Вопросы ЮР (1). Классификация эвм. Области применения эвм. Обобщенная структура эвм
 Скачать 0.7 Mb.
|
|
Классификация ЭВМ. Области применения ЭВМ. Обобщенная структура ЭВМ. Классификация ЭВМ По принципу действия В этом случае критерием является форма представления информации, с которой они работают. Цифровые ВМ – вычислительные машины дискретного действия; работают с информацией, представленной в дискретной, а точнее в цифровой форме.  Аналоговые ВМ - вычислительные машины непрерывного действия; работают с информацией, представленной в непрерывной (аналоговой) форме. По назначению Универсальные, проблемно-ориентированные, специализированные. По этапам создания Разделение ЭВМ на поколения условно, так как поколения сменялись постепенно, поэтому временные границы между поколениями размыты. Поколения ЭВМ разделяют в зависимости от физических элементов или технологии их изготовления, используемые при построении ЭВМ. При сравнении быстродействия ЭВМ под операцией понимают операцию над числами с плавающей точкой. Поколения ЭВМ
Первое поколение ЭВМ (1951-1954) строилось на электронных лампах, которые могли быстро переключаться из одного состояния в другое. Лампы имели большие размеры, поэтому ЭВМ первого поколения, состоящие из десятков тысяч ламп, занимали целые этажи и были энергоемки. Программы записывались в ЭВМ с помощью установки перемычек на особом машинном коде. Второе поколение ЭВМ (1958-1960) строилось на транзисторах – полупроводниковых приборах, которые могли находиться в одном из двух состояний. По сравнению с лампами транзисторы имели малые размеры и потребляемую мощность. Увеличение производительности обеспечивалось за счет более высокой скорости переключения и использованием обрабатывающих устройств, работающих параллельно. Площадь, требующаяся для размещения ЭВМ, уменьшилась до нескольких квадратных метров. Программы записывались на перфокарты – картонные карточки, на которых были выбиты или не выбиты дырочки, кодирующие 0 и 1. Программирование осуществлялось на языке Ассемблер, команды которого затем переводились в машинный код. Третье поколение ЭВМ (1965-1968) строилось на интегральных схемах (ИС). ИС представляет собой электрическую цепь определенного функционального назначения, которая размещается на кремниевой основе. ИС содержит сотни и тысячи транзисторных элементов, что позволило уменьшить размеры, потребляемую мощность, стоимость и увеличить надежность системы. Помимо Ассемблера, программирование осуществлялось на языках высокого уровня (ЯВУ), имевших большое количество операторов. Каждый оператор объединял несколько команд языка Ассемблер. Четвертое поколение ЭВМ (1976-по сегодняшний день) строилось на больших интегральных схемах (БИС). БИС содержат не набор нескольких логических элементов, из которых строились затем функциональные узлы компьютера, а целиком функциональные узлы. Примером БИС является микропроцессор. БИС способствовали появлению персональных компьютеров. Увеличение количества транзисторов до миллионов привело к появлению сверхбольших ИС (СБИС). Пятое поколение ЭВМ существует в теории. Основное требование к ЭВМ – машина должна сама по поставленной цели составить план действий и выполнить его. Такой способ решения задачи называется логическим программированием. Элементная база процессора – СБИС с использованием опто- и криоэлектроники. Оптоэлектроника – раздел электроники, связанный с эффектами взаимодействия оптического излучения с электронами в веществах (главным образом в твердых телах) и использованием этих эффектов для генерации, передачи, хранения, обработки и отображения информации. Криоэлектроника (криогенная электроника) – область науки и техники, занимающаяся применением явлений, имеющих место в твердых телах при температуре ниже 120 К (криогенных температурах) в присутствии электрических, магнитных или электромагнитных полей (явление сверхпроводимости), для создания электронных приборов и устройств. Структурная схема ЭВМ Вычислительной называется техническая система способная выполнять действия посредством арифметических и логических операций. ЭВМ (персональный компьютер (ПК)) – это универсальная вычислительная диалоговая система, реализованная на базе микропроцессорных средств, компактных внешних запоминающих устройств, способная выполнять последовательность операций над информацией определенной программы. В основе функционирования любой ЭВМ лежит архитектура. Архитектура – это наиболее общие принципы построения ЭВМ, реализующие программное управление работой и взаимодействием основных ее функциональных узлов. В основе архитектуры современных ЭВМ лежат принципы, предложенные американским ученым и теоретиком вычислительной техники Джоном фон Нейманом. ЭВМ состоит из системного блока, к которому подключаются монитор и клавиатура. В системном блоке находятся основные компоненты ЭВМ: ВЗУ – внешние запоминающие устройства (жесткий диск, приводы CD/DVD/Blu-Ray, флэш-память); некоторые ВЗУ располагаются внутри системного блока и подключаются к контроллерам ВЗУ, а некоторые – снаружи системного блока и подключаются к портам ввода-вывода  Структура ЭВМ ВК – видеокарта (видеоадаптер, видеоконтроллер) формирует изображение и передает его на монитор; ИП – источник питания обеспечивает питание всех блоков ЭВМ по системной шине; КВЗУ – контроллеры внешних запоминающих устройств управляют обменом информацией с ВЗУ; КК – контроллер клавиатуры содержит буфер, в который помещаются вводимые символы, и обеспечивает передачу этих символов другим компонентам; КПВВ – контроллеры портов ввода-вывода управляют обменом информацией с периферийными устройствами; МП – микропроцессор выполняет команды программы, управляет взаимодействием всех компонент ЭВМ; ОЗУ – оперативное запоминающее устройство хранит исходные данные и результаты обработки информации во время функционирования ЭВМ; ПЗУ – постоянное запоминающее устройство хранит программы, выполняемые во время загрузки ЭВМ; ПУ – периферийные устройства различного назначения: принтеры, сканнеры, манипуляторы «мышь» и др.; СА – сетевой адаптер (карта) обеспечивает обмен информацией с локальными и глобальными компьютерными сетями. К устройствам ввода информации относят клавиатуру и такие ПУ, как сканнеры, манипуляторы типа «мышь», джойстики, а к устройствам вывода информации – монитор и такие ПУ, как принтеры. Современную архитектуру ЭВМ определяют следующие принципы. 1. Принцип программного управления. Обеспечивает автоматизацию процесса вычислений на ЭВМ. Согласно этому принципу, для решения каждой задачи составляется программа, которая определяет последовательность действий ЭВМ. 2. Принцип программы, сохраняемой в памяти. Согласно этому принципу, команды программы подаются, как и данные, в виде чисел и обрабатываются так же, как и числа, а сама программа перед выполнением загружается в ОЗУ, что ускоряет процесс ее выполнения. 3. Принцип произвольного доступа к памяти. В соответствии с этим принципом, элементы программ и данных могут записываться в произвольное место ОЗУ, что позволяет обратиться по любому заданному адресу (к конкретному участку памяти) без просмотра предыдущих. Составные части ЭВМ образуют аппаратное обеспечение ЭВМ (hardware). Внешние устройства ЭВМ. Назначение и характеристики. Периферийные устройства Клавиатура Клавиатура – это стандартное клавишное устройство ввода, предназначенное для ввода алфавитно-цифровых данных и команд управления. Клавиатуры имеют по 101-104 клавиши, размещенные по стандарту QWERTY (в верхнем левом углу алфавитной части клавиатуры находятся клавиши Q, W, E, R, T, Y). Набор клавиш клавиатуры разбит на несколько функциональных групп: - алфавитно-цифровые клавиши (буквы и цифры) предназначены для ввода знаковой информации и команд, которые набираются посимвольно; - функциональные клавиши (F1-F12); функции клавиш зависят от конкретной, работающей в данный момент времени программы; - клавиши управления курсором подают команды на передвижение курсора по экрану монитора относительно текущего изображения (стрелки, а также клавиши PAGE UP, PAGE DOWN, HOME, END); курсор – экранный элемент, указывающий на место ввода знаковой информации; - служебные клавиши используются для разных вспомогательных целей, таких как, изменение регистра, режимов вставки, образование сочетаний «горячих» клавиш и т. д. (SHIFT, CAPS LOCK, ENTER, CTRL, ALT, ESC, DEL, INSERT, TAB, BACKSPACE); - клавиши дополнительной панели дублируют действие цифровых клавиш, клавиш управления курсором и некоторых служебных клавиш. Клавиатура подсоединяется к системной шине через специальный контроллер, содержащий буфер ввода, где хранятся введенные символы до тех пор, пока они не будут затребованы. Клавиатура имеет свойство повторения знаков, используемое для автоматизации процесса ввода. Оно состоит в том, что при продолжительном нажатии клавиши начинается автоматический ввод символа, связанного с этой клавишей. Манипулятор типа «мышь» «Мышь» предназначена для быстрого доступа к элементам интерфейса пользователя и инициирования на них событий с помощью кнопок. Обычно «мышь» имеет 2-3 кнопки. Принцип работы «мыши» заключается в отслеживании перемещения корпуса «мыши» по поверхности и синхронизации перемещения по экрану монитора курсора. Существует два типа «мышей». Внутри шариковых мышей находится шарик, вращающий два валика. Вращение валиков позволяет отследить перемещение «мыши». В основе оптических «мышей» лежит светодиод, посылающий световой сигнал и считывающий его отражение. При перемещении «мыши» посланный луч отражается под другим углом, что позволяет выявить направление движения «мыши». Все перемещения «мыши» и нажатия ее клавиш (клики) рассматриваются как события, анализируя которые устанавливается, состоялось ли событие и в каком месте экрана в этот момент находится курсор «мыши». Основной характеристикой «мыши» является разрешающая способность – насколько точно можно отследить самое мельчайшее перемещение «мыши». Измеряется в точках (dot) на дюйм (dpi – dots per inch). Клавиатура и «мышь» подсоединяются к портам PS/2 или USB. Принтеры Печатающие устройства (принтеры) – это устройства вывода данных из ЭВМ и фиксирующие их на бумаге. Основными характеристиками принтеров являются разрешающая способность, скорость печати, объем установленной памяти и максимальный поддерживаемый формат бумаги. Разрешающая способность или разрешение печати измеряется числом элементарных точек (dot), которые размещаются на одном дюйме (dpi). Например, разрешение 1440 dpi означает, что на длине одного дюйма бумаги размещается 1440 точек. Запись 720 360 dpi означает разрешение печати по горизонтали и вертикали соответственно. Чем больше разрешение, тем точнее воспроизводятся детали изображения, но при этом возрастает время печати. Единицей измерения скорости печати информации служит число печатаемых страниц формата A4 (210 297 мм) в минуту (ppm – pages per minute). Данные с ЭВМ хранятся во встроенной памяти принтера. Далее принтер уже самостоятельно печатает файл без участия ЭВМ. Такая печать называется фоновой. Если данные для печати полностью не помещаются в память принтера, ЭВМ ждет, пока принтер распечатает данные и освободит память, и вновь загружает следующий блок данных в память принтера. Максимальный поддерживаемый формат бумаги для большинства принтеров A4 или A3 (297 х 420 мм). Принтеры подключаются к ЭВМ через порты LPT или USB. Рассмотрим три наиболее распространенных типа принтеров: 1) матричные; 2) струйные; 3) лазерные. В матричных принтерах печать точек осуществляется тонкими иглами (pin). Между бумагой и иглой находится красящая лента. При каждом ударе иглы по ленте краска переносится на бумагу. Цвет изображения на бумаге определяется цветом красящей ленты. Каждая игла управляется собственным электромагнитом. Печатающая головка с иглами перемещается в горизонтальном направлении листа, и знаки в строке печатаются последовательно. Количество иголок в печатающей головке определяет качество печати. Обычно матричные принтеры оснащены 9, 18 или 24 иглами. Достоинства матричных принтеров: - низкая стоимость принтера и расходных материалов для него (красящей ленты); - низкая себестоимость копии; - возможность одновременной печати нескольких копий с помощью копирки. Недостатки матричных принтеров: - невысокие качество и скорость печати; - шум при печати. Струйные принтеры в печатающем узле вместо иголок имеют тонкие трубочки – сопла, через которые на бумагу выбрасываются мельчайшие капельки красителя (чернил) («пузырьковая» технология). Матрица печатающей головки обычно содержит от 12 до 64 сопел (дюз). Технически процесс распыления выглядит следующим образом. В стенку сопла встроен электрический нагревательный элемент, температура которого при подаче электрического импульса резко возрастает за 5-10 мкс. Все чернила, находящиеся в контакте с нагревательным элементом, мгновенно испаряются, что вызывает резкое повышение давления, под действием которого чернила выстреливаются из сопла на бумагу. Объем выстреливаемой капли не превышает 1,5 пиколитра (1 пиколитр = 10-10 литра). После «выстрела» чернильные пары конденсируются, в сопле образуется зона пониженного давления и в него всасывается новая порция чернил. Чернила каждого цвета находятся в своем картридже. Для создания цветного изображения используется обычно принятая в полиграфии цветовая схема CMYK, включающая четыре базовых цвета: Cyan – циан (оттенок голубого), Magenta – пурпурный, Yellow – желтый, Black – черный. Сложные цвета образуются смешением цветов CMYK. В последнее время к базовой схеме добавляют 2-4 цвета для повышения правильности цветопередачи. Основные достоинства струйных принтеров: - высокое качество печати для принтеров с большим количеством сопел с разрешением до 720 1440 dpi; возможна печать фотографий; - высокая скорость печати – до 10 страниц в минуту; - бесшумность работы. Основные недостатки струйных принтеров: - использование хорошей бумаги, чтобы не растекались чернила; - опасность засыхания чернил внутри сопла, что иногда приводит к необходимости замены печатающего узла; - высокая стоимость расходных материалов, в частности, картриджей с чернилами. В лазерных принтерах для создания сверхтонкого светового луча служит лазер. Лазер вычерчивает на поверхности предварительно заряженного электрически положительно светочувствительного фотобарабана контуры невидимого точечного электронного изображения. На барабан наносится красящий порошок (тонер). В тех точках барабана, на которые попал лазерный луч, меняется заряд, и к этим местам притягивается частицы тонера. Лист втягивается с лотка и ему передается электрический заряд. При наложении на барабан, лист притягивает к себе частицы тонера с барабана. Для фиксации тонера, лист снова заряжается и проходит между валами, нагретыми до 180 градусов. По окончании печати барабан разряжается, очищается от тонера и снова используется. В результате получаются отпечатки, не боящиеся влаги, устойчивые к истиранию и выцветанию. Широко используются цветные лазерные принтеры. Цветная печать обеспечивается применением разноцветного тонера по цветовой схеме CMYK. В цветном лазерном принтере находится четыре печатных механизма, расположенные в ряд. Бумага последовательно проходит под каждым из четырех фотобарабанов, с которых на нее наносится тонер соответствующего цвета. При черно-белой печати цветные барабаны просто приподнимаются над поверхностью бумаги и не участвуют в печати. Достоинства лазерных принтеров: - высокая скорость печати – от 10 до 40 и выше страниц в минуту; - скорость печати не зависит от разрешения; - высокое качество печати до 2880 dpi; - нетребовательность к качеству бумаги; - низкая себестоимость копии (на втором месте после матричных принтеров); - бесшумность. Недостатки лазерных принтеров: - высокая цена принтеров, особенно цветных; - невысокое качество цветных изображений, напечатанных на цветных лазерных принтерах; - высокое потребление электроэнергии. Сканеры Сканер – это устройство для ввода в ЭВМ информации с бумаги, слайдов или фотопленки. Различают планшетные и ручные сканеры. Принцип работы планшетных сканеров заключается в следующем. Сканируемый оригинал помещается на прозрачном неподвижном стекле. Вдоль стекла передвигается сканирующий сенсор с источником света. Оптическая система планшетного сканера проецирует световой поток, отражаемый от сканируемого оригинала, на сканирующий сенсор. Применяются два типа сенсоров – CCD (Charge-Coupled Device) и CIS (Contact Image Sensor). В ССD-сканерах используется система зеркал, установленная в специальной каретке. Зеркала передают отраженный от оригинала свет на параллельные линейки светочувствительных элементов (CCD-матрица). Каждая линейка принимает информацию о своем цвете – красном (Red), зеленом (Green) и синем (Blue). В CIS-сканерах светочувствительный элемент находится в непосредственной близости от сканируемого документа, и система зеркал не применяется. Поэтому CIS-сканеры компактнее CCD-сканеров, однако глубина резкости и качество изображения уступает последним. В сканирующем сенсоре уровни освещенности преобразуются в уровни напряжения и формируется аналоговый сигнал. Затем, после коррекции и обработки, аналоговый сигнал преобразуется в цифровой аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Цифровой сигнал поступает в ЭВМ, где данные, соответствующие изображению оригинала обрабатываются и преобразовываются под управлением драйвера сканера. Скорость сканирования страницы формата A4 составляет 5-15 секунд. В отличие от планшетного, пользователь сам двигает сканирующую головку ручного сканера по оригиналу. Ручные сканеры применяются в магазинах для считывания скан-кодов товаров. Основными характеристиками сканеров являются разрешающая способность, скорость сканирования и максимальный поддерживаемый формат бумаги. Эти характеристики аналогичны характеристикам принтеров. Сетевой адаптер Для доступа ЭВМ к локальной сети используется специальная плата – сетевой адаптер, которая выступает в качестве физического соединения ЭВМ и канала связи. Сетевой адаптер выполняет следующие функции: - подготовку данных, поступающих от ЭВМ, к передаче по каналу связи; - передачу данных по каналу связи; - прием данных из канала связи и перевод их в форму, понятную ЭВМ. Каждый сетевой адаптер имеет уникальный физический адрес, записанный в него на стадии производства. Модем Модем – это устройство, предназначенное для подсоединения ЭВМ к обычной телефонной линии. Название происходит от сокращения двух слов – МОдуляция и ДЕМодуляция. ЭВМ вырабатывает дискретные электрические сигналы (последовательности нулей и единиц), а по телефонным линиям информация передается в аналоговой форме, то есть в виде сигнала, уровень которого изменяется непрерывно, а не дискретно. Модемы выполняют цифро-аналоговое и аналого-цифровое преобразования. При передаче данных, модемы накладывают цифровые сигналы (рис., б), полученные из ЭВМ, на непрерывную частоту телефонной линии (рис., а) (модулируют ее), а при их приеме демодулируют информацию и передают ее в цифровой форме в ЭВМ. Модуляция колебаний – это изменение амплитуды, частоты или фазы колебаний по определённому закону. Различают амплитудную модуляцию (в), частотную модуляцию (г) и фазовую модуляцию (д). Виды модуляции Модемы передают данные по обычным телефонным каналам со скоростью от 300 до 56 000 бит в секунду. Кроме того, современные модемы осуществляют сжатие данных перед отправлением, что сокращает время передачи данных. По конструктивному исполнению модемы бывают трех видов: 1) встроенные модемы интегрированы в материнскую плату; 2) внутренние модемы вставляются в системный блок ЭВМ в один из слотов расширения материнской платы; 3) внешние модемы подключаются через один из коммуникационных портов, имеют отдельный корпус и собственный блок питания. По аппаратной реализации модемы бывают двух типов. 1. Программные (software) модемы представляют собой плату, вставляемую в слот PCI и работающую под управлением ОС Windows. Поэтому такие модемы называют Win-модемы. В программных модемах часть их функций реализована не в виде микросхем, а заменена программой, которая выполняется центральным МП ЭВМ. Такая замена существенно удешевляет модем, но обусловливает некоторую дополнительную нагрузку на МП. 2. Аппаратные (hardware) модемы реализуют все процедуры передачи и приема средствами самого модема. Поэтому такие модемы несколько дороже, но более эффективны при работе со старыми телефонными линиями. Факс-модемы позволяют отправлять и принимать факсимильные сообщения (факсы) и поддерживают возможность телефонного разговора через факс-модем. Современные цифровые модемы формально модемами не явлются, так как не преобразуют цифровой сигнал в аналоговый и обратно. Они передают и принимают только цифровые сигналы. ADSL-модемы позволяют передавать данные, используя телефонные линии. При этом остается возможность говорить параллельно по телефону. ADSL-модемы позволяют осуществлять передачу данных на скорости до 1 Мбит/с, а прием данных – до 7 Мбит/с. Каждый сотовый телефон (за исключением некоторых дешевых моделей) содержит модем для передачи данных в сетях сотовой связи. Также такие модемы выпускаются отдельными устройствами, подключаемые к порту USB. Таким образом, основными характеристиками модемов являются: 1) скорость передачи; 2) конструктивное исполнение: внутренний, внешний, встроенный; 3) способ подключения к ЭВМ в случае внутреннего и внешнего конструктивного исполнения: слот PCI, порт PCMCIA, порт USB; 4) сеть или технология, по которой модем осуществляет передачу. Организация программ с линейной структурой Программой линейной структуры называется такая программа, каждый оператор которой выполняется один и только один раз. Она может строиться только из простых операторов, не меняющих естественный порядок вычислений, а именно, из операторов присваивания и операторов процедур. Из числа последних в этом разделе нас будут интересовать только операторы процедур ввода и вывода для стандартных устройств – клавиатуры и монитора. программы с линейной структурой являются простейшими и используются, как правило, для реализации обычных вычислений по формулам; в программах с линейной структурой инструкции выполняются последовательно, одна за другой; С помощью блок-схем можно изображать самые различные алгоритмы, например, линейной, разветвляющейся и циклической структур. Блок-схемы являются исключительно простым и наглядным способом представления алгоритмов. Их очень полезно использовать при разработке общей структуры алгоритма, чтобы отчетливо представить себе алгоритм в целом и проследить все логические связи между его отдельными частями, проверить все ли возможные варианты решения поставленной задачи нашли в нем отражение.  ПЭВМ. Назначение, структура, особенности. Операторы управления. Условный оператор |