1. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА КОМПЬЮТЕРА 1.1. Состав технических средств Все устройства, входящие в состав современного компьютера, делятся на два класса - центральные устройства (прежде всего процессор и основная память) и внешние устройства. Причем внешними устройства называют не по их размещению, а по функциям. Центральные устройства работают с информацией, представленной в специфической форме – в виде двоичных чисел. Основное назначение внешних устройств – организовать связь центральных устройств с окружающим миром, то есть преобразовать информацию из вида, понятного пользователю, во внутримашинное представление и наоборот. Кроме того, внешние устройства применяются для долговременного хранения больших объемов информации, для связи с другими ЭВМ и т.д. Все внешние устройства можно разделить на четыре группы. 1. Устройства ввода информации: клавиатура, ручные манипуляторы ("мышь"), сканер, CD ROM и т.д. 2. Устройства вывода информации: видеосистема, принтер, графопостроитель и т.д. 3. Устройства хранения информации: внешние запоминающие устройства. 4. Устройства связи и передачи информации: модемы, сетевые платы (адаптеры) и т.д. Общую схему вычислительного комплекса на базе персональной ЭВМ можно представить таким образом (рис. 1): Рис. 1. Общая схема вычислительного комплекса В России наибольшее распространение совместимые персональные компьютеры. получили 1.2. Центральные устройства компьютера так называемые IBM- Рис. 2. Структура системной (материнской) платы Обычно все центральные устройства размещены на так называемой системной (материнской) плате. Общая структура системной платы представлена на рис. 2. Кратко рассмотрим ее содержимое. Центральный процессор – программно-управляемое электронное цифровое устройство, предназначенное для обработки различной информации, представленной в цифровом виде. Основными функциями процессора являются: Управление работой всего вычислительного комплекса. Выполнение математических и логических действий с данными. Осуществляя функции управления, процессор обеспечивает должное взаимодействие компонентов компьютерной системы друг с другом. Управление производится с помощью импульсных сигналов, посылаемых управляемым компонентам. При выполнении вычислений и логических операций процессор настраивается на различные операции и непосредственно выполняет их. IBM-совместимые компьютеры оснащаются микропроцессорами типа Intel или аналогичными. Современные компьютеры оснащены микропроцессорами модели Pentium. Самый важный параметр конкретной модели процессора – тактовая частота, которая измеряется в единицах частоты (мегагерцах и гигагерцах). Этот показатель определяет скорость работы процессора и, следовательно, его производительность. Типичные значения тактовой частоты для некоторых процессоров приведены в таблице. Следует сказать, что увеличение порядкового номера процессора свидетельствует о росте его характеристик и, следовательно, об улучшении параметров компьютера в целом. Основная память – электронное устройство, Модель Тактовая частота предназначенное для хранения информации. Основная Pentium 75 - 200 МГц память состоит из двух частей: оперативной памяти и Pentium II 160 - 400 МГц постоянной памяти. Оперативная память предназначена для Pentium III 400 МГц- 1,1 ГГц хранения информации, необходимой для текущего сеанса Pentium IV 1,1 ГГц – 2,0 ГГц работы. Она обеспечивает как чтение, так и запись данных. Эта память является энергозависимой, т.к. её содержимое разрушается при выключении питания. Постоянная память обеспечивает только чтение данных. Содержимое этой части памяти постоянно и может быть изменено только специальными приёмами. Это энергонезависимая память и её содержимое не пропадает при отсутствии питания. К важнейшим характеристикам памяти относятся её ёмкость (объём) и время доступа. Ёмкость памяти - это количество входящих в неё адресуемых элементов (ячеек). Объём основной памяти компьютера во многом определяется потребностями пользователя и устанавливается, исходя из возможностей пользователя и класса решаемых им задач. Следует отметить, что небольшой объем памяти существенно замедляет прохождение задач, вплоть до полной невозможности их решения. Слишком большой объем памяти иметь нерационально, поскольку это увеличивает цену компьютера. Для большинства персональных компьютеров общего назначения в настоящее время объём памяти лежит в пределах 32 Мб 256 Мб. Время доступа определяется как интервал времени между моментом возникновения запроса к памяти (с целью чтения или записи информации) и моментом, когда информация прочитана или записана. Типичное значение этой величины для современных микросхем памяти 4*10-8с 0,5*10-8с. Контроллеры внешних устройств представляют собой программно- управляемые электронные блоки для согласования (сопряжения) внешних и центральных устройств компьютера между собой. Необходимость использования контроллеров вызывается тем, что внешние устройства обычно нельзя непосредственно подключить к центральным. Одной из причин этого является то обстоятельство, что характер сигналов, вырабатываемых или воспринимаемых процессором, как правило, отличается от сигналов, формируемых или воспринимаемых соответствующим внешним устройством. Контроллер и обеспечивает согласование этих сигналов. Кроме того, поскольку контроллер является программно-управляемым средством, то при наличии соответствующего программного обеспечения один и тот же контроллер может обеспечить подключение к компьютеру разных типов внешних устройств. Использование контроллеров несколько усложняет конструкцию компьютера, но при этом возникает возможность легко наращивать его технические возможности. Системная магистраль (общая шина) служит для передачи сигналов между элементами системной платы. Контроль занятости магистрали и управление прохождением сигналов по ней осуществляется устройством управления системной магистралью. Оно не разрешает обращение к шине в те моменты, когда она уже занята и «регулирует» движение информации по магистрали. Порты компьютера служат для подключения внешних устройств к центральному блоку. 1.3. Внешняя память компьютера Внешние устройства компьютеров, предназначенные для хранения больших объёмов информации, называются внешними запоминающими устройствами. В современных компьютерах чаще всего используются внешние накопители информации на магнитных дисках. Существуют дисковые накопители двух видов: на гибких дисках и на жестких дисках. Устройства первого типа состоят из двух частей: дисковода, позволяющего считывать или записывать информацию (привод), и носителя информации (дискета). Дисковод устанавливается в компьютере, а носитель является съемным. В качестве носителя информации используется диск из синтетического материала, покрытый магнитным слоем. В настоящее время используются диски диаметром 3,5 дюйма (около 90 мм). Они размещены в пластмассовом защитном конверте. Информация записывается и считывается с диска магнитными головками с использованием общеизвестных принципов магнитной записи. Перед использованием новая дискета определенным образом размечается магнитным полем (форматируется). Информационная ёмкость дискеты довольно невелика и составляет 1,44 Мб. Другой современной разновидностью магнитных дисковых накопителей являются накопители на жестких магнитных дисках. Принципиальным отличием у них является то, что диски изготовлены из алюминиевого сплава и являются несменяемыми. Весь механизм (приводы, диски, головки и т.д.) помещаются в герметичный корпус, что существенно увеличивает долговечность устройства. Высокое качество магнитного покрытия, большая скорость вращения и другие технические решения дают возможность повысить плотность записи у накопителей информации данного типа. Информационная ёмкость серийных накопителей составляет до 40 Гб, а у отдельных моделей достигает сотен Гб. Принципиально другой способ записи и считывания информации используется в устройствах с лазерными компакт-дисками (CD диски). Они имеют несколько разновидностей. Самые простые и дешевые из них позволяют только считывать информацию. Такие устройства называются CD ROM. Строго говоря, их следует отнести к устройствам ввода информации. Более дорогие приводы компакт дисков позволяют записывать информацию. Они называются CD-RW. Емкость стандартного компакт-диска - около 650 Мбайт. Самым современным на настоящее время является стандарт записи, называемый DVD (цифровой многоцелевой диск). Уже у первых из появившихся моделей емкость составила более 4 Гбайт. Вслед за ними появились диски емкостью десятки Гбайт. Время доступа к устройствам внешней памяти существенно больше, чем к основной памяти ПЭВМ. Для накопителей на жестких и оптических дисках оно составляет микросекунды, а для устройств с гибкими дисками уже десятые доли и даже целые секунды. 1.4. Устройства ввода-вывода информации Рассмотрим основные устройства ввода-вывода информации современных компьютеров. Клавиатура. Служит для ручного ввода информации в ПЭВМ и для управления работой компьютера. Клавиатура содержит клавиши цифр, латинских и русских букв, знаки операций и препинания, функциональные и управляющие клавиши. Клавиатура распознает нажимаемую клавишу, формирует соответствующий цифровой код и передаёт его в центральные устройства. Мышь. Представляет собой устройство, позволяющее управлять компьютером. Мышь подключается к компьютеру гибким кабелем и имеет две или три кнопки, служащие органами управления. При перемещении мыши на экране компьютера синхронно двигается специальный указатель, имеющий в зависимости от программы или ситуации вид стрелки, прямоугольника и т. п. Работа с мышью сводится к нажатию, удержанию и отпусканию кнопок в определенном порядке. Сканер. Так называется устройство для ввода в компьютер графической информации. С помощью сканеров обычно вводятся рисунки, фотографии и даже тексты. Информация, введенная сканером, может впоследствии обрабатываться. CD ROM. Устройство для считывания информации с оптического диска (компакт-диска). Принципы его работы те же, что и у аналогичных устройств бытовой техники (CD-плейер). Достоинством CD ROM является большой объём информации, хранимой на диске (сотни мегабайт), и защищенность этой информации. Видеосистема. Служит для отображения выводимой информации на экране. Главными частями видеосистемы являются видеомонитор и видеоадаптер. Современные мониторы позволяют отображать информацию с сохранением полутонов (градаций яркости), как в бытовых телевизорах. Основной функцией видеоадаптера (видеокарты) является преобразование сигналов, поступающих от центральных устройств, в форму, доступную для монитора. Принтеры. Печатающее устройство (принтер) предназначено для вывода информации на бумагу. Как правило, используются следующие типы принтеров: матричные ударные, струйные и лазерные. Плоттер (графопостроитель). Это устройство для вывода на листы бумаги крупного формата графической информации, прежде всего технического и научного характера. В принципе, выводить иллюстративный материал можно и с помощью принтеров, однако это не всегда удобно, неэффективно и часто невозможно. Плоттер является специализированным устройством для вывода графических изображений и особенно удобен для построения технических чертежей, схем, диаграмм и т. д. 1. 5. Вычислительные сети Вычислительная сеть представляет собой систему компьютеров, соединенных каналами передачи информации. Сети позволяют увеличивать вычислительные мощности за счет использования ресурсов сети и перераспределения нагрузки между машинами. Сети позволяют организовать ряд дополнительных услуг, таких как оперативные совещания, электронная почта, обучение и пр. Различают локальные и распределенные вычислительные сети. В распределенной вычислительной сети компьютеры могут быть удалены на сотни и тысячи километров друг от друга. Они соединяются телекоммуникационными линиями связи для обмена информацией. В локальных сетях (ЛВС) максимальное расстояние между машинами не превышает нескольких километров. Как правило, ЛВС предназначаются для обработки информации в пределах одной организации. При этом узлами сети являются компьютеры (рабочие станции) и другое абонентское оборудование. Главным техническим параметром сети является скорость передачи данных. У современных сетей она обычно составляет до 100 Мбит/с. В качестве технических устройств для объединения компьютеров в сеть используют следующие аппаратные средства. Сетевые адаптеры. Являются электронными устройствами, позволяющими объединять отдельные компьютеры в единые вычислительные сети. Сетевой адаптер устанавливается в компьютер и соединяется с аналогичными устройствами других компьютеров специальными линиями связи. Обычно в такие сети объединяют не слишком удаленные друг от друга компьютеры. Модемы и факс-модемы. Модем - это устройство, позволяющее компьютеру общаться с внешним миром. В отличие от сетевых адаптеров модем позволяет получить доступ к удаленным компьютерным системам. Модем подключает компьютер к имеющимся линиям связи, например, телефонным, радиорелейным и др. Особым видом информации, которым способны обмениваться компьютеры, являются факсы, позволяющие передавать изображения. При этом применяется устройство под названием факс-модем. С его помощью пересылаются какие-либо документы. Рис. 3. Сеть шинной топологии с выделенным файл-сервером Важным свойством сети является способ соединения компьютеров в ней (топология сети). Существует несколько видов топологий сетей. Простейшей является сеть шинной топологии (рис.3). Она представляет собой общий кабель, к которому подключены сетевые адаптеры рабочих станций и другие сетевые устройства. Каждый узел такой сети физически связан с двумя соседними узлами. Сообщение проходит последовательно через все рабочие станции. По приоритету (значимости) компьютеров в сети различают следующие виды сетей. В одноранговых сетях все сетевые рабочие места равноправны и имеют одинаковый приоритет. В каждый момент передачей данных управляет тот компьютер, который инициирует процесс передачи. Однако использование одноранговых сетей оправдано лишь при небольшом числе рабочих станций - до десяти или чуть больше. При увеличении числа узлов сети резко падает производительность и скорость передачи данных. Поэтому для сетей с большим количеством рабочих станций на один из компьютеров возлагаются задачи управления работой сети. В данном случае получается сеть с выделенным файл-сервером. В таких сетях осуществляется не только передача информации между рабочими станциями, но возможно также использование машинных ресурсов (процессора, части оперативной памяти) одних рабочих станций для удовлетворения потребностей других станций. Распределение ресурсов сети, управление передачей данных и другие операции предъявляют к файл-серверу повышенные требования. Для обеспечения работы большого количества пользователей компьютер, используемый в качестве сервера, должен обладать большим объемом оперативной и дисковой памяти, мощным процессором и высокоскоростной системной магистралью. Рис. 4. Схема компьютерной сети типа «звезда» с файл-сервером и концентратором Компьютерные сети с большим числом рабочих мест часто имеют звездообразную топологию, когда каждое рабочее место соединено с сервером отдельным кабелем (рис.4). Шинные топологии проще и экономичнее, чем звездообразные, так как для них расходуется меньше кабеля, но они очень чувствительны к неисправностям кабельной системы. Рабочие станции обычно подключаются к сети не напрямую, а через устройства доступа к среде, которые выполняют роль многопортовых концентраторов. Концентраторы бывают пассивные и активные. Активные концентраторы не просто передают сигнал на каждый из своих портов, но и регенерируют его, выполняя функцию усилителя. Применение данных устройств часто обусловлено ограничениями на длину сети и количество рабочих станций. Концентраторы являются ключевым компонентом и в обеспечении надежности локальной сети, поскольку их помещают в центр сети.
