Технические средства информационных технологий

Классификация

Технические средства информационных технологий можно подразделить на следующие группы:

- оргтехника (копиры, сканеры, уничтожители бумаги, брошюровщики и т.д.),

- коммуникационная техника (телефоны, модемы, факсы, коммутаторы, маршрутизаторы, концентраторы и т.д.),

- устройства и оборудование, оснащенные микропроцессорами,

- компьютеры.

Компьютер – электронное устройство, способное автоматически выполнять заданную последовательность действий по приему, хранению, преобразованию и выдаче информации.

Компьютеры – в настоящее весьма обширный класс изделий, отличающихся по своим свойствам, видам исполнения и областям применения. Компьютеры можно подразделять, например, по таким свойствам (аспектам классификации):

- по производительности,

- по роли в вычислительной сети,

- по условиям эксплуатации,

- по назначению.

По производительности обычно различали: суперкомпьютеры, компьютеры большой, средней и малой мощности. Однако развитие компьютерной техники идет такими высокими темпами, что вчерашний компьютер большой мощности через несколько лет, по быстродействию, становится обычным компьютером. Поэтому классификация по этому признаку сейчас используется редко. Сохранилось лишь устойчивое понятие суперкомпьютера – компьютера, входящего в 500 самых высокопроизводительных компьютеров мира.

До конца 80-х годов развитие суперкомпьютеров определялось гонкой вооружений США и СССР, когда создание все более мощной элементной базы компьютеров финансировалось государствами. После окончания «холодной войны» развитие суперкомпьютеров идет по пути создания многопроцессорных систем, из процессоров обычного применения. Примером является, запущенный в августе 2001 года суперкомпьютер ASCI White, построенный корпорацией IBM по заказу Министерства энергетики США. Производительность этого вычислительного монстра достигает 12,3 *10¹⁴ оп/с. Объем оперативной памяти ASCI White составляет 6 Тб, а дисковой – 166 Тб. Масса ASCI White составляет 106 т, а занимаемое пространство равно по площади двум баскетбольным площадкам.

Сферой применения суперкомпьютеров является моделирование процессов, протекающих при инициировании ядерных зарядов и их старении, моделирование процессов физики земли, метеопрогнозы и т.п. Примерно половина суперкомпьютеров используется в коммерческих целях.

По роли в вычислительной сети компьютеры подразделяются на:

- майнфреймы,

- серверы,

- рабочие станции.

Майнфреймы – высокопроизводительные компьютеры, которые обеспечивают обработку информации с удаленных терминалов (дисплеев) многих пользователей.

Серверы – компьютеры обеспечивающие эффективное функционирование компьютерных сетей. Отличаются специфической комплектацией и повышенными требованиями к надежности функционирования. Можно сказать, что серверы – это компьютеры, которые обслуживают другие компьютеры сети – рабочие станции.

Рабочие станции – объединенные сетью компьютеры, которыми оборудуются рабочие места квалифицированного персонала для выполнения ими работ, требующих сложных видов обработки больших объемов информации.

В качестве условий эксплуатации, по которым классифицируют компьютеры, обычно рассматривают среду размещения компьютера и мобильность его использования.

По условиям размещения при эксплуатации компьютеры подразделяют на офисные и промышленные.

Офисные компьютеры – компьютеры, размещаемые в обычных помещениях предприятий, а также компьютеры для использования в домашних условиях.

Промышленные компьютеры – компьютеры в промышленном исполнении для применения в сложных условиях внешних воздействий – вибрации, влажности, перепада температур, наличия пыли в воздухе и т.п.

По условиям мобильности компьютеры подразделяются на настольные и носимые.

По назначению компьютеры подразделяются на компьютеры для коллективного использования (таковыми являются, например, майнфреймы, серверы) и персональные компьютеры.

Персональные компьютеры – широкий класс компьютеров для разнообразного производственного и домашнего использования в настольном или мобильном варианте исполнения.

Устройство персонального компьютера

Персональный компьютер конструктивно состоит из следующих основных частей:

- системного блока,

- монитора (дисплея) - устройства отображения информации,

- клавиатуры - устройства ввода информации

- мыши - устройства ввода информации,

и дополнительных устройств, подключаемых к системному блоку:

- принтера,

- модема,

- сканера,

- плоттера,

- дополнительных внешних накопителей данных (магнитооптика, внешний жесткий диск) и др.

Рис. 1. Общая структура персонального компьютера с подсоединенными периферийными устройствами

Системный блок

Системный блок обычно состоит из следующих компонентов:

- корпуса,

- блока питания,

- материнской (системной) платы с установленными на ней центральным процессором, оперативной ОЗУ (RAM) и постоянной ПЗУ (ROM) памятью,

- жесткого диска (HDD, винчестера),

- дисковода для гибких дискет (обычно 3,5’),

- устройства чтения лазерных дисков CD-ROM.

Кроме того, там могут быть установлены такие устройства, как пишущий CD-RW, DVD-плеер (или пишущий DVD) и некоторые др.

 

Материнская плата

Материнская плата (МП) - важный компонент компьютера, т.к. общая производительность компьютера, его стабильность и надежность работы часто зависят от МП не менее, чем, например, от процессора и ОЗУ. Материнская плата реализует идею модульного построения компьютера, обеспечивая простоту его сборки и настройки.

Конструктивно МП - это пластина, на которой размещаются:

- центральный процессор (ЦП)

- оперативная память,

- постоянная память,

- интегральная схема CMOS, которая содержит параметры для программ ПЗУ,

- микропроцессоры (чипсет) и электронные схемы контроллеров - устройств для формирования обмена данными между компонентами компьютера,

- шины - линии передачи данных, команд и адресов,

- компоненты, которые регулируют распределение электроэнергии,

- сокеты, разъемы и просто контакты для подключения устройств, кабелей и проводов (среди них разъемы ЦП, слоты ОЗУ и карт расширения),

- переключатели (джеки) для настройки некоторых параметров МП,

- электронные часы,

- генератор тактовой частоты,

- батарейка.

Пластина МП обычно состоит из нескольких слоев. Простая МП имеет четыре слоя. Два слоя, которые находятся сверху и снизу, являются сигнальными слоями. Два слоя, которые находятся посередине, используются как заземление и пластина питания. Размещение слоев питания и заземления в центре пластины МП обеспечивает защиту (экранирование) сигналов.

Наличие большого многообразия комплектующих, монтируемых на МП и подключаемых к ней, а также относительно большого количества производителей чипов для МП и производителей МП привело к весьма большому разнообразию изготавливаемых плат. Это разнообразие, а также стремительное совершенствование элементной базы компьютеров, делает задачу выбора МП достаточно не тривиальной, поскольку этот выбор определяет не только возможности конкретной комплектации ПК, но и возможности его последующей модернизации.

Совершенствование МП идет по пути:

- интеграции функций, выполняемых их микропроцессорами (встраивание в них функций видеоадаптера, звукового адаптера и др.),

- расширения функций МП – на них монтируют сетевые карты, модули проверки и регулирования параметров работоспособности и т.п.,

- увеличения производительности контроллеров за счет, например, повышения быстродействия шин МП.

Центральный процессор

Функции центрального процессора (ЦП):

- обработка данных по командам программы,

- управление работой устройств компьютера.

Архитектура процессора

К обязательным компонентам ЦП относятся арифметико-логическое устройство (АЛУ) и устройство управления (УУ).

Все команды выполняются процессором поэтапно: выборка, декодирование, выполнение и запись результата. В ряде случаев, пока первая команда выполняется, вторая может декодироваться, а третья выбираться.

Физически процессор состоит из ячеек. Группы ячеек называются регистрами. Регистр выполняет функцию кратковременного хранения числа или команды. Основным элементом регистра является электронная схема, которая способна хранить одну двоичную цифру – один разряд.

У каждого типа процессоров свой состав регистров, и у каждого регистра свое назначение. Состав регистров процессора и их назначение называются архитектурой процессора. Чем сложнее процессор, тем сложнее его архитектура. В процессорах современных ПК несколько десятков регистров. Некоторые важные регистры имеют свои названия, например:

Рис. 2. Блок-схема центрального процессора

сумматор — регистр АЛУ, участвующий в выполнении каждой операции;

счетчик команд — регистр УУ, содержимое которого соответствует адресу очередной выполняемой команды; служит для выборки кодов программы из ячеек памяти;

регистр команд — регистр УУ для хранения кода команды на период времени, необходимого для ее выполнения.

Система команд процессора

Перечень команд (инструкций) для процессора называют его системой команд. Этот перечень для процессора современного ПК содержит более тысячи команд. У каждого типа процессора своя система команд. Системы команд стандартизированы международными стандартами.

У современных ПК центральный процессор - это сверхбольшая интегральная схема, реализованная в едином полупроводниковом кристалле кремния или германия площадью меньше 0,1 см², содержащего более 6 млн транзисторов (для процессоров типа Celeron, Pentium IV).

 

Процессоры различаются рядом важных характеристик:

- тактовой частотой обработки информации;

- разрядностью;

- интерфейсом с системной шиной;

- адресным пространством (адресацией памяти)

Тактовая частота обработки информации. Тактом называют интервал времени между передними фронтами двух последовательных импульсов электрического тока. Тактовая частота - это количество тактов в секунду, измеряется в герцах. Например, 1 млн. тактов/с =1млн. гц = 1МГц. Специальные потоки импульсов для всех электронных устройств ПК вырабатывает тактовый генератор, расположенный на материнской плате. Его главный элемент представляет собой кристалл кварца, обладающий высокой стабильностью резонансной частоты. Тактовая частота влияет на скорость работы, быстродействие ЦП. Процессор с большей тактовой частотой способен выполнять в секунду большее количество операций.

Благодаря преимуществам в архитектуре процессоры с меньшей тактовой частотой могут иметь большую производительность в обработке данных.

Для определения производительности ЦП в настоящее время рассматривают четыре аспекта - целочисленные вычисления, вычисления с плавающей запятой, графика, видео. При этом речь идет о производительности лишь самих процессоров, а не всей компьютерной системы в целом, которая зависит, помимо ЦП, от множества других факторов.

Разрядность процессора. Это число одновременно обрабатываемых процессором битов, то есть двоичных разрядов - важнейший фактор производительности ЦП. Вместе с быстродействием разрядность характеризует объем информации, перерабатываемый процессором компьютера за единицу времени. Процессоры бывают 8-, 6-, 32- и 64-разрядными. Процессоры современных ПК - 32-разрядные.

Интерфейс (сопряжение) с системной шиной. Разрядность ЦП может не совпадать с количеством его внешних выводов для линии данных. Например, 32-разрядный ЦП может иметь только 16 внешних линий данных. Это означает, что разрядность интерфейса с внешней шиной данных равна 16. Аналогичная ситуация может наблюдаться с другой частью системной шины - адресной шиной. Поскольку выполнение процессором команды предусматривает также перемещение данных из одного места памяти в другое, то важна не только разрядность внутренних шин процессора, но и его интерфейс с системной шиной.

Адресное пространство. Объем физически адресуемой процессором оперативной памяти называется его адресным пространством. Одна из функций процессора состоит в обмене данными с оперативной памятью и внешними устройствами. При этом процессор для ОЗУ формирует код адрес ячейки памяти, а для устройств - код устройства. Код адреса передается по адресной шине. Если разрядность адресной шины - N, тогда максимальное количество различных двоичных чисел для кода адреса может быть 2^N. Значит, 2^N -- это максимальное количество ячеек оперативной памяти к которым, используя адресную шину, может обратиться процессор. То есть 2^N - объем адресного пространства процессора. В частности, ЦП имеющий 32-разрядную шину адреса, имеет объем адресного пространства 2³² = 4 Гбайта.

Оперативная память

ОЗУ – интегральная микросхема, состоящая из большого числа ячеек. Каждая ячейка - это элемент памяти, при обращении к которому считывается несколько битов, имеющих один адрес. Адрес ячейки ОЗУ – ее порядковый номер.

Каждая ячейка ОЗУ состоит из физических ячеек, предназначенных для хранения одного бита данных.

По скорости записи-чтения данных и команд оперативную память подразделяют на кэш-память и собственно ОЗУ.

Кэш-память предназначена для хранения наиболее часто используемых данных. Время доступа к этой памяти в несколько раз меньше, чем к обычной памяти, она дороже, но, главное, что экспериментальное (т.е. в процессе работы ПК) выделение самых используемых данных обеспечивает значительное уменьшение времени доступа к оперативной памяти в целом.

Электронные схемы физических ячеек кэш-памяти не содержат конденсаторов и не требуют динамического обновления их зарядов для сохранения данных. Это память статического типа - SRAM (Static Random Access Memory).

Вначале кэш-память в виде соответствующей микросхемы устанавливали на материнской плате, вблизи центрального процессора. В настоящее время кэш-память обычно размещается в самом процессоре.

Принципы организации и исполнение ОЗУ постоянно совершенствуются. В настоящее время применяются (в порядке развития) три основные схемы ОЗУ:

- SDRAM (Synchronous Dynamic Random Access Memory) – синхронизированная динамическая память с произвольным порядком выборки; принятое обозначение – DIMM,

- DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM) –синхронизированная динамическая память с произвольным порядком выборки и удвоенной передачей данных; принятое обозначение – DDR DIMM,

- DRDRAM (Direct Rambus DRAM), — память (принятое обозначение – RIMM), принципы построения которой отличаются значительной новизной, позволяющая восьмикратно повысить пиковую пропускную способность в сравнении с памятью DIMM.

Отличительной особенностью ОЗУ типа SDRAM является синхронизация частоты ее работы с частотой центрального процессора.

Основное отличие ОЗУ типа DDR SDRAM от SDRAM заключается в том, что в ней за один цикл происходит два обращения к данным: по переднему фронту и срезу импульса тактового сигнала. То есть в ней чтение-запись происходит два раза за один такт.

Завершаются работы по созданию памяти DDR SDRAM с четырьмя циклами чтение-запись за один такт.

В настоящее время идет соперничество производителей памяти DDR DIMM и RIMM. Однако к началу 2003 года уже простые модули DDR SDRAM обеспечили производительность сравнимую с новыми модулями фирмы Rambus.

Постоянная память

Постоянная память, или постоянное запоминающее устройство - ПЗУ (ROM - Read Only Memory),- постоянная энергонезависимая память, - то есть память, в которой хранимые данные не пропадают при отключении компьютера от электропитания. Вначале ПЗУ предназначалась для хранения данных, которые никогда не потребуют изменения. Содержание памяти поэтому специальным образом “зашивалось” в устройстве при его изготовлении, чтобы из ПЗУ можно было только читать.

В ПЗУ размещают программы тестирования устройств компьютера, загрузочные программы операционной системы и некоторые другие программы.

По мере совершенствования ПК возникла необходимость обеспечить возможность модернизации программ, размещаемых в ПЗУ. В результате практически все современные материнские платы допускают изменение этих программ в ПЗУ.

Разновидность постоянного ЗУ — CMOS RAM. Это память с невысоким быстродействием и минимальным энергопотреблением от батарейки, размещенной на материнской плате. CMOS RAM используется для хранения информации о конфигурации и составе оборудования компьютера. Содержимое CMOS изменяется специальной программой Setup.

Чипсет

Чипсет – это набор микропроцессоров системной логики и контроллеров материнской платы.

Когда чипсета еще не существовало, материнские платы несли на себе до ста микросхем, которые занимались логической организацией работы устройств компьютера. Появление в 1986 году специальных микропроцессоров для выполнения указанных функций привело к революционным изменениям, так как укрепило модульный принцип построения ПК, позволило значительно расширить круг производителей комплектующих для ПК и, в итоге, увеличило темпы совершенствования ПК.

В настоящее время чипсет (набор системной логики) имеет двухуровневую архитектуру: «северный мост» (North Bridge) и «южный мост» (South Bridge). Северный мост содержит контроллеры шины оперативной памяти, интерфейс между шиной процессора и основной шиной материнской платы. Все это реализовано на одном кристалле. Частота работы этой микросхемы равна тактовой частоте системной шины материнской платы. Высокая тактовая частота этих микросхем и большая мощность привели к необходимости оборудовать их устройствами охлаждения.

Южный мост является более медленной микросхемой, т.к. обеспечивает работу шин, используемых для подключения относительно медленных устройств: клавиатуры, мыши, жесткого диска, дисковода гибких дискет и др. Один и тот же тип микросхемы Южного моста может использоваться и работать с несколькими типами Северного моста.

Рис. 3. Чипсет и компоненты материнской платы

Связи чипсета с компонентами материнской платы иллюстрирует блок-схема на рис. 3.

Лекция 4

Программное обеспечение

Программа – это последовательность команд компьютеру на выполнение действий с данными.

Совокупность программ, которыми оснащен компьютер, называют его программными средствами (software).

Программное обеспечение ПО – совокупность программ и программной документации.

Классификация программ

Программы можно подразделить на:

- прикладные,

- системные,

- машинные.

Прикладные программы

Прикладной называют программу для решения конкретной задачи. Комплексы взаимосвязанных прикладных программ называются пакетами прикладных программ (ППП).

Примеры прикладных программ:программы научных расчетов, текстовые редакторы, видео и аудио плееры, программы управления технологическим процессом и т.д.

Системные программы

Системные программы обеспечивают работу прикладных программ. Системные программы подразделяются на

- операционные системы (обеспечивают выполнение прикладных программ и предоставляют человеку средства управления компьютером)

- сервисные системы (для облегчения работы с компьютером – например, Norton Comander, системные утилиты и т.п.)

- инструментальные системы (программы для разработки программ и автоматизированных систем)

- системы управления базами данных (СУБД)

 

Машинные программы

Это– программы «зашитые» в чипах (микропроцессорах) электрон-ных схем различных устройств; например, устройств компьютера.

Пример: на материнской плате в ПЗУ зашита программа BIOS - базовая система ввода-вывода.

Функции BIOS:

начальная проверка оборудования при включении компьютера (процедура POST) и передача управления операционной системе,

обслуживание запросов операционной системы по выполнению операций ввода-вывода данных,

настройка конфигурации устройств компьютера (SMOS);

настройка конфигурации основных параметров работы материнской платы.

Чтобы обеспечить правильную работу с оборудованием компьютера, BIOS должна "знать" его аппаратную конфигурацию. Эта информация хранится в CMOS RAM (Complementary Metal Oxide Conductor RAM) — специальной микросхеме памяти, для питания которой используется батарейка, установленная на системной плате. Благодаря этой батарейке, данные в CMOS сохраняются и при выключенном питании компьютера.

Выделение BIOS в отдельный программный модуль позволяет обеспечить независимость других видов программного обеспечения от аппаратной специфики конкретной модели компьютера.

Операционные системы

Основная причина необходимости такой системы программ состоит в том, что элементарные операции для работы с устройствами компьютера на самом деле состоят из сотен или тысяч операций. Назначение операционной системы состоит, прежде всего, в том, чтобы скрыть от пользователя эти сложные и ненужные ему подробности и предоставить ему удобные инструменты для работы.

Операционная система (ОС) обеспечивает выполнение двух главных задач:

- доступ прикладных программ к ресурсам компьютера (ЦП, ОП, устройствам)

предоставление пользователям средств (интерфейса - языка и средств его реализации) для управления компьютером.

Существует большое количество различных операционных систем. Для ПК среди многих ОС наибольшее распространение получили сначала СP/M (~1978), затем MS DOS (1981 Microsoft), далее – серия ОС WINDOWS (версии 3.1, 95, 97, 98, 2000, NT, Me, ХР), OS MAC, Unix и его модификации - Linux, Solaris и другие.

Операционная система, среди прочих компонентов, обычно содержит следующие:

- файловую систему

- драйверы внешних устройств

- интерфейс пользователя.

Файловая система. Основные определения

Файловая система – комплекс специальных программ операционной системы, отвечающих за действия с файлами – создание, уничтожение, чтение, запись, модификацию, перемещение, шифрование, - а также за управление доступом к файлам и ресурсам, которые используют файлы.

Файл - именованная область данных на физическом носителе.

Имя файла: <имя >. <расширение>.

Имя – совокупность символов, разрешенных операционной системой. Например, в MS DOS длина имени может быть от 1 до 8 латинских букв, цифр и специальных символов, кроме (), +,., *,?, < и >.

Расширение – необязательно; в MS DOS до трех символов; несет информацию о содержании или формате файла, например, сом, exe, bat, doc, txt, xls, bak, bas.

Каталог (синонимы: директория, папка ) - группа файлов, объединенная по логическому признаку. Каталоги – специального вида файлы, в которых хранятся сведения о размещенных в них файлах – имя, размер, дата создания, свойства. В каталогах могут также размещаться подкаталоги. Самый старший по иерархии каталог – называется корневым каталогом.

Путь (к файлу) - это цепочка подчиненных каталогов:[Имя каталога] \ [Имя подкаталога] \. Например: Библиотека\Книга\Текст\.

Физические носители ( дисководы ), где размещаются файлы в компьютере, имеют имена, например, A, B, C, D, E и т.д.

Полное имя файла: <дисковод>:\<путь>\<имя файла>.

Например: С:\Библиотека\Книга\Текст\book.txt

Чтобы указать группу файлов, применяют символы-заместители * и?. Символ? обозначает любой символ или отсутствие символа в имени файла или в расширении. Символ * обозначает любую последовательность символов в имени файла или в расширении.

Применение символов * и? в именах каталогов и подкаталогов не допускается.

Физически запись файла на дисковых носителях осуществляется обычно блоками по 512 байтов. Однако адресация при чтении или записи не может осуществляться к блоку, а лишь к некоторой их совокупности –кластеру. В файловых системах FAT12, FAT16 и FAT32 информация о всех кластерах (занят он, свободен или сбойный) хранится в FAT (таблице оглавления тома). В кластере, занятом некоторым файлом, дается адрес кластера, где записано продолжение данных этого файла. Само имя файла с указанием адреса первого кластера с данными этого файла хранится в каталоге. В каталоге же хранится дополнительная информация о файле: дата и время его создания, дата и время последнего изменения, объем данных в файле, атрибуты файла – архивный, только для чтения, скрытый – и другая информация о файле.

Операционная система MS DOS

Состоит из следующих частей:

системных файлов IO.SYS и MSDOS.SYS;

командного процессора COMMAND.COM (анализ и выполнение команд пользователя);

набора программ внешних команд и утилит (записываются в отдельный каталог);

драйверов устройств;

файла конфигурации CONFIG.SYS;

В файле CONFIG.SYS записывают команды для конфигурации операционной системы и аппаратной конфигурации компьютера. Например, в CONFIG.SYS могут быть записаны команды, которые определяют максимальное количество одновременно открываемых файлов (по умолчанию 8) и максимальное количество одновременно открываемых буферов памяти для хранения промежуточных данных программ (по умолчанию 2), указывается последняя буква, присваиваемая логическому дисководу (LASTDRIVE = M), указываются драйвера устройств установленных на компьютере. При отсутствии соответствующих команд или самого файла config.sys загружаются параметры конфигурации определенные по умолчанию.