учебная логика. учебник СПО. Практикум по программному обеспечению содержит большое количество примеров и заданий

• Название: Практикум по программному обеспечению содержит большое количество примеров и заданий
• Анкор: учебная логика
• Дата: 12.09.2022
• Размер: 5.66 Mb.
• Имя файла: учебник СПО.docx
• Тип: Практикум; #672419
• страница: 4 из 50

1.1.2. Аппаратное обеспечение компьютера

Аппаратное обеспечение (hardware) – совокупность технических устройств, входящих в состав ЭВМ.

Рассмотрим аппаратное обеспечение современных компьютеров.

Современные компьютеры предназначены для работы с разными видами информации (числовой, текстовой, графической, звуковой и др.). Действия, выполняемые с информацией, называются информационными процессами. Выделяют несколько видов информационных процессов: получение (ввод), хранение, обработка и передача (вывод) информации. За выполнение каждого действия отвечает одно или несколько устройств компьютера. Поэтому, как мы рассмотрели выше, ЭВМ имеет следующую структуру: устройство обработки информации – процессор (в современных компьютерах микропроцессор), устройства хранения информации – различные устройства внутренней и внешней памяти и устройства ввода и вывода информации.

Микропроцессор (МП), или центральный процессор(central processing unit – CPU), – программно-управляемое электронное устройство (интегральная микросхема), предназначенное для обработки информации. Нередко можно услышать, что микропроцессор сравним с «мозгом» машины.

В современных компьютерах процессоры выполнены в виде компактного модуля размерами около 5×5×0,3 см, вставленного в специальный разъем на материнской плате (рис. 1.2). Большая часть современных процессоров реализована в виде одного полупроводникового кристалла, содержащего миллионы и даже миллиарды транзисторов. Последние модели четырехъядерных процессоров Intel содержат 820 млн транзисторов. Для того чтобы уместить такое огромное количество элементов на площади, равной нескольким квадратным сантиметрам, нужно уменьшить их до микроскопических размеров. Размер транзистора передовых современных процессорах составляет всего 32 нм (для сравнения: толщина человеческого волоса равна 10 000 нм). К 2020 г. планируется, что производство процессоров перейдет уже на 6-нанометровую технологию.



Рис. 1.2. Микропроцессоры

Микропроцессор состоит из следующих основных устройств:

• 
  устройство управления (УУ), которое управляет работой всех компонентов компьютера при помощи команд;
  
• 
  арифметико-логического устройство (АЛУ), которое выполняет арифметические и логические операции и таким образом производит обработку информации;
  
• 
  регистры, которые используются для временного хранения информации в виде двоичного кода. Это счетчик команд (или регистр адреса команды), регистр кода команды, регистры обрабатываемых данных и др.).
  

Чтобы процессор смог обработать данные, любая информация (текст, графика, числа, звук и т. д.) должна быть представлена в виде двоичного кода. Поскольку информация представлена в виде двоичного кода, то процесс ее обработки осуществляется с использованием арифметических и логических операций, которые и производятся в арифметико-логическом устройстве процессора.

Процессор является одним из основных устройств компьютера. Характеристики процессора во многом определяют работоспособность всего компьютера.

Основные характеристики процессора:

• 
  тактовая частота – частота синхронизирующих работу ЭВМ («тактовых») импульсов, задаваемых генератором тактовой частоты, которые регулируют выполнение циклов выборки и исполнения команд. Чем выше тактовая частота, тем выше быстродействие ЭВМ. Однако системы с одной и той же тактовой частотой могут иметь разную производительность (количество элементарных операций, выполняемых в одну секунду), так как на выполнение одной операции разным системам может требоваться разное количество тактов (от долей такта до десятков тактов). Измеряется тактовая частота в герцах (Гц). Современные процессоры имеют тактовую частоту порядка нескольких гигагерц (ГГц);
  
• 
  количество встроенных ядер (сore) – многоядерным процессором называется центральный процессор, содержащий два и более вычислительных ядра на одном процессорном кристалле или в одном корпусе. Это значит, что в одной микросхеме, по сути, находятся сразу несколько процессоров. В дальнейшем производительность процессора планируется увеличивать не за счет увеличения тактовой частоты, а путем увеличения количества встроенных в процессор ядер;
  
• 
  разрядность – число одновременно обрабатываемых процессором битов (разрядность внутренних регистров). Процессор может быть 8-, 16-, 32- и 64-разрядным. Современные процессоры в основном имеют разрядность 64 бит. Но в процессор входят и другие важные устройства, основной характеристикой которых является разрядность: шина ввода и вывода данных, шина адреса памяти. Чем больше сигналов одновременно поступает на шину, тем больше данных передается по ней за определенный интервал времени и тем быстрее она работает. Количество разрядов – число переданных сигналов (двоичных кодов). Разрядность шин может отличаться от разрядности регистров. Между шиной адреса и шиной данных есть эмпирическое соотношение: чем больше процессор должен адресовать памяти (то есть чем больше разрядность шины адреса), тем быстрее они должны поступать в процессор. Следовательно, тем шире шина данных. Разрядность этих шин является показателем возможностей процессора: количество разрядов в шине данных определяет способность процессора обмениваться информацией, а разрядность шины адреса – объем памяти, с которым он может работать. Также для определения производительности компьютера важна не только разрядность внутренних шин процессора, но и его интерфейс с системной шиной.
  

Рассмотрим теперь устройства хранения информации. Память компьютера подразделяется на внутреннюю и внешнюю память.

В свое время это было связано с размещением устройства хранения информации внутри или вне процессорного шкафа. Однако с уменьшением размеров машин внешние запоминающие устройства удалось расположить внутри процессорного (системного) блока, и первоначальный смысл данного деления постепенно утратился, но терминология сохранилась.

Внутренняя память компьютера подразделяется оперативную, кэш-память, постоянную и полупостоянную.

Оперативная память – ОЗУ (оперативное запоминающее устройство), или RAM (random access memory – память с произвольным доступом). Это основная, рабочая память, она хранит данные и программы для решаемых в текущий момент задач. Все данные, которые обрабатываются процессором, считываются из оперативной памяти. Поэтому программа, с которой хочет работать пользователь, предварительно проходит процесс загрузки в оперативную память с внешнего носителя информации. Кроме того, это быстрая память. Однако она энергозависима, поэтому после выключения компьютера информация в оперативной памяти стирается.

Модули оперативной памяти устанавливается в специальные разъемы (слоты) на материнской плате. Современным стандартом для модулей оперативной памяти является третье поколение стандарта Double Data Rate, или DDR3 (рис. 1.3).



Рис. 1.3. Модуль оперативной памяти (SDRAM DDR3)

Кэш-память – это высокоскоростная память произвольного доступа, используемая процессором для временного хранения информации. Скорость обработки данных процессором намного больше, чем скорость обмена данными между процессором и оперативной памятью. Для того чтобы компенсировать эту разницу, массивы данных из оперативной памяти считываются в кэш-память и процессор непосредственно работает с быстродействующей кэшпамятью. Кэш-памятью управляет специальный контроллер, который, анализируя выполняемую программу, пытается предвидеть, какие данные и команды вероятнее всего понадобятся в ближайшее время процессору, и подкачивает их в кэш-память. Это энергозависимая память. Существует два вида кэш-памяти: внутренняя, размещаемая внутри процессора, и внешняя, устанавливаемая на системной плате.

Постоянная память – ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), или ROM (read only memory – память только для чтения). Это энергонезависимая память. Поэтому в ней хранятся некоторые системные программы, в том числе программы, необходимые для первоначальной загрузки компьютера в момент включения питания (тестирование оборудования, управление работой процессора, инициирование загрузки операционной системы и др.). Большая часть программ связана с базовой системой ввода-вывода (BIOS). Это критически важная для компьютера информация, которая не зависит от выбора операционной системы. Из этой памяти можно только считывать информацию. Раньше содержимое ПЗУ формировалось на заводе, и невозможно было внести какие-либо изменения. Теперь современные технологии позволяют в случае необходимости обновлять содержимое ПЗУ – делать «перепрошивку» (рис. 1.4).



Рис. 1.4. Постоянное запоминающее устройство

Полупостоянная память – CMOS RAM, одна из разновидностей ПЗУ – микросхема памяти, на которой хранятся данные о запуске системы, которые используются BIOS во время запуска компьютера (рис. 1.5). Это память с невысоким быстродействием и минимальным энергопотреблением от батарейки. Используется для хранения информации о конфигурации и составе оборудования компьютера, а также о режимах его работы. Содержимое CMOS изменяется специальной программой Setup, находящейся в BIOS (to set up – устанавливать).



Рис. 1.5. Микросхема CMOS

Внешняя память компьютера – память, предназначенная для длительного хранения программ и данных.

Поскольку оперативная память энергозависима, а ПЗУ сильно ограничена по объему, для долговременного хранения программ и данных пользователя необходима энергонезависимая память, которая реализуется, в основном, при помощи магнитных и оптических накопителей, а также флеш-накопителей. Процессор не работает напрямую с этой памятью из-за низкой скорости обмена информацией.

Рассмотрим характеристики носителей внешней памяти:

• магнитные диски (носители на магнитных дисках – НМД):

гибкие (дискеты) – гибкие магнитные диски, покрытые ферромагнитным слоем, заключенные в пластиковый кожух. Имеют небольшой объем (1,44 МБайт), сейчас практически не используются. жесткие (HDD – hard (magnetic) disk drive), или винчестеры, представляют собой несколько алюминиевых дисков с ферромагнитным покрытием, заключенных в единый корпус. Над поверхностью вращающегося диска скользит магнитная головка, которая считывает или записывает информацию на диск.

Окружность на магнитной пластине, которую описывает головка при вращении пластин, называется дорожкой, а совокупность таких дорожек, расположенных одна под другой (для каждого фиксированного положения головок), называется цилиндром. Каждая дорожка разбита на одинаковые блоки – сектора размером по 512 байт. На внешних дорожках секторов больше, чем на внутренних.

Таким образом, диски характеризуются совокупностью трех чисел: числом цилиндров / числом дорожек в цилиндре / числом секторов на дорожке или C/H/S (от английского Cylinder/ Head/Sector, то есть цилиндр/головка/сектор). Эти три числа называют «геометрией диска». Диск с геометрией C/H/S имеет объем C*H*S*512 байт (рис. 1.6).



Рис. 1.6. Геометрия жесткого диска

Емкость современных жестких магнитных дисков исчисляется гигабайтами (1 Гбайт = 10⁹ байт) и терабайтами (1 Тбайт = 10¹² байт).

• 
  магнитные ленты (носители на магнитных лентах – НМЛ), используемые до распространения жестких дисков. Неудобство заключалось в том, что доступ к данным был только последовательным, то есть чтобы считать информацию, записанную в конце ленты, нужно потратить время и промотать ее с начала до конца.
  
• 
  оптические носители – диски из прочного пластика, требующие использования лазерного луча для выполнения операций чтения и записи информации.
  

CD – Compact Disc, объем – 650 или 700 Мбайт;

DVD Digital Versatile Disc (цифровой многоцелевой диск), объем – 4,7 Гбайт (однослойный), 8,5 Гбайт (двухслойный);

Blu Ray Disc, BD (blue ray – синий луч), объем – 23,3/25/27/33 Гбайт (однослойный), 46,6/50/54/66 Гбайт (двухслойный).

На оптических дисках указывается информация о возможности записи данных на диск:

ROM – только для чтения, то есть на этот диск невозможно записать данные;

R – однократная запись, то есть при помощи пишущего оптического привода можно один раз записать данные, потом только считывать их;

RW (RE) – многократная запись, при помощи пишущего оптического привода можно многократно записывать данные на диск.

• флеш-память – энергонезависимое полупроводниковое запоминающее устройство, выпускаемое в виде плат и карт памяти (memory stick, memory drive и др.). Данные во флеш-памяти перезаписываются целыми блоками. Благодаря своей компактности, дешевизне и низкому энергопотреблению флеш-память широко используется в цифровых портативных устройствах. Объем – несколько гигабайт.

Устройства ввода, вывода – средства связи ЭВМ с внешним миром. Принято также называть эти устройства периферийными устройствами. Их многообразие определяется разнообразием видов информации, с которой работает человек (текстовая, звуковая, графическая, видео и т. д.).

Клавиатура – основное устройство ввода информации. В современных компьютерах с графическим интерфейсом необходимы манипуляторы, помогающие пользователю управлять указателем и таким образом работать с графическими объектами на экране, чаще всего для этого используется мышь. В ноутбукахвместо мыши может использоваться другой манипулятор – тачпад (сенсорная панель). Для ввода графической информации применяют сканер, световое перо, графический планшет, для ввода звуковой информации – микрофон.

Стандартным устройством вывода является монитор, хотя исторически раньше появился принтер,и первые компьютеры распечатывали результаты вычислений.

Есть устройства, которые одновременно являются устройством ввода и вывода, например, монитор с сенсорным экраном.