Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Тема 2: Інформаційна система та її структура. Архітектура ПК
1.
В течение всей истории человечества непрестанно рос общий объём информации, которую человеку надо было хранить и обрабатывать.
Под информационной системой понимают совокупность средств сбора, передачи, обработки и хранения информации, а также персонал, выполняющий подобные действия; организационно-упорядоченную совокупность документов (ИР) и информационных технологий, реализующих информационные процессы (ИП); организационно-функциональную структуру, реализующую обработку информации. Современное понимание информационной системы предусматривает использование компьютера как основного технического средства обработки информации. Компьютеры, оснащенные специализированными программными средствами, являются технической базой и инструментом информационной системы.
Компьютер – это программируемое электронное устройство, способное обрабатывать данные и производить вычисления, а также выполнять другие задачи манипулирования символами.
В современном понимании компьютер предназначен для обработки, хранения информации любого типа. Это обусловило широкое применение компьютеров во всех без исключения областях человеческой деятельности.
Основные направления использования компьютеров:
Несмотря на многообразие решаемых с помощью компьютера задач, принцип применения компьютера в каждом случае один и тот же: информация, поступающая в компьютер, обрабатывается с целью получения требуемых результатов. Для решения конкретной задачи компьютер должен выполнить определённые действия (команды) в строго определённом порядке. Программа – это записанный в определённом порядке набор команд, выполнение которых обеспечивает решение конкретной задачи. Процесс составления программ называется программированием.
Ныне существует огромное количество модификаций компьютеров, которые отличаются размерами (от спичечной коробки до многоэтажного дома), скоростью обработки информации, назначением и т.п.
Компьютеры различаются по своей архитектуре – составу и взаимному соединению устройств аппаратной части.
Архитектура ЭВМ – описание устройств и принципов работы компьютеры, достаточное для пользователя и программиста (т.е без подробностей технического характера, а именно электронных схем, конструктивных деталей и пр). Тип архитектуры определяет назначение и его характеристики. Наиболее важные из них:
Современным компьютерам предшествовали ЭВМ нескольких поколений. В развитии ЭВМ выделяют пять поколений. В основу классификации заложена элементная база, на которой строятся ЭВМ.
Существует и другие различные системы классификации ЭВМ. Рассмотрим схему классификации ЭВМ, исходя из их вычислительной мощности и габаритов.
К персональным компьютерам относятся настольные и переносные ПК. К переносным ЭВМ относятся Notebook (блокнот или записная книжка) и карманные персональные компьютеры (Personal Computers Handheld - Handheld PC, Personal Digital Assistants – PDA и Palmtop). Первый персональный компьютер был выпущен в 1975 г. американской фирмой MIТS. Он назывался Альтаир – 8800, имел центральный процессор Интел-8080 и объём памяти 256 байтов.
Широко известны персональные компьютеры фирм Compaq Computer, Apple Macintosh, Hewlett Packard, Olivetty, Toshiba и др. В настоящее время наиболее распространёнными в Украине являются персональные компьютеры фирмы IBM и совместимые с ним по архитектуре (IBM-совместимыми).
Для обработки информации необходимы определённый набор технических устройств – аппаратная составляющая (hardware – с англ. твёрдый, изделие) – и программы – программная составляющая (software – с англ. мягкий, изделие) -, которые будут руководить работой этих устройств.
Таким образом, информационная система представляет собой совокупность аппаратной и программной составляющей, а также человека – пользователя.
2.
Аппаратное обеспечение компьютера – это все устройства, входящие в его состав и обеспечивающие его исправную работу.
Общая схема устройства современного компьютера была предложена выдающимся американским математиком Джоном фон Нейманом в июне 1945 г. По этой схеме компьютер состоит из двух главных частей: центрального процессора (ЦП или CPU – от англ., Central Processing Unit) и памяти. С тех пор структуру (архитектуру) современных компьютеров часто называют неймановской.
В основе строения ПК лежат два важных принципа: магистрально-модульный принцип и принцип открытой архитектуры. Согласно первому все части и устройства изготавливаются в виде отдельных блоков, информация между которыми передаётся по комплекту соединений, объединённых в магистраль (системную шину). Системная шина – информационная магистраль, которая связывает друг с другом все устройства компьютера (группа токопроводящих кабелей или линий на системной плате). Магистраль (системная шина) включает в себя три многоразрядные шины: шину данных, шину адреса и шину управления, которые представляют собой многопроводные линии. К магистрали подключаются процессор и оперативная память, а также периферийные устройства ввода, вывода и хранения информации, которые обмениваются информацией на машинном языке (последовательностями нулей и единиц в форме электрических импульсов).
Шина данных. По этой шине данные передаются между различными устройствами. Например, считанные из оперативной памяти данные могут быть переданы процессору для обработки, а затем полученные данные могут быть отправлены обратно в оперативную память для хранения. Таким образом, данные по шине данных могут передаваться от устройства к устройству в любом направлении.
Шина адреса. Выбор устройства или ячейки памяти, куда пересылаются или откуда считываются данные по шине данных, производит процессор. Каждое устройство или ячейка оперативной памяти имеет свой адрес. Адрес передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном направлении — от процессора к оперативной памяти и устройствам (однонаправленная шина).
Шина управления. По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали. Сигналы управления показывают, какую операцию — считывание или запись информации из памяти — нужно производить, синхронизируют обмен информацией между устройствами и так далее.
Второй принцип построения ПК – открытая архитектура – предполагает возможность сборки компьютера из независимо изготовленных частей, доступную всем желающим (подобно детскому конструктору). При этом общую схему ПК можно представить в следующем виде:
Системный блок
Внешняя
память
Внутренняя
память
Центральный
микропроцессор (ЦП)
Системная шина (магистраль)
Устройства ввода – вывода (периферийные устройства)
Мышь
Монитор
Клавиатура
Принтер
Компьютер обменивается информацией с внешним миром с помощью периферийных устройств. Только благодаря периферийным устройствам человек может взаимодействовать с компьютером, а также со всеми подключенными к нему устройствами. Наиболее распространенные периферийные устройства приведены на рисунке:
Периферийные устройства делятся на устройства ввода и устройства вывода. Устройства ввода предназначены для ввода в компьютер данных и программ. Устройства вывода предназначены для вывода результатов. Устройства ввода преобразуют информацию в форму понятную машине, после чего компьютер может ее обрабатывать и запоминать. Устройства вывода переводят информацию из машинного представления в образы, понятные человеку.
Все устройства ввода-вывода, а также устройства внутренней памяти подключают к системной шине через соответствующие специальные платы, которые называют адаптерами или контроллерами. К основным платам расширения, предназначенным для подключения к шине дополнительных устройств, относятся:
Видеоадаптер – это плата (карта) расширения для обработки изображений и обеспечения работы монитора. Это устройство содержит некоторую часть оперативной памяти – видеопамять, а также обеспечивает программную настройку режимов цветности экрана. Разновидностью видеоадаптеров можно считать TV-тюнеры, обеспечивающие приём и обработку телевизионного сигнала, что приводит к использованию ПК ещё и как телевизора.
Звуковой адаптер - это плата (карта) расширения для обработки звуковой информации (записи, воспроизведения, создания звука программными средствами). Звуковой адаптер обеспечивает соединение ПК с такими устройствами ввода и вывода как микрофон, наушники, акустические системы, синтезаторы и др.
Взаимодействие периферийных устройств с адаптером происходит через порты ввода/вывода. По способу передачи информации порты ввода/вывода делятся на последовательные (1 провод) и параллельные (несколько проводов). Через последовательный порт подключаются удалённые от компьютера внешние устройства, а через параллельный – находящиеся рядом.
Системная плата (материнская, англ. matherboard) – это электронное устройство для размещения и соединения основных компонентов ПК, определяющих его архитектуру: процессора, внутренней памяти, плат расширения и портов подключения. Системная плата занимает важнейшее место внутри системного блока.
3.
Рассмотрим подробнее назначение и основные характеристики устройств, входящих в системный блок.
|
Центральный процессор (ЦП)- это центральное устройство компьютера, которое выполняет операции по обработке данных и управляет периферийными устройствами компьютера. |
Процессор конструктивно создан на полупроводниковом кристалле путём применения сложной микроэлектронной технологии. Это очень маленький кремниевый кристалл с несколько миллионов размещённых в нём транзисторов. Из-за его размеров ЦП называют микропроцессором, или чипом (от англ. сhip – тонкий кусочек). Центральный процессор состоит из следующих устройств: устройство управления (УУ или CU (control unit)). Это координатор всех действий. Устройство управления организует процесс выполнения программ и координирует взаимодействие всех устройств ЭВМ во время её работы.; арифметико-логическое устройство (АЛУ ). Это устройство выполняет все вычислительные операции: и арифметические, и логические; регистры процессора служат промежуточной быстрой памятью, используя которые, процессор выполняет расчёты и сохраняет промежуточные результаты. Для ускорения работы с оперативной памятью используется кэш-память, в которую с опережением подкачиваются команды и данные из оперативной памяти, необходимые процессору для последующих операций |
|
К основным характеристикам процессора относятся:
|
|
|
В ПЗУ находятся:
Информация о том, где на диске находится операционная система. |
|
Оперативная память (ОЗУ, англ. RAM, Random Access Memory — память с произвольным доступом) — это оперативное (быстрое) запоминающее устройство, непосредственно связанное с процессором и предназначенное для записи, считывания и хранения выполняемых программ и данных, обрабатываемых этими программами. Оперативная память используется только для временного хранения данных и программ, так как, когда машина выключается, все, что находилось в ОЗУ, пропадает. Доступ к элементам оперативной памяти прямой — это означает, что каждый байт памяти имеет свой индивидуальный адрес. Объем ОЗУ обычно составляет от 32 до 1024 Мбайт. В настоящее время появились ОЗУ до 2 Гбайт. Для несложных административных задач бывает достаточно и 32 Мбайт ОЗУ, но сложные задачи компьютерного дизайна могут потребовать от 512 Мбайт до 2 Гбайт ОЗУ. Микросхемы памяти RIMM (сверху) и DIMM (снизу) |
|
Перепрограммируемая постоянная память (Flash Memory) — энергонезависимая память, допускающая многократную перезапись своего содержимого с дискеты Важнейшая микросхема постоянной или Flash-памяти — модуль BIOS. Роль BIOS двоякая: с одной стороны это неотъемлемый элемент аппаратуры, а с другой стороны — важный модуль любой операционной системы. BIOS (Basic Input/Output System — базовая система ввода-вывода) — совокупность программ, предназначенных для автоматического тестирования устройств после включения питания компьютера и загрузки операционной системы в оперативную память. Разновидность постоянного ЗУ — CMOS RAM. CMOS RAM — 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.
Микросхемы BIOS и CMOS К устройствам специальной памяти относят видеопамять. Видеопамять используется для хранения графической информации. Видеопамять содержит данные, соответствующие текущему изображению на экране. Видеопамять (VRAM) — разновидность оперативного ЗУ, в котором хранятся закодированные изображения. Это ЗУ организовано так, что его содержимое доступно сразу двум устройствам — процессору и дисплею. Поэтому изображение на экране меняется одновременно с обновлением видеоданных в памяти. Объем VRAM обычно составляет от 16 до 512 Мбайт. |
|
Внешняя память (ВП) предназначена для продолжительного хранения программ и данных. Устройства внешней памяти компьютера совмещают возможности ОЗУ и ПЗУ - хранят информацию по желанию пользователя независимо от электропитания. Но в отличие от внутренней памяти, они не связаны прямо с процессором. Внешняя память компьютера – это самые современные носители информации. Они характеризуются:
Чтение и запись информации с магнитных и оптических носителей выполняют дисководы — устройства передачи информации. У них есть механическая часть, которая вращает носитель вокруг его центра и перемещает головку чтения/записи в радиальном направлении: Вращение диска и перемещение головки обеспечивают быстрый доступ к любому участку поверхности диска. В устройстве, которое называют винчестер, магнитный диск и устройство чтения/записи (дисковод) собраны в одно целое. Поэтому можно сказать, что винчестер не только хранит информацию, но и служит устройством для ее ввода/вывода по отношению к ОЗУ. |
|
|
|
В 1973 г. фирмой IBM был разработан первый жёсткий диск - винчестер. (16 Кбайт ). Современные диски могут иметь ёмкость до100 Гбайтов. Обычно винчестер имеет от одного до пяти и более обработанный с высокой точностью керамических или алюминиевых пластин (дисков), на которые нанесён специальный магнитный слой. Диски жёстко закреплены через равные промежутки на вертикальном стержне (привод). Стержень вращается вокруг своей оси. Наиболее важной частью любого накопителя являются головки чтения/записи. Здесь также используется механизм кэширования для согласования взаимодействия медленно действующей дисковой памяти и более быстрой оперативной памяти. |
|
Накопители на гибких магнитных дисках используются для хранения небольших объёмов информации и для её переноса с одного компьютера на другой. Они состоят из дискеты и привода, называемого дисководом. Дискета представляет собой тонкую пластиковую основу с магнитным слоем. Для защиты от повреждений она помещена в квадратный жёсткий чехол. Основные параметры дискет: диаметр и ёмкость памяти. Наиболее распространёнными в настоящее время являются 3-дюймовые (3,5) дискеты. Современные 3-дюймовые дискеты, как правило, DS/ HD-типа и рассчитаны на хранение 1,44 Мбайтов информации. На чехле дискеты такого типа есть отверстие, указывающее на то, что она высокой плотности. |
|
|
Для переноса с одного компьютера на другой большого количества информации существуют специальные накопители – на оптических дисках. Виды оптических дисков:
На этих дисках, как правило, поставляются программные продукты, базы данных, мультимедийные приложения. По принципу действия различают диски: CD-ROM – неперезаписываемые лазерно-оптические диски; CD-R – однократно записываемые; CD-RW – допускающие повторную запись. Для хранения больших объёмов видеоинформации (музыкальные клипы, кинофильмы, игры) используется технология DVD, основанная на хранении информации в цифровом формате. Лазерные дисководы используют оптический принцип чтения информации. На лазерных дисках CD (CD — Compact Disk, компакт диск) и DVD (DVD — Digital Video Disk, цифровой видеодиск) информация записана на одну спиралевидную дорожку (как на грампластинке), содержащую чередующиеся участки с различной отражающей способностью. Лазерный луч падает на поверхность вращающегося диска, а интенсивность отраженного луча зависит от отражающей способности участка дорожки и приобретает значения 0 или 1. |
|
|
Flash-память - это энергонезависимый тип памяти, позволяющий записывать и хранить данные в микросхемах. Устройства на основе flash-памяти не имеют в своём составе движущихся частей, что обеспечивает высокую сохранность данных при их использовании в мобильных устройствах. |
4.
Рассмотрим характеристики основных устройств ввода и вывода информации.
|
Самым известным устройством ввода информации является клавиатура (keyboard) – это стандартное устройство, предназначенное для ручного ввода информации. Работой клавиатуры управляет контроллер клавиатуры, расположенный на материнской плате и подключаемый к ней через разъем на задней панели компьютера. Существуют беспроводные модели клавиатуры, в них связь клавиатуры с компьютером осуществляется посредством инфракрасных лучей. Клавиатура персонального компьютера содержит более чем сотню клавиш. Современный стандарт предполагает наличие 107 клавиш, но часто на клавиатуре могут присутствовать и дополнительные клавиши. Все клавиши клавиатуры можно условно разделить на несколько групп. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
Необходимым устройством вывода информации, входящим в аппаратную часть компьютера, является дисплей или монитор. На нём отображается текстовая и графическая информация. Экран монитора можно представить в виде таблицы точек, называемых пикселями (от англ. picture element). Их количество на экране определяет его разрешающую способность. Для современных дисплеев: 640х480, 800х600, 1024х768, 1280х1024, 1600х1200. Чем выше разрешающая способность, тем чётче изображение. Дисплеи могут быть монохромными (чёрно-белыми) и цветными (RGB-мониторами). По принципу формирования изображения можно выделить мониторы на электронно-лучевых трубках и жидкокристаллические. |
|
|
У монитора всего два режима работы: текстовый и графический. В текстовом режиме на экран выводятся символы (буквы разных алфавитов, знаки арифметических действий, знаки препинания, специальные символы, например, #,&,^ и др.). Один символ занимает ячейку – знакоместо – и состоит из множества пикселей. При работе в графическом режиме каждый пиксель используется в отдельности. Полный набор цветов, используемых для воспроизведения изображения, называется цветовой палитрой. Дисплей подключается к компьютеру через видеоадаптер или видеокарту – устройство сопряжения работы дисплея и ЦП. Эта карта вставляется в слот материнской платы. Чем больше память видеоадаптера, тем большее количество цветов и пикселей можно использовать(1 бит – 2 цвета). Современные видеоадаптеры выделяют 24 бита на 1 пиксель, что позволяет отображать 224=16 777 216 цветов. |
|
Принтер – это устройство вывода информации на бумагу. Принтеры различают по принципу действия, т.е. по способу нанесения информации на бумагу. Наиболее распространёнными в настоящее время типами принтеров являются матричные, струйные и лазерные. Качество печати струйных и лазерных принтеров выше, чем матричных. |
||
|
Матричные |
В матричных принтерах печатающая головка состоит из игл, расположенных внутри прямоугольника, - матрицы. При движении головки над поверхностью листа иглы, ударяя по красящей ленте, «вбивают» краску с ленты бумаги. |
|
|
Струйные |
В печатающей головке струйных принтеров вместо иголок используются тонкие трубочки-сопла, через которые на бумагу выбрасываются капельки красителя (чернил). |
|
|
Лазерные |
В лазерных принтерах изображение формируется с помощью порошка-красителя – тонера, наносимого на бумагу специальным методом, использующим лазерный луч. |
К манипуляторам относят устройства, преобразующие движения руки пользователя в управляющую информацию для компьютера. Среди манипуляторов выделяют мыши, трекболы, джойстики.
Манипулятор типа «мышь» облегчает работу пользователя за компьютером. Это устройство было изобретено Дугласом Энджельбартом в 1963 г. Мышь предназначена для выбора и перемещения графических объектов экрана монитора компьютера. Для этого используется указатель, перемещением которого по экрану управляет мышь. Мышь позволяет существенно сократить работу человека с клавиатурой при управлении курсором и вводе команд. Особенно эффективно мышь используется при работе графическими редакторами, издательскими системами, играми. Современные операционные системы также активно используют мышь для управляющих команд.
У мыши могут быть одна, две или три клавиши. Между двумя крайними клавишами современных мышей часто располагают скрол. Это дополнительное устройство в виде колесика, которое позволяет осуществлять прокрутку документов вверх-вниз и другие дополнительные функции.
Мышь состоит из пластикового корпуса, сверху находятся кнопки, соединенные с микропереключателями. Внутри корпуса находится обрезиненный металлический шарик, нижняя часть которого соприкасается с поверхностью стола или специального коврика для мыши, который увеличивает сцепление шарика с поверхностью. При движении манипулятора шарик вращается и переедает движение на соединенные с ним датчики продольного и поперечного перемещения. Датчики преобразуют движения шарика в соответствующие импульсы, которые передаются по проводам мыши в системный блок на управляющий контроллер. Контроллер передает обработанные сигналы операционной системе, которая перемещает графический указатель по экрану. В беспроводной мыши данные передаются с помощью инфракрасных лучей. Существуют оптические мыши, в них функции датчика движения выполняют приемники лазерных лучей, отраженных от поверхности стола.
Трекбол по функциям близок мыши, но шарик в нем больших размеров, и перемещение указателя осуществляется вращением этого шарика руками. Трекбол удобен тем, что его не требуется перемещать по поверхности стола, которого может не быть в наличии. Поэтому, по сравнению с мышью, он занимает на столе меньше места. Большинство переносных компьютеров оснащаются встроенным трекболом.
Джойстик представляет собой основание с подвижной рукояткой, которая может наклоняться в продольном и поперечном направлениях. Рукоятка и основание снабжаются кнопками. Внутри джойстика расположены датчики, преобразующие угол и направление наклона рукоятки в соответствующие сигналы, передаваемые операционной системе. В соответствии с этими сигналами осуществляется перемещение и управление графических объектов на экране.
Дигитайзер – это устройство для ввода графических данных, таких как чертежи, схемы, планы и т. п. Он состоит из планшета, соединенного с ним визира или специального карандаша. Перемещая карандаш по планшету, пользователь рисует изображение, которое выводится на экран.
Сканер – устройство ввода графических изображений в компьютер. В сканер закладывается лист бумаги с изображением. Устройство считывает его и пересылает компьютеру в цифровом виде. Во время сканирования вдоль листа с изображением плавно перемещается мощная лампа и линейка с множеством расположенных на ней в ряд светочувствительных элементов. Обычно в качестве светочувствительных элементов используют фотодиоды. Каждый светочувствительный элемент вырабатывает сигнал, пропорциональный яркости отраженного света от участка бумаги, расположенного напротив него. Яркость отраженного луча меняется из-за того, что светлые места сканируемого изображения отражают гораздо лучше, чем темные, покрытые краской. В цветных сканерах расположено три группы светочувствительных элементов, обрабатывающих соответственно красные, зеленые и синие цвета. Таким образом, каждая точка изображения кодируется как сочетание сигналов, вырабатываемых светочувствительными элементами красной, зеленой и синей групп. Закодированный таким образом сигнал передается на контроллер сканера в системный блок.
Различают сканеры ручные, протягивающие и планшетные. Главные характеристики сканеров - это скорость считывания, которая выражается количеством сканируемых станиц в минуту (pages per minute - ppm), и разрешающая способность, выражаемая числом точек получаемого изображения на дюйм оригинала (dots per inch - dpi). После ввода пользователем исходных данных компьютер должен их обработать в соответствии с заданной программой и вывести результаты в форме, удобной для восприятия пользователем или для использования другими автоматическими устройствам посредством устройств вывода.
Плоттер (графопостроитель) – это устройство для отображения векторных изображений на бумаге, кальке, пленке и других подобных материалах. Плоттеры снабжаются сменными пишущими узлами, которые могут перемещаться вдоль бумаги в продольном и поперечном направлениях. В пишущий узел могут вставляться цветные перья или ножи для резки бумаги. Графопостроители могут быть миниатюрными, и могут быть настолько большими, что на них можно вычертить кузов автомобиля или деталь самолета в натуральную величину.
Звуковые карты, колонки, микрофоны и другие устройства для качественного воспроизведения компьютером эффектом, воздействующих на органы чувств человека, называют мультимедийным оборудованием.
|