История вычислительной техники. Логика функционирования аппаратных и программных средств ЭВМ. Представление информации в компьютере, его архитектура, элементы и направления использования. Устройства ввода данных. Кодирование текстов, чисел и графики.
Информатика - это область человеческой деятельности, связанная с процессами преобразования информации с помощью компьютеров. Несмотря на многообразие решаемых с помощью компьютера задач, принцип его применения в каждом случае один и тот же: информация, поступающая в компьютер, обрабатывается с целью получения требуемых результатов. Итак, информатика занимается вопросами обработки информации с помощью компьютера. Несмотря на то, что человеку постоянно приходится иметь дело с информацией, строгого научного определения, что такое информация не существует. В информатике информация - это сведения об объектах и явлениях окружающей среды, их параметрах, свойствах и состоянии, которые уменьшают имеющуюся о них степень неопределенности, неполноты знаний.Кратко рассмотрев физические принципы работы двух устройств, сыгравших ключевую роль в истории электроники XX века, - электровакуумного триода и транзистора. Потому что на их основе были созданы электрические схемы, выполняющие операции булевой алгебры. Но оказывается, чтобы реализовать быстрые, простые и надежные устройства, выполняющие логические операции, нужны достаточно сложные электронные элементы. Таким образом, создание ЭВМ было бы невозможно без вклада физиков, придумавших «электронные вентили» - триод и транзистор. Квантовые компьютеры будут использовать в качестве базовых элементов отдельные молекулы, поэтому, очевидно, их развитие невозможно без применения аппарата квантовой физики.
Введение
Информатика - это область человеческой деятельности, связанная с процессами преобразования информации с помощью компьютеров.
Пристальное внимание к информатике связано с бурным ростом объема человеческих знаний, который часто называют «информационным взрывом». Общая сумма человеческих знаний изменялась раньше очень медленно. Затем процесс получения новых знаний заметно ускорился. Так общая сумма человеческих знаний к 1800 г. удваивалась каждые 50 лет, к 1950 г. - каждые 10 лет, к 1970 г. - каждые 5 лет, к 1990 г. - ежегодно. Т.о., в настоящее время накоплен большой объем информации, обработать который вручную людям невозможно (в силу своих физиологических особенностей).
Эффективным инструментом обработки большого количества информации и незаменимым помощником в жизни человека стал компьютер (от англ. computer- вычислительное устройство).
Основные направления использования компьютера: ь накопление, хранение и обработка больших объемовинформации, быстрый поиск требуемых данных;
ь выполнение научных, экономических и конструкторских расчетов;
ь обучение и приобретение профессиональных навыков;
ь издательское дело;
ь построение чертежей, диаграмм, создание рисунков и картин, мультфильмов, кинофильмов, видео клипов;
ь общение людей;
ь имитация работы человека-эксперта в определенной предметной области;
ь игры и развлечения.
Несмотря на многообразие решаемых с помощью компьютера задач, принцип его применения в каждом случае один и тот же: информация, поступающая в компьютер, обрабатывается с целью получения требуемых результатов. Не случайно в США и Великобритании учебный курс информатики называется COMPUTERSCIENCE - компьютерная наука. Итак, информатика занимается вопросами обработки информации с помощью компьютера. Для решения конкретной задачи компьютер должен выполнить определенные действия (команды) в строго определенном порядке.
Программа - это записанный в определенном порядке набор команд, выполнение которых обеспечивает решение конкретной задачи. Процесс составления программ называется программированием.
Таким образом, чтобы решить конкретную задачу, необходимо иметь компьютер, т.е. само устройство для осуществления действий. В английском языке имеется специальное слово - hardware- для обозначения всех частей и приспособлений, из которых состоит компьютер, т.н. аппаратная часть. Кроме компьютера необходимо иметь набор программ, управляющих его действиями, - программное обеспечение, или software. Это слово придумано специально, чтобы подчеркнуть, что программное обеспечение является равноправной частью компьютера как устройства, предназначенного для решения задач, но в отличие от “твердой” аппаратной части, ПО (программное обеспечение) гибкое, изменяющееся в зависимости от конкретной решаемой задачи.
История вычислительной техники
С древнейших времен человек конструирует себе в помощь различные приспособления для облегчения вычислении. По сути, вся история ЭВМ определяется серией замечательных физических открытий в области электроники. Строго говоря, вычислительные машины существовали и до XX века: это абак, счеты, логарифмические линейки, арифмометры, счетные машины Паскаля и Бэббиджа и некоторые другие. Все это - механические устройства с очень ограниченными возможностями. История же собственно электронных вычислительных машин (рис. 1) начинается в двадцатом веке и связана с изобретением в 1906 году американским инженером Ли де Форестом вакуумного триода. На основе триодов были созданы ЭВМ так называемого первого поколения, начинающего свою историю в 40-е годы. Это поколение компьютеров-монстров, занимавших по своим размерам целые комнаты и потреблявших мощности, достаточные для работы небольшого завода. Однако, несмотря на такую громоздкость, производительность этих машин была весьма скромной.
Качественное изменение ЭВМ произошло после еще одного эпохального открытия физики - изобретения в 1947 году Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли полевого транзистора. Применение полупроводниковых транзисторов вместо вакуумных ламп (триодов) позволило существенно уменьшить размеры и энергопотребление машин второго поколения и повысить их быстродействие и надежность.
Дальнейшее развитие компьютеров связано с использованием интегральных схем, впервые изготовленных в 1960 году американцем Робертом Нойсом. Интегральная схема - это множество, от десятков до миллионов, транзисторов, размещенных на одном кристалле полупроводника. Использование интегральных схем (компьютеры третьего поколения), больших и сверхбольших интегральных схем (четвертое поколение) привело к значительному упрощению процесса изготовления ЭВМ и увеличению их быстродействия. В 80-е годы началось изготовление персональных компьютеров, которые постепенно приобрели современный вид. Примерно тогда же появились первые мобильные компьютеры, или ноутбуки. Огромной производительности достигли многопроцессорные вычислительные комплексы - так называемые суперкомпьютеры.
IMG_30b04a32-17a5-4363-9d83-33d7c14728cb
Рис. 1 вычислительный информация компьютер
Булева алгебра (названа в честь английского математика XIX века Джорджа Буля) рассматривает величины, принимающие только два значения - 0 или 1. Значение булевой величины можно представлять как ложность или истинность какого-либо утверждения (0 - ложь, 1 - истина). Поэтому с такими величинами можно производить различные операции - так же, как мы оперируем с утверждениями при рассуждениях. Основные операции - это И, ИЛИ, НЕ.
Например: «я возьму зонт», если «пойдет дождь» И «за мной НЕ заедет друг на машине». Если обозначить через С утверждение «я возьму зонт», А - «пойдет дождь» и В - «за мной заедет друг», то С = А И (НЕ В). Выполнением подобных операций и занимается процессор компьютера.
Выполнение логических операций можно проиллюстрировать на наглядной физической модели «водопровода». Представим утверждения, над которыми производятся операции, в виде вентилей на трубах (открытый вентиль - утверждение истинно, закрытый - ложно). Результат операции представим в виде крана, из которого вода может либо течь (истина), либо не течь (ложь).
IMG_cbdfea73-bb0d-4ea0-acfb-ecf82c547b20
Рис. 2
На рис. 2 изображены системы труб, реализующие основные логические операции. Например, рассмотрим операцию И: С = А И В (рис. 2а). Вентили А и В установлены на трубе последовательно, поэтому вода из крана С течет, только если они оба открыты. Если же установить вентили на две параллельные трубы, соединяющиеся в одну, то такая система будет выполнять операцию ИЛИ: если хотя бы один из вентилей А или В открыт, вода из крана С потечет, т. е. С = А ИЛИ В (рис. 2б). На рис. 2в представлена система, выполняющая операцию НЕ: если вентиль А закрыт, то вода протекает в кран В, если же он открыт, то вся вода стекает в «запасную» трубу, и через кран В не течет, т. е. В = НЕ А.
Компьютерное представление информации
Информация - в переводе с латинского (informatio) - сведение, разъяснение, ознакомление.
Несмотря на то, что человеку постоянно приходится иметь дело с информацией, строгого научного определения, что такое информация не существует. Можно лишь попытаться выразить его через другие известные понятия. Понятия отличаются от определений тем, что при разных обстоятельствах в них вкладывают разный смысл.
В бытовом смысле под информацией понимают те сведения, которые человек получает от окружающей природы и общества с помощью органов чувств, которые повышают его уровень осведомленности.
В информатике информация - это сведения об объектах и явлениях окружающей среды, их параметрах, свойствах и состоянии, которые уменьшают имеющуюся о них степень неопределенности, неполноты знаний.
Количество информации - это мера уменьшения неопределенности.
1 БИТ - такое колво информации, которое содержит сообщение, уменьшающее неопределенность знаний в два раза. БИТ- это аименьшая единица измерения информации
Единицы измерения информации: 1байт = 8 бит
1Кб (килобайт) = 210 байт = 1024 байт
1Мб (мегабайт) = 210 Кб = 1024 Кб
1Гб (гигабайт) = 210 Мб = 1024 Мб
Кодирование информации различных видов
Кодирование чисел. Используя n бит, можно записывать двоичные коды чисел от 0 до 2n-1, всего 2n чисел.
1) Кодирование положительных чисел: Для записи положительных чисел в байте заданное число слева дополняют нулями до восьми цифр. Эти нули называют незначимыми.
2) Кодирование отрицательных чисел:Наибольшее положительное число, которое можно записать в байт, - это 127, поэтому для записи отрицательных чисел используют числа с 128-го по 255-е. В этом случае, чтобы записать отрицательное число, к нему добавляют 256, и полученное число записывают в ячейку.
Кодирование текста. Соответствие между набором букв и числами называется кодировкой символа. Как правило, код символа хранится в одном байте, поэтому коды символов могут принимать значение от 0 до 255. Такие кодировки называют однобайтными. Они позволяют использовать 256 символов. Таблица кодов символов называется ASCII (American STANDARDCODEFORINFORMATIONINTERCHANGE- Американский стандартный код для обмена информацией). Таблица ASCII-кодов состоит из двух частей: Коды от 0 до 127 одинаковы для всех IBM-PC совместимых компьютеров и содержат: · коды управляющих символов;
· коды цифр, арифметических операций, знаков препинания;
· некоторые специальные символы;
· коды больших и маленьких латинских букв.
Вторая часть таблицы (коды от 128 до 255) бывает различной в различных компьютерах. Она содержит: · коды букв национального алфавита;
· коды некоторых математическихсимволов;
· коды символов псевдографики.
В настоящее время все большее распространение приобретает двухбайтная кодировка Unicode. В ней коды символ могут принимать значение от 0 до 65535.
Кодирование цветовой информации. Одним байтом можно закодировать 256 различных цветов. Это достаточно для рисованных изображений типа мультфильмов, но не достаточно для полноцветных изображений живой природы. Если для кодирования цвета использовать 2 байта, можно закодировать уже 65536 цветов. А если 3 байта - 16,5 млн. различных цветов. Такой режим позволяет хранить, обрабатывать и передавать изображения, не уступающие по качеству наблюдаемым в живой природе.
Из курса физики известно, что любой цвет можно представить в виде комбинации трех основных цветов: красного, зеленого, синего (их называют цветовыми составляющими). Если кодировать цвет точки с помощью 3 байтов, то первый байт выделяется красной составляющей, второй - зеленой, третий - синей. Чем больше значение байта цветовой составляющей, тем ярче этот цвет.
· Белый цвет - у точки есть все цветовые составляющие, и они имеют полную яркость. Поэтому белый цвет кодируется так: 255 255 255. (11111111 11111111 11111111)
· Черный цвет - отсутствие всех прочих цветов: 0 0 0. (00000000 00000000 00000000)
· Серый цвет - промежуточный между черным и белым. В нем есть все цветовые составляющие, но они одинаковы и нейтрализуют друг друга. Например: 100 100 100 или 150 150 150. (2-й вариант - ярче).
· Красный цвет - все составляющие, кроме красной, равны 0. Темно-красный: 128 0 0. Ярко-красный: 255 0 0.
· Зеленый цвет - 0 255 0.
· Синий цвет - 0 0 255.ов могут принимать значение от 0 до 65535.
Кодирование графической информации. Рисунок разбивают на точки. Чем больше будет точек, и чем мельче они будут, тем точнее будет передача рисунка. Затем, двигаясь по строкам слева направо начиная с верхнего левого угла, последовательно кодируют цвет каждой точки. Для черно-белой картинки достаточно 1 байта для точки, для цветной - до 3-х байт для одной точки.
Арифметические основы работы ЭВМ
Правила выполнения арифметических действий над двоичными числами задаются таблицами сложения, вычитания и умножения.
сложениевычитаниеумножение
0 0=00-0=00*0=0
0 1=11-0=10*1=0
1 0=11-1=01*0=0
1 1=1010-1=11*1=1
Правило выполнения операции сложения одинаково для всех систем счисления: если сумма складываемых цифр больше или равна основанию системы счисления, происходит перенос единицы в следующий слева разряд. При вычитании, если необходимо, делают заем. В ВТ с целью упрощения реализации арифметических операций применяют специальные коды: прямой, обратный, дополнительный. За счет этого облегчается определение знака результата операции, а операция вычитания чисел сводится к арифметическому сложению. В результате упрощаются устройства, выполняющие арифметические операции.
1. Прямой код складывается из знакового разряда (старшего) и собственно числа. Знаковый разряд имеет значение
0 - для положительных чисел;
1 - для отрицательных чисел.
2. Обратный код образуется из прямого кода заменой нулей - единицами, а единиц - нулями, кроме цифр знакового разряда. Для положительных чисел обратный код совпадает с прямым. Используется как промежуточное звено для получения дополнительного кода.
3. Дополнительный код образуется из обратного кода добавлением 1 к младшему разряду.
Правило сложения двоичных чисел: При алгебраическом сложении двоичных чисел с использованием дополнительного кода положительные слагаемые представляют в прямом коде, а отрицательные - в дополнительном коде. Затем производят суммирование этих кодов, включая знаковые разряды, которые при этом рассматриваются как старшие разряды. При возникновении переноса из знакового разряда единицу переноса отбрасывают. В результате получают алгебраическую сумму в прямом коде, если эта сумма положительная, и в дополнительном коде, если сумма отрицательная.
Логические основы работы ЭВМ
Для описания логики функционирования аппаратных и программных средств ЭВМ используется алгебра логики или, как ее часто называют, булева алгебра (по имени основоположника этого раздела математики - Дж. Буля).
Булева алгебра оперирует логическими переменными, которые могут принимать только два значения: истина или ложь (true или false), обозначаемые соответственно 1и 0.
Основной СС ЭВМ является двоичная СС, в которой используются только 2 цифры -1 и 0. Значит, одни и те же цифровые устройства ЭВМ могут применяться для обработки как числовой информации в двоичной СС, так и логических переменных. Это обуславливает универсальность (однотипность) схемной реализации процесса обработки информации в ЭВМ.
Логической функцией называется функция, которая может принимать только 2 значения - истина или ложь (1 или 0). Любая логическая функция может быть задана с помощью таблицы истинности. В левой ее части записываются возможные наборы аргументов, а в правой - соответствующие им значения функции.
IMG_60e422a3-50cb-4d60-8263-6a9a759b6ec4
IMG_5f3b957f-660a-42c6-a8ef-98fb6a05c9ea
Функциональная схема ЭВМ
Общая схема современного компьютера была предложена выдающимся американским математиком венгерского происхождения Джоном фон Нейманом в июне 1945 г. По этой схеме компьютер состоит из двух основных частей: центрального процессора (ЦП) и памяти. Память хранит информацию, а ЦП выполняет ее обработку. Революционность идеи фон Неймана состоит в том, чтобы хранить в памяти не только данные, но и способы их обработки для получения из исходных данных того или иного результата. Для осуществления обмена информацией между человеком и компьютером в схему добавлены периферийные устройства - ввода/вывода.
IMG_3f77db4d-6a64-4968-a4da-ac42e3869815
Кроме того, в современных компьютерах используются так называемые накопители- устройства, предназначенные для постоянного хранения (накопления) данных и программ, необходимых для работы компьютера, и обмена этой информацией между накопителями и оперативной памятью компьютера. Накопители бывают на жестких магнитных дисках (винчестерах) и гибких магнитных дисках (дискетах). Такие накопители называют дисковыми, но бывают и другие виды накопителей.
Процессор, память и накопители на жестких и гибких магнитных дисках составляют системный блок современного ПК.
Необходимыми периферийными устройствами являются: · Клавиатура - устройство ввода;
· Манипулятор - типа мышь - вспомогательное устройство ввода;
· Дисплей - (монитор) - необходимое устройство вывода.
Одной из плодотворных идей, положенных в основу ПК, является принцип открытой архитектуры. Согласно этой концепции компьютер не является единым неразъемным устройством, а имеется возможность его сборки из независимо изготовленных частей аналогично детскому конструктору. На основной электронной плате (системной) размещены только те блоки, которые осуществляют вычисления.
Схемы, управляющие всеми остальными устройствами ПК (монитором, дисками, принтером и т.д.), реализованы на отдельных платах, которые вставляются в стандартные разъемы (слоты) на системной плате.
Электропитание ко всем схемам подводится из единого блока питания. А для удобства и надежности все это заключается в общий металлический или пластиковый корпус. В таком случае каждый пользователь может самостоятельно формировать конфигурацию своего компьютера по своему усмотрению. Т.е., в зависимости от потребности пользователь может подключить к системной шине различные устройства: модем, звуковую плату, клавиатуру электромузыкального инструмента и т.п. Кроме того, имеющийся компьютер легко модернизировать, например, путем замены винчестера на жесткий диск большего объема, замены процессора, увеличения объема оперативной памяти и т.д.
Процессор
Центральный процессор (ЦП) - это сердце компьютера. ЦП представляет собой очень маленький кремниевый кристалл с огромным количеством (несколько млн.) размещенных в нем транзисторов. ЦП часто называют чипом, микропроцессором (МП) (эти слова в последнее время стали синонимами).
В компьютерах типа IBMPC используются МП фирмы Intel, а также совместимые с ними МП других фирм: AMD, Cyrix, IBM и др.
МП отличаются 2 характеристиками: · модель (тип). Наиболее распространены Intel-8088, 80286, 80386, 80486, Pentium.
· тактовая частота - количество выполняемых МП
· элементарных операций за 1 секунду, МГЦ. Intel-8088 имел тактовую частоту 4,77 МГЦ.
Сейчас эти цифры выросли до сотен МГЦ (Celeron - 600МГЦ).
Разные модели МП выполняют одни и те же операции за разное число тактов. Чем выше модель МП, тем меньше тактов требуется для выполнения одной и той же операции. Это значит, что, например, Intel-80386 работает в 2 раза быстрее, чем Intel-80286 с такой же тактовой частотой.
Действия ЦП заключаются в выполнении некоторой программы, т.е. набора команд, поступающих в строго определенном порядке. Процесс выполнения команды состоит в следующем. Вначале двоичный код команды извлекается из памяти по заданному адресу. Затем он преобразуется во внутренний для процессора код (команда дешифруется). И, наконец, команда исполняется. Для выполнения многих команд добавляются действия по считыванию данных из памяти. Такие команды выполняются дольше, т.к. создается интервал времени, когда ЦП ожидает поступления данных. Чтобы ускорить работу ЦП, применяется механизм конвейеризации: пока одна команда извлекается из памяти, вторая в это же время дешифруется, а третья исполняется. Одновременно в конвейере могут находиться 5 - 6 команд, каждая на разной стадии работы с ней. Быстродействие компьютера значительно увеличивается.
ЦП могут работать в различных режимах: · реальный (стандартный) режим - однозадачный, т.е., прежде чем перейти к очередной задаче, нужно закончить предыдущую.
· защищенный - многозадачный. Т.к. все одновременно выполняемые программы используют одни и те же ресурсы компьютера, то возникает задача защиты данных одной программы от повреждения со стороны другой программы.
Сопроцессор - это специальное устройство для выполнения математических операций над вещественными (дробными) числами. МП Intel-8088, 286, 386 не содержат специальных команд для работы с числами с плавающей точкой. Каждое действие над такими числами моделируется с помощью нескольких десятков операций МП, что сильно снижает эффективность работы ПК. Поэтому нужно использовать математические сопроцессоры Intel-8087, 80287, 80387. При этом скорость выполнения операций с вещественными числами может возрасти в 5 - 15 раз. МП Intel-80486 и выше сами поддерживают операции с плавающей точкой (сопроцессор встроен в МП).
Память
Память компьютера удобно представлять в виде последовательности ячеек. Каждая ячейка содержит информацию в количестве 1 байт. Любая информация хранится в памяти ПК в виде последовательности байтов. Ячейки пронумерованы друг за другом, причем номер первого от начала памяти байта равен нулю.
Основная задача, стоящая перед ПК при работе с памятью, - это найти данное или команду, т.е. определить местоположение требуемой информации в памяти. Для этого введено понятие адреса в памяти. Адрес информации - это номер первого из занимаемых этой информацией байтов. Каково наибольшее число для указания адреса? (Иначе: чем определяется объем доступной памяти компьютера?) Адрес, как и любая другая информация в компьютере, представляется в двоичном виде. Значит, наибольшее значение адреса определяется количеством битов, используемых для его двоичного представления.
Обмен данными между ЦП и памятью осуществляется с помощью специального устройства, называемого шиной. Упрощенно шину можно представить себе как набор параллельных проводов, каждый из которых передает 1 бит информации: 1 или 0.
Количество проводов в шине - это ширина шины. Именно ширина шины и есть то количество битов (разрядов), которое определяет количество одновременно передаваемой информации. Чем шире шина (больше ее разрядность), тем больше данных можно передавать одновременно, тем быстрее работает компьютер. Для передачи адресов используется шина адреса(ША), для передачи данных - шина данных. Естественно, что процесс усовершенствования современных компьютеров включает в себя и переход к более широким шинам. Т.о., наибольшее число N, которое можно использовать для указания адреса в памяти, определяется шириной n шины адреса по формуле: N = 2n. Итак, ширина шины адреса определяет объем доступной памяти компьютера. Современные IBM-совместимые компьютеры имеют ширину шины адреса 20, 24 или 32 разряда. ПК с 20-разрядной ША могут обращаться (адресовать) до 1 Мб (220 б) памяти. ПК с 24-разрядной ША могут адресовать уже до 16 Мб (224 б) памяти, а компьютеры с 32-разрядной шиной - именно они составляют большинство используемых в нашей стране компьютеров - могут адресовать уже до 4 Гб (232 б).
Весь объем памяти состоит из 3 частей: ь Основная (или стандартная) - conventional memory - обычная память - занимает первые или, как говорят, нижние 640 Кб памяти;
ь верхняя (UMA - UPPERMEMORYAREA) - занимает 384 Кб: от 640 Кб до 1Мб;
ь расширенная(extended memory) - память за пределами 1 Мб. Первые 64 Кб расширенной памяти называется областью высокойпамяти (highmemoryarea).
В процессе работы ПК каждая из этих частей используется для хранения определенных видов программ и данных.
Вся память ПК делится на 2 вида: ? ОЗУ
? ПЗУ.
Оперативная память (ОЗУ, RAM - RANDOMACCESSMEMORY - память с произвольным доступом) - предназначена для чтения и записи информации. Содержимое этого вида памяти не сохраняется при выключении ПК (энергозависимая память). ОЗУ используется для хранения программ, составляемых пользователем, а также исходных, конечных и промежуточных данных, получающихся при работе процессора. В качестве запоминающих элементов в ОЗУ используются либо триггеры (статическое ОЗУ), либо конденсаторы (динамическое ОЗУ).
Постоянная память (ПЗУ, ROM - READONLYMEMORY - память только для чтения) - позволяет только считывать информацию. Запись в этот вид памяти невозможна. Благодаря этому информация, находящаяся в ПЗУ, защищена от нарушений и изменений. Содержимое этого вида памяти сохраняется при выключении ПК (энергонезависимая память). В ПЗУ находятся важные для правильной работы ПК данные и программы, часть из которых ПК использует для своей работы сразу после включения (тест-мониторные программы, драйверы и др.).
Перспективным видом постоянной памяти является память с электрическим способом стирания и записи информации (FLASH-память), которая при острой необходимости позволяет перепрограммировать ПЗУ и тем самым оперативно улучшать характеристики ЭВМ. ПЗУ расположено в верхней памяти, т.е. составляет лишь небольшую часть общего объема памяти ПК. Большую часть всего объема памяти ПК занимает ОЗУ.
Есть еще один вид памяти, служащий для ускорения работы ПК - кэш-память(cache - тайник, т.к. она не доступна для программиста, а автоматически используется компьютером). В кэш-памяти запоминаются на некоторое время полученные ранее данные, которые будут использоваться процессором в ближайшее время.
Время доступа к информации, хранящейся в кэш-памяти, меньше, чем время доступа к этой же информации, хранящейся в других видах памяти ПК. Механизм кэширования ускоряет работу ПК, т.к. быстро действующим устройствам не приходится ожидать поступления информации от медленно действующих по сравнению с ними видов памяти. Кэш-память первого уровня размещается на одном кристалле с процессором, второго уровня - на материнской плате. Всего в современных ЭВМ имеется 2-3 ЗУ этого вида.
Накопители (Внешние запоминающие устройства)
Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) предназначены для долговременного хранения информации и могут использоваться и как устройства ввода, и как устройства вывода. ВЗУ по сравнению с ОЗУ имеют гораздо больший объем памяти, но существенно меньшее быстродействие.
Накопитель состоит из двух частей: Носитель - устройство, на котором хранится информация
Привод - устройство, предназначенное для считывания информации с носителя и записи информации на носитель.
В настоящее время существует 2 основных типа накопителей: Накопители на магнитной ленте - устройства последовательного доступа, т.к. обратиться к более удаленным частям данных можно только после считывания менее удаленных данных (находящихся перед ними)
Дисковые накопители - устройства произвольного доступа, т.к. интересующие данные могут быть получены без обязательного прочтения предшествующих данных. Бывают: накопители на жестком магнитном диске и на гибких магнитных дисках.
Информация на дисковых накопителях, как и в памяти ПК, представляется в двоичном виде и измеряется в байтах. Способ расположения информации на жестких и гибких дисках одинаков. На поверхности диска нанесен слой намагничивающегося материала. Запись информации в этом слое производится на области, расположенные в виде концентрических окружностей - дорожки. Радиусы, проведенные из центра диска, делят каждую дорожку на секторы.
Максимальное количество информации, которое может быть записано на каждый сектор, - размер сектора - одно и то же - 512 б. Каждая дорожка имеет свой номер. Все секторы, расположенные на разных дорожках между двумя соседними радиусами, имеют одинаковый номер. При записи и считывании информация передается посекторно.
Винчестер - обычно содержит от 1 до 5 или более обработанных с высокой точностью керамических или алюминиевых пластин (дисков), на которые нанесен специальный магнитный слой. Это носители информации.
Привод устроен так. Диски жестко закреплены через равные промежутки на вертикальном стержне, который приводится в движение специальным двигателем. Чем выше скорость вращения дисков, тем быстрее считывается информация. (3600 об/мин, до 7200 об/мин). На специальном рычаге находятся головки чтения/записи. В современных винчестерах головки как бы «летят» на расстоянии долей микрона (0,001 мм) от поверхностей дисков, не касаясь их.
Время доступа к информации, находящейся на жестком диске, измеряется в миллисекундах, что намного больше, чем время доступа к информации, находящейся в оперативной памяти ПК. Для ускорения процесса обмена информацией между оперативной памятью и жестким диском используется механизм кэширования.
IMG_5099dcf5-0847-49a2-8147-9ad84b92bbce
Гибкие диски - используются для хранения небольших объемов информации и для ее переноса с одного ПК на другой. Состоят из носителя - дискеты, и привода - дисковода.
Дискета представляет собой тонкую пластиковую основу (диск), на которую нанесен магнитный слой. Для предохранения от пыли и повреждений основа помещается в жесткий чехол, внутри которого она может свободно вращаться.
Дискеты отличаются: - диаметром - 3,5 и 5,25 дюйма количеством информации
-HD - высокая плотность (1,44 Мб - 3,5д; 1,2 Мб - 5,25д)
Устройство привода (дисковода) похоже на привод жесткого диска. Но скорость вращающего дискету двигателя меньше и зависит от типа дискеты. (Обычно 300 - 360 об/мин). Головки чтения/записи не «летят» над поверхностью дискеты, а касаются ее.
Накопители на магнитной ленте - обычно используются для хранения копии информации, содержащейся на дискете. Носитель - картридж - кассета с магнитной лентой, похожая на кассету для магнитофона. Привод - стример - лентопротяжный механизм. В настоящее время максимальное количество сохраняемой в стримере информации достигает 510 Мб.
Оптические диски (лазерные диски, CD-ROM) - можно разделить на 3 класса: только для чтения (CD), с однократной записью и многократным считыванием (CD-R), и с многократной перезаписью информации (CD-RW). Информация содержится на одной спиральной дорожке, проходящей через всю поверхность диска.
CD - В основе записи информации с помощью лазера лежит модуляция интенсивности излучения лазера дискретными значениями 1 и 0. Излучение достаточно мощного лазера оставляет на поверхности диска метки, вызванные воздействием луча на металл. Поверхность диска предварительно покрывается тонким слоем металла - теллура.
При записи логической единицы луч прожигает в пленке теллура микроскопическое отверстие. Запись начинается с внутренних дорожек и ведется с большой плотностью - 630 дорожек на миллиметр. Длина всей спиральной дорожки - около 5 км.
Таким способом изготавливается первичный «мастер-диск», с которого потом производится тиражирование всей партии дисков методом литья под давлением. При считывании информации ямки и ровные участки дорожки дают разную интенсивность отраженного луча, которая регистрируется фотоприемником.
CD-R - основа покрыта слоем органического красителя, поверх которого нанесено светоотражающее напыление (золото или сплав серебряного цвета). При записи выжигаются фрагменты красителя. В результате отраженный луч также будет промодулирован по интенсивности.
CD-RW - под отражающим слоем имеют регистрирующий слой, который может менять свое состояние между поликристаллическим и аморфным.
Прозрачность слоя зависит от его состояния. При перезаписи состояние отдельных участков изменяется: в зависимости от степени нагрева участка лучом записывающего лазера при остывании фиксируется то или иное его состояние. В отличие от печатных дисков и CD-R, отражающих около 70% мощности падающего луча, диски CD-RW обладают существенно меньшей отражающей способностью.
Перспективными являются оптические диски с высокой плотностью записи DVD (DIGITALVIDEODISC). Информация на этих дисках может быть размещена на одной либо на обеих сторонах, в одном либо в двух слоях.
Двухсторонние двухслойные диски позволяют хранить 17 Гб информации. Расстояние между слоями в двухслойных дисках - 40 мкм. Переключение между слоями осуществляется фокусировкой лазера на требуемом расстоянии. Двухсторонние диски склеиваются из двух отдельных дисков толщиной 0,6 мм. Для доступа ко второй стороне диск надо переворачивать.
Устройства ввода/вывода информации
Дисплей (монитор) - необходимое устройство вывода информации. Это устройство аналогично телевизору (электронно-лучевая трубка). Любое изображение на экране дисплея состоит из множества светящихся точек - пикселей. Дисплей характеризуется разрешающей способностью экрана - максимальное количество пикселей, используемых для создания изображения. Измеряется как количество точек по горизонтали на количество точек по вертикали.
В современных ПК наиболее часто используют дисплеи с разрешающей способностью 320х200, 640х200, 640х480, 800х600, 1024х768. Дисплеи бывают цветными и монохромными. Цветное изображение получается на экране как комбинация трех основных цветов - красного, зеленого, синего. Поэтому цветные дисплеи также называют RGB-дисплеями (Red, Green, Blue).
Дисплей может работать в 2-х режимах: ? текстовый режим -для вывода символов. Экран разбивается на 80 вертикальных полосок, каждая из них, как правило, разбита на 25 частей по горизонтали (иногда - 43 или 45).
? Каждый полученный прямоугольник называется знакоместом. В нем размещается 1 символ. Знакоместо состоит из пикселей. Часть пикселей используется для изображения символа (передний план), а остальные образуют фон.
Для изображения символа в текстовом режиме используется 16 цветов, а для изображения фона - 8 цветов. Текущую позицию (знакоместо, в котором появится следующий введенный с клавиатуры символ) указывает мигающая метка - курсор. После вывода символа в этом знакоместе курсор смещается на одну позицию (знакоместо) вправо.
? Графический режим - каждый пиксель экрана используется отдельно. Обычно курсор не выводится. Но в некоторых задачах возможен вывод на экран графического курсора (он отличается по виду от текстового курсора).
Дисплей подключается к ПК через устройство сопряжения - видеоадаптер. Видеоадаптер имеет собственную память для хранения изображения, выводимого на экран. Объем этой памяти определяет количество цветов в цветовой палитре и разрешающую способность экрана. Наиболее известны видеоадаптеры CGA, EGA, VGA, SVGA.
Клавиатура - это необходимое устройство ввода информации в ПК. Все устройства ввода служат для преобразования информации, поступающей с периферийных устройств, в цифровой вид. Сейчас наиболее часто используется 101-клавишная клавиатура. На ней выделяют следующие основные группы клавиш: 1. функциональные клавиши - [F1] - [F12]. За каждой из них в каждой конкретной задаче может быть закреплена своя функция, отличная от функции этой клавиши в других задачах.
2. символьная клавиатура - для ввода символов (верхний и нижний регистры) и пробела.
3. управляющие клавиши - нажатие которых изменяет значение других клавиш.
[Shift] - перевод регистров.
[CAPSLOCK] - фиксирование верхнего регистра.
[Ctrl], [Alt] - в различных комбинациях с другими клавишами изменяют их значение (регистр, язык).
[Esc] - обычно используется для выхода из текущего режима работы компьютера.
[Tab] - передвигает курсор на шаг табуляции или для других функций.
[Backspace] - стирает последний набранный символ.
[Enter] - указывает, что закончен ввод данной строки, и набранные данные поступают для обработки в компьютер.
4. цифровая клавиатура - может находиться в одном из 2-х режимов (переключается клавишей [NUMLOCK]): режиме ввода цифр и режиме управления курсором.
5. специальные и дополнительные клавиши - [PAGEUP], [PAGEDOWN] - постраничный просмотр.
6. Клавиши управления курсором - для изменения положения курсора на экране.
[Pause] -пауза.
[SCROLLLOCK] - режим прокрутки экрана.
[PRINTSCREEN] - в комбинации с клавишей
[Shift] является командой печати копии экранного изображения на принтере.
[Del] - удаление символа над курсором.
[Ins] - режимы вставки и замены.
При нажатии на клавишу в системный блок ПК поступает сигнал, указывающий, какая клавиша нажата. Этот сигнал преобразуется в двоичный код, который поступает в память ПК. Из памяти извлекаются команды, создающие на экране дисплея изображение символа, соответствующего этому двоичному коду по таблице ASCII.
Другие устройства ввода информации
Мышь - устройство, которое преобразует свое положение на плоской поверхности стола в позицию курсора на экране дисплея. Перемещение мыши по столу приводит во вращение шар, находящийся снизу в теле мыши.
Вращение шара преобразуется в сигнал, управляющий движением курсора мыши на экране дисплея. Ввод информации в компьютер осуществляется с помощью кнопок, встроенных в тело мыши (двух или трех).
Трекбол - представляет собой перевернутую на «спину» мышь. Шар, управляющий движением курсора, находится сверху. Пользователь вращает шар ладонью или пальцем, и в соответствии с этим курсор перемещается по экрану. Трекбол удобен тем, что его не надо двигать по столу.
Сканеры -используются для ввода в ПК различных изображений - текстов, рисунков и другой графической информации, нанесенных на бумагу или какую-нибудь поверхность. Считывающая головка сканера равномерно движется над изображением.
Специальное устройство преобразует изображение в цифровые коды, которые поступают в ПК. Бывают ручные и н
Вывод
Кратко рассмотрев физические принципы работы двух устройств, сыгравших ключевую роль в истории электроники XX века, - электровакуумного триода и транзистора.
Мы можем ответить на вопрос, почему ЭВМ обязаны своим появлением именно этим устройствам? Потому что на их основе были созданы электрические схемы, выполняющие операции булевой алгебры.
Сама по себе булева алгебра предельно проста, т. к. оперирует только двумя числами - 0 и 1.
Но оказывается, чтобы реализовать быстрые, простые и надежные устройства, выполняющие логические операции, нужны достаточно сложные электронные элементы.
Таким образом, создание ЭВМ было бы невозможно без вклада физиков, придумавших «электронные вентили» - триод и транзистор.
С физикой, несомненно, связано и будущее компьютерной техники. Наиболее перспективными направлениями ее развития на данный момент считаются создание квантовых компьютеров и нейрокомпьютеров.
Квантовые компьютеры будут использовать в качестве базовых элементов отдельные молекулы, поэтому, очевидно, их развитие невозможно без применения аппарата квантовой физики.
А нейрокомпьютеры - это устройства обработки информации, в работе которых будут использоваться принципы функционирования центральной нервной системы и мозга.
Такое заимствование возможно только после детального изучения этих систем, в том числе с физической точки зрения.
На примере истории вычислительной техники мы можем понять, как тесно развитие высоких технологий связано с развитием фундаментальных наук, насколько сильно первое зависит от второго.
Поэтому, чтобы добиться успеха в сфере новых технологий, надо помнить о том, что служит их основой, и в первую очередь - о теоретической физике.
Только успехи фундаментальной науки могут привести к открытию новых горизонтов в прикладных работах, к новым удивительным достижениям цивилизации.
Размещено на .ru
Вы можете ЗАГРУЗИТЬ и ПОВЫСИТЬ уникальность своей работы
