Текст электронных учебников курса. Слайд 3 Представление информации в эвм электронная вычислительная машина
 Скачать 0.55 Mb.
|
|
1 Слайд 3 Представление информации в ЭВМ Электронная вычислительная машина – это комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации. Она может решать практически все ваши задачи, при этом необходимы две составляющие: аппаратное обеспечение – это комплекс технических устройств компьютера; программное обеспечение (ПО) – это совокупность программ, где программа – это набор инструкций, по которым работает аппаратное обеспечение, а цель каждой программы – решить какую-либо задачу пользователя. Элементарными знаниями в области аппаратного обеспечения и устойчивыми знаниями и навыками работы с необходимым ему программным обеспечением должен обладать пользователь (человек, который использует компьютер в качестве инструмента для решения производственных или личных задач и который не является при этом компьютерным специалистом). В настоящее время индустрия производства компьютеров и программного обеспечения является одной из наиболее важных сфер экономики. Причины стремительного роста индустрии персональных компьютеров: невысокая стоимость; сравнительная выгодность для многих деловых применений; простота использования; возможность индивидуального взаимодействия с компьютером без посредников и ограничений; высокие возможности по переработке, хранению и выдаче информации; высокая надёжность, простота ремонта и эксплуатации. Мощность компьютеров постоянно увеличивается, а область их применения постепенно расширяется. Компьютеры могут объединяться в сети, что позволяет миллионам людей легко обмениваться информацией с компьютерами, находящимися в любой точке земного шара. 2 Единицей информации является байт. Ячейка памяти имеет ёмкость 1 байт, если она может хранить один символ – букву, цифру, знак препинания и так далее. Так, строка текста, состоящая из 10 букв, занимает в памяти 10 байт. Бит – минимальная единица информации. На практике обычно используются байт и более объёмные единицы. Обработка информации в персональном компьютере основана на обмене электрическими сигналами между различными устройствами машины. Эти сигналы возникают в определенной последовательности. Признак наличия сигнала можно обозначить цифрой 1, признак отсутствия – цифрой 0. Таким образом, в персональном компьютере реализуются два устойчивых состояния. С помощью определённых наборов цифр 0 и 1 можно закодировать любую информацию. Каждый такой набор нулей и единиц называется двоичным кодом. Количество информации, кодируемое двоичной цифрой 0 или 1, называется битом. С помощью набора битов можно представить любое число и любой знак. Знаки (например, русские буквы) представляются восьмиразрядными комбинациями битов – байтами (то есть 1 байт = 8 бит). Любую комбинацию битов можно интерпретировать как число. Число может быть представлено несколькими байтами. Таким образом, в компьютере информация кодируется двумя видами символов. Такому представлению соответствует система счисления, в которой используется всего два цифровых знака – 0 и 1. По критерию «функциональное назначение» различают суперкомпьютеры, мэйнфреймы (большие компьютеры), миникомпьютеры и микрокомпьютеры. По критерию «специализация» выделяют универсальные и специализированные компьютеры. По критерию «совместимость» различают персональные компьютеры IBM и Macintosh как несовместимые по программному обеспечению. 3 Слайд 4 Виды программ и архитектура ЭВМ В 19 веке английский математик Чарльз Беббидж соединил идею механической машины с идеей программного управления. Программа – это набор компьютерных инструкций, полный и самодостаточный, обеспечивающий выполнение конкретной задачи. Различают следующие группы программ. Системные программы управляют всеми ресурсами компьютера, проверяют работоспособность устройств, обеспечивают работу других программ. Системные программы делятся на два основных класса: операционные системы и сервисные программы. Инструментальные программы создают новое программное обеспечение. К этой группе относятся языки программирования, интегрированные среды для разработки приложений и создания различных информационных систем. Прикладные программы выполняют работы, необходимые пользователю. Здесь можно выделить программы обработки текстовой, графической и числовой информации, коммуникационные пакеты, системы управления базами данных, обучающие программы, игры и так далее. Логическую организацию и структуру аппаратных и программных ресурсов вычислительной системы называют архитектурой компьютера. Архитектура заключает в себе требования к функциональности и принципы организации основных узлов ЭВМ. Среди архитектур ПК по количеству центральных процессоров выделяют однопроцессорные, многопроцессорные, суперскалярные. В 1966 году американский ученый Майкл Флинн предложил классифицировать архитектуру ЭВМ согласно числу потоков команд и данных: вычислительная система с одним потоком команд и данных (однопроцессорная ЭВМ – SISD ); вычислительная система с общим потоком команд (SIMD ); вычислительная система со множественным потоком команд и одиночным потоком данных (MISD ); вычислительная система со множественным потоком команд и данных (MIMD ). Большинство современных компьютеров основано 4 на принципах, сформулированных американским математиком Джоном фон Нéйманом, который предложил архитектуру вычислительной системы с одним процессором. Основными принципами фоннеймановской архитектуры являются принцип программного управления, принцип однородности памяти (программы и данные хранятся в одной и той же памяти), принцип адресности (каждая ячейка памяти имеет уникальный адрес); принцип хранимой программы. Джон фон Нейман сформулировал следующие положения. 1. Компьютер состоит из нескольких основных устройств (арифметико- логическое устройство, управляющее устройство, память, внешняя память, устройства ввода и вывода). 2. Арифметико-логическое устройство выполняет логические и арифметические действия, необходимые для переработки информации, хранящейся в памяти. 3. Управляющее устройство обеспечивает управление и контроль всех устройств компьютера (управляющие сигналы указаны пунктирными стрелками). 4. Данные, которые хранятся в запоминающем устройстве, представлены в двоичной форме. 5. Программа, которая задаёт работу компьютера, и данные хранятся в одном и том же запоминающем устройстве. 6. Для ввода и вывода информации используются устройства ввода и вывода. Принципы построения не фоннеймановских компьютеров несколько отличаются. Например, в гарвардской архитектуре память программ и данных разделена, что позволяет распараллелить выборку данных из памяти. Открытая архитектура ЭВМ была разработана фирмой IBM для ПК. Основные признаки открытой архитектуры: наличие общей информационной шины; модульное построение компьютера; 5 совместимость всех новых устройств и программных средств с предыдущими версиями по принципу «сверху вниз», то есть последующие разработки должны поддерживать более ранние. К базовой конфигурации персонального компьютера относятся системный блок, монитор, клавиатура и мышь. По виду вычислительного процесса средства вычислительной техники подразделяют на цифровые, аналоговые и комбинированные (гибридные). 6 Слайд 5 Процессор Самым главным элементом в компьютере, его «мозгом» является микропроцессор – электронная схема, выполняющая все вычисления и обработку информации. Основные функции любого процессора следующие: ввод данных из памяти или устройства ввода/вывода; вывод (запись) данных в память или в устройства ввода/вывода; обработка данных. Для увеличения скорости выполнения математических операций в ПК используется специальное устройство – сопроцессор. Разрядность процессора – это максимальное количество бит информации, которые могут обрабатываться и передаваться процессором за один такт работы. Таким образом, разрядность центрального процессора определяется разрядностью двоичного числа, которое может быть обработано за один такт работы процессора. Все х86-процессоры, вплоть до Pentium 4, являлись CISC-процессорами . Принцип «более компактные и простые инструкции выполняются быстрее» соответствует RISC-архитектуре процессоров. Важной составной частью архитектуры компьютера является набор команд. Набор команд обязательно содержит команды передачи данных, копирующие информацию из одного места в другое. К основным арифметическим действиям обычно относятся сложение и вычитание. Умножение и деление во многих компьютерах выполняются по специальным программам. Логические операции позволяют компьютеру анализировать обрабатываемую информацию: сравнение, а также известные логические операции «И», «ИЛИ», «НЕ». Кроме того, к ним часто добавляются анализ отдельных битов кода, их сброс и установка. Для доказательства важности сдвигов двоичного кода достаточно вспомнить правило умножения столбиком: каждое последующее произведение записывается в такой схеме со сдвигом на одну цифру влево. В некоторых частных случаях умножение и деление вообще могут быть заменены сдвигом. Команды ввода и вывода информации применяются для обмена с внешними устройствами. Команды управления реализуют нелинейные алгоритмы. 7 Системой команд может обладать только «исполнитель», то есть устройство, способное выполнять команды. В компьютере это процессор и контроллеры дополнительных устройств. Видеоадаптер (видеоконтроллер, видеокарта) предназначен для работы в графическом режиме. Главной задачей современной видеокарты является поддержка объёмной, трёхмерной графики (3D). Видеокарты можно в основном разделить на два типа: это встроенные (интегрированные) видеоадаптеры и собственно сами видеокарты. Возможностей интегрированного видеоадаптера вполне достаточно для работы с офисными приложениями, но современные трехмерные игры будут работать не очень хорошо. Соответственно, его функциональность определяет область применения – это персональные компьютеры, ориентированные на работу с текстом, Интернетом, двухмерной графикой и прочими нетребовательными к мощности видеоадаптера приложениями. Для мультимедийного применения или для профессиональной работы с графикой лучше приобрести компьютер с отдельной видеокартой. Видеокарта (видеоадаптер) – устройство, обеспечивающее вывод изображения на монитор. Как правило, обладает лучшим качеством изображения по сравнению с интегрированным видеоадаптером, особенно в высоких разрешениях. Обычно видеокарта является также ускорителем трехмерной графики, что превращает компьютер в игровую станцию. Может иметь выход на ТВ и цифровой выход DVI Основным показателем производительности видеокарт является объём видеопамяти – оперативная память, в которой хранятся видеоданные. Для интегрированных видеоадаптеров она выделяется из основной оперативной памяти компьютера, на видеокартах устанавливается собственная. Большой объём видеопамяти необходим только в трёхмерных играх, при монтаже цифрового видео и работе с профессиональными 3D-приложениями. 8 Слайд 6 Память Звуковая карта – устройство, необходимое для редактирования и вывода звука. Важнейшим параметром кодирования звука является частота дискретизации звука. Количество бит, используемых для записи номеров подуровней, называется глубиной кодирования. Для синтеза звука используются метод частотной модуляции и метод волновых таблиц. Устройство хранения информации – это память. К внутренней памяти относятся оперативная память, кэш-память, постоянное запоминающие устройство. К внешним запоминающим устройствам относят все виды запоминающих устройств, которые располагаются вне системной платы ПК и предназначены для долговременного хранения данных. Внешняя память – память, которая может быть реализована в виде устройств с различными принципами хранения информации, в том числе с подвижными электромеханическими частями. В современном персональном компьютере электронной памятью являются: модули оперативной памяти, кэш-память процессора, память на флеш-картах. Самая быстродействующая – это электронная оперативная память. В современных компьютерах она составляет оперативную, а также сверхоперативную (кэш) память. Чтобы процессор мог выполнить программу, она должна быть загружена в оперативную память компьютера. Во время выполнения прикладная программа хранится в оперативной памяти. Динамическая память служит базой для построения модулей оперативной памяти. Регенерация, то есть периодическое восстановление состояния ячеек памяти, является атрибутом динамической оперативной памяти. Статическая память служит базой для построения кэш-памяти и микропроцессорной памяти. Кэш – это память с наибольшей скоростью доступа, предназначенная для хранения часто используемых команд и данных. Кэш используется для ускорения доступа к оперативной памяти, на быстродействующих компьютерах 9 применяется специальная сверхбыстродействующая кэш-память, которая располагается между процессором и оперативной памятью и хранит копии наиболее часто используемых участков оперативной памяти. При обращении микропроцессора к памяти сначала производится поиск нужных данных в кэш- памяти. Внутренней памятью процессора является регистровая память (РП). Все эти виды памяти являются энергозависимыми, то есть очищаются при отключении питания. CMOS – часть внутренней памяти компьютера. Это память на материнской плате, которая хранит текущие дату и время, а также такие настройки, как тайминги памяти, напряжение процессора, пароль доступа к системе и другие. Питается от батарейки (аккумулятора), поэтому сохраняет информацию при отключении питания компьютера. Если аккумулятор разрядится, то данные будут утеряны. Программы начального тестирования, загрузки и базовой системы ввода- вывода персонального компьютера хранятся в микросхеме ПЗУ, расположенной на системной плате. BIOS (базовая система ввода-вывода) – группа небольших программ в ПЗУ. Электронная микросхема EPROM – стираемое перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ). Память такого типа может стираться и заполняться данными несколько десятков тысяч раз. Используется в твердотельных накопителях. Высокоскоростная память, которая принадлежит какому-либо функциональному блоку компьютера и служит для снижения нагрузки на основную память, называется буферной памятью. Примерами такой памяти являются видеопамять графического адаптера, память контроллеров жёстких дисков. 10 Слайд 7 Внешняя память и соединительные устройства Энергонезависимой называют память, способную сохранять данные после отключения питания компьютера. Такой памятью являются все виды внешней памяти ПК, в том числе память на флеш-картах и CD. Принцип изменения магнитной индукции носителя используется в накопителях типа «винчестер». Информация на магнитных дисках записывается по концентрическим дорожкам и секторам. В USB флеш-накопителях используется электронная энергонезависимая перезаписываемая память. Флэш-память строится на полупроводниковых элементах. Принцип магнитной записи на ленточном носителе используется в запоминающем устройстве – стримере. Оптический диск с нестираемой информацией, предназначенный только для многократного чтения пользователем, – это CD-ROM. Нельзя добавлять или стирать данные на диске CD-ROM. На оптические диски DVD-R и CD-R пользователь может записывать файлы более одного раза, но нельзя стирать файлы с диска. Диск CD-RW можно многократно записывать и стирать. Один из основных параметров любого типа памяти компьютера – время доступа к памяти, которое определяется как минимальное время, достаточное для размещения в памяти единицы информации. Быстродействие накопителя информации – скорость чтения-записи данных в накопителе – характеризуется двумя параметрами: средним временем доступа и скоростью передачи данных. Прямой доступ к памяти (DMA ) – режим обмена данными между устройствами или же между устройством и основной памятью (RAM ) без участия центрального процессора (ЦП). Архитектура современных персональных компьютеров основана на магистрально-модульном принципе. Модульная организация системы опирается на магистральный принцип обмена информации. 11 Системная шина – это набор электронных линий, связывающих воедино центральный процессор, системную память и периферийные устройства. Обмен информацией между отдельными устройствами компьютера производится по трём многоразрядным шинам (многопроводным линиям связи), соединяющим все модули. Разрядность адресной шины определяет адресное пространство процессора, то есть максимальный объём оперативной памяти, с которой процессор может работать теоретически (например, в случае наращения). Таким образом, если адресная шина 32-разрядная, то в случае наращения процессор может работать с памятью объёмом до 2 32 байт. По шине данных происходит передача данных от процессора устройствам и наоборот. Таким образом, в компьютере с 64-разрядной шиной данных разрядность процессора равна 64. По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией (ввод или вывод). На материнской плате компьютера обычно размещаются контроллеры некоторых устройств (например, клавиатуры, долговременных запоминающих устройств), системные шины. Слоты расширения представляют собой расположенные на системной плате разъёмы для подключения дополнительных устройств внутри системного блока компьютера. Внешние (периферийные) устройства, такие как сканер или принтер, подключаются через порты, снабженные разъёмами снаружи системного блока. Порты – это устройства, через которые периферийные устройства присоединяются к системному блоку. Аппаратно порты реализуются в виде разъёмов на задней стенке системного блока. COM-порты служат для связи компьютера с внешними устройствами и обеспечивают синхронную или асинхронную последовательную побитовую передачу данных. Драйвер устройства – это программное средство, необходимое для подключения аппаратных средств. 12 |