Технические средства обработки информации основные типы компьютеров
Вычислительные машины могут быть классифицированы по ряду признаков, рис. 3.2.:
· по принципу действия;
· по степени универсальности;
· по степени производительности;
· по особенностям архитектуры;
· по способу использования.
ЭВМ (компьютеры) |
Принцип действия | Аналоговые |
Цифровые | |
Гибридные |
Поколение | Первое |
Второе | |
Третье | |
Четвертое | |
Пятое | |
Будущее |
Степень универсальности | Универсальные (общего назначения) |
Специализированные | |
Проблемно-ориентированные |
Степень производительности | Ординарной |
Высокой | |
Сверхординарной |
Особенности архитектуры | Суперкомпьютеры |
Большие компьютеры | |
Малые компьютеры | |
Микрокомпьютеры | |
Персональные компьютеры | |
Мобильные, портативные и карманные | |
Встраиваемые микропроцессоры |
Способ использования | Индивидуального |
Коллективного |
Рис. 3.2. Классификация ЭВМ
По принципу действия вычислительные машины делятся на три больших класса: аналоговые, цифровые, гибридные.
Критерием деления вычислительных машин на эти три класса является форма представления информации, с которой они работают.
Цифровые вычислительные машины – это вычислительные машины дискретного действия, работают с информацией, представленной в дискретной, то есть цифровой форме.
Аналоговые вычислительные машины – это вычислительные машины непрерывного действия, работают с информацией, представленной в непрерывной (аналоговой) форме, то есть в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины (чаще всего электрического напряжения).
Гибридные вычислительные машины – это вычислительные машины комбинированного действия, работают с информацией, представленной и в цифровой и в аналоговой форме.
По принципу степень универсальности вычислительные машины руктивной и программной направленностью компьютера и подразделяются на: универсальные (общего назначения), специализированные, проблемно-ориентированные.
Универсальные (общего назначения) компьютеры предназначены для решения разнообразных по реализуемым алгоритмам задач (экономических, информационно-поисковых, научно-технических и др.). Характерными особенностями машин являются высокая производительность, огромный объем оперативной и внешней памяти, большое разнообразие выполняемых арифметических, логических и специальных операций, развитая система ввода-вывода информации с многообразным видом внешних устройств.
Специализированные компьютеры предназначены для решения сравнительно узкого класса задач или реализации строго регламентированной группы функций. Для этих компьютеров характерны строгая специализация структуры и наличие специального программного обеспечения. Сфера применения машин: управление техническими устройствами; маршрутизация потоков данных и согласование работы узлов компьютерных сетей и т.д. В последние годы такие компьютеры начинают встраиваться в устройства бытовой техники.
Проблемно-ориентированные компьютерызанимают промежуточное положение среди машин названных групп. Проблемно-ориентированные компьютеры предназначены для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими процессами, обрабатывают относительно небольшие объемы данных по несложным алгоритмам. Они обладают ограниченными, по сравнению с универсальными компьютерами, аппаратными и программными ресурсами.
По показателю степени производительности компьютеры подразделяются на три класса: ординарной, высокой и сверхординарной производительности.
Деление машин по этому признаку довольно условное. Электронно-вычислительные машины, которые сейчас относятся к классу высокой производительности, через несколько лет вполне могут оказаться в классе ординарной производительности.
На сегодняшний момент к компьютерам ординарной производительности относятся массовые персональные компьютеры. Обладая тем не менее высокими техническими характеристиками быстродействия и объема памяти, они служат для решения несложных задач индивидуальных пользователей или работают в составе небольших компьютерных сетей.
Компьютеры высокой производительности - это одно- или многопроцессорные машины, предназначенные для индивидуального применения при решении задач повышенной сложности либо при обслуживании локальных или региональных компьютерных сетей.
К компьютерам сверхординарной (сверхвысокой) производительности относят многопроцессорные машины или многомашинные вычислительные комплексы, целью эксплуатации которых является решение задач большой сложности (метеорология, управление космическими объектами, моделирование микро- и макроэкономических процессов, обслуживание больших компьютерных сетей и др.).
По особенностям архитектурны компьютеры можно подразделить на шесть групп машин, расположенных по производительности – суперкомпьютеры (суперЭВМ), большие компьютеры (мэйнфреймы), малые компьютеры (миниЭВМ), микрокомпьютеры, персональные компьютеры, мобильные компьютеры.
Суперкомпьютеры (суперЭВМ) – это мощные многопроцессорные вычислительные машины с быстродействием сотни миллионов – десятки миллиардов операций в секунду. В суперЭВМ применяются идеи массового параллелизма, когда данные одновременно обрабатывают сотни или тысячи процессоров.
Областью применения суперкомпьютеров являются крупномасштабные задачи, требующие больших объемов вычислений и моделирования. Особенно эффективны суперкомпьютеры для решения задач проектирования и масштабного анализа экономических процессов.
Большие компьютеры (мэйнфреймы) – это многопользовательские машины с центральной обработкой, высокой или сверхординарной производительностью, обеспечивающие подключение нескольких сотен внешних устройств, с большими возможностями для работы с базами данных и различными формами удаленного доступа.
Емкость оперативной памяти мэйнфреймов составляет до нескольких сотен гигабайтов, емкость внешней памяти - до десятков терабайтов.
В настоящий момент основным назначением больших ЭВМ является решение корпоративных задач в системах управления крупными комплексами - фирмами, корпорациями, аэропортами, банками, а также в научно-исследовательских центрах, органах государственного управления и для обслуживания больших компьютерных сетей.
Малые компьютеры (миниЭВМ) – это машины высокой, или сверхординарной производительности с одним или несколькими высокопроизводительными процессорами. Основные назначения машины - решение задач высокой сложности при индивидуальном использовании, а также управление крупными компьютерными сетями в виде серверов.
К основным характеристикам мини-ЭВМ относятся: многопроцессорность с большой интеграцией элементов; емкость памяти в несколько сотен гигабайтов; возможность подключения до нескольких сотен внешних устройств ввода-вывода.
Наряду с использованием миниЭВМ для управления технологическими процессами, они применяются для вычислений в многопользовательских вычислительных системах, в системах автоматизированного проектирования, в системах моделирования несложных объектов, в системах искусственного интеллекта.
Микрокомпьютеры очень многочисленны и разнообразны, среди них можно выделить несколько подклассов:
· многопользовательские микрокомпьютеры – это мощные микрокомпьютеры, оборудованные несколькими видеотерминалами и функционирующие в режиме разделения времени, что позволяет эффективно работать на них сразу нескольким пользователям;
· компьютеры – однопользовательские микрокомпьютеры, удовлетворяющие требованиям общедоступности и универсальности применения;
· рабочие станции – представляют собой однопользовательские микрокомпьютеры для работы в вычислительных сетях, часто специализированные для выполнения определенных видов работ;
· серверы – многопользовательские мощные микрокомпьютеры в вычислительных сетях, выделенные для обработки запросов от всех рабочих станций сети;
· сетевые компьютеры – упрощенные микрокомпьютеры обеспечивающие работу в сети и доступ к сетевым ресурсам.
По способу применения выделяют компьютеры: коллективного пользования и индивидуального пользования.
Компьютерами коллективного пользования считаются такие, которые могут одновременно обслуживать работу нескольких пользователей. Обычно они имеют высокую производительность, могут работать в режиме разделения времени. Примером таких машин являются серверы компьютерных сетей или многопроцессорные мэйнфреймы.
Компьютеры индивидуального пользования в каждый момент времени может эксплуатироваться лишь одним пользователем. Примером являются ноутбуки и "компьютеры на ладони".
Персональные компьютеры
Персональные компьютеры (ПК) - относятся к классу микрокомпьютеров, но в виду их массовой распространенности заслуживают особого внимания.
Персональный компьютер должен обладать такими качествами:
· малая стоимость ПК, находящаяся в пределах доступности для индивидуального пользователя;
· гибкость архитектуры, обеспечивающая ее адаптируемость к разнообразному применению в сфере управления, науки, образования, в быту;
· дружественность операционной системы и прочего программного обеспечения, обуславливающая возможность работы с ней пользователя без специальной профессиональной подготовки;
· высокая надежность работы.
Среди современных ПК в первую очередь необходимо отметить персональные компьютеры американской фирмы IBM (International Business Machine Corporation), первые модели которой появились в 1981 году.
В настоящее время мировой парк компьютеров составляет около миллиарда штук, из них около 90% - это персональные компьютеры. Самыми распространенными моделями компьютеров в настоящее время являются IBM PC с микропроцессором Pentium III и 4.
Обобщенные характеристики современных персональных компьютеров приведены в таблице 3.2.
В результате Научно-технического прогресса человечество создавало все новые и новые средства и способы сбора, хранения, передачи информации. В середине XX века быстро возрастающие объемы и потоки информации, потребности общества в ее обработке для повышения уровня производства привели к созданию первых компьютеров.
Сейчас можно выделить, пять основных поколений компьютеров.
1 поколение (1946-1960), Элементной базой являлись электронные лампы, максимальное быстродействие 20 тысяч операций в секунду, носителем информации были перфокарты. Эти компьютеры имели большие габариты (до сотен квадратных метров).
2 поколение (1960-1964). Элементная база - транзисторы. Компьютеры этого поколения были более надежны, обладали большей оперативной памятью. В качестве носителей информации использовались перфоленты, перфокарты и магнитные ленты.
3 поколение (1964-1970). Элементная база - интегральные схемы (ИС). Информация записывается на магнитных дисках. Существенно уменьшились габариты.
4 поколение (1970-1980). Элементная база - большие интегральные схемы (БИС) и сверхбольшие интегральные схемы (СБИС). Резкое уменьшение размеров компьютера. Появление персональных компьютеров.
5 поколение. Основными задачами разработчиков компьютеров пятого поколения являлись создание машин, способных делать логические выводы из представленных знаний , возможность ввода информации с помощью голоса, различных изображений.
1. Основные типы компьютеров
Условно компьютеры можно разделить на следующие типы: СуперЭВМ (Mainframe) - сверхпроизводительные системы, используются для решения особо сложных задач, связанных с обработкой больших объемов данных в режиме реального времени.
Мини-компьютеры рассчитаны на решение широкого круга задач, но имеют упрощенную организацию и меньшую стоимость по сравнению с суперЭВМ.
Персональные компьютеры в зависимости от конфигурации (полного описания набора и характеристик устройств, составляющих данный компьютер) они делятся на следующие категории.
Рабочие станции (Work Station), представляющие собой мощный компьютер, обычно основанный на двухпроцессорной платформе, имеющий большой объем оперативной памяти. В зависимости от решаемых задач рабочие станции бывают графическими, для научных расчетов или иного назначения. Графические рабочие станции комплектуют 3D-видеокартой профессионального класса, устройствами оцифровки и захвата видеосигнала, высокоточными сканерами и т.д.
Настольный компьютер (Desktop). Обычно их делят по назначению на офисные, домашние, игровые, дизайнерские, по производительности - на компьютеры начального уровня (Easy PC), среднего уровня (Mainstream), высшего класса (High End).
Ноутбук (Notebook) является переносным персональным компьютером. По производительности ноутбуки близки, а часто и превышают настольные ПК. Автономное функционирование обусловило высокие требования к режиму энергопотребления компонентов. В 2002 году появились так называемые настольные ноутбуки (Desk Note) , которые не имеют аккумуляторов, но снабжены процессором для обычных настольных ПК, а иногда и адаптером 3D-графики высокого класса.
Планшетный ПК (Tablet PC) имеет отдельный сенсорный дисплей с возможностью рукописного ввода и специальное электронное перо.
Карманный ПК (Pocket PC) отличает невысокая производительность, не слишком удобный интерфейс. Однако, многие КПК можно подключить к установочной станции, тем самым, превратив их в полноценный настольный компьютер.
3.2. Основные принципы функционирования ПК.
Основное назначение компьютера - выполнять программы, каждая из которых представляет собой набор команд.
Функциональную схему компьютера можно представить следующим образом (рис 1) :
Рис. 3.1. Функциональная схема персонального компьютера.
Устройство, которое обрабатывает информацию, выполняет элементарные операции, называется процессором. Процессор представляет собой группу связанных устройств, реализованных в виде одной микросхемы. К ним относятся:
-АЛУ (арифметико-логическое устройство) - выполняет все виды арифметических и логических операций.
- УУ (устройство управления) - отвечает за выборку команд и порядок их выполнения.
Характеристиками микропроцессора служат быстродействие, тактовая частота и разрядность.
- Быстродействие - количество операций, производимых в 1 секунду, измеряется в бит/сек.
- Тактовая частота - количество тактов, производимых процессором за 1 секунду. Такт - промежуток времени, в течение которого может быть выполнена элементарная операция. Тактовая частота измеряется в Гц, Мгц.
- Разрядность процессора определяет размер машинного слова, обрабатываемого компьютером, т.е. количество бит, к которым процессор имеет одновременный доступ.
К внутренней памяти относят:
ОЗУ - оперативное запоминающее устройство, RAM (Random Access Memory), память с произвольным доступом. Хранит данные, адреса и команды, обладает высокой скоростью записи и чтения. Является энергозависимой, так как хранит информацию только, пока компьютер включен. Основной характеристикой служит ее объем, измеряемый в байтах.
Для ускорения доступа к ОЗУ используется кэш-память. Это сверхбыстрая память, хранящая копии наиболее часто используемых участков оперативной памяти и помещенная между оперативной памятью и процессором.
ПЗУ - постоянное запоминающее устройство, BIOS (Basic Input Output System), ROM (Read Only Memory), память только для чтения. Хранит неизменяемую программную и справочную информацию, занесенную в нее при изготовлении. Является энергонезависимой, т.е. при выключении компьютера данные сохраняются.
CMOS-память - изготовлена по технологии Complementary Metal-Oxide Semiconductor, полупостоянная память. Хранит информацию о конфигурации и настройке компьютера. При отключении питания данные в ней сохраняются за счет использования аккумулятора.
Внешняя память - это специальные самостоятельные устройства, предназначенные для долговременного хранения информации.
Для ввода и вывода информации используются устройства ввода/ вывода.
Все связи между отдельными устройствами объединены в локальную или системную шину. Шина - это кабель, состоящий из множества проводов. Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:
- между микропроцессором и основной памятью;
- между микропроцессором и портами ввода/вывода внешних устройств;
- между основной памятью и портами ввода/вывода внешних устройств в режиме прямого доступа.
Все порты ввода/вывода через соответствующие унифицированные разъемы подключаются к шине непосредственно или через специальные устройства, аппаратно согласовывающие работу системы и дополнительного устройства - адаптеры или контроллеры.
Системная шина включает в себя шину данных (по ней непосредственно передается информация), шину адреса (на ней устанавливается адрес требуемой ячейки памяти или устройства, с которым будет происходить обмен информацией) и шину управления или синхронизации (по ней передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией).
Основные внутренние устройства компьютера (процессор, оперативная память) размещаются на системной или материнской плате. Контроллеры реализованы на отдельных платах, которые вставляются в специальные разъемы на материнской плате - слоты расширения.
Принцип открытой архитектуры заключается в том, что компьютер не является единым неразъемным устройством, а состоит из отдельных независимо изготовленных частей, которые могут быть заменены или дополнены новыми аппаратными средствами.
2.1. Состав персонального компьютера.
Основными устройствами персонального компьютера являются:
В системном блоке расположены следующие устройства:
- дисководы для гибких магнитных дисков;
- накопитель на жестком магнитном диске (винчестер);
- дисководы для компакт-дисков;
- дополнительные устройства (модем, звуковая карта, вентиляторы и т.д.)
2.2. Устройства внешней памяти.
Эти устройства предназначены для долговременного и энергонезависимого хранения информации.
1. Накопители на гибких магнитных дисках (НГМД) в качестве носителя используют дискету - гибкий магнитный диск, помещенный в пластмассовый корпус. Дискета вставляется в дисковод, который вращается с постоянной угловой скоростью. Все дискеты перед использованием форматируются - обе поверхности разбиваются на концентрические окружности (дорожки), которые, в свою очередь, делятся на сектора. Одноименные сектора обеих поверхностей образуют кластеры. Магнитные головки осуществляют операции чтения/записи. Максимальная емкость - 2,88 Мб
2. Жесткий магнитный диск (винчестер, HDD-HardDisc Drive) пре дставляет собой герметичный корпус, внутри которого расположено и несколько металлических дисков, покрытых магнитным слоем. Над ними движется блок чтения-записи. Основными характеристиками являются:
емкость (200 Гб и выше);
скорость чтения данных ( ≈ 8 Мбайт/с);
среднее время доступа ( ≈ 9 мс).
3. Накопители на оптических компакт-дисках. Представляет собой полимерный диск, покрытый металлической пленкой. Информация наносится на диск лазерным лучом, который создает на поверхности микроскопические впадины, разделяемые плоскими участками (для CD-ROM (Compact Disc Read Only Memory), в дисках CD-R (Compact Disc Recorder) и C D-RW (Compact Disc Rewritable) между металлической пленкой и основой расположен регистрирующий слой из органического материала, темнеющего при нагревании. В процессе записи лазерный луч нагревает выбранные точки слоя, которые темнеют и перестают пропускать свет к отражающему слою, образуя участки, аналогичные впадинам. Емкость них дисков -700 Мб.
DVD (Digital Versatile Disc) имеет те же габариты, похожий принцип работы, но гораздо большую емкость (от 4,7 Гб до 17 Гб) за счет записи с двух сторон диска и использования с каждой стороны одного или двух слоев информации.
4. Стример - устройство записи на магнитную ленту. По принципу действия стример похож на кассетный магнитофон. Используется для долговременного хранения резервных копий больших объемов информации. Емкость достигает нескольких Гб, время доступа к данным достаточно большое.
5. Флэш-память - устройство, выполненное на одной микросхеме и не имеющее подвижных частей. Имеют разную емкость, скорость передачи данных и энергопотребление. Используются как для хранения и переноса данных с компьютера на компьютер, так и в таких устройствах, как фотоаппараты, мобильные телефоны, цифровые камеры и др.
2.3. Устройства вывода.
1. Монитор - устройство вывода текстовой и графической информации на экран. Отображение информации на экране монитора возможно в двух режимах: символьном и графическом. В обоих случаях изображение составляется из отдельных точек (пикселей), каждая из которых имеет определенный цвет или яркость. В графическом режиме управление осуществляется для каждой точки, а в символьном - для группы точек, образующих прямоугольную матрицу.
Монитор подключается к видеокарте, которая установлена в слот расширения системной платы в системном блоке. Изображение во внутреннем машинном представлении хранится в видеопамяти, размещенной на видеокарте. Видеокарта обрабатывает графические изображения, многие видеокарты имеют дополнительные функции - прием изображений с внешнего источника, вывод изображения на внешние устройства. Основными характеристиками видеокарты являются:
- разрешающая способность - количество точек на единицу площади (640X480, 1024X768), первое число - количество точек по вертикали, второе - количество точек по горизонтали;
- цветовой режим - количество цветов, в которые может быть окрашена каждая точка. (Low Color - 256 цветов, High Color - 65 тыс. цветов, True Color - 16 млн. цветов);
- максимальная частота развертки - частота обновления кадров, чем она выше, тем меньше будет «рябить» экран монитора, минимально допустимое значение - 75 Гц, норма - 85 Гц, комфортное значение - 100 Гц;
- объем видеопамяти - чем больше объем видеопамяти, тем качественнее изображение на экране.
Основными характеристиками монитора являются:
-размер экрана по диагонали (измеряется в дюймах);
-размер зерна экрана - это минимальный размер пикселя, который может быть получен в данном мониторе, размер зерна изменить нельзя, а размер пикселя зависит от видеоадаптера.
Различают мониторы на ЭЛТ (электронно-лучевая трубка) и плоскопанельные мониторы (LCD, плазменные и др.).
Жидкокристаллические (LCD Liquid Crystal Display) - имеют панели, ячейки которых содержат жидкие вещества, обладающие некоторыми свойствами, присущими кристаллам. Молекулы жидких кристаллов под воздействием электрического поля могут менять свою ориентацию и вследствие этого изменять свойства светового луча, проходящего сквозь них.
Предназначены для вывода текстовой и графической информации бумагу или другой твердый носитель.
Матричные - принтеры ударного действия. Печатающая головка состоит из вертикального столбца маленьких стержней, которые оставляют следы от удара через красящую ленту. Печатающая головка, перемещаясь вдоль бумаги, оставляет строку символов. Недостатками являются медленная печать, низкое качество печати и высокий уровень шума.
Струйные - микрокапли чернил выбрасываются на бумагу под давлением из ряда мельчайших отверстий. Печатающая головка тоже и. умещается вдоль бумаги, оставляя строку символов или полоску изображения. Качество печати определяется количеством точек на дюйм (dpi). Качество печати у них значительно выше, чем у матричных, ниже уровень шума и выше скорость печати. Но эти принтеры требовательны к бумаге, на бумаге низкого качества чернила расплываются.
Лазерные - работают по принципу ксерографии, выполняют постраничную печать, что ведет к значительному увеличению скорости печати. Имеют почти типографское качество печати, практически без шума. Разрешающая способность лазерных принтеров достигает 1200 dpi и выше.
3. Плоттеры (графопостроители) - устройства для вывода широкоформатной графической информации на бумагу (электрических схем, плакатов и т.д.). Принципиальное их отличие от принтеров заключается в способности наносить непрерывные линии.
2.4. Устройства ввода информации.
1. Клавиатура - основное стандартное устройство управления и ввода информации. С помощью клавиатуры вводятся алфавитно-цифровые данные и реализуется управление работой компьютера. Стандартная клавиатура имеет 101 клавишу. Клавиши делят на пять основных блоков:
- цифровые (обычно отсутствует в ноутбуках);
- навигационные или клавиши управления курсором.
2. Мышь - оптико-механический манипулятор, используется при вводе графической информации, а также для управления работой компьютера. Бывают оптико-механическими, оптическими, лазерными.
К устройствам ввода также относятся трекбол , в котором рабочим органом является металлический шар, покрытый резиной. В отличие от мыши этот шар в трекболе вращается непосредственно рукой.
3. Сенсорная панель - обычно используется в портативных компьютерах, представляет собой прямоугольную панель, чувствительную к нажатию пальцев.
4. Сенсорный экран по принципу работы аналогичен сенсорной панели, с той разницей, что для перемещения курсора, нужно непосредственно прикасаться к экрану.
5. Сканер - устройство для ввода в компьютер графической информации и текстовых документов. Сканируемое изображение освещается светом. Отраженный свет проецируется на движущуюся линейку фотоэлементов, которая последовательно считывает изображение и преобразует его в цифровой код. Программы оптического распознавания символов преобразовывают отсканированный текст из графического формата в текстовый, что дает возможность его дальнейшего редактирования.
Сканеры характеризуются разрешающей способностью dpi, максимальным форматом сканируемого документа, различением цвета.
6. Дигитайзер - устройство поточечного координатного ввода графических изображений. Они позволяют достаточно точно вводить сложные изображения.
К устройствам ввода также относят цифровые камеры, микрофон и т.д.
2.5. Другие дополнительные устройства.
Модем - устройство для передачи цифровой информации по телефонным или выделенным линиям. Модем (модулятор/демодулятор) преобразует аналоговую информацию и цифровую и наоборот. Необходим при подключении к сети Интернет с помощью телефонных линий. Наиболее важной характеристикой модема являются максимальная скорость передачи (пропускная способность) в бодах (1 бод=1 бит/с), методы коррекции ошибок и сжатия данных.
Сетевая карта - устройство для высокоскоростного межкомпьютерного обмена цифровой информацией на небольших расстояниях. Она связана с аналогичным устройством другого компьютера высокочастотной линией.
Звуковая карта преобразует звук из аналоговой формы в цифровую.
3.1. Понятие вычислительной машины и принципы организации ее работы
Вычислительная машина - это техническое устройство обработки информации.
Кроме обработки информации, вычислительная машина выполняет функции
ввода, хранения вывода информации.
Общие принципы работы универсальных вычислительных устройств были сформулированы известным математиком
Джоном фон Нейманом.
Общая схема работы вычислительной машины, или компьютера: - компьютер может работать только по заранее разработанной программе, - программа представляет собой последовательность специальных команд, которые выполняются одна за другой, сначала первая, потом вторая, третья, и т. д., пока не выполнится последняя команда. - последовательность команд может быть изменена при помощи команд, передающих управление на выполнение других команд, не обязательно следующих за текущей командой.
Таким образом, некоторые последовательности команд могут выполняться неоднократно в течение нескольких циклов.
Для выполнения программа размещается на устройстве, которое называется памятью, или основной, системной памятью.
Каждая команда размещается в отдельной ячейке памяти, имеющей свой адрес, по которому может быть осуществлен прямой непосредственный доступ.
Устройство управления, имея адрес ячейки памяти, в которой находится первая команда программы, извлекает эту команду и передает на выполнение в арифметическо-логическое устройство.
Набор команд, которые может выполнить арифметическо-логическое устройство, определяется при разработке и совершенствовании этого устройства
Последовательность команд выполнятся автоматически до выполнения последней.
. В общем случае команды могут задавать выполнение арифметических или логических операций, чтение данных из памяти, запись данных в память, чтение данных из внешних устройств, запись данных на внешние устройства.
В современных компьютерах устройство управления и арифметическо-логическое устройство объединены в одно, которое называется процессором (или центральным процессором).
В настоящее время процессоры производятся на отдельном кристалле (чипе) по специальным микротехнологиям, называютя центральными микропроцессорами (определяют тип компьютера). Он управляет работой компьютера ,с помощью программы, которая может прерываться по специальным сигналам-прерываниям от внешних устройств для выполнения срочных действий.
3.2. Классы вычислительных машин их основные характеристики
По возможностям, которые предоставляют компьютеры пользователю, их можно разделить на следующие большие группы: мини-компьютеры, мэйнфреймы, суперкомпьютеры.
Суперкомпьютеры обладают самым высоким быстродействием и имеют огромные вычислительные мощности.
Производство суперкомпьютеров - это штучное производство, в котором используются самые новейшие достижения во многих отраслях науки и техники. Суперкомпьютеры используются для сложных расчетов в аэродинамике, метеорологии, космических и физических исследованиях, экономике и финансовом управлении.
Мэйнфреймы (большие компьютеры) обладают значительными ресурсами для решения сложных задач в финансовой области, в управлении регионами, отраслями, большими предприятиями, в том числе и предприятиями торговли, в военной области.
Мэйнфреймы получили наибольшее развитие в 80-е годы. Однако и сейчас они с успехом выполняют задачи по интеграции больших неоднородных компьютерных комплексов.
Мини-компьютеры используются при управлении предприятиями и организациями. К ним относятся серверы старшего уровня, являющиеся центральными компьютерами в компьютерных сетях предприятия, которые выполняют функции управления локальными сетями.
В качестве серверов среднего и младшего уровня используются микрокомпьютеры, имеющие меньшие возможности.
Микрокомпьютеры - это самые массовые модели вычислительных машин. К ним относятся персональные компьютеры настольного и мобильного исполнения.
Рабочие станции используются в офисах, для работы с научными и инженерными приложениями, при моделировании производственных, финансово-экономических процессов, в типографском деле.
Персональные компьютеры имеют более низкие характеристики и используются для офисных приложений: текстовых процессоров, электронных таблиц, ведения простейших баз данных.
Сетевые компьютеры используются в локальных сетях как компонент
Сетевые компьютеры могут не иметь достаточных вычислительных мощностей для решения сложных задач. Недостаток мощности восполняется возможностями сетей, которые реализуются при использовании мощных компьютеров-серверов.
Сервер и персональный компьютер относятся к одному классу микрокомпьютеров. Отличие состоит в надежности работы.
От работы сервера зависит работа целого предприятия или подразделения, он должен обладать достаточной надежностью и устойчивостью к возможным сбоям системы.
Для обеспечения надежности работы сервера могут использоваться такие средства, как резервные источники питания, сдвоенная шина, сдвоенные контроллеры, зеркалирование (использование RAID-систем), использование алгоритмов для быстрого и полного восстановления данных.
Сервер не является лишь усиленным (с дублированием основных элементов) вариантом персонального компьютера.
Серверные решения предполагают использование новейших достижений в области компьютерной техники, которые позднее находят свое применение в персональных компьютерах.
2. Устройства обработки информации. Периферийные устройства.
3. Компьютер - исполнитель команд.
4. Программный принцип работы компьютера.
5. Принципиальная схема компьютеров. Структура (архитектура) современных компьютеров.
Главный объект, с которым работает любой компьютер – это информация. Как и человек, компьютер обрабатывает разного рода информацию: текст, графику, звук, видео и т.д. В представлении компьютера информация – это вереница из нулей и единиц. Человеку в таком виде воспринимать информацию нереально.
Технические средства информатизации– это совокупность систем, машин, приборов, механизмов, устройств и прочих видов оборудования, предназначенных для автоматизации различных технологических процессов информатики, причем таких, выходным продуктом которых является информация (данные), используемые для удовлетворения информационных потребностей в разных областях деятельности общества.
Все технические средства информатизации в зависимости от выполняемых функций можно разделить на шесть групп:
- Устройства ввода информации :текста (клавиатура); местоуказания (мышь, световое перо, трекбол, графический планшет, джойстик); мультимедиа (графика (сканер и цифровая фотокамера), звук (магнитофон, микрофон), видео (веб-камера, видеокамера).
- Устройства вывода информации: текста (монитор); мультимедиа (графика (принтер, плоттер), звук (наушники, акустические системы), видео (видеомагнитофон, видеокамера).
- Устройства обработки информации: микропроцессор; сопроцессор.
- Устройства передачи и приема информации: модем; сетевая карта.
- Многофункциональные устройства: устройства копирования; устройства размножения; издательские системы.
- Устройства хранения информации HDD - hard disk drive - накопители на жёстких магнитных дисках – «винчестеры»; SDD - solid state drive - твердотельный накопитель; карты памяти и flash-диски; внешние диски.
Запоминающее устройство — носитель информации, предназначенный для записи и хранения данных. Устройства хранения информации делятся на 2 вида:
- внешние (периферийные) устройства
К внешним устройствам относятся магнитные диски, CD, DVD, BD, cтримеры, жесткий диск, а также флэш-карта. Внешняя память дешевле внутренней, создаваемой обычно на основе полупроводников. Кроме того, большинство устройств внешней памяти может переноситься с одного компьютера на другой. Главный их недостаток в том, что они работают медленнее устройств внутренней памяти.
- НГМД (накопитель на гибких магнитных дисках), практически не используется.
- НЖМД (накопитель на жестких магнитных дисках) -это прочный металлический корпус, полностью герметичен и защищает дисковод от частичек пыли, экранирует накопитель от электромагнитных помех. Диск представляет собой круглую пластину с очень ровной поверхностью чаще из алюминия, реже - из керамики или стекла, покрытую тонким ферромагнитным слоем. Магнитные головки считывают и записывают информацию на диски. Пакет дисков, смонтированный на оси-шпинделе, приводится в движение специальным двигателем, компактно расположенным под ним.
Основные параметры жесткого диска:
· Емкость – винчестер имеет объем от 40 Гб.
· Скорость чтения данных.
· Среднее время доступа. Измеряется в миллисекундах и обозначает то время, которое необходимо диску для доступа к любому выбранному вами участку.
· 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.
· Размер кэш-памяти – быстрой буферной памяти небольшого объема, в которую ПК помещает наиболее часто используемые данные. Винчестер имеет свою кэш-память.
· Фирма-производитель. Например, Fujitsu, Maxtor, Samsung, Seagate, Toshiba и Western Digital. Каждая модель одного производителя имеет свои, только ей присущие особенности.
- Стримеры– устройства 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
- Flash-карта - Устройства, выполненные на одной микросхеме (кристалле) и не имеющие подвижных частей, основаны на кристаллах электрически перепрограммируемой флэш-памяти. 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 от 12 Мбит/с или его современный вариант USB 2.0, USB 3.0 Сам носитель заключен в обтекаемый компактный корпус. Основные параметры - емкость и скорость работы. 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
Miniature Card (MC) – карточка флэш-памяти, предназначена в основном для карманных компьютеров, мобильных телефонов и цифровых фотокамер.
xD Picture Card (extreme Digital) является новым типом флэш-памяти, разработанным компанией Toshiba специально для цифровых фотоаппаратов.
Оптические CD, DVD, BD CD (Compact Disc)- оптический носитель информации в виде пластикового диска с отверстием в центре, процесс записи/считывания информации на/c который осуществляется при помощи лазера. По своим характеристикам они полностью идентичны обычным музыкальным компакт-дискам. Данные на диске записываются в виде спирали (в отличие от винчестера, данные на котором располагаются в виде концентрических окружностей).
DVD (Digital Versatile Disk, ранее Digital Video Disk), т. е. многоцелевой цифровой диск – тип компакт-дисков, хранящий от 4,7 байт информации. Спецификаций DVD-ROM рассматривает диски и технологию DVD в качестве средства хранения компьютерных данных, обладающего громадной емкостью. DVD по структуре данных бывают четырёх типов:
- DVD-видео — содержат фильмы (видео и звук);
- DVD-Audio — содержат аудиоданные высокого качества (гораздо выше, чем на аудио-компакт-дисках);
- DVD-Data — содержат любые данные;
BD(Blu-ray - англ. blue ray — синий луч и disc — диск) — формат оптического носителя, используемый для записи и хранения цифровых данных, включая видео высокой чёткости с повышенной плотностью. В новой технологии появились кардинальные изменения в логической структуре диска, стоимости и других параметрах.
Магнитно-оптические диски — носители информации, сочетающие свойства оптических и магнитных накопителей. В последнее время все более широкое признание получает магнитооптическая технология, которая использует магнитные и оптические механизмы записи и чтения; все чаще магнитооптические накопители используются для хранения больших объемов информации.
2 К внутренним устройствам относятся оперативная память, кэш-память, CMOS-память, BIOS. Главным достоинством является скорость обработки информации. Но в то же время устройства внутренней памяти довольно дорогостоящи.
Как следует из приведенной выше классификации, большая часть современных технических средств информатизации в той или иной мере связана с ЭВМ – персональными компьютерами (ПК).
Основные (стандартные) устройства:
Устройства ввода и вывода являются непременным и обязательным элементом любой ЭВМ, начиная с самой первой и заканчивая современными ПК, поскольку именно эти устройства обеспечивают взаимодействие пользователя с вычислительной системой.
Устройства ввода: сканер, дигитайзер, цифровая фотокамера, графический планшет.
Устройства вывода: принтер, графопостроитель.
Внешние запоминающие устройства (ВЗУ): дисководы для работы с магнитными и лазерными дисками, стример.
Устройства управления: мышь, трекбол, контактная панель, джойстик.
Устройства, выполняющие одновременно функции ввода и вывода информации в/из ПЭВМ: модем, звуковая приставка, сетевая плата. Все устройства ввода/вывода персонального компьютера относятся к периферийным устройствам, т.е. подключаемым к микропроцессору через системную шину и соответствующие контроллеры.
Главным устройством ПК является микропроцессор, обеспечивающий в наиболее общем случае управление всеми устройствами и обработку информации. Для решения специфических задач ПК оснащаются сопроцессорами. Эти устройства относятся к устройствам обработки информации.
Устройства передачи и приема информации (или устройства связи) являются непременными атрибутами современных информационных систем, которые все больше приобретают черты распределенных информационных систем, в которых информация хранится не в одном месте, а распределена в пределах некоторой сети.
Модем (модулятор-демодулятор) – устройство, преобразующее информацию в такой вид, в котором ее можно передавать по телефонным линиям связи. Внутренние модемы имеют PCI-интерфейс и подключаются непосредственно к системной плате. Внешние модемы подключаются через порты COM или USB.
Сетевой адаптер (сетевая плата) – электронное устройство, выполненное в виде платы расширения (может быть интегрирован в системную плату) с разъемом для подключения к линии связи.
Устройства хранения информации занимают не последнее место среди всех технических средств информатизации, поскольку используются для временного (непродолжительного) или длительного хранения обрабатываемой и накапливаемой информации.
Многофункциональные устройства стали появляться сравнительно недавно. Отличительная особенность этих устройств заключается в сочетании целого ряда функций (например, сканирование и печать или печать и брошюровка печатных копий, и т.д.) по автоматизации действий пользователя.
Основные компоненты системного блока
Корпус системного блока обычно имеет один из двух вариантов исполнения: настольный вариант горизонтального типа (Desktop) и настольный вариант вертикального типа - башня. Последний имеет модификации: Tower, MinuTower, ATX (используется в последних моделях ПЭВМ) и пр.
Системный блок содержит: системную плату, дисковод для работы с гибкими дисками (НГМД), жесткий диск, порты ввода-вывода (разъемы), блок питания, громкоговоритель.
Основным элементом является системная плата. На системной плате располагаются: микропроцессор; сопроцессор (может отсутствовать); модули оперативной памяти; микросхемы быстрой памяти (КЭШ); микросхема базовой системы ввода-вывода (BIOS); системная шина; адаптеры и контроллеры (платы расширения), управляющие работой различных устройств (дисководами, монитором, клавиатурой, мышью и т.д.). На ней расположено большое количество внутренних и внешних разъемов и различных вспомогательных микросхем. Тип чипсета, наряду с количеством и назначением разъемов, является основной характеристикой материнской платы.
Микропроцессор (процессор, МП) - это микросхема, которая производит все арифметические и логические операции, осуществляет управление всем процессом решения задачи по заданной программе. По мере развития технологий производства микросхем и совершенствования архитектуры компьютеров все больше функций центрального процессора, особенно управляющих, передается другим устройствам, являющимся, специализированными процессорами. Наиболее мощным из таких специализированных процессоров является графический процессор, контроллеры. Они выполняют обработку данных параллельно с центральным процессором.
Главные характеристики процессора:
Разрядность. Микропроцессор, как и любое устройство ЭВМ, работает лишь с двоичными числами. Максимальная длина (количество разрядов) такого числа, которое может обрабатывать микропроцессор, есть его разрядность.
Тактовая частота. Такт - время выполнения процессором элементарной внутренней операции. Тактовая частота (ТЧ) - это количество тактов, выполняемых процессором в секунду.
Платы и микросхемы запоминающих устройств (ЗУ).
Запоминающие устройства предназначены для хранения программ и данных и делятся на несколько видов: оперативные (ОЗУ), кэш-память, постоянные (ПЗУ), внешние.
Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) - неотъемлемая часть любой ЭВМ. Это быстродействующее ЗУ сравнительно небольшого объема, реализованное в виде набора микро микросхем. Именно в ОЗУ хранится выполняемая процессором в теку текущий момент программа и необходимые для нее данные. Она представляет собой модули памяти, состоящие из электронных микросхем и вставляемые в разъемы <слоты) на материнской плате. Эта память является энергозависимой, и ее содержимое теряется при выключении компьютера. Характеристики основной памяти заметно совершенствуются по мере развития технологии.
Характеристики ОЗУ: объем памяти; время выборки данных из ОЗУ.
Кэш-память. Это сверхбыстродействующее ОЗУ Используется для ускорения операций в памяти ПЭВМ. В кэш-память записывается та часть информации из ОЗУ, с которой процессор работает в данный момент.
Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Эта часть памяти доступна лишь для чтения данных и программ. В IBM-совместимых ПЭВМ ПЗУ реализовано отдельной микросхемой, в нем хранится часть операционной системы - базовая система ввода-вывода (BIOS). Она обеспечивает включение ПЭВМ в работу и тестирование его устройств.
Системная шина, шины - комплекс проводных каналов связи, соединяющих различные компоненты системной платы ПЭВМ. Конструктивно выполнены заодно с платой.
Разъемы плат расширения, Порты.
Аппаратное обеспечение компьютера – это все устройства, входящие в его состав и обеспечивающие его исправную работу. Несмотря на разнообразие компьютеров в современном мире, все они строятся по единой принципиальной схеме, основанной на фундаменте идеи программного управления Чарльза Бэббиджа(середина XIX в). Эта идея была реализована при создании первой ЭВМ ENIAC в 1946 году коллективом учёных и инженеров под руководством известного американского математика Джона фон Неймана, сформулировавшего следующие общие принципы:
1. Принцип программного управления. Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.
2. Принцип однородности памяти. Программа и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти – число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. Это открывает целый ряд возможностей. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке, что позволяет в самой программе правила получения некоторых ее частей (так в программе организуется выполнение циклов и подпрограмм).
3. Принцип адресности. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступа любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к заполненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использование присвоенных имен.
Структуру (архитектуру) современных компьютеров называют неймановской.
Контрольные вопросы к лекции:
1. Что такое технические средства информатизации?
2. Классификация технических средств информации.
3. Что такое периферийные устройства.
4. Что такое магистрально-модульный принцип и принцип открытой архитектуры строения ПК.
5. Что такое неймановская структуру компьютеров.
Практические задания для самостоятельной работы:
1. Изобразите структуру (архитектура) современных компьютеров.
3. Подготовьте презентационный материал по теме «Основные компоненты системного блока»
По теме: методические разработки, презентации и конспекты
урок информатики Компьютер как средство обработки информации
Урок проводился по теме «Компьютер как средство обработки информации» в 8 классе Урок является повторительно - обобщающим в данной теме.Уроку предшествовало изучение темы в количестве 6 часов, гд.
Материал к уроку информатики в 10 классе по теме : "Компьютер универсальная техническая система обработки информации".
Материал содержит: Конспект урока + презентацию.
Компьютер – универсальная техническая система обработки информации
Презентация к уроку информатики в 10 классе по учебнику Семакина И. "Информатика и ИКТ" базовый курс .
«Компьютер как средство обработки информации»
Игровая презентация "СВОЯ ИГРА" на тему "Компьютер как средство обработки информации"
Презентация к уроку повторения темы "Компьютер как средство обработки информации" урок проводится в виде аналогичной тлевизионной игры.
Конспект урока в 8 классе « Компьютер как средство обработки информации»
Конспект урока в 8 классе " Компьютер как средство обработки информации".
Урок-экскурсия "Компьютер - универсальная техническая система обработки информации"
Документ-инструкция. Тема: Компьютер - универсальная техническая система обработки информации. Цель: повторить устройство компьютера, актуализировать знания по теме.Задача: действовать согласно а.
Компьютер – это устройство или средство, предназначенное для обработки информации. Компьютер может обрабатывать только информацию, представленную в числовой форме. Информацию в иной форме представления для ввода в компьютер необходимо преобразовать в числовую форму. Современным компьютерам предшествовали ЭВМ нескольких поколений. В развитии ЭВМ выделяют пять поколений. В основу классификации заложена элементная база, на которой строятся ЭВМ. 1. В 1943 году была создана вычислительных машин ЭВМ первого поколения на базе электронных ламп. 2. Второе поколение (50 – 60 г.г.) компьютеров построено на базе полупроводниковых элементов (транзисторах). 3. Основная элементная база компьютеров третьего поколения (60 – 70 г.г.) - интегральные схемы малой и средней интеграции. 4. В компьютерах четвертого поколения (70 – по н/в) применены больших интегральных схемах БИС (микропроцессоры). Применение микропроцессоров в ЭВМ позволило создать персональный компьютер (ПК), отличительной особенностью которого является небольшие размеры и низкая стоимость. 5. В настоящее время ведутся работы по созданию ЭВМ пятого поколения, которые разрабатываются на сверхбольших интегральных схемах.
Существует и другие различные системы классификации ЭВМ:
По производительности и быстродействию
По уровню специализации
По типу используемого процессора
По особенностям архитектуры
Рассмотрим схему классификации ЭВМ, исходя из их вычислительной мощности и габаритов.
Суперкомпьютеры – это самые мощные по быстродействию и производительности вычислительные машины. К суперЭВМ относятся “Cray” и “IBM SP2” (США). Используются для решения крупномасштабных вычислительных задач и моделирования, для сложных вычислений в аэродинамике, метеорологии, физике высоких энергий, также находят применение и в финансовой сфере. Большие машины или мейнфреймы (Mainframe). Мейнфреймы используются в финансовой сфере, оборонном комплексе, применяются для комплектования ведомственных, территориальных и региональных вычислительных центров. Средние ЭВМ широкого назначения используются для управления сложными технологическими производственными процессами. Мини-ЭВМ ориентированы на использование в качестве управляющих вычислительных комплексов, в качестве сетевых серверов.
Микро - ЭВМ — это компьютеры, в которых в качестве центрального процессора используется микропроцессор. К ним относятся встроенные микро – ЭВМ (встроенные в различное оборудование, аппаратуру или приборы) и персональные компьютеры PC. Современные персональные компьютеры имеют практически те же характеристики, что и мини-ЭВМ восьмидесятых годов. На базе этого класса ЭВМ строятся автоматизированные рабочие места (АРМ) для специалистов различного уровня, используются как средство обработки информации в информационных системах. К персональным компьютерам относятся настольные и переносные ПК. К переносным ЭВМ относятся Notebook (блокнот или записная книжка) и карманные персональные компьютеры (Personal Computers Handheld - Handheld PC, Personal Digital Assistants – PDA и Palmtop).
Читайте также: