108. Число может быть представлено несколькими байтами. Таким образом, в ЭВМ
информация кодируется двумя видами символов. Такому представлению соответствует
система счисления, в которой используется всего два цифровых знака – 0 и 1.
1.3. Разновидности программ
В XIX веке Ч. Беббидж соединил идею механической машины с идеей программного
управления.
Программа – это набор компьютерных инструкций, полный и самодостаточный,
обеспечивающий выполнение конкретной задачи. Те, кто производят программы,
распространяют их через торговую сеть или через Интернет. Программу нужно
установить (инсталлировать) на компьютер, чтобы пользователь мог работать с ней.
Различают следующие группы программ.
 Системные программы. Эти программы управляют всеми ресурсами компьютера,
проверяют работоспособность устройств, обеспечивают работу других программ.
Системные программы делятся на два основных класса:
 операционные системы;
 сервисные программы.
 Инструментальные программы. Создают новое программное обеспечение. К
этой группе относятся языки программирования, интегрированные среды для
разработки приложений и для создания различных информационных систем.
 Прикладные программы. Выполняют работы, необходимые пользователю. Здесь
можно выделить следующие группы: программы обработки текстовой,
графической и числовой информации, коммуникационные пакеты, системы
управления базами данных, обучающие программы, игры и т. д.
1.4. Устройства персонального компьютера
Логическую организацию и структуру аппаратных и программных ресурсов
вычислительной системы называют архитектурой компьютера. Архитектура заключает в
себе требования к функциональности и принципы организации основных узлов ЭВМ.
Среди архитектур персональных компьютеров выделяют:
- по разрядности интерфейсов и машинных слов: 8-, 16-, 32-, 64-разрядные (ряд ЭВМ
имеет и иные разрядности);
- по особенностям набора регистров, формата команд и данных: CISC, RISC, VLIW;
- по количеству центральных процессоров: однопроцессорные, многопроцессорные,
суперскалярные.
М. Флинн предложил классифицировать архитектуру ЭВМ согласно числу потоков
команд и данных:
- вычислительная система с одним потоком команд и данных (однопроцессорная ЭВМ
– SISD, Single Instruction stream over a Single Data stream);
- вычислительная система с общим потоком команд (SIMD, Single Instruction, Multiple
Data – одиночный поток команд и множественный поток данных);
- вычислительная система со множественным потоком команд и одиночным потоком
данных (MISD, Multiple Instruction Single Data – конвейерная ЭВМ);
- вычислительная система со множественным потоком команд и данных (MIMD,
Multiple Instruction Multiple Data).
Большинство современных компьютеров основано на общих логических принципах,
сформулированных ещё в 1945 г. американским математиком Джоном фон
Нейманом(1903–1957), который предложил архитектуру вычислительной системы с
одним процессором. Основными принципами построения компьютеров фоннеймановской архитектуры являются:
– принцип программного управления (программа состоит из набора команд, которые
выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной
последовательности),
– принцип однородности памяти (программы и данные хранятся в одной и той же
памяти),
– принцип адресности (структурно основная память состоит из пронумерованных
ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка);
– принцип хранимой программы.
Джон фон Нейман сформулировал следующие положения.
1. Компьютер состоит из нескольких основных устройств (арифметико-логическое
устройство, управляющее устройство, память, внешняя память, устройства ввода и
вывода).
2. Арифметико-логическое устройство выполняет логические и арифметические
действия, необходимые для переработки информации, хранящейся в памяти.
3. Управляющее устройство обеспечивает управление и контроль всех устройств
компьютера (управляющие сигналы указаны пунктирными стрелками).
4. Данные, которые хранятся в запоминающем устройстве, представлены в двоичной
форме.
5. Программа, которая задаёт работу компьютера, и данные хранятся в одном и том же
запоминающем устройстве.
6. Для ввода и вывода информации используются устройства ввода и вывода.
Принципы построения не-фон-неймановских компьютеров несколько отличаются.
Например, в гарвардской архитектуре память программ и данных разделена, что
позволяет распараллелить выборку данных из памяти.
Открытая архитектура ЭВМ была разработана фирмой IBM для ПК. Основные
признаки открытой архитектуры:
- наличие общей информационной шины, к которой возможно подключение различных
дополнительных устройств через разъемы-расширения;
- модульное построение компьютера;
- совместимость всех новых устройств и программных средств с предыдущими
версиями по принципу «сверху-вниз», то есть последующие разработки должны
поддерживать более ранние.
К базовой конфигурации персонального компьютера относятся системный блок,
монитор, клавиатура и мышь.
По виду вычислительного процесса средства вычислительной техники подразделяют
на цифровые, аналоговые и комбинированные (гибридные).
1.5. Процессор
Рис. 2. Микропроцессор: слева – вид сверху, справа – вид снизу.
Самым главным элементом в компьютере, его «мозгом», является микропроцессор –
электронная схема, выполняющая все вычисления и обработку информации (рис. 2).
Скорость его работы во многом определяет быстродействие компьютера.
На первый взгляд процессор – просто выращенный по специальной технологии
кристалл кремния. Однако камешек этот содержит в себе множество отдельных элементов
– транзисторов, которые в совокупности и наделяют компьютер способностью «думать».
Основные функции любого процессора следующие:
– выборка (чтение) выполняемых команд;
– ввод (чтение) данных из памяти или устройства ввода/вывода;
– вывод (запись) данных в память или в устройства ввода/вывода;
– обработка данных (операндов), в том числе арифметические операции над ними;
– адресация памяти, то есть задание адреса памяти, с которым будет производиться
обмен;
– обработка прерываний и режима прямого доступа.
Для увеличения скорости выполнения математических операций (операций с
плавающей запятой) в ПК используется специальное устройство – математический
сопроцессор, работающий во взаимодействии с центральным процессором.
В настоящее время в компьютерах используются процессоры, разработанные
фирмами Intel, AMD и IBM. Основными характеристиками центрального процессора
являются тактовая частота, разрядность, объём встроенной кэш-памяти. Тактовая частота
определяет количество операций в секунду, выполняемых процессором, и характеризует
производительность процессора. Чем выше тактовая частота, тем выше
производительность и цена процессора. Тактовая частота измеряется в мегагерцах (МГц).
Разрядность процессора – это максимальное количество бит информации, которые
могут обрабатываться и передаваться процессором за один такт работы. Таким образом,
разрядность центрального процессора определяется разрядностью двоичного числа,
которое может быть обработано за один такт работы процессора. Например, если регистр
имеет разрядность 2 байта, то разрядность процессора равна 16 (2x8 бит, где 1 байт = 8
бит). Если регистр имеет разрядность 4 байта, то разрядность процессора равна 32. Если
регистр имеет разрядность 8 байтов, то разрядность процессора равна 64.
Все х86-процессоры, вплоть до Pentium 4, являлись CISC-процессорами.
CISC (англ. Complex Instruction Set Computing) – концепция проектирования процессоров,
которая характеризуется следующим набором свойств:
- нефиксированное значение длины команды;
- кодирование арифметических действий в одной инструкции;
- небольшое число регистров, каждый из которых выполняет строго определенную
функцию.
Принцип «более компактные и простые инструкции выполняются быстрее»
соответствует RISC-архитектуре процессоров. RISC (англ. Reduced Instruction Set
Computer) – компьютер с сокращённым набором команд. Простая архитектура позволяет
удешевить процессор, поднять тактовую частоту, а также распараллелить исполнение
команд между несколькими блоками исполнения. Первые RISC-процессоры были
разработаны в начале 1980-х годов в Стэнфордском и Калифорнийском университетах
США. Они выполняли небольшой (50–100) набор команд.
Важной составной частью архитектуры ЭВМ является система команд. Несмотря на
большое число разновидностей ЭВМ, на самом низком («машинном») уровне они имеют
много общего. Система команд любой ЭВМ обязательно содержит следующие группы
команд обработки информации.
1. Команды передачи данных, копирующие информацию из одного места в другое.
2. Арифметические операции. К основным арифметическим действиям обычно
относятся сложение и вычитание (вычитание в конечном счете чаще всего тем или иным
способом также сводится к сложению). Умножение и деление во многих ЭВМ
выполняются по специальным программам.
3. Логические операции, позволяющие компьютеру анализировать обрабатываемую
информацию: сравнение, а также известные логические операции И, ИЛИ, НЕ (инверсия).
Кроме того, к ним часто добавляются анализ отдельных битов кода, их сброс и установка.
4. Сдвиги двоичного кода влево и вправо. Для доказательства важности этой группы
команд достаточно вспомнить правило умножения столбиком: каждое последующее
произведение записывается в такой схеме со сдвигом на одну цифру влево. В некоторых
частных случаях умножение и деление вообще может быть заменено сдвигом (вспомните,
что, дописав или убрав ноль справа, то есть, фактически осуществляя сдвиг десятичного
числа, можно увеличить или уменьшить его в 10 раз).
5. Команды ввода и вывода информации для обмена с внешними устройствами.
6. Команды управления, реализующие нелинейные алгоритмы.
Системой команд может обладать только «исполнитель», то есть устройство,
способное выполнять команды. В компьютере это процессор и контроллеры
дополнительных устройств.
1.6. Видеокарта
Рис. 3. Видеоадаптер.
Видеоадаптер (видеоконтроллер, видеокарта) предназначен для работы в графическом
режиме. Главной задачей современной видеокарты является поддержка объёмной,
трёхмерной графики (3D). Никогда не помешает и дополнительная возможность
видеокарт – TV тюнер – приём телевизионного сигнала. Видеокарты можно в основном
разделить на два типа: это встроенные (интегрированные) видеоадаптеры и собственно
сами видеокарты.
Возможностей интегрированного видеоадаптера вполне достаточно для работы с
офисными приложениями, но современные трехмерные игры будут работать не очень
хорошо. Соответственно, его функциональность определяет область применения – это ПК,
ориентированные на работу с текстом, Интернетом, двухмерной графикой и прочими
нетребовательными к мощности видеоадаптера приложениями. Для мультимедийного и
игрового применения или для профессиональной работы с графикой лучше приобрести
компьютер с отдельной видеокартой. Два основных преимущества интегрированного
видеоадаптера: при прочих равных характеристиках компьютер будет стоить дешевле и
возможно создание ПК в компактных корпусах.
Видеокарта (видеоадаптер) – устройство, обеспечивающее вывод изображения на
монитор. Как правило, обладает лучшим качеством изображения по сравнению с
интегрированным видеоадаптером, особенно в высоких разрешениях. Обычно видеокарта
является также ускорителем трехмерной графики, что превращает компьютер в игровую
станцию. Может иметь выход на ТВ и цифровой выход DVI.
Основным показателем производительности видеокарт является объём видеопамяти –
оперативная память, в которой хранятся видеоданные. Для интегрированных
видеоадаптеров она выделяется из основной оперативной памяти компьютера в размере
до 128 МБ, на видеокартах устанавливается собственная, в объёме 64-512 МБ. Большой
объём видеопамяти необходим только в трехмерных играх, при монтаже цифрового видео
и работе с профессиональными 3D-приложениями. Как правило, для большинства
современных приложений и игр достаточно 128-256 МБ.
1.7. Звуковая карта
Звуковая карта – устройство, необходимое для редактирования и вывода звука,
посредством звуковых колонок. Существуют 8-, 16- и 20-разрядные (битные) карты. Для
домашнего компьютера хватает 16-битной звуковой карты, поскольку 20-битные –
профессиональные карты для программистов, занимающихся музыкой на компьютере, да
и стоит такая карта намного дороже других.
Важнейшим параметром кодирования звука является частота дискретизации звука, то
есть количество преобразований аналогового звука в цифровую форму, выполняемых за
одну секунду. При квантовании звука определяется номер подуровня квантования, в
который попадает дискретное значение звукового давления. Количество бит,
используемых для записи номеров подуровней, называется глубиной кодирования звука.
Чем больше частота дискретизации и глубина кодирования, тем выше качество звука и
тем больше при воспроизведении он будет похож на оригинал.
Для синтеза звука используются два основных метода: метод частотной модуляции
(FM – Frequency Modulation) и метод волновых таблиц (WT – Wave Table). Второй метод
обеспечивает более высокое качество звука.
1.8. Память
Устройство хранения информации – это память. Память компьютера можно разделить
на две основные группы – это внутренняя и внешняя память. К внутренней памяти
относится:
 оперативная память (ОЗУ);
 кэш-память;
 постоянно запоминающие устройство (ПЗУ).
К внешним запоминающим устройствам относят все виды запоминающих устройств,
которые располагаются вне системной платы персонального компьютера, например,
винчестеры, накопители на гибких магнитных дисках, накопители на CD, Flash USB Drive,
накопители на магнитной ленте (стриммеры). Эти устройства энергонезависимы и
предназначены для долговременного хранения данных.
Энергозависимой обычно является внутренняя память, а внешняя соответственно
энергонезависимой, т.е. данные могут храниться во внутренней памяти только при
наличии питания. Из-за различных способов использования этих видов памяти и
происходит такое разделение. Внешняя память предназначена для хранения данных и
программ, внутренняя же используется при обработке информации компьютером (рис. 4).
Рис. 4. Структура обработки и сохранения информации на компьютере.
Магнитный барабан – ранняя разновидность компьютерной памяти, широко
использовавшаяся в 1950-1960-х годах.
Самая быстродействующая – это электронная оперативная память. В современных
компьютерах она составляет оперативную, а также сверхоперативную (кэш) память. Её
быстродействие обусловлено отсутствием медленных механических элементов в её
устройстве, как это имеет место в памяти на магнитных дисках и лентах, компакт-дисках.
Оперативная память (RAM, ОЗУ) обеспечивает работу с программным
обеспечением. Из ОЗУ процессор и сопроцессор берут программы и исходные данные для
обработки. Чтобы процессор мог выполнить программу, она должна быть загружена в
оперативную память компьютера. Программы загружаются в оперативную память из
внешних запоминающих устройств (например, с жёсткого диска), туда же (в оперативную
память) заносятся все данные, которые необходимы компьютеру для работы. Во время
выполнения прикладная программа хранится в оперативной памяти.
Характеристика оперативной памяти – объём, измеряемый в Мбайтах (МБ).
Оперативная память выпускается в виде микросхем, собранных в специальные модули:
DIMM DDR и DDR2 или новейшие модули DDR3 и DDR4. Среди видов внутренней
памяти наибольшим объёмом обладает оперативная память – каждый модуль может
вмещать от 1 МБ до 8 ГБ (рис. 5).
Рис. 5. Модуль оперативной памяти
Динамическая память служит базой для построения модулей оперативной памяти.
Организуется из набора полупроводниковых конденсаторов, хранящих уровни
напряжения. Благодаря маленькой площади, занимаемой элементом памяти на кристалле,
обеспечивается большая информационная емкость микросхем памяти.
Регенерация, т.е. периодическое восстановление состояния ячеек памяти, является
атрибутом динамической оперативной памяти. Ячейки данного вида памяти строятся на
микроскопических конденсаторах, которые из-за утечек постепенно разряжаются. Чтобы
сохранить значение данных, необходима периодическая (десятки раз в секунду)
подзарядка конденсаторов, что и происходит при регенерации памяти.
Статическая память служит базой для построения кэш-памяти и микропроцессорной
памяти. Запоминающим элементом статической памяти является триггер (элемент с двумя
устойчивыми состояниями), переключаемый за существенно меньшее время по
сравнению со временем (заряд/разряд) элемента динамической памяти.
Кэш используется для ускорения доступа к оперативной памяти, на
быстродействующих компьютерах применяется специальная сверхбыстродействующая
кэш-память, которая располагается как бы между процессором и оперативной памятью и
хранит копии наиболее часто используемых участков оперативной памяти. При
обращении микропроцессора к памяти сначала производится поиск нужных данных в
кэш-памяти. Поскольку время доступа к кэш-памяти в несколько раз меньше, чем к
обычной памяти, а в большинстве случаев необходимые микропроцессору данные уже
содержатся в кэш-памяти и среднее время доступа к памяти уменьшается.
Внутренней памятью процессора является регистровая память (РП). Иногда её
называют сверхоперативной памятью.
Все эти виды памяти являются энергозависимыми, т.е. очищаются при отключении
питания.
Постоянная память. Другие названия: ПЗУ (постоянное запоминающее устройство),
ROM (Read Only Memory – память только для чтения). Медленная память необходима для
запуска компьютера при включении. Энергонезависима.
Программы начального тестирования, загрузки и базовой системы ввода-вывода
персонального компьютера хранятся в микросхеме ПЗУ, расположенной на системной
плате. Это необходимо для того, чтобы компьютер мог начать функционировать после
включения питания независимо от наличия и состава дополнительных видов памяти,
таких как винчестер, CD-ROM и т.д.
BIOS (Basic Input Output System – базовая система ввода-вывода) – группа небольших
программ в ПЗУ.
BIOS отвечает за самые главные, базовые функции интерфейса и настройки
оборудования. Главная функция BIOS материнской платы – инициализация устройств,
подключенных к материнской плате, сразу после включения питания компьютера. С
помощью BIOS при включении компьютера выполняется также самотестирование
основных систем. Наиболее широко среди пользователей компьютеров известна BIOS
материнской платы, но BIOS присутствуют почти у всех компонентов компьютера: у
видеоадаптеров, сетевых адаптеров, модемов, дисковых контроллеров, принтеров. По
своей сути BIOS является посредником между аппаратным и программным обеспечением
компьютера.
Электронная микросхема EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory) –
стираемое перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ). Память
такого типа может стираться и заполняться данными несколько десятков тысяч раз.
Используется в твердотельных накопителях.
Высокоскоростная память, которая принадлежит какому-либо функциональному блоку
компьютера и служит для снижения нагрузки на основную память, называется буферной
памятью. Примерами такой памяти являются видеопамять графического адаптера, память
контроллеров жёстких дисков.
1.9. Внешняя память
Длительное хранение информации пользователя обеспечивает ВЗУ (внешнее
запоминающее устройство). К внешней памяти относятся: накопители на жестких
магнитных дисках (НЖМД), накопители на гибких магнитных дисках (НГМД),
накопители на магнитооптических компакт дисках, накопители на оптических дисках,
накопители на магнитной ленте и др.
Принцип изменения магнитной индукции носителя используется в накопителях типа
«винчестер» (HDD). Винчестеры предназначены для постоянного хранения информации,
используемой при работе с компьютером: программ операционной системы, часто
используемых пакетов программ, редакторов документов и т.д. (рис. 6).
Рис. 6. Жёсткий диск.
Основными параметрами винчестера (жёсткого диска) являются: ёмкость диска,
количество поверхностей, скорость вращения шпинделя, объём встроенной кэш-памяти,
интерфейс.
Ёмкость диска. Для пользователя накопители на жёстком диске отличаются друг от
друга прежде всего своей ёмкостью, т.е. тем, сколько информации помещается на диске.
Сейчас компьютеры в основном оснащаются винчестерами от 80 Гбайт и более.
Информация на магнитных дисках записывается по концентрическим дорожкам и
секторам, которые формируются на диске в результате операции форматирования.
Первые универсальные ЭВМ и даже первые персональные компьютеры
функционировали без винчестера. В современных управляющих компьютерах программы
могут быть «зашиты» сразу в схемы и такие компьютеры функционируют без
винчестеров.
В USB флеш-накопителях (флеш-картах) используется электронная энергонезависимая
перезаписываемая память. Флэш-память строится на полупроводниковых элементах.
Наибольшей плотностью и быстродействием обладает её разновидность на основе ячеек с
И-НЕ элементами (NAND).
Стриммер (от англ. streamer), также ленточный накопитель – запоминающее
устройство на принципе магнитной записи на ленточном носителе, с последовательным
доступом к данным (рис. 7); по принципу действия аналогичен бытовому магнитофону.
Рис. 7. Стример и картридж к нему.
Устройство для чтения компакт-дисков предназначено для чтения записей на
компакт-дисках. Достоинства устройства – большая ёмкость дисков, быстрый доступ,
надежность, универсальность, низкая стоимость. Основное понятие, характеризующее
работу данного устройства, – скорость. Главный недостаток – невозможность записи
информации. Для этого необходимы другие устройства.
Оптический диск с нестираемой информацией, предназначенный только для
многократного чтения пользователем, – это CD-ROM (Compact Disk – Read Only Memory).
Диск CD-ROM обычно используется для того, чтобы хранить коммерческие программы и
данные. Нельзя добавлять или стирать данные на диске CD-ROM.
На оптические диски DVD-R и CD-R пользователь может записывать файлы более
одного раза (каждая запись называется сеансом), но нельзя стирать файлы с диска. Каждая
запись является постоянной. Запись на эти диски осуществляется благодаря наличию на
них особого светочувствительного слоя, выгорающего под воздействием
высокотемпературного лазерного луча.
На диск CD-RW можно записывать файлы многократно. Можно также удалять
ненужные файлы с диска, чтобы освободить пространство и записать дополнительные
файлы. Диск CD-RW можно многократно записывать и стирать.
Рис. 8. Оптический диск (CD или DVD).
Один из основных параметров любого типа памяти компьютера – время доступа к
памяти, которое определяется как минимальное время, достаточное для размещения в
памяти единицы информации. Быстродействие накопителя информации – скорость чтения
– записи данных в накопителе. Оно характеризуется двумя параметрами: средним
временем доступа и скоростью передачи данных.
Прямой доступ к памяти (англ. Direct Memory Access, DMA) – режим обмена данными
между устройствами или же между устройством и основной памятью (RAM) без участия
центрального процессора (ЦП).
1.10. Соединительные устройства
Архитектура современных персональных компьютеров основана на магистральномодульном принципе. Модульный принцип позволяет потребителю самому
комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при
необходимости ее модернизацию. Модульная организация системы опирается на
магистральный (шинный) принцип обмена информации. Магистраль (системная шина) –
это набор электронных линий, связывающих воедино центральный процессор, системную
память и периферийные устройства.
Обмен информацией между отдельными устройствами компьютера производится по
трём многоразрядным шинам (многопроводным линиям связи), соединяющим все модули,
– шине данных, шине адресов, шине управления.
Шина адреса предназначена для передачи адреса нахождения данных в памяти.
Разрядность адресной шины определяет адресное пространство процессора, то есть
максимальный объем оперативной памяти, с которой процессор может работать
теоретически (например, в случае наращения). Таким образом, если адресная шина 32разрядная, то в случае наращения процессор может работать с памятью объемом до
232 байт.
По шине данных происходит передача данных от процессора устройствам и наоборот.
Таким образом, в компьютере с 64-разрядной шиной данных разрядность процессора
равна 64.
По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена
информацией (ввод или вывод), и сигналы, синхронизирующие взаимодействие
устройств.
На материнской (системной) плате персонального компьютера обычно размещаются:
центральный процессор, контроллеры некоторых устройств (например, клавиатуры,
долговременных запоминающих устройств, портов), системные шины с разъемами для
подключения дополнительных устройств, разъемы для модулей оперативной памяти, кэшпамять, память с программой базовой системы ввода/вывода (BIOS) .
Рис. 9. Структура подключения к шине основных устройств.
Только процессор и оперативная память подключаются непосредственно к шине.
Остальные устройства подключаются к ней с помощью специальных согласующих
устройств – контроллеров. Некоторые из них (например, контроллер клавиатуры и
контроллеры дисков) смонтированы сразу на системной плате. Другие же располагаются
на специальных платах, называемых адаптерами. Например: видеоадаптер (или
видеокарта), сетевой адаптер и др.
Слоты расширения представляют собой расположенные на системной плате разъёмы
для подключения дополнительных устройств внутри системного блока компьютера.
Внешние (периферийные) устройства, такие как сканер или принтер, подключаются через
порты, снабженные разъёмами снаружи системного блока.
Порты – это устройства, через которые периферийные устройства присоединяются к
системному блоку. Аппаратно порты реализуются в виде разъёмов на задней стенке
системного блока. Обычно выделяются следующие типы портов.
 Последовательный порт (СОМ, PS/2) – осуществляет передачу символов данных по
одному биту. Через СОМ-порты подключают мышь и модем. Через PS/2-порт –
клавиатуру и мышь.
 Параллельный порт (LPT) – одновременно передается байт данных. Используется
для принтеров и сканеров. Порт USB – универсальный порт, к которому можно
присоединить до 127 внешних устройств, поддерживающих стандарт USB. Это
может быть принтер, сканер, монитор, клавиатура, мышь и т.д.
Помимо названных портов существуют и другие:
 игровой (game) – для подключения джойстика;
 инфракрасный (IrDA) – для беспроводного подключения устройств;
 радиопорт (bluetooth) – для беспроводного подключения устройств.
Драйвер устройства – это программное средство, необходимое для подключения
аппаратных средств.
1.11. Устройства ввода
Периферийные устройства выполняют функции ввода и вывода информации. К
устройствам ввода-вывода информации можно отнести любое устройство, которое
позволяет ввести данные в ЭВМ и/или вывести данные из ЭВМ в заданной форме.
Обычно такие устройства специализируются либо только на вводе данных (клавиатура,
мышь, сканер, веб-камера), либо только на выводе (монитор, принтер, аудиоколонки).
Тем не менее, появившиеся многофункциональные устройства, например сенсорные
дисплеи, записывающие звуковые карты, позволяют и то, и другое. К
многофункциональным устройствам можно отнести сетевые устройства, позволяющие
обмениваться информацией в обе стороны.
Клавиатура – устройство ввода текстовой информации. Современная клавиатура
состоит из 104 укреплённых в едином корпусе клавиш (рис. 10). Клавиши клавиатуры
делятся на шесть групп.
Рис. 10. Структурное разделение клавиатуры.
1. Алфавитно-цифровые.
2. Специальные.
3. Управления курсором.
4. Функциональные.
5. Вспомогательные.
6. Дополнительные.
Координатное устройство ввода – разновидность периферийных устройств
пользовательского интерфейса, обеспечивающих ввод пространственных координат (в
одном, двух, трёх измерениях). Примерами таких устройств могут служить: мышь,
джойстик, трекбол, дигитайзер, сенсорная панель или экран.
Мышь – манипулятор для ввода информации в компьютер (рис. 11). Он необходим для
работы с графическими пакетами, чертежами, при разработке схем и при работе в новых
операционных системах. Желательно иметь также специальный коврик под мышь, что
обеспечивает её сохранность и долговечность. Самые простые и дешёвые модели –
оптико-механические. Более дорогие и надёжные модели «мышек» – оптические. А
самыми лучшими считаются инфракрасные беспроводные мыши.
Рис. 11. Мышь – манипулятор.
Джойстик – манипулятор в виде укреплённой на шарнире ручки с кнопками,
используется в основном в компьютерных играх (рис. 12).
Рис. 12. Джойстик – манипулятор.
Трекбол по функциям близок мыши, но шарик в нем больших размеров, и
перемещение указателя осуществляется вращением этого шарика руками. Трекбол удобен
тем, что его не требуется перемещать по поверхности стола, которого может не быть в
наличии. Поэтому, по сравнению с мышью, он занимает на столе меньше места.
Большинство переносных компьютеров оснащаются встроенным трекболом.
Для ввода графической информации можно использовать сканеры, диджитайзеры,
графические планшеты, цифровые фотокамеры, мышь.
Сканер – то устройство, позволяющее вводить в компьютер образы изображений,
представленных в виде текста, рисунков, слайдов, фотографий и другой графической
информации. В настоящее время все известные модели можно разбить на два типа:
ручной и настольный. Настольные сканеры изображений бывают рулонные, планшетные,
проекционные, слайд-сканеры для фотоплёнок, барабанные, штрих-сканеры и т.д.
Барабанные сканеры используются в полиграфии, для домашнего применения не
подходят, так как эти устройства дорогостоящие и громоздкие.
Рис. 13. Сканер.
Основными характеристиками сканера являются пространственная разрешающая
способность, количество передаваемых цветов и угол обзора. Пространственная
разрешающая способность количественно описывается числом различаемых точек на
единицу длины, например «точек на дюйм», dot per inch (dpi). Количество передаваемых
цветов (глубина цвета) определяется разрядностью представления цвета одной точки.
Большинство компьютерных приложений работают с 24-битным представлением цвета
(полное количество цветов – 16,77 млн. на точку). У сканеров эта характеристика, как
правило, выше – 30 бит и более. Производительность сканера определяется
продолжительностью сканирования листа бумаги стандартного размера.
ПЗС-матрицы (приборы с зарядовой связью), предназначенные для преобразования
оптического изображения в аналоговый электрический сигнал, используются в
устройствах ввода информации в графическом формате – сканерах и цифровых
фотокамерах.
1.12. Устройства вывода
Устройства вывода – периферийные устройства, преобразующие результаты обработки
цифровых машинных кодов в форму, удобную для восприятия человеком или пригодную
для воздействия на исполнительные органы объекта управления.
Для вывода созданной пользователем графической информации можно использовать
дисплеи (мониторы), принтеры, плоттеры (графопостроители), проекторы, сенсорные
экраны, графические планшеты.
Рис. 14. Монитор.
Монитор (дисплей) – устройство, предназначенное для вывода на экран текстовой и
графической информации (рис. 14). От качества монитора зависит сохранность зрения и
общая утомляемость при работе. Мониторы имеют стандартный размер диагонали в 14,
15, 17, 19, 20 и 21 дюйм. Однако в настоящее время мониторы с 14-дюймовым экраном не
выпускают. Для домашнего компьютера вполне хватит монитора с 15- или 17-дюймовым
экраном. Различают следующие стандарты мониторов:
 на электронно-лучевой трубке – ЭЛТ;
 на жидких кристаллах – ЖК.
Основной характеристикой мониторов в плане качества демонстрируемых
изображений являются максимальное число отображаемых пикселей по вертикали и
горизонтали, а также глубина цвета (количество воспроизводимых цветов), максимальная
яркость и контрастность. Часто первую характеристику заменяют парой – размером
экрана (диагонали) и размером зерна (элемента изображения):
Характеристика
Описание
Значения
Размер экрана в дюймах.
15”; 17”; 18”; 19”;
При равной диагонали
Диагональ
эффективная поверхность
21”; 22”; 24”;
мониторов на ЖК больше
Максимальное кол-во точек
800х600; 1024х768;
по горизонтали и по вертикали.
1280х1024; 1600х1200;
Разрешающая
Разрешение монитора
1880х1440
способность
пользователь может менять,
устанавливая более низкие
значения
Частота обновления экрана.
Частота смены
Чем значение больше, тем
85 Гц; 100 Гц; 115 Гц
кадров
лучше
Размер пикселя измеряется в
0,24; 0,25; 0,27; 0,28;
Размер зерна (точка) мм. Чем значение меньше, тем
0,29; 0,30; 0,31
лучше.
Большое число точек на единицу длины не так важно для мониторов, в отличие от
сканеров, поскольку размеры зерна мониторов обычно меньше размеров одного пикселя
воспроизводимого цифрового изображения.
Основными характеристиками жидкокристаллических (LCD) мониторов являются:
максимальное число отображаемых пикселей по вертикали и горизонтали, размер
пикселя, число отображаемых цветов, максимальные яркость и контрастность, угол
обзора.
Рис. 15. Принтер.
Принтер – устройство, позволяющее выводить графическую информацию на бумагу
или другие носители формата А4. Принтер является периферийным устройством, без
которого работа компьютера возможна. Назначение принтеров – печать результатов
обработки информации. Основной способ создания изображения – вывод на бумагу
окрашенных точек. Принтеры бывают лазерные, струйные и сублимационные.
В струйном принтере краска из сопла разбрызгивается на поверхность листа бумаги
при горизонтальном перемещении картриджа над бумагой (изображение создаётся с
помощью чернильных капель), в лазерном – изображение создаётся путём напыления
порошка и его фиксации с помощью нагрева.
Средние характеристики принтеров:
Тип принтера
ПроизводиРазрешение
Объём печати
тельность
(точек на дюйм)
в месяц (стр. А4)
1440х720;
До 10 страниц в
Струйный
500-600
минуту
1200х600;
Лазерный
10-20 стр. в минуту
2800х720;
2400х1200
1200
3000-60000
К основным параметрам лазерных принтеров относятся разрешающая способность
(dpi), буфер печати (Мбайт), производительность (стр/мин), формат бумаги (А4).
Количество сопел и объём буфера данных характеризуют струйный принтер.
При выборе принтера следует учитывать, что:
 большинство струйных принтеров могут печатать в цвете;
 чернила струйных принтеров расплываются при воздействии воды;
 принтеры чувствительны к качеству бумаги;
 считаться надо не только с ценой принтера, но и с ценой расходных материалов.
Рис. 16. Плоттер.
Плоттер – устройство, позволяющее выводить графическую информацию на бумагу
или другие носители (рис. 16). Типовые задачи для плоттеров – выполнение различных
чертежей, схем, рисунков, графиков, карт и т.п. Современные плоттеры
классифицируются по формату использования бумаги и типу пишущего механизма. Цена
плоттера и расходных материалов, как правило, достаточно высока. Но качество близко к
полиграфическому и оправдывает все затраты.
1.13. Компьютерные сети
Компьютерные сети позволяют решать задачи получения и передачи информации.
Компьютерная сеть – это комплекс аппаратных и программных средств, позволяющих
осуществлять связь между компьютерами. Вычислительная сеть состоит из компьютеров,
физически объединенных с помощью коммуникационного оборудования и линий связи и
логически связанных сетевым программным обеспечением.
Несколько компьютеров, имеющих сетевые платы и расположенных на небольшом
удалении друг от друга, соединяют специальными кабелями, и таким образом
формируется локальная компьютерная сеть (LAN – Local Area Network). Локальные
сети широко используются на мелких и средних предприятиях.
А компьютеры, удаленные на большие расстояния, соединяет глобальная
компьютерная сеть или сеть дальней связи (WAN – Wide Area Network). Локальные и
глобальные сети могут соединяться между собой.
Интернет называют сетью сетей, т.к. это общедоступное объединение многих
компьютерных сетей с установленными правилами обмена информацией. Правила обмена
задаются специальным программным обеспечением – набором сетевых протоколов
TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol – Протокол Управления
Передачей/Межсетевой протокол). В настоящее время широко развивается Интранет
(корпоративные сети) – это локальная или глобальная сеть, доступная в пределах одного
предприятия, в которой обмен информацией происходит по правилам Интернет.
1.14. Устройства передачи данных
Модемы и факс-модемы широко применяются для связи компьютеров, позволяют
одному из них связываться с другим (также оборудованным модемом) через телефонную
сеть (телефонный модем) или кабельную сеть (кабельный модем).
Факс-модем дополнительно позволяет компьютеру, к которому он присоединен,
передавать и принимать факсимильные изображения на другой факс-модем или обычную
факс-машину.
Рис. 17. Внутренний телефонный модем для шины PCI.
Внутренние модемы представляют собой электронную плату, устанавливаемую
непосредственно в компьютер, а внешние – автономное устройство.
Рис. 18. Сетевая плата.
Сетевая плата (также известная как сетевая карта, сетевой адаптер, Ethernet-адаптер,
NIC, англ. network interface card) – устройство, позволяющее взаимодействовать
компьютерам между собой посредством локальной сети (рис. 18).
Обычно сетевая плата идёт как отдельное устройство и вставляется в слоты
расширения материнской платы (в основном – PCI, ранние модели использовали шину
ISA). На современных материнских платах сетевой адаптер все чаще является
встроенным, таким образом, покупать отдельную плату не нужно до тех пор, пока не
требуется организация ещё одного сетевого интерфейса.
На сетевой плате для подключения к локальной сети имеются разъёмы
для подключения кабеля витой пары и/или BNC-коннектор для
коаксиального кабеля, а также несколько информационных
светодиодов, сообщающих о наличии подключения и передаче
информации.Задания
1. Прочитайте главу «Принципы работы и компоненты персонального компьютера».
2. Выполнить тестовые задания в разделе «Самоконтроль».
Самоконтроль
1. Вы печатаете на компьютере текст. Где хранятся в этот момент вводимые Вами
данные?
a Во внутренней памяти.
b Во внешней памяти.
2. Компьютер выключен. Где хранятся программы и данные?
a Во внутренней памяти.
b Во внешней памяти.
3. Из перечисленных ниже видов памяти выберите те, которые являются
энергонезависимыми.
a ОЗУ.
b CD.
c ПЗУ.
d Кэш-память.
e Жёсткий диск.
f DVD.
4. Выберите из приведённого ниже списка устройства, которые являются
устройствами вывода.
a Монитор.
b Дискета.
c Колонки.
d Клавиатура.
e Наушники.
f Принтер.
5. Жёсткий диск предназначен для …
a хранения информации;
b передачи информации;
c ввода информации.
6. В оперативной памяти компьютера …
a хранятся исполняемые в данный момент программы;
b постоянно хранятся все установленные на компьютере программы;
c хранятся открытые в данный момент документы.
7. Какие из перечисленных устройств являются устройствами ввода данных?
a Сканер.
b Принтер.
c Дискета.
d Клавиатура.
8. Выберите верное выражение.
a Гбайт больше, чем Кбайт.
b Кбайт больше, чем Мбайт.
c Мбайт больше чем Гбайт.
d Байт больше чем Кбайт.
9. В одном Мбайте …
a 1000 Кбайт.
b 1024 Кбайт.
c 1024 Байт.
d 8 бит.
10. Наименьшей единицей измерения информации в компьютере является …
a Кбайт;
b байт;
c бит;
d герц.
11. Сколько будет занимать слово computer, хранящееся в памяти компьютера?
a 8 байт;
b 4 байта;
c 1 байт;
d 1 бит.
12. Процессор предназначен для …
a хранения информации;
b передачи информации между устройствами компьютера;
c обработки информации/
13. Основным показателем производительности процессора является:
a тактовая частота;
b питающее напряжение;
c размеры;
d объём памяти.
14. Выберите наиболее производительную марку процессора.
a Intel Pentium IV 2000 МГц.
b Intel Celeron 2000 МГц.
c AMD AtlonXP 1700 МГц.
d Intel Pentium III 1200 МГц.
15. В чём измеряется скорость работы процессора?
a В МГц.
b В байтах.
c В секундах.
d В бодах.
16. Обладают ли видеокарты собственной памятью?
a Да.
b Нет.
c Зависит от типа исполнения (встроенная или плата расширения).
17. Откуда выделяется память для встроенных видеокарт?
a Из оперативной памяти.
b С жёсткого диска.
c Со сменных носителей (CD\DVD-диски, флэш-карты, дискеты).
18. Внутренняя или внешняя память обычно является энергозависимой?
a И внутренняя, и внешняя.
b Только внутренняя.
c Только внешняя.
19. Выберите порты, к которым можно подключить принтер или сканер.
a COM или PS/2 порты.
b LPT порт.
c USB порт.
20. Основной характеристикой производительности модема является …
a скорость передачи данных;
b объём памяти;
c частота.