Тема_2 - Sciyouth.ru

Тема 2. Аппаратные реализации информационных процессов.
Рассматриваются вопросы: Классификация ЭВМ. Архитектура ЭВМ.
Аппаратное обеспечение информационной технологии. Основные характеристики ПК.
1. Классификация ЭВМ
Массовость использования персональных компьютеров (ПК), не должна заслонить
использование больших, мощных вычислительных систем. В настоящее время немногие
государства могут производить супер-ЭВМ.
Рассмотрим схему классификации компьютеров, исходя из их производительности,
размерности и функционального назначения.
ЭВМ
Супер-ЭВМ
Большие ЭВМ
Мини-супер
Мощные -супер
Мини-ЭВМ
МикроЭВМ
Многопользовательские
Встроенные
Рабочие станции
Персональные
Схема 1. Классификация ЭВМ.
2. Архитектура ЭВМ
2.1. Классическая структура ЭВМ фон Неймана.
Архитектура ЭВМ – это наиболее общие принципы построения ЭВМ, реализующие
программное управление работой и взаимодействием основных ее функциональных узлов.
Общие принципы построения ЭВМ:
 Структура памяти ЭВМ;
 Способы доступа к памяти и внешним устройствам;
 Возможность изменения конфигурации компьютера;
 Система команд;
 Форматы данных;
 Организация интерфейса.
Основы учения об архитектуре ЭВМ заложил американский математик Джон фон Нейман. Он
выдвинул как основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, так и предложил
структуру, которая применялась в ЭВМ 1 и 2 поколений.
3
Внешнее запоминающее устройство
(ВЗУ)
ПРОЦЕССОР
Устройство
ввода
Арифметико
-логическое
устройство
(АЛУ)
Устройство
управление
(УУ)
Устройство
ввода
Оперативное запоминающее
устройство (ОЗУ)
Схема 2.Классическая архитектура ЭВМ, построенная на принципах фон Неймана.
– направление потоков информации;
– направление управляющих сигналов от процессора к остальным узлам
ЭВМ.
Разработанные фон Нейманом основы архитектуры вычислительных устройств –
фундаментальны. Большее число вычислительных машин -фон-неймановские машины.
2.2. Совершенствование и развитие внутренней структуры ЭВМ
Классическая структура ЭВМ свойственна для ЭВМ 1 и 2 поколений. В ЭВМ 3-его
поколения использовались интегральные схемы, что значительно увеличило быстродействие.
Процессор, руководивший работой внешних устройств, большую часть времени простаивал в
ожидании информации из вне – это снижало эффективность работы. Происходит освобождение
процессора от этих функций. Их принимают на себя такие схемы:
- каналы обмена;
- процессоры ввода-вывода;
- периферийные процессоры.
В последнее время их называют - контролеры внешнего устройства. С использованием
контролеров для связи между отдельными функциональными узлами ЭВМ используется
общая шина – магистраль.
Шина состоит из трех частей:
- шина данных, по которой передается информация;
- шина адреса, определяющая, куда передаются данные;
- -шина управления, регулирующая процесс обмена информацией.
4
Центральный
процессор
Устройство
ввода
Видеопамять
Данных
Адреса
управления
ШИНА
К
Память
К
К
К
К
Внешнее
запоминающее
устройство
Устройство
ввода
Устройство
вывода
К
Внешнее
запоминающее
устройство
Устройство
вывода
Схема 3. Шинная архитектура ЭВМ.
Различают также IBM PC-совместимые микрокомпьютеры (читается Ай-Би-Эм Пи-Си) и
IBM PC-несовместимые микрокомпьютеры. В конце 1990-х годов IBM PC-совместимые
микрокомпьютеры составляли более девяноста процентов мирового компьютерного парка. IBM
PC был создан американской фирмой Ай-Би-Эм (IBM) в августе 1981, при его создании был
применен принцип открытой архитектуры, который означает применение в конструкции при
сборке компьютера готовых блоков и устройств, а также стандартизацию способов соединения
компьютерных устройств.
Принцип открытой архитектуры способствовал широкому распространению IBM PCсовместимых микрокомпьютеров-клонов. Их сборкой занялось множество фирм, которые в
условиях свободной конкуренции снизили в несколько раз цены, энергично внедряли в
производство новейшие технические достижения. Пользователи в свою очередь получили
возможность самостоятельно модернизировать свои микрокомпьютеры и оснащать их
дополнительными устройствами сотен различных производителей.
Единственный из IBM PC-несовместимых микрокомпьютеров, получивший относительно
широкое распространение, — компьютер Макинтош (Macintosh). Начиная с 1980-х годов
микрокомпьютеры Макинтош американской фирмы Эпл (Apple) составляли достойную
конкуренцию IBM PC-совместимым микрокомпьютерам, так как, несмотря на свою дороговизну,
они обеспечивали пользователю наглядный графический интерфейс, были значительно проще в
эксплуатации и обладали большими возможностями. Начиная с 1990-х годов разница между
возможностями Макинтошей и IBM PC все более нивелируется. Последние были оснащены
операционными системами с графическим интерфейсом (Windows, OS/2), многочисленными
5
рассчитанными на них прикладными программами. В настоящее время Макинтоши удерживают
лидирующие позиции лишь на рынке настольных издательских систем.
3. Аппаратное обеспечение информационной технологии.
Компьютер – универсальное многофункциональное электронное программно-управляемое
устройство для работы с информацией – обработки, хранения и обмена информацией с внешними
объектами.
Персональный компьютер имеет четыре типа устройств:
- устройства ввода информации: клавиатура, мышь, сканер, модем;
- устройства вывода информации: дисплей, принтер, плоттер; (графопостроитель);
- устройство для обработки информации – микропроцессор;
- устройства памяти – внутренняя и внешняя память.
Конструктивно ПК выполняется виде центрального системного блока, к которому
подключаются внешние устройства.
Существует базовая аппаратная конфигурация:
- системный блок;
- клавиатура;
- мышь;
- монитор (дисплей).
Конфигурацию можно дополнять внешними (периферийными) устройствами, к которым
относятся:
- принтер;
- модем;
- сканер;
- колонки и др.
Системный блок включает:
- блок питания;
- системную (материнскую плату), на которой находятся:
микропроцессор;
блоки (микросхемы) ОЗУ и ПЗУ;
системная шина.
- накопители на дисках:
на жестких магнитных дисках (винчестер) – НЖМД;
на гибких магнитных дисках – НГМД;
на флоппи- дисках;
сверхвысокой плотности записи, VHD –накопители (ZIPдиски);
на оптических компакт-дисках CD ROM;
на оптических дисках CC WORM;
на магнитооптических дисках (НМОД);
флэш-память – твердотельные накопители без
механики
- разъемы для доп. устройств:
- звуковых карт;
- видеоплат и др.
Микропроцессор (центральный процессор) – функционально законченное программно управляющее устройство обработки информации, выполненное в виде одной или нескольких
БИС или СБИС.
4. Основные характеристики ПК
6
Основными характеристиками конкретного компьютера являются:
 быстродействие;
 емкость оперативной памяти;
 емкость жесткого магнитного диска (ЖМД) – винчестера и др.
( Термин «винчестер» возник в 1973г. Из жаргонного названия первой модели жесткого
диска емкостью 16 Кбайт, имеющего 30 дорожек и 30 секторов – это совпало с
калибром 30/30 охотничьего ружья «Винчестер».)
Важными характеристиками компьютера являются:
 тип видиосистемы – монитора и видеоадаптера;
 тип принтера (матричный, струйный, лазерный; черно-белый или цветной);
 аппаратная и программная совместимость с другими ПК;
 совместимость программного обеспечения сверху вниз (каждый новый процессор
«понимает» все команды своих предшественников;
 открытая архитектура – возможность дополнения имеющихся аппаратных средств
новыми компонентами без замены старых.
4.1. Рассмотрим основные характеристики ПК подробно.
1. Быстродействие компьютера можно оценить, зная тактовую частоту и разрядность
микропроцессора.
Тактовая частота определяется частотой генератора тактовых импульсов. Она равна
количеству тактов в секунду и измеряется в мегагерцах (МГц). Частота в 1 МГц соответствует
миллиону тактов в секунду. Процессоры ПК могут иметь частоты 266, 400, 700, 1000 МГц и
более. Процессоры Pentium IV выпускаются с тактовой частотой более 2 МГц.
Разрядность – это количество битов, которое воспринимается микропроцессором как
единое целое (или максимальное количество разрядов двоичного числа, над которым может
выполняться одна машинная операция) – 4, 8, 16, 32, 64, т.е. целая степень числа 2. Чем больше
разрядность, тем больше производительность (скорость работы) компьютера.
2. Емкость оперативной памяти – измеряется в мегабайтах. При оперативной памяти менее
8 мегабайт, многие современные прикладные программы либо совсем не работают, либо работают
очень медленно.
3. Емкость жесткого диска.
Жесткий диск – это кружок из немагнитного материала (алюминий, стекло, керамика), на
одну или обе поверхности нанесены тончайший магнитный слой. Запись и чтение информации
осуществляется блоком магнитных головок. На диске имеется система не делимых сегментов
информации – кластеров, входящих в магнитную дорожку – окружность. Совокупность таких
дорожек с одним диаметром окружности на нескольких дисках образует цилиндр. Блок головок
считывания/записи быстро устанавливается на нужный цилиндр, а переключением головок быстро
выбирается нужная дорожка. Накопитель может содержать несколько сцепленных жестких
дисков, постоянно вращающихся со скоростью до 10000 оборотов в минуту.
Жесткие диски имеют следующие параметры:
 диаметр дисков в дюймах (5,25, 3,5, 2,5, 1,8 и т.д.);
 число цилиндров;
 число головок;
 полная емкость диска (30- 69 Гбайт, даже 120 Гбайт);
 время доступа (от 0,3 – до 0,5 мс);
 скорость передачи информации (25-30 Мбайт/с и выше).
Типы памяти и запоминающие устройства
7
ПК имеет внутреннюю и внешнюю память (табл. 2).
Внутренняя память компьютера подразделяется на:
 микропроцессорную память (МПП или МП), память не большой емкости, но
чрезвычайно высокого быстродействия (время обращения – наносекунды);
 регистровую кэш-память, предназначена для уменьшения количества обращений к ОП,
она является буфером между микропроцессорной памятью и основной, наличие Кэшпамяти емкостью 256 Кбайт увеличивает производительность компьютера на 20%,
регистры кэш-памяти недоступны для пользователя, отсюда название КЭШ- «тайник»;
 основную память (ОП – ОЗУ и ПЗУ):
1. ОЗУ – оперативное запоминающее устройство (RAM – память с произвольным
доступом, это быстродействующая энергозависимая память, при отключении
напряжения питания информация, записанная в оперативной памяти, пропадает.
2. ПЗУ – постоянное запоминающее устройство (ROM) – это энергонезависимое
запоминающее устройство, оно находится на материнской плате и содержит
неизменяемую информацию (программы тестирования устройств при
компьютера при первоначальной загрузки ЭВМ, драйверов базовой системы
ввода-вывода BIOS) ПЗУ занимает 128 (редко) 256 Кбайт.
Таблица 2. Типы внутренней памяти и емкость запоминающих устройств ПК
Тип памяти или накопителя
Емкость
Время доступа,
tобр , мкс1
МПП
Десятки байт
0,001-0,004
КЭШ-память
Сотни Кбайт
0,002-0,005
Основная память
ОЗУ
Десятки – сотни Мбайт
0,07-0,1
ПЗУ
Сотни Кбайт
0,07-0,2
4.2. Рассмотрим более подробно важные характеристики компьютера.
Устройства ввода информации: ввода знаковых данных, командного управления, ввода
графических данных.
1. Специальные клавиатуры. Клавиатура является основным устройством ввода данных.
Клавиатуры, имеющие специальную форму, рассчитанную с учетом требований эргономики,
называются эргономичными клавиатурами. Такие клавиатуры предназначены для ввода
большого количества знаковой информации.
Стандартные клавиатуры – далеки от
оптимальной. В настоящее время существуют клавиатуры, например клавиатура Дворака, для
работы на которых, необходимо специально учиться. На практике такими клавиатурами
оборудуются только специальные рабочие места.
По методу подключения клавиатуры к системному блоку бывают проводные и
беспроводные. В беспроводных клавиатурах передача информации осуществляется
инфракрасным лучом.
2. К устройствам командного управления принадлежат: обычная мышь, трекбол, пенмаус,
инфракрасная мышь, а также джойстики.
Трекбол – его шарик приводится в движение ладонью руки, он не требует гладкой
поверхности, поэтому устанавливается стационарно, в основном в портативных ПК.
Пенмаус – является аналогом шариковой ручки, на конце которой вместо пишущего узла
установлен узел, регистрирующий величину перемещения.
Инфракрасная мышь – отличается от обычной наличием беспроводной связи с системным
блоком.
1
8
Tобр – время обращения – сумма времени поиска, считывания и записи информации, мкс - микросекунда.
Джойстики – используются для компьютерных игр. Они являются манипуляторами рычажнонажимного типа. Аналогично им существуют: джойпады, геймпады и штурвально-педальные
устройства. Такие устройства подключаются к специальному порту на звуковой карте или к USB
порту.
3. К устройствам ввода графической информации относятся: сканеры, графические
планшеты (дигитайзеры).
С помощью сканеров можно вводить и знаковую информацию, исходный материал вводится в
графическом виде, затем обрабатывается программами распознавания образов.
Сканеры бывают: планшетные, ручные, барабанные, сканеры форм, штрих-сканеры.
а). Планшетные сканеры – предназначены для ввода графической информации с прозрачного
или непрозрачного листового материала. Принцип действия таких сканеров заключается в том,
что луч света, отраженный от поверхности материала или прошедший через него
фиксируется специальными элементами, называемыми приборами с зарядовой связью (ПЗС).
Обычно элементы ПЗС конструктивно оформляются виде линейки, располагаемой по ширине
исходного материала. Основные потребительские параметры планшетных сканеров:
 Разрешающая способность зависит от плотности размещения приборов ПЗС на
линейке, от точности позицирования при сканировании. Для офисных 600-1200 dpi
(dots per inch – количество точек на дюйм). Для профессионального применения 1200-3000 dpi.
 Производительность – определяется продолжительностью сканирования листа
бумаги и зависит от формата, механической части устройства и от типа интерфейса.
 Динамический диапазон – определяется логарифмом отношения яркости наиболее
светлых участков изображения к яркости наиболее темных участков. Для офисного
применения 1,8-2,0 и для профессионального – от 2,5 для непрозрачных материалов
и до 3,0 для прозрачных материалов.
б). Ручные сканеры. Принцип действия ручных сканеров соответствует планшетным сканерам.
Разница заключается в том, что протягивание линейки ПЗС выполняется вручную. Равномерность
и точность сканирования при этом неудовлетворительная. Разрешающая способность составляет
150-300 dpi.
в). Барабанные сканеры. Исходный материал закрепляется на цилиндрической поверхности
барабана, вращающегося с высокой скоростью. Устройство такого типа обеспечивает наивысшее
разрешение (2400-5000 dpi) благодаря применению не ПЗС, а фотоэлектронных умножителей.
Используется для сканирования исходных изображений высокого качества.
г). Сканеры форм. Используется для сканирования форм, заполненных от руки (при переписи
населения, обработки выборов и т.п.). Не требуется высокого качества сканирования, основной
параметр – быстродействие.
д). Штрих-сканеры. Это разновидность ручных сканеров используется для чтения и ввода
информации со штрих-кода. Используются в розничной торговле.
Графические планшеты (дигитайзеры) – предназначены для ввода художественной
графической информации. Принцип действия графических планшетов – это фиксация
перемещения специального пера относительно планшета. Устройства используют художники,
иллюстраторы, поскольку позволяют им создавать экранные изображения привычными приемами,
наработанными для традиционных инструментов (кисть, карандаш, перо).
Устройства вывода данных: принтеры.
В качестве устройства вывода данных, дополнительно к монитору, использую печатные
устройства – принтеры, позволяющие получать копии документов на бумаге или прозрачном
носителе.
По принципу действия различают: матричные, струйные, лазерные и светодиодные
принтеры.
а). Матричные принтеры - простейшее печатное устройство. Данные выводятся на бумагу в
виде оттиска, образующегося при ударе цилиндрических стержней («иголок») через красящую
9
ленту. Качество таких принтеров зависит от количества иголок в печатной головке. Самые
распространенные 9-игольчатые и 24- игольчатые. Производительность работы матричных
принтеров оценивается по количеству печатных знаков в секунду.
б). Лазерные принтеры – обеспечивают высокое качество печати, отличаются высокой
скоростью печати, которая измеряется страницами в минуту. Изображение формируется из
отдельных точек.
Принцип действия лазерных принтеров следующий:
 В соответствии с поступающими данными лазерная головка испускает световые
импульсы, которые отражаются от зеркала и попадают на поверхность барабана;
 Горизонтальная развертка изображения выполняется вращением зеркала;
 Участки поверхности светочувствительного барабана, получившие световой импульс,
приобретают статический заряд;
 Барабан при вращении проходит через контейнер, наполненный красящим составом
(тонером), и тонер закрепляется на участках, имеющих статический заряд;
 При дальнейшем вращении барабана происходит контакт его поверхности с бумажным
листом, в результате чего происходит перенос тонера на бумагу;
 Лист бумаги с нанесенным не него тонером протягивается через нагревательный
элемент, в результате чего происходит спекание и закрепления частиц тонера.
К расходным материалам относятся тонер и барабан.
в). Светодиодные принтеры – имеют такой же принцип действия, как и лазерные принтеры.
Разница заключается в том, что источником света является не лазерная головка, а линейки
светодиодов, которая расположена по всей ширине печатаемой страницы, при этом отпадает
необходимость в механизме формирования горизонтальной развертки. Величина разрешения
светодиодных принтеров составляет порядка 600 dpi.
г). Струйные принтеры – изображение формируется из пятен, образующихся при попадании
капель красителя на бумагу. Выброс капель происходит под давление, которое развивается в
печатной головке за счет преобразования. В некоторых моделях капля выбрасывается щелчком в
результате пьезоэлектрического эффекта. Качество печати зависит от формы капли и ее размера, а
также от характера впитывания жидкого красителя поверхностью бумаги. Особую роль играют
вязкостные свойства красителя и бумаги.
Положительные свойства струйных принтеров – это небольшое количество движущихся
механических частей, простота и надежность в эксплуатации, низкая стоимость. Основным
недостатком – нестабильность получаемого разрешения, частая замена картриджей.
Внешние устройства хранения данных (ВЗУ): стримеры, Zip-накопители, дисковые
накопители (магнитные, оптические и магнитооптические устройства).
а). Стримеры – это накопители на магнитной ленте. Их отличие – малая стоимость.
Недостатками является малая производительность (это устройство последовательного
доступа), недостаточная надежность (ленты испытывают механические нагрузки и могут
физически выходить из строя), емкость магнитных кассет (картриджей) для стримеров
составляет несколько сот Мбайт, при повышении плотности записи снижается надежность
хранения, при увеличении длины ленты увеличивается время доступа к информации.
б). Zip-накопители по размеру незначительно превышают стандартные гибкие диски их
емкость 100/250 Мбайт. Основные недостатки – это требование наличия специальных
дисководов, отсутствие совместимости со стандартными трехдюймовыми дискетами.
в). Дисковые накопители:
 накопители на жестких магнитных дисках – НЖМД – типа «винчестер» (рассмотрели
отдельно);
 накопители на гибких магнитных дисках (дискетах) – НГМД, в настоящее время
используются стандартные дискеты высокой плотности диаметром 3,5 дюйма (89 мм).
Они маркируютcя буквами HD (High Density) ;
10

накопители на флоппи дисках (flopical-накопители), смешанные магнитооптические
дисковые накопители с очень высокой плотностью записи, в которых для более точного
позиционирования магнитной головки используется лазерный луч;
 накопители сверхвысокой плотности записи, VHD-накопители Zip-диски ( них речь шла
выше);
 накопители на оптических компакт-дисках, например CD ROM, не перезаписываемые
лазерно-оптические диски, они поставляются фирмой-изготовителем с уже записанной
информацией, срок хранения которой прогнозируется около 50 лет;
 накопители на оптических дисках CC WORM (Continuous Composite Write Once Read
Many), перезаписываемые лазерно-оптические диски с однократной или многократной
записью. Существуют диски DVD с очень большой емкостью. На одном диске можно
записать от 2 часов до 8 часов видеозаписи;
 накопители на магнитооптических дисках (НМОД), они лишены недостатков обычных
оптических компакт-дисков, на них можно записывать огромные объемы информации и
считывать ее быстрее, чем с оптических.
Характеристики внешних запоминающих устройств рассмотрим в следующей таблице 3.
Таблица 3. Характеристики внешних запоминающих устройств.
Тип памяти или накопителя
Емкость,
Время доступа,
Мбайт
мс
НЖМД - винчестер
250-10000 и более
5-20
НГИД - дискеты
1,2 1,44
65-100
Флоппи диски
20.8
65
VHD (Zip-диски)
100-250
65
CD ROM (Compact Disk Read
250-1500 b ,jktt
15-300
Only Memory)
CC WORM (оптические
120-1000 и более
15-150
диски)
НМОД (магнитооптические
128-1300
15-150
диски)
Флэш-память (твердотельные
16 Мбайт, 1-2 Гбайт
накопители)
Устройство обмена данными – модем.
Модем – это устройство для обмена информацией между удаленными компьютерами по
каналам связи. Под каналом связи понимают физические линии (проводные, оптоволоконные,
кабельные, радиочастотные), способ их использования (коммутируемые и выделенные),
способ передачи данных (цифровые и аналоговые сигналы). В зависимости от типа канала связи
устройства приема-передачи подразделяются на радиомодемы, кабельные и прочие. Самое
широкое применение нашли модемы, ориентированные на подключение к телефонным каналам
связи.
К основным потребительским параметрам модемов относятся:
 производительность (бит/с), от нее зависит объем данных в единицу времени,
максимальная скорость передачи (пропускная способность) измеряется в бодах,
современные модемы работают на скоростях от 14400 до 57600 бод;
 поддерживаемые протоколы связи и коррекции ошибок, от этого зависит
эффективность взаимодействия модема с сопредельными модемами;
 шинный интерфейс, если модем внутренний (ISA ил PCI), от шинного интерфейса
зависит простота установки и настройки, а также производительность.
11