При использовании материалов этого сайта - АКТИВНАЯ ССЫЛКА и размещение баннера -ОБЯЗАТЕЛЬНО!!!

Информатика, информация и вычислительная техника. Материалы к урокам.

СОДЕРЖАНИЕ

ТЕМА №1: Информатика. Компьютер – инструмент обработки информации. Виды информации, обрабатываемой компьютером.

ТЕМА №2: Информация. Понятие информации в природе. Виды информации. Формы информации и способы ее обработки в природе. Измерение информации.

ТЕМА №3: История развития вычислительной техники.

ТЕМА №4: Устройство персонального компьютера.

Поколения ЭВМ и их основные характеристики

Упражнения по теме «Информация»

В данной брошюре собраны материалы для изучения тем информатика, информация, история вычислительной техники, устройство персонального компьютера. Материал подобран согласно программы курса ’’Информатики’’ для технического лицея № 165 города Алматы, 2000 год.

Вся информация разбита на отдельные темы, подобно поурочным планам уроков. Отдельные темы включают материалы не для одного, а для целой группы уроков, в течение которых предполагается дать учащимся излагаемую тему. В каждой теме выделены программное и дидактическое обеспечение, цель и тип урока, требования к знаниям и умениям учащихся и план-содержание урока, включающий все сведения необходимые при подготовке к уроку. Приведенные материалы согласуются с требованиями Государственного образовательного стандарта Республики Казахстан по информатике.

Брошюра составлена в 2002 году и в текущем году материал переработан и расширен.

При подготовке материала использована литература отечественных, российских авторов и переводные издания, а так же материалы из Интернета.

ТЕМА №1: Информатика. Компьютер – инструмент обработки информации. Виды информации, обрабатываемой компьютером.

ПРОГРАММНО - ДИДАКТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ: ЭВМ типа IBM. ОС Windows 95. Обучающие программы.

ЦЕЛЬ УРОКА: Познакомиться с предметной областью ИНФОРМАТИКА, ее составными частями и основными направлениями применения информационных технологий. Знакомство с информационными процессами и их видами.

ТИП УРОКА: объяснительно - демонстрационный.

ТРЕБОВАНИЯ К ЗНАНИЯМ И УМЕНИЯМ:

Учащиеся должны знать:

- что такое информатика;

- что изучает информатика;

- что такое информационный процесс;

- виды информационных процессов.

Учащиеся должны уметь:

– пользоваться обучающими программами.

– приводить примеры информационных процессов;

– приводить примеры составных частей Информатики.

ПЛАН-СОДЕРЖАНИЕ УРОКА

Информатика - это наука об информации, о законах и методах накопления, сбора, хранения и передачи информации в общении людей, работе ЭВМ и жизни общества; наука о способах обработки информации с помощью ЭВМ.

Эта наука появилась во второй половине ХХ века, ее развитие связано с появлением электронно-вычислительной техники.

Термин информатика происходит от французских слов информация и автоматика и означает «информационная автоматика».

Широко распространен также англоязычный вариант этого термина Computer science, что означает «компьютерная наука».

В 1978 г. международный научный конгресс официально закрепил за понятием «информатика» области, связанные с разработкой, созданием, использованием и материально-техническим обслуживанием систем обработки информации, включая компьютеры и их программное обеспечение, а также организационные, коммерческие, административные и социально-политические аспекты компьютеризации — массового внедрения компьютерной техники во все области жизни людей. Таким образом, информатика базируется на компьютерной технике и немыслима без нее.

Основные направления применения информатики:

* разработка вычислительных систем и программного обеспечения;

* теория информации, изучающая процессы, связанные с передачей, приемом, преобразованием и хранением информации;

* методы искусственного интеллекта, позволяющие создавать программы для решения задач, требующих определенных интеллектуальных усилий при выполнении их человеком (логический вывод, обучение, понимание речи, визуальное восприятие, игры и др.);

* системный анализ, заключающийся в анализе назначения проектируемой системы и в установлении требований, которым она должна отвечать;

* методы машинной графики, анимации, средства мультимедиа; разнообразные приложения, охватывающие производство, образование, медицину, торговлю, сельское хозяйство и все виды хозяйственной и общественной деятельности.

Информатику можно представить состоящей из двух частей:

технические средства;

программные средства.

Технические средства, или аппаратура компьютеров, на английском языке обозначаются словом Hardware, которое переводится как «твердые изделия». А для программных средств выбрано очень удачное слово Softwаге (буквально изделия»), которое подчеркивает равнозначность программного обеспечения и самой машины и вместе с тем способность программного обеспечения модифицироваться, приспосабливаться.

Программное обеспечение — это совокупность всех программ, связанных с компьютерами, а также область деятельности по их созданию и применению.

Помимо этих двух общепринятых ветвей информатики выделяют еще одну существенную ветвь — алгоритмизация. Т.к. нельзя приступить к программированию, не разработав предварительно алгоритм решения задачи.

ПРЕДМЕТ ИНФОРМАТИКИ - информационные процессы.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ - это процессы передачи, обработки и накопления информации в форме знаков и сигналов.

Информационные процессы встречаются:

- в живых существах,

- в технических устройствах,

- в общении людей,

- в телекоммуникациях,

- в жизни общества.

Передача информации происходит в форме сигналов.

Накопление информации - в форме знаков.

Обработка информации - и в форме знаков и сигналов, а именно:

* В живых существах и технических устройствах обработка информации идет в форме сигналов.

* Между живыми существами - в форме знаков и сигналов.

* Между техническими устройствами - в форме сигналов.

Организация информационных процессов с использованием технических средств и устройств называется ИНФОРМАЦИОННОЙ ТЕХНОЛОГИЕЙ.

Информационные технологии бывают самых разных видов.

К ВИДАМ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ относятся:

* письмо,

* почта,

* телеграф,

* телефон,

* телевидение,

* телекоммуникации,

* электронная почта и т.д.

Кроме того, информационные технологии можно разделить на:

* бумажные,

* безбумажные,

* новые информационные технологии.

БУМАЖНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ - это организация накопления, передачи и переработки информации с использованием бумажных носителей (писем, книг, архивов, библиотек и т.д.) .

БЕЗБУМАЖНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ - это организация накопления, передачи и обработки информации без использования бумажных носителей информации (радио, телевидение, телефон, телеграф, факсимильная связь и т.д.)

НОВЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ - это технологии накопления, обработки и передачи информации с использованием ЭВМ.

Первые информационные технологии возникли с появлением потребности выразить и запомнить информацию. Так появилась: речь, письменность, изобразительное искусство.

Появление телеграфа, телефона, радио и телевидения позволило передавать огромные потоки информации, однако целенаправленная обработка этой информации до появления ЭВМ производилась только человеком.

Использование ЭВМ позволяет переложить часть этой обработки на автоматические устройства, способные достаточно долго работать без участия человека и со скоростью во много миллионов раз превышающей скорость обработки информации человеком. То же самое можно сказать и о передаче информации с использованием компьютеров и компьютерных сетей.

К ВИДАМ ИНФОРМАЦИИ, ОБРАБАТЫВАЕМОЙ С ПОМОЩЬЮ КОМПЬЮТЕРА, относятся:

* текстовая,

* графическая,

* звуковая,

* числовая.

Однако вся эта информация должна быть преобразована в числовую форму.

Например, чтобы перевести в цифровую форму музыкальный звук, можно через небольшие промежутки времени измерять интенсивность звука на определенных частотах, представляя результаты каждого измерения в числовой форме. С помощью программ компьютер может выполнить преобразования полученной числовой информации обратно в звуковую форму.

Аналогичным образом компьютер обрабатывает текстовую информацию. При вводе в компьютер каждая буква кодируется определенным числом (состоящим из 0 и 1), а при выводе на внешние устройства (монитор, принтер) для восприятия человеком по кодам строятся соответствующие изображения букв.

Соответствие между набором букв и числовыми кодами называется кодировкой символов.

ТЕМА №2: Информация. Понятие информации в природе. Виды информации. Формы информации и способы ее обработки в природе. Измерение информации.

ПРОГРАММНО - ДИДАКТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ: ЭВМ типа IBM. ОС Windows 95. Обучающие программы.

ЦЕЛЬ УРОКА: Знакомство с понятиям ИНФОРМАЦИЯ, ее видами, формами и способами обработки. Научиться измерять информацию.

ТИП УРОКА: объяснительно – демонстрационный с элементами практикума.

ТРЕБОВАНИЯ К ЗНАНИЯМ И УМЕНИЯМ:

Учащиеся должны знать:

- что такое информация;

- виды информации;

- формы представления информации;

- свойства и виды информации;

- что такое источник, приемник, передатчик, канал связи;

- технические средства хранения информации;

- способы обработки, передачи и кодирования информации;

- единицы измерения информации.

Учащиеся должны уметь:

– приводить примеры источника, приемника, передатчика и канала передачи информации;

– подсчитывать количество информации;

– переводить количество информации из одних единиц в другие.

ПЛАН-СОДЕРЖАНИЕ УРОКА

Важнейшими сущностями окружающего нас мира являются вещество, энергия и информация.

Термин информация происходит от латинского informatio, что означает «сведения, разъяснения, изложение»

Информация столь же значительна, как вещество и энергия, и не менее важна для существования растений, животных, человека и человеческого общества в целом. Информация - это не только сведения из книг, газетной заметки или передачи новостей, но и сведения, которые хранятся в структуре сложной биологической молекулы, в радиосигналах, в рельефе ключа.

Информация - это настолько общее и глубокое понятие, его нельзя объяснить одной фразой. В это слово вкладывается разный смысл в технике, науке и в житейских ситуациях.

В обиходе информацией называют любые данные или сведения, которые кого-либо интересуют, например сообщение о каких-либо событиях, о чьей-либо деятельности и т. п. «Информировать» в этом смысле означает «сообщить нечто, неизвестное раньше».

Информация - это отображение окружающего нас мира с помощью знаков и сигналов или иначе сведения об объектах и явлениях окружающей среды, их параметрах, свойствах и состоянии, которые воспринимают информационные системы (живые организмы, управляющие машины и др.) в процессе жизнедеятельности и работы.

Одно и то же информационное сообщение (статья в газете, объявление, письмо, телеграмма, справка, рассказ, чертеж, радиопередача и т. п.) может содержать разное количество информации для разных людей в зависимости от их накопленных знаний, от уровня понимания этого сообщения и интереса к нему. Так, сообщение, составленное на японском языке, не несет никакой новой информации человеку, не знающему этого языка, но может быть высокоинформативным для человека, владеющего японским. Никакой новой информации не содержит и сообщение, изложенное на знакомом языке, если его содержание непонятно или уже известно.

Однако можно лишь утверждать, что понятие ИНФОРМАЦИЯ предполагает наличие материального носителя информации, источника информации, передатчика информации, приемника и канала связи между источником и приемником.

Это понятие используется во всех без исключения сферах: философии, естественных и гуманитарных науках, биологии, медицине и физиологии, психологии человека и животных, социологии, искусстве, технике и экономике и в повседневной жизни.

Источник информации - тот, кто сообщает информацию: учитель, ученик, шум водопада и т.д.

Приемник информации - тот, кто принимает информацию: человек, животное, растение и т.д.

Носителем информации может быть классная доска, журнал, частицы воздуха, радиоволны, бумага, дерево, металл, камень, кассета, дискета, фотография, слайд, перфокарта, ген и т.п.

Каналом связи между приемником и источником может быть как телекоммуникационный канал, так и воздух, переносящий звуковые волны.

Источники и приемники информации могут быть как одушевленными (животное) так и не одушевленными (персональный компьютер) предметами, явными (учитель - ученик) и косвенными (шум воды может говорить о близости водопада). Встречаются такие ситуации, когда приемник информации, является одновременно и передатчиком, и наоборот.

Виды информации.

Всю информацию можно подразделить на:

* общественно-политическую,

* социально-экономическую,

* научно-техническую,

* химико-биологическую,

* физиологическую и т.п.

Одновременно с этим информация по своему характеру может быть:

* статической (постоянной) или динамической (переменной);

* первичной (входной), производной (промежуточной) или выходной;

* осведомляющей или управляющей;

* объективной или субъективной.

К свойствам информации можно отнести:

* полноту,

* достоверность,

* ценность,

* актуальность,

* ясность,

* краткость,

* убедительность.

Формы информации.

Существует множество способов передачи и обработки информации. Человек может передавать информацию, используя тот или иной язык, жесты, мимику, звуки и воспринимать информацию используя любые органы чувств. Иными словами информация человеком передается, обрабатывается и принимается в форме знаков или сигналами. Сигнал может быть световым, звуковым (радиоволны), электромагнитным, биохимическим и т.д.

Сигналы можно разделить на несколько типов:

* по физической природе, на электромагнитные, световые, тепловое, звуковое, механические, биохимические

* по способу восприятия, на зрительные, слуховые, осязательные, вкусовые, болевые, физиологические.

Знаками можно считать алфавит любого языка, знаки языка жестов, любые коды или шифры, нотные значки и т.д.

Процесс обработки информации предусматривает наличие носителя информации и средства передачи информации и обработки информации.

Носитель информации - ее сохраняет, на нем можно как-то записать соответствующий этой информации знак или сигнал. Средство передачи информации - это человеческие языки, средства телекоммуникаций, биохимические процессы в живой природе и т.д.

Человек может перерабатывать информацию минимум на трех уровнях, а именно: на физиологическом (органы чувств) уровне, на уровне рационального мышления, на уровне подсознания. Кроме того человек передает наследственную информацию своим потомкам через гены.

Примеры обработки и передачи информации в живой природе:

Животные, охраняя свою территорию, оставляют пахучие метки. Обнаружив, с помощью органов обоняния, незнакомый запах, животное уходит с чужой территории.

Летучая мышь, двигаясь в темноте, испускает ультразвуковые волны, которые, отражаясь от предметов, возвращаются и воспринимаются мышью, позволяя ориентироваться в пространстве.

Некоторые виды деревьев могут передавать друг другу сведения о том, что на него напали гусеницы и надо защищаться - выделять ядовитые вещества в листья.

Обработка и передача информации из поколения в поколение используется в генетике для селекции и закрепление нужных признаков у растений и животных.

Информацию можно:

создавать;принимать;комбинировать;хранить;передавать;копировать;обрабатывать;искать;воспринимать;формализовать;делить на части;измерять;использовать;распространять;упрощать;разрушатзапоминать;преобразовывать;собирать;и т.д Все эти процессы, связанные с определенными операциями над информацией, называются информационными процессами.

Свойства информации

Информация обладает следующими свойствами:

• достоверность;

• ценность; • понятность; • краткость

• полнота; • своевременность; • доступность; и т. д.

Информация достоверна, если она отражает истинное положение дел. Недостоверная информация может привести к неправильному пониманию или принятию неправильных решений. Достоверная информация со временем может стать недостоверной, так как она обладает свойством устаревать, т. е. перестает отражать истинное положение дел.

Информация полна, если ее достаточно для понимания и принятия решений. Как неполная, так и избыточная информация сдерживает принятие решений или может повлечь ошибки.

Точность информации определяется степенью ее близости к реальному состоянию объекта, процесса, явления и т. п.

Ценность информации зависит от того, насколько она важна для решения задачи, а также от того, насколько в дальнейшем она найдет применение в каких-либо видах деятельности человека.

Только своевременно полученная информация может принести ожидаемую пользу. Одинаково нежелательны как преждевременная подача информации (когда она еще не может быть усвоена), так и ее задержка.

Если ценная и своевременная информация выражена непонятным образом, она может стать бесполезной. Информация становится понятной, если она выражена языком, на котором говорят те, кому предназначена эта информация.

Информация должна преподноситься в доступной (по уровню восприятия) форме. Поэтому одни и те же вопросы по-разному излагаются в школьных учебниках и научных изданиях.

Информацию по одному и тому же вопросу можно изложить кратко (сжато, без несущественных деталей) или пространно (подробно, многословно). Краткость информации необходима в справочниках, энциклопедиях, всевозможных инструкциях.

Что такое обработка информации

I Обработка информации — получение одних информационных объектов из других путем выполнения некоторых алгоритмов

Обработка является одной из основных операций, выполняемых над информацией, и главным средством увеличения объема и разнообразия информации.

Средства обработки информации — это всевозможные устройства и системы, созданные человечеством, и в первую очередь компьютер — универсальная машина для обработки информации.

Компьютеры обрабатывают информацию путем выполнения некоторых алгоритмов. Живые организмы и растения обрабатывают информацию с помощью своих органов и систем.

Что такое информационные ресурсы и информационные технологии

Информационные ресурсы — это идеи человечества и указания по реализации этих идей, накопленные в форме, позволяющей их воспроизводство.

Это книги, статьи, патенты, диссертации, научно-исследовательская и опытно-конструкторская документации, технические переводы, данные о передовом производственном опыте и др.

Информационные ресурсы (в отличие от всех видов ресурсов — трудовых, энергетических, минеральных ) тем быстрее растут, чем больше их расходуют.

Информационные технологии - это совокупность методов и устройств, используемых людьми для обработки информации.

Человечество занималось обработкой информации тысячелетиями. Первые информационные технологии основывались на использовании счетов и письменности. Около пятидесяти лет назад; исключительно быстрое развитие этих технологий, что в первую очередь связано с появлением компьютеров.

В настоящее время термин информационная технология усовершенствуются в связи с использованием компьютеров для обработки информации. Информационные технологии охватывают всю вычислительную технику и технику связи и отчасти бытовую электронику, телевидение; радиовещание. Они находят применение в промышленности, те управлении, банковской системе, образовании, здравоохранении, медицине и науке, транспорте и связи, сельском хозяйстве, социального обеспечения, служат подспорьем людям различных профессий и домохозяйкам.

Народы развитых стран осознают, что совершенствование информационных технологий представляет самую важную, хотя дорогостоящую и трудную, задачу.

В настоящее время создание крупномасштабных информационно-технологических систем является экономически возможным. это обусловливает появление национальных исследовательских зевательных программ, призванных стимулировать их разработку.

К способам представления информации можно отнести:

всевозможные символы, языки и коды (русский, английский, азбука Морзе, язык жестов, язык мимики), чертежи, картины, музыкальные произведения, кино- и видео фильмы, компьютерные игры и т.п.

На разных носителях информации используются разные способы представления.

Хранить информацию можно:

* в форме знаков на бумаге, перфокартах, перфоленте, на камне, дереве, ткани, в рельефе ключа и т.п.;

* в форме электромагнитных сигналов на дисках, дискетах, кассетах,

* кинопленке и т.п.;

* в форме структурных комбинаций в клетках и генах биологических объектов;

Передача информации происходит:

* в форме сигналов, как в технических устройствах, так и в общении людей, в телекоммуникациях, в жизни общества, в живых существах;

* механическим путем в общении людей и в технических устройствах.

К техническим средствам хранения, передачи и обработки информации относятся:

- различные диски,

- дискеты,

- аудио и видео кассеты,

- перфокарты,

- перфоленты,

- кинопленка,

- объекты телекоммуникации (радио, телевидение, телефон, телеграф, персональные компьютеры и компьютерные сети и т.п.)

ЭВМ среди множества технических средств хранения, передачи и обработки информации, занимает особое место.

ЭВМ - это универсальная вычислительная машина, которая обрабатывает информацию, используя электрические сигналы.

Если сигнал непрерывен во времени, то его называют АНАЛОГОВЫМ, и машины, использующие такие сигналы, называют АНАЛОГОВЫМИ.

Если сигнал имеет прерывистую (дискретную) форму, он называется ЦИФРОВЫМ (дискретным), и машины соответственно называются ЦИФРОВЫМИ. Современные ПК относятся к ЦВМ.

Слово компьютер переводится как "вычислитель". Но современный персональный компьютер является не только машиной для произведения каких-то расчетов.

С его помощью можно создавать и воспроизводить музыкальные произведения; создавать, воспроизводить и изменять графические изображения; создавать, воспроизводить и изменять видеоклипы; обмениваться информацией с пользователями ПК всего мира; находить нужную информацию; создавать и обрабатывать текстовую информацию.

Иными словами ПК может обрабатывать любую информацию.

Всю информацию ПК может воспринимать в форме сигналов, которые имеют только два различных состояния: есть сигнал или нет сигнала.

Этим сигналам поставлен в соответствие разряд кода, который может принимать только два значения: 0 или 1.

Сигнал, который имеет только два различных значения, или соответствующий ему разряд кода, который может принимать только два значения - 0 или 1, называется бит.

Бит - это минимальная единица информации (англ. Bit- binary digit — двоичная цифра).

Другими словами, сигнал, который имеет только два различных состояния (есть сигнал или нет сигнала), передает БИТ информации.

Информацию можно измерять, используя биты. Однако, бит слишком мелкая единица измерения. На практике чаще применяется более крупная единица — байт, равная восьми битам. Именно восемь бит требуется для того, чтобы закодировать любой из 256 символов (256 = 28).

1 байт информации (8 бит) может содержать 256 различных кодов от 00000000 до 11111111.

1 байта достаточно для кодирования одного знака текстовой, числовой, звуковой или графической информации.

Крупные производные единицы информации:

1 Килобайт (Кбайт) = 1024 байт = 210 байт

1 Мегабайт (Мбайт) = 1024 Кбайт = 220 байт

1 Гигабайт (Гбайт) = 1024 Мбайт = 230 байт

1 Терабайт(Тбайт) = 1024Гбайт=24 байт

1 Петабайт(Пбайт)= 1024 Тбайт=250 байт

1 Экзабайт (Эбайт)=1024 Пбайт= 260 байт

1 Зеттабайт (Збайт)= 1024 Эбайт= 270 байт

1 Йоттабайт (Йбайт)= 1024 Збайт= 280 байт

ТЕМА №3: История развития вычислительной техники.

ПРОГРАММНО - ДИДАКТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ: ЭВМ типа IBM. ОС Windows 95. Обучающие программы.

ЦЕЛЬ УРОКА: Знакомство с историей вычислительной техники и с эволюцией ЭВМ.

ТИП УРОКА: Урок-практикум.

ТРЕБОВАНИЯ К ЗНАНИЯМ И УМЕНИЯМ:

Учащиеся должны знать:

- этапы развития техники вычисления;

- основные особенности ручного, механического и электромеханического этапов развития ВТ;

- основные даты и достижения электронного этапа развития ВТ;

- принципы Дона фон Неймана;

- поколения ЭВМ и их характеристики;

- этапы развития персональных компьютеров.

Учащиеся должны уметь:

– приводить примеры ЭВМ разных поколений и их характеристики;

– приводить принципы Дона фон Неймана;

– пользоваться обучающими программами.

ПЛАН-СОДЕРЖАНИЕ УРОКА

Развитие вычислительной техники (техники вычислений), следуя общепринятой классификации, можно разделить на следующие этапы:

1. Ручной - с 50-го тысячелетия до н.э.

2. Механический - с средины 17-го века

3. Электромеханический - с 90-х года 19-го века

4. Электронный - с 40-х годов 20-го века.

При этом, хорошо зарекомендовавшие себя средства всех четырех этапов развития ВТ используются и в настоящее время.

Ручной период развития ВТ базируется на использовании для вычислений различных частей тела человека, в первую очередь пальцев, и для фиксации результатов счета различные предметы, например, счетные палочки, узелки, нанесение насечек.

Ручной этап:

* Пальцевой счет в десятичной или двенадцатиричной системе счисления (четыре пальца руки, в каждой по три фаланги - всего двенадцать).

* Узелковый счет у народов доколумбовой Америки.

* Счет с помощью группировки и перекладывания предметов (предшествовал появлению счет).

* Счет на счетах (Абак - первый развитый счетный прибор). Появились в 15 веке. Последняя попытка усовершенствовать счеты путем объединения их с таблицей умножения относится к 1921 году.

* Открытие логарифмов и логарифмических таблиц Дж. Непером в начале 17 века и внедрение счетных палочек и счетной доски Дж. Непера.

Механический этап:

* Создание вычислительных устройств и приборов, использующих механический принцип вычислений. 1623 г. - первая машина Шиккарда для выполнения арифметический операций над 6-разрядными числами. Она состояла из независимых устройств: суммирующего, множительного и записи чисел.

* Построенная в 1642 г. Блез Паскалем, машина механически выполняющая арифметические операции над 10-разрядными числами.

* Г.В. Лейбниц сконструировал первый арифмометр в 1673 г. Арифмометры получили широкое распространение, неоднократно модифицировались. К ним можно отнести: арифмометр Томаса (томас-машина), машину Болле, арифмометры Орднера и т.д. В связи с появление арифмометром появилась профессия - счетчик, т.е. человек считающий на арифмометре. В 1969 г. выпуск арифмометров в СССР достиг максимума (300 тыс.шт.). Полностью их смогли вытеснить только в 70-х годах 20-го века калькуляторы, элементной базой которых стали интегральные схемы.

* Попытка в первой половине 19 в. Чарльзом Бэббиджем построить универсальную вычислительную машину (аналитическую). Эта машина должна была использовать программы на п/картах. Беббидж разработал основные идеи построения аналитической машины, предназначенной для решения любого алгоритма, с использованием программного принципа управления. Это должна была быть чисто механическая машина, аналогичная ткацкому станку Жаккарда. Однако развитие техники того времени не позволило осуществить данный проект.

Электромеханический этап:

* Первый счетно-аналитический комплекс был создан в США в 1887 г. с использованием идей Беббиджа и Джоккарда, Г. Холлеритом (табулятор Холлерита). Он использовался для переписи населения в России (1897 г.), США (1890 г.) и Канаде (1897 г.), для обработки отчетности на железных дорогах США, в крупных торговых фирмах.

* В 1941 г. Конрад Цузе построил аналогичную машину, с программным управлением и запоминающим устройством.

* В 1944 г. Айкен на предприятии фирмы IBM, с помощью работ Бэббиджа, построил аналитическую машину "МАРК-1" на электромеханическом реле. Скорость вычислений этой машины была в 100-крат быстрее арифмометра с электроприводом. Было создано несколько модификаций этой машины.

* В СССР в 1957 г. была построена релейная вычислительная машина (РВМ-1). Это был последний, крупный проект релейной ВТ. В этот период создаются машинно-счетные станции, которые являлись предприятиями механизированного счета.

Электронный этап:

* С 1943- 45 г. группа под руководством Мочли и Эккерта в США создает первую ЭВМ ENIAC на основе ЭКЕКТРОННЫХ ЛАМП. Это была универсальная машина для решения разного рода задач. Эта ЭВМ превосходила производительностью машину МАРК-1 в 1000 раз и была больше неё в 2 раза (вес- 30 т.). ENIAC содержала 18000 электронных ламп, 150 реле, 70000 резисторов, 10000 конденсаторов, потребляя мощность в 140 кВт. Но у нее не было памяти и для задания программы надо было соединить определенным образом провода.

* В 1945 г. Джон фон Нейман разработал общие принципы построения цифровой вычислительной машины, которые до сих пор используются в современных ПК.

Согласно этим принципам Джона фон Неймана, компьютер должен иметь:

* арифметическо - логическое устройство, выполняющее арифметические и логические операции;

* устройство управления, которое организует процесс выполнения программ;

* запоминающее устройство, или память для хранения программ и данных;

* внешнее устройство для ввода-вывода информации

и работать по схеме:

Согласно приведенной схеме сначала с помощью какого-либо внешнего устройства в память компьютера вводится программа. Устройство управления считывает содержимое памяти, где находится первая команда (инструкция) программы и организует ее выполнение. После выполнения первой команды, устройство управление считывает следующую команду и т.д.

Принципы Джона фон Неймана:

1. Принцип программного управления. Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды.

А так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти.

Если же нужно после выполнения команды перейти не к следующей, а к какой-то другой, используются команды условного или безусловного переходов, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды “стоп”.

Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.

2. Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти — число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. Это открывает целый ряд возможностей. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей (так в программе организуется выполнение циклов и подпрограмм). Более того, команды одной программы могут быть получены как результаты исполнения другой программы. На этом принципе основаны методы трансляции — перевода текста программы с языка программирования высокого уровня на язык конкретной машины.

3. Принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен.

Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-неймановских. Но существуют компьютеры, принципиально отличающиеся от фон-неймановских. Для них, например, может не выполняться принцип программного управления, т.е. они могут работать без “счетчика команд”, указывающего текущую выполняемую команду программы. Для обращения к какой-либо переменной, хранящейся в памяти, этим компьютерам не обязательно давать ей имя. Такие компьютеры называются не-фон-неймановскими.

Поколения ЭВМ:

* Первое поколение ЭВМ - 1949 -1958 г.г.:

* 1949 г. Морис Уилксом (Англия) создан первый компьютер EDVAC. Это универсальная ЭВМ с хранимыми в памяти программами, которая положила начало первому поколению универсальный ЦИФРОВЫХ ЭЛЕКТРОННО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МАШИН.

* В 40-50-х годах ЭВМ были огромны и примитивны. В качестве элементной базы использовались электронные лампы и реле; оперативная память - на триггерах, позднее на ферритовых сердечниках; быстродействие - в пределах 5-30 тыс. арифметических операций в секунду. Программирование для таких ЭВМ велось в машинных кодах, позднее появились автокоды и ассемблеры. Использовались для научно-технических расчетов. Типичные представители - EDSAC, ENIAC, UNIVAC, БЭСМ, Урал.

* Второе поколение ЭВМ - 1959 - 1963 гг.:

* 1948 г. - изобретен транзистор и во второй половине 50-х годах появились ЭВМ на транзисторах.

* 1959 г., США - создана ЭВМ второго поколения RCA-501.

* 1960 г. - IBM 7090, LARC.

* 1961 - Stretsh.

* 1962 - ATLAS.

* В СССР ЭВМ второго поколения представлены такими машинами как РАЗДАН, Наири, Мир, МИНСК, Урал-11, М-220, БЭСМ-4, М-4000.

* ЭВМ второго поколения характеризуются элементной базой на транзисторах (полупроводники), оперативной памятью на миниатюрных ферритовых сердечниках, объемом до 512 Кб, производительностью до 3 000 000 операций в секунду. Они обеспечивают совмещение функциональных операций (режим разделенного времени) и режим мультипрограммирования, т.е. одновременную работу центрального процессора и каналов ввода/вывода. По габаритам ЭВМ делятся на малые, средние, большие и специальные. Параллельно с совершенствованием ЭВМ, развивается программное обеспечение, появляются алгоритмические языка программирования, АСУ, диспетчеры.

* Третье поколение ЭВМ - 1964 - 1976 г.г.:

* 1958 г. - Джек Килби придумал, как на одной пластине разместить несколько транзисторов.

* 1959 г. - Роберт Нойд сконструировал первые чипы (интегральные схемы).

* Первой ЭВМ третьего поколения можно считать серию моделей IBM/360 (1964 г., США).

* К ЭВМ третьего поколения можно отнести PDP-8 (Первый мини-компьютер, был создан в 1965 г. и стоил 20 тыс. $), PDP-11,B-3500, серию ЕС-ЭВМ.

* ЭВМ третьего поколения характеризуются элементной базой на ИС и частично БИС, оперативной памятью полупроводниковой на интегральных схемах и объёмом 16 Мб, производительностью до 30 млн. операций в секунду. По габаритам ЭВМ делятся на большие, средние, мини и микро. Типичные модели поколения - ЕС-ЭВМ, СМ-ЭВМ, IBM/360, PDP, VAX. Характерной особенностью ЭВМ третьего поколения явилось наличие операционной системы, появление возможности мультипрограммирования и управление ресурсами (периферийными устройствами) самой аппаратной частью ЭВМ или непосредственно операционной системой. Программное обеспечение ЭВМ усложняется за счет появления ОС, ППП, СУБД, САПР, новых алгоритмических языков высокого уровня (ПЛ-1, АЛГОЛ, КОБОЛ…).

* Четвертое поколение ЭВМ - 1977 - наши дни:

* Наиболее известная серия первых ЭВМ четвертого поколения - IBM/370.

* Конструктивно - технологической основой ВТ четвертого поколения стали большие интегральные схемы (БИС) и сверхбольшие интегральные схемы (СБИС), созданные в 70-80 годах, быстродействующие запоминающие устройства.. ЭВМ рассчитываются на эффективное использование ЯВУ, упрощение процесса программирования для проблемного программиста.

* Парк машин четвертого поколения можно разделить на микро-ЭВМ, ПК, мини-ЭВМ, ЭВМ общего назначения, специальные ЭВМ, супер-ЭВМ.

* Оперативная память машин четвертого поколения - полупроводниковая на СБИС и объёмом 16 Мб и более.

* Типичные представители этого поколения - IBM/370, SX-2, IBM PC/XT/AT, PS/2, Cray.

* Персональные компьютеры:

* ПК - наиболее распространенные ЦЭВМ в настоящее время. Их появление восходит к первой мини-ЭВМ PDP-8.

* 1970 г. - фирма INTAL начала продавать интегральные схемы памяти и в августе - интегральную схему, аналогичную центральному процессору большой ЭВМ (микропроцессор Intel - 4004).

* 1975 г. - появился первый персональный компьютер Альтаир-8800 с микропроцессором Intel 8080.

* 1981 г. - фирма IBM начинает выпуск персональных компьютеров IBM PC.

* 1983 г. - выпущен компьютер IBM PC XT c жестким диском.

* 1985 г. - начат выпуск ПК IBM PC AT .

ТЕМА №4: Устройство персонального компьютера.

ПРОГРАММНО - ДИДАКТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ: ЭВМ типа IBM. ОС Windows 95. Обучающие программы. Экспонаты музея вычислительной техники.

ЦЕЛЬ УРОКА: Знакомство с структурой и архитектурой персонального компьютера и его отдельных блоков.

ТИП УРОКА: объяснительно - демонстрационный с элементами практикума.

ТРЕБОВАНИЯ К ЗНАНИЯМ И УМЕНИЯМ:

Учащиеся должны знать:

- что существует два класса ЭВМ;

- к какому классу ЭВМ относится ПК;

- структуру и архитектуру компьютера;

- что такое память, процессор, сумматор;

- как устроены системный блок, монитор, клавиатура и различные манипуляторы;

- что такое принтер, сканер, плоттер и другие внешние устройства.

Учащиеся должны уметь:

– различать устройства ввода и вывода;

– подключать внешние устройства к ПК;

– выполнять простейшие настройки некоторых внешних устройств ПК;

– пользоваться обучающими программами.

ПЛАН-СОДЕРЖАНИЕ УРОКА

Компьютер (англ. computer — вычислитель) представляет собой программируемое электронное устройство, способное обрабатывать данные и производить вычисления, а также выполнять другие задачи манипулирования символами.

Существует два основных класса компьютеров:

* цифровые компьютеры, обрабатывающие данные в виде двоичных кодов;

* аналоговые компьютеры, обрабатывающие непрерывно меняющиеся физические величины (электрическое напряжение, время и т.д.), которые являются аналогами вычисляемых величин.

В настоящее время подавляющее большинство компьютеров являются цифровыми, поэтому слово "компьютер" употреблять в значении "цифровой компьютер".

Основу компьютеров образует аппаратура (HardWare), построенная, в основном, с использованием электронных и электромеханических элементов и устройств. Принцип действия компьютеров состоит в выполнении программ (SoftWare) — заранее заданных, четко определённых последовательностей арифметических, логических и других операций.

Разнообразие современных компьютеров очень велико. Но их структуры основаны на общих логических принципах, позволяющих выделить в любом компьютере следующие главные устройства:

* память (запоминающее устройство, ЗУ), состоящую из перенумерованных ячеек;

* процессор, включающий в себя устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ);

* устройства ввода;

* устройства вывода.

Эти устройства соединены каналами связи, по которым передается информация.

Основные устройства компьютера и связи между ними представлены на схеме. Жирными стрелками показаны пути и направления движения информации, а простыми стрелками — пути и направления передачи управляющих сигналов.

Общая схема компьютера

Функции памяти:

* приём информации из других устройств;

* запоминание информации;

* выдача информации по запросу в другие устройства машины.

Функции процессора:

* обработка данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операций;

* программное управление работой устройств компьютера.

Та часть процессора, которая выполняет команды, называется арифметико-логическим устройством (АЛУ), а другая его часть, выполняющая функции управления устройствами, называется устройством управления (УУ).

Обычно эти два устройства выделяются чисто условно, конструктивно они не разделены.

В составе процессора имеется ряд специализированных дополнительных ячеек памяти, называемых регистрами.

Регистр выполняет функцию кратковременного хранения числа или команды. Над содержимым некоторых регистров специальные электронные схемы могут выполнять некоторые манипуляции. Например, "вырезать" отдельные части команды для последующего их использования или выполнять определенные арифметические операции над числами.

Основным элементом регистра является электронная схема, называемая триггером, которая способна хранить одну двоичную цифру (разряд двоичного кода). Триггер имеет два устойчивых состояния, одно из которых соответствует двоичной единице, а другое — двоичному нулю. Поскольку один триггер может запомнить только один разряд двоичного кода, то для запоминания байта нужно 8 триггеров, для запоминания килобайта, соответственно, 8 х 210 = 8192 триггеров. Современные микросхемы памяти содержат миллионы триггеров. (Термин триггер происходит от английского слова trigger — защёлка, спусковой крючок. Для обозначения этой схемы в английском языке чаще употребляется термин flip-flop, что в переводе означает “хлопанье”. Это звукоподражательное название электронной схемы указывает на её способность почти мгновенно переходить (“перебрасываться”) из одного электрического состояния в другое и наоборот.)

Регистр представляет собой совокупность триггеров, связанных друг с другом определённым образом общей системой управления.

Существует несколько типов регистров, отличающихся видом выполняемых операций. Некоторые важные регистры имеют свои названия, например:

* сумматор — регистр АЛУ, участвующий в выполнении каждой операции;

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

* регистр команд — регистр УУ для хранения кода команды на период времени, необходимый для ее выполнения. Часть его разрядов используется для хранения кода операции, остальные — для хранения кодов адресов операндов.

Принято различать архитектуру и структуру компьютера:

Архитектурой компьютера называется его описание на некотором общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и т.д. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного ЗУ, внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.

Структура компьютера — это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые различные устройства — от основных логических узлов компьютера до простейших схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации.

Классическая архитектура (архитектура фон Неймана) — одно арифметико-логическое устройство (АЛУ), через которое проходит поток данных, и одно устройство управления (УУ), через которое проходит поток команд — программа (см. выше). Это однопроцессорный компьютер.   К этому типу архитектуры относится и архитектура персонального компьютера с общей шиной. Все функциональные блоки здесь связаны между собой общей шиной, называемой также системной магистралью.

Физически магистраль представляет собой многопроводную линию с гнездами для подключения электронных схем. Совокупность проводов магистрали разделяется на отдельные группы: шину адреса, шину данных и шину управления.

Периферийные устройства (принтер и др.) подключаются к аппаратуре компьютера через специальные контроллеры — устройства управления периферийными устройствами.

Контроллер — устройство, которое связывает периферийное оборудование или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредственного управления функционированием данного оборудования.

Многопроцессорная архитектура. Наличие в компьютере нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и много потоков команд. Таким образом, параллельно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи. Структура такой машины, имеющей общую оперативную память и несколько процессоров, представлена ниже.

Архитектура многопроцессорного компьютера

Многомашинная вычислительная система. Здесь несколько процессоров, входящих в вычислительную систему, не имеют общей оперативной памяти, а имеют каждый свою (локальную). Каждый компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру, и такая система применяется достаточно широко. Однако эффект от применения такой вычислительной системы может быть получен только при решении задач, имеющих очень специальную структуру: она должна разбиваться на столько слабо связанных подзадач, сколько компьютеров в системе.

Преимущество в быстродействии многопроцессорных и многомашинных вычислительных систем перед однопроцессорными очевидно.

Архитектура с параллельными процессорами. Здесь несколько АЛУ работают под управлением одного УУ. Это означает, что множество данных может обрабатываться по одной программе — то есть по одному потоку команд. Высокое быстродействие такой архитектуры можно получить только на задачах, в которых одинаковые вычислительные операции выполняются одновременно на различных однотипных наборах данных. Структура таких компьютеров представлена на рисунке.

Архитектура с параллельным процессором

В современных машинах часто присутствуют элементы различных типов архитектурных решений. Существуют и такие архитектурные решения, которые радикально отличаются от рассмотренных выше.

Центральный процессор (CPU, от англ. Central Processing Unit) — это основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера.

Центральный процессор в общем случае содержит в себе:

* арифметико-логическое устройство;

* шины данных и шины адресов;

* регистры;

* счетчики команд;

* кэш — очень быструю память малого объема (от 8 до 512 Кбайт);

* математический сопроцессор чисел с плавающей точкой.

Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров. Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему — тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора. Кристалл-пластинка обычно помещается в пластмассовый или керамический плоский корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к системной плате компьютера.

Микропроцессор Intel Pentium 4 — наиболее совершенный и мощный процессор выпуска 2001 г. с тактовой частотой до 2 Гигагерц, представлен на рисунке примерно в натуральную величину. Он предназначен для работы приложений, требующих высокой производительности процессора, таких, как передача видео и звука по Интернет, создание видео-материалов, распознавание речи, обработка трехмерной графики, игры.

МИКРОПРОЦЕССОР PENTIUM 4. ВИД СВЕРХУ (СЛЕВА) И ВИД СНИЗУ (СПРАВА)

В вычислительной системе может быть несколько параллельно работающих процессоров; такие системы называются многопроцессорными.

Устройство памяти

Память компьютера построена из двоичных запоминающих элементов — битов, объединенных в группы по 8 битов, которые называются байтами. (Единицы измерения памяти совпадают с единицами измерения информации). Все байты пронумерованы. Номер байта называется его адресом.

Байты могут объединяться в ячейки, которые называются также словами. Для каждого компьютера характерна определенная длина слова — два, четыре или восемь байтов. Это не исключает использования ячеек памяти другой длины (например, полуслово, двойное слово). Как правило, в одном машинном слове может быть представлено либо одно целое число, либо одна команда. Однако, допускаются переменные форматы представления информации. Разбиение памяти на слова для четырехбайтовых компьютеров представлено в таблице:

Байт 0Байт 1Байт 2Байт 3Байт 4Байт 5Байт 6Байт 7ПОЛУСЛОВОПОЛУСЛОВОПОЛУСЛОВОПОЛУСЛОВОСЛОВОСЛОВОДВОЙНОЕ СЛОВО Широко используются и более крупные производные единицы объема памяти: Килобайт, Мегабайт, Гигабайт, а также, в последнее время, Терабайт и Петабайт.

Современные компьютеры имеют много разнообразных запоминающих устройств, которые сильно отличаются между собой по назначению, временным характеристикам, объёму хранимой информации и стоимости хранения одинакового объёма информации.  Различают два основных вида памяти — внутреннюю и внешнюю.

В состав внутренней памяти входят оперативная память, кэш-память и специальная память.

1.  Оперативная память

Оперативная память (ОЗУ, англ. RAM, Random Access Memory — память с произвольным доступом) — это быстрое запоминающее устройство не очень большого объёма, 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 512 Мбайт. Для несложных административных задач бывает достаточно и 32 Мбайт ОЗУ, но сложные задачи компьютерного дизайна могут потребовать от 512 Мбайт до 2 Гбайт ОЗУ.

Обычно ОЗУ исполняется из интегральных микросхем памяти SDRAM (синхронное динамическое ОЗУ). Каждый информационный бит в SDRAM запоминается в виде электрического заряда крохотного конденсатора, образованного в структуре полупроводникового кристалла. Из-за токов утечки такие конденсаторы быстро разряжаются, и их периодически (примерно каждые 2 миллисекунды) подзаряжают специальные устройства. Этот процесс называется регенерацией памяти (Refresh Memory).  Микросхемы SDRAM имеют ёмкость 16 — 256 Мбит и более. Они устанавливаются в корпуса и собираются в модули памяти.

Большинство современных компьютеров комплектуются модулями типа DIMM (Dual-In-line Memory Module — модуль памяти с двухрядным расположением микросхем).  В компьютерных системах на самых современных процессорах используются высокоскоростные модули Rambus DRAM (RIMM) и DDR DRAM.

Микросхемы памяти rimm (сверху) и dimm (снизу)

Модули памяти характеризуются такими параметрами, как объем —(16, 32, 64, 128, 256 или 512 Мбайт), число микросхем, паспортная частота(100 или 133 МГц), время доступа к данным (6 или 7 наносекунд) и число контактов (72, 168 или 184).   В 2001 г. начинается выпуск модулей памяти на 1 Гбайт и опытных образцов модулей на 2 Гбайта.

2.  Кэш-память

Кэш (англ. cache), или сверхоперативная память — очень быстрое ЗУ небольшого объёма, которое используется при обмене данными между микропроцессором и оперативной памятью для компенсации разницы в скорости обработки информации процессором и несколько менее быстродействующей оперативной памятью.

Кэш-памятью управляет специальное устройство — контроллер, который, анализируя выполняемую программу, пытается предвидеть, какие данные и команды вероятнее всего понадобятся в ближайшее время процессору, и подкачивает их в кэш-память. При этом возможны как "попадания", так и "промахи". В случае попадания, то есть, если в кэш подкачаны нужные данные, извлечение их из памяти происходит без задержки. Если же требуемая информация в кэше отсутствует, то процессор считывает её непосредственно из оперативной памяти. Соотношение числа попаданий и промахов определяет эффективность кэширования.

Кэш-память реализуется на микросхемах статической памяти SRAM (Static RAM), более быстродействующих, дорогих и малоёмких, чем DRAM  (SDRAM).   Современные микропроцессоры имеют встроенную кэш-память, так называемый кэш первого уровня размером 8, 16 или 32 Кбайт. Кроме того, на системной плате компьютера может быть установлен кэш второго уровня ёмкостью 256, 512 Кбайт и выше.

3.  Специальная память

К устройствам специальной памяти относятся постоянная память (ROM), перепрограммируемая постоянная память (Flash Memory), память CMOS RAM, питаемая от батарейки, видеопамять и некоторые другие виды памяти.

Постоянная память (ПЗУ, англ. ROM, Read Only Memory — память только для чтения) — энергонезависимая память, используется для хранения данных, которые никогда не потребуют изменения. Содержание памяти специальным образом "зашивается" в устройстве при его изготовлении для постоянного хранения. Из ПЗУ можно только читать.

Перепрограммируемая постоянная память (Flash Memory) — энергонезависимая память, допускающая многократную перезапись своего содержимого с дискеты.

Прежде всего в постоянную память записывают программу управления работой самого процессора. В ПЗУ находятся программы управления дисплеем, клавиатурой, принтером, внешней памятью, программы запуска и остановки компьютера, тестирования устройств.

Важнейшая микросхема постоянной или Flash-памяти — модуль BIOS. Роль BIOS двоякая: с одной стороны это неотъемлемый элемент аппаратуры, а с другой строны — 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.

И нтегральные схемы BIOS и CMOS

Содержимое CMOS изменяется специальной программой Setup, находящейся в BIOS (англ. Set-up — устанавливать, читается "сетап").

Для хранения графической информации используется видеопамять.

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.

Внешняя память

Внешняя память (ВЗУ) предназначена для длительного хранения программ и данных, и целостность её содержимого не зависит от того, включен или выключен компьютер. В отличие от оперативной памяти, внешняя память не имеет прямой связи с процессором. Информация от ВЗУ к процессору и наоборот циркулирует примерно по следующей цепочке:

В состав внешней памяти компьютера входят:

* накопители на жёстких магнитных дисках;

* накопители на гибких магнитных дисках;

* накопители на компакт-дисках;

* накопители на магнито-оптических компакт-дисках;

* накопители на магнитной ленте (стримеры) и др.

*

1.  Накопители на гибких магнитных дисках

Гибкий диск (англ. floppy disk), или лискета, — носитель небольшого объема информации, представляющий собой гибкий пластиковый диск в защитной оболочке. Используется для переноса данных с одного компьютера на другой и для распространения программного обеспечения.

    Устройство дискеты

Дискета состоит из круглой полимерной подложки, покрытой с обеих сторон магнитным окислом и помещенной в пластиковую упаковку, на внутреннюю поверхность которой нанесено очищающее покрытие. В упаковке сделаны с двух сторон радиальные прорези, через которые головки считывания/записи накопителя получают доступ к диску. иииииииииииииииииииииииииииии

  Способ записи двоичной информации на магнитной среде называется магнитным кодированием. Он заключается в том, что магнитные домены в среде выстраиваются вдоль дорожек в направлении приложенного магнитного поля своими северными и южными полюсами. Обычно устанавливается однозначное соответствие между двоичной информацией и ориентацией магнитных доменов.

Информация записывается по концентрическим дорожкам (трекам), которые делятся на секторы. Количество дорожек и секторов зависит от типа и формата дискеты. Сектор хранит минимальную порцию информации, которая может быть записана на диск или считана. Ёмкость сектора постоянна и составляет 512 байтов.

П оверхность магнитного диска

В настоящее время наибольшее распространение получили дискеты со следующими характеристиками: диаметр 3,5 дюйма (89 мм), ёмкость 1,44 Мбайт, число дорожек 80, количество секторов на дорожках 18.

Дискета устанавливается в накопитель на гибких магнитных дисках (англ. floppy-disk drive), автоматически в нем фиксируется, после чего механизм накопителя раскручивается до частоты вращения 360 мин-1. В накопителе вращается сама дискета, магнитные головки остаются неподвижными. Дискета вращается только при обращении к ней. Накопитель связан с процессором через контроллер гибких дисков.

В последнее время появились трехдюймовые дискеты, которые могут хранить до 3 Гбайт информации. Они изготовливаются по новой технологии Nano2 и требуют специального оборудования для чтения и записи.

2.  Накопители на жестких магнитных дисках

Если гибкие диски — это средство переноса данных между компьютерами, то жесткий диск — информационный склад компьютера.

Накопитель на жёстких магнитных дисках (англ. HDD — Hard Disk Drive) или винчестерский накопитель — это наиболее массовое запоминающее устройство большой ёмкости, в котором носителями информации являются круглые алюминиевые пластины — платтеры, обе поверхности которых покрыты слоем магнитного материала. Используется для постоянного хранения информации — программ и данных.

Винчестерский накопитель со снятой крышкой корпуса

Как и у дискеты, рабочие поверхности платтеров разделены на кольцевые концентрические дорожки, а дорожки — на секторы. Головки считывания-записи вместе с их несущей конструкцией и дисками заключены в герметически закрытый корпус, называемый модулем данных.   При установке модуля данных на дисковод он автоматически соединяется с системой, подкачивающей очищенный охлажденный воздух.   Поверхность платтера имеет магнитное покрытие толщиной всего лишь в 1,1 мкм, а также слой смазки для предохранения головки от повреждения при опускании и подъёме на ходу. При вращении платтера над ним образуется воздушный слой, который обеспечивает воздушную подушку для зависания головки на высоте 0,5 мкм над поверхностью диска.

Винчестерские накопители имеют очень большую ёмкость: от 10 до 100 Гбайт. У современных моделей скорость вращения шпинделя (вращающего вала) обычно составляет 7200 об/мин, среднее время поиска данных 9 мс, средняя скорость передачи данных до 60 Мбайт/с. В отличие от дискеты, жесткий диск вращается непрерывно. Все современные накопители снабжаются встроенным кэшем (обычно 2 Мбайта), который существенно повышает их производительность. Винчестерский накопитель связан с процессором через контроллер жесткого диска.

3.  Накопители на компакт-дисках

Здесь носителем информации является CD-ROM (Сompact Disk Read-Only Memory - компакт диск, из которого можно только читать).

CD-ROM представляет собой прозрачный полимерный диск диаметром 12 см и толщиной 1,2 мм, на одну сторону которого напылен светоотражающий слой алюминия, защищенный от повреждений слоем прозрачного лака. Толщина напыления составляет несколько десятитысячных долей миллиметра.

Информация на диске представляется в виде последовательности впадин (углублений в диске) и выступов (их уровень соответствует поверхности диска), расположеных на спиральной дорожке, выходящей из области вблизи оси диска. На каждом дюйме (2,54 см) по радиусу диска размещается 16 тысяч витков спиральной дорожки. Для сравнения — на поверхности жесткого диска на дюйме по радиусу помещается лишь несколько сотен дорожек. Емкость CD достигает 780 Мбайт. Информация наносится на диск при его изготовлении и не может быть изменена.

CD-ROM обладают высокой удельной информационной емкостью, что позволяет создавать на их основе справочные системы и учебные комплексы с большой иллюстративной базой. Один CD по информационной емкости равен почти 500 дискетам. Cчитывание информации с CD-ROM происходит с достаточно высокой скоростью, хотя и заметно меньшей, чем скорость работы накопителей на жестком диске. CD-ROM просты и удобны в работе, имеют низкую удельную стоимость хранения данных, практически не изнашиваются, не могут быть поражены вирусами, c них невозможно случайно стереть информацию.

В отличие от магнитных дисков, компакт-диски имеют не множество кольцевых дорожек, а одну — спиральную, как у грампластинок. В связи с этим, угловая скорость вращения диска не постоянна. Она линейно уменьшается в процессе продвижения читающей лазерной головки к краю диска.

Накопитель CD-ROM

Для работы с CD-ROM нужно подключить к компьютеру накопитель CD-ROM, преобразующий последовательность углублений и выступов на поверхности CD-ROM в последовательность двоичных сигналов. Для этого используется считывающая головка с микролазером и светодиодом. Глубина впадин на поверхности диска равна четверти длины волны лазерного света. Если в двух последовательных тактах считывания информации луч света лазерной головки переходит с выступа на дно впадины или обратно, разность длин путей света в этих тактах меняется на полуволну, что вызывает усиление или ослабление совместно попадающих на светодиод прямого и отраженного от диска света.

Если в последовательных тактах считывания длина пути света не меняется, то и состояние светодиода не меняется. В результате ток через светодиод образует последовательность двоичных электрических сигналов, соответствующих сочетанию впадин и выступов на дорожке.

                  Профиль дорожки CD-ROM

Различная длина оптического пути луча света в двух последовательных тактах считывания информации соответствует двоичным единицам. Одинаковая длина соответствует двоичным нулям.

Сегодня почти все персональные компьютеры имеют накопитель CD-ROM. Но многие мультимедийные интерактивные программы слишком велики, чтобы поместиться на одном CD. На смену технологии СD-ROM стремительно идет технология цифровых видеодисков DVD. Эти диски имеют тот же размер, что и обычные CD, но вмещают до 17 Гбайт данных, т.е. по объему заменяют 20 стандартных дисков CD-ROM. На таких дисках выпускаются мультимедийные игры и интерактивные видеофильмы отличного качества, позволяющие зрителю просматривать эпизоды под разными углами камеры, выбирать различные варианты окончания картины, знакомиться с биографиями снявшихся актеров, наслаждаться великолепным качеством звука.

4.  Записывающие оптические и магнитооптические накопители

Записывающий накопитель CD-R (Compact Disk Recordable) способен, наряду с прочтением обычных компакт-дисков, записывать информацию на специальные оптические диски емкостью 650 Мбайт.

Накопитель CD-MO

В дисках CD-R отражающий слой выполнен из золотой пленки. Между этим слоем и поликарбонатной основой расположен регистрирующий слой из органического материала, темнеющего при нагревании. В процессе записи лазерный луч нагревает выбранные точки слоя, которые темнеют и перестают пропускать свет к отражающему слою, образуя участки, аналогичные впадинам. Накопители CD-R, благодаря сильному удешевлению, приобретают все большее распространение.

Накопитель на магнито-оптических компакт-дисках СD-MO (Compact Disk — Magneto Optical). Диски СD-MO можно многократно использовать для записи. Ёмкость от 128 Мбайт до 2,6 Гбайт.

Записывающий накопитель CD-R (Compact Disk Recordable) способен, наряду с прочтением обычных компакт-дисков, записывать информацию на специальные оптические диски. Ёмкость 650 Мбайт.

Накопитель WARM (Write And Read Many times), позволяет производить многократную запись и считывание.

5.  Накопители на магнитной ленте (стримеры) и накопители на сменных дисках

Стример (англ. tape streamer) — устройство для резервного копирования больших объёмов информации. В качестве носителя здесь применяются кассеты с магнитной лентой ёмкостью 1 — 2 Гбайта и больше.

   Накопитель на сменных дисках

Стримеры позволяют записать на небольшую кассету с магнитной лентой огромное количество информации. Встроенные в стример средства аппаратного сжатия позволяют автоматически уплотнять информацию перед её записью и восстанавливать после считывания, что увеличивает объём сохраняемой информации.

Недостатком стримеров является их сравнительно низкая скорость записи, поиска и считывания информации.

В последнее время всё шире используются накопители на сменных дисках, которые позволяют не только увеличивать объём хранимой информации, но и переносить информацию между компьютерами. Объём сменных дисков — от сотен Мбайт до нескольких Гигабайт.

Аудиоадаптер

Аудиоадаптер (Sound Blaster или звуковая плата) это специальная электронная плата, которая позволяет записывать звук, воспроизводить его и создавать программными средствами с помощью микрофона, наушников, динамиков, встроенного синтезатора и другого оборудования.

Аудиоадаптер содержит в себе два преобразователя информации:

* аналого-цифровой, который преобразует непрерывные (то есть, аналоговые) звуковые сигналы (речь, музыку, шум) в цифровой двоичный код и записывает его на магнитный носитель;

* цифро-аналоговый, выполняющий обратное преобразование сохранённого в цифровом виде звука в аналоговый сигнал, который затем воспроизводится с помощью акустической системы, синтезатора звука или наушников.

Профессиональные звуковые платы позволяют выполнять сложную обработку звука, обеспечивают стереозвучание, имеют собственное ПЗУ с хранящимися в нём сотнями тембров звучаний различных музыкальных инструментов. Звуковые файлы обычно имеют очень большие размеры. Так, трёхминутный звуковой файл со стереозвучанием занимает примерно 30 Мбайт памяти. Поэтому платы Sound Blaster, помимо своих основных функций, обеспечивают автоматическое сжатие файлов.

Область применения звуковых плат — компьютерные игры, обучающие программные системы, рекламные презентации, "голосовая почта" (voice mail) между компьютерами, озвучивание различных процессов, происходящих в компьютерном оборудовании, таких, например, как отсутствие бумаги в принтере и т.п.

Видеоадаптер и графический акселератор

Видеоадаптер — это электронная плата, которая обрабатывает видеоданные (текст и графику) и управляет работой дисплея. Содержит видеопамять, регистры ввода вывода и модуль BIOS. Посылает в дисплей сигналы управления яркостью лучей и сигналы развертки изображения.

Наиболее распространенный видеоадаптер на сегодняшний день — адаптер SVGA (Super Video Graphics Array — супервидеографический массив), который может отображать на экране дисплея 1280х1024 пикселей при 256 цветах и 1024х768 пикселей при 16 миллионах цветов.

С увеличением числа приложений, использующих сложную графику и видео, наряду с традиционными видеоадаптерами широко используются разнообразные устройства компьютерной обработки видеосигналов:

Графический акселератор

Графические акселераторы (ускорители) — специализированные графические сопроцессоры, увеличивающие эффективность видеосистемы. Их применение освобождает центральный процессор от большого объёма операций с видеоданными, так как акселераторы самостоятельно вычисляют, какие пиксели отображать на экране и каковы их цвета.

Фрейм-грабберы, которые позволяют отображать на экране компьютера видеосигнал от видеомагнитофона, камеры, лазерного проигрывателя и т. п., с тем, чтобы захватить нужный кадр в память и впоследствии сохранить его в виде файла.

TV-тюнеры — видеоплаты, превращающие компьютер в телевизор. TV-тюнер позволяет выбрать любую нужную телевизионную программу и отображать ее на экране в масштабируемом окне. Таким образом можно следить за ходом передачи, не прекращая работу.

Клавиатура

Клавиатура компьютера — устройство для ввода информации в компьютер и подачи управляющих сигналов. Содержит стандартный набор клавиш печатной машинки и некоторые дополнительные клавиши — управляющие и функциональные клавиши, клавиши управления курсором и малую цифровую клавиатуру.

Все символы, набираемые на клавиатуре, немедленно отображаются на мониторе в позиции курсора (курсор — светящийся символ на экране монитора, указывающий позицию, на которой будет отображаться следующий вводимый с клавиатуры знак).

Наиболее распространена сегодня клавиатура c раскладкой клавиш QWERTY (читается "кверти"), названная так по клавишам, расположенным в верхнем левом ряду алфавитно-цифровой части клавиатуры:

  Клавиатура компьютера

Такая клавиатура имеет 12 функциональных клавиш, расположенных вдоль верхнего края. Нажатие функциональной клавиши приводит к посылке в компьютер не одного символа, а целой совокупности символов. Функциональные клавиши могут программироваться пользователем. Например, во многих программах для получения помощи (подсказки) задействована клавиша F1, а для выхода из программы — клавиша F10.

Управляющие клавиши имеют следующее назначение:

* Enter — клавиша ввода;

* Esc (Escape — выход) клавиша для отмены каких-либо действий, выхода из программы, из меню и т.п.;

* Ctrl и Alt — эти клавиши самостоятельного значения не имеют, но при нажатии совместно с другими управляющими клавишами изменяют их действие;

* Shift (регистр) — обеспечивает смену регистра клавиш (верхнего на нижний и наоборот);

* Insert (вставлять) — переключает режимы вставки (новые cимволы вводятся посреди уже набранных, раздвигая их) и замены (старые символы замещаются новыми);

* Delete (удалять) — удаляет символ с позиции курсора;

* Back Space или — удаляет символ перед курсором;

* Home и End — обеспечивают перемещение курсора в первую и последнюю позицию строки, соответственно;

* Page Up и Page Down — обеспечивают перемещение по тексту на одну страницу (один экран) назад и вперед, соответственно;

* Tab — клавиша табуляции, обеспечивает перемещение курсора вправо сразу на несколько позиций до очередной позиции табуляции;

* Caps Lock — фиксирует верхний регистр, обеспечивает ввод прописных букв вместо строчных;

* Print Screen — обеспечивает печать информации, видимой в текущий момент на экране.

* Длинная нижняя клавиша без названия — предназначена для ввода пробелов.

* Клавиши , , и служат для перемещения курсора вверх, вниз, влево и вправо на одну позицию или строку.

Малая цифровая клавиатура используется в двух режимах — ввода чисел и управления курсором. Переключение этих режимов осуществляется клавишей Num Lock.

Клавиатура содержит встроенный микроконтроллер (местное устройство управления), который выполняет следующие функции:

* последовательно опрашивает клавиши, считывая введенный сигнал и вырабатывая двоичный скан-код клавиши;

* управляет световыми индикаторами клавиатуры;

* проводит внутреннюю диагностику неисправностей;

* осуществляет взаимодействие с центральным процессором через порт ввода-вывода клавиатуры.

Клавиатура имеет встроенный буфер — промежуточную память малого размера, куда помещаются введённые символы. В случае переполнения буфера нажатие клавиши будет сопровождаться звуковым сигналом — это означает, что символ не введён (отвергнут). Работу клавиатуры поддерживают специальные программы, "зашитые" в BIOS, а также драйвер клавиатуры, который обеспечивает возможность ввода русских букв, управление скоростью работы клавиатуры и др.

Видеосистема компьютера

Видеосистема компьютера состоит из трех компонент:

* монитор (называемый также дисплеем);

* видеоадаптер;

* программное обеспечение (драйверы видеосистемы).

Видеоадаптер посылает в монитор сигналы управления яркостью лучей и синхросигналы строчной и кадровой развёрток. Монитор преобразует эти сигналы в зрительные образы. А программные средства обрабатывают видеоизображения — выполняют кодирование и декодирование сигналов, координатные преобразования, сжатие изображений и др.

Монитор — устройство визуального отображения информации (в виде текста, таблиц, рисунков, чертежей и др.).

Подавляющее большинство мониторов сконструированы на базе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), и принцип их работы аналогичен принципу работы телевизора. Мониторы бывают алфавитно-цифровые и графические, монохромные и цветного изображения. Современные компьютеры комплектуются, как правило, цветными графическими мониторами.

1.  Монитор на базе электронно-лучевой трубки

Основной элемент дисплея — электронно-лучевая трубка. Её передняя, обращенная к зрителю часть с внутренней стороны покрыта люминофором — специальным веществом, способным излучать свет при попадании на него быстрых электронов.

Схема электронно-лучевой трубки

Люминофор наносится в виде наборов точек трёх основных цветов — красного, зелёного и синего. Эти цвета называют основными, потому что их сочетаниями (в различных пропорциях) можно представить любой цвет спектра.

Пиксельные триады

Наборы точек люминофора располагаются по треугольным триадам. Триада образует пиксел — точку, из которых формируется изображение (англ. pixel — picture element, элемент картинки).

Расстояние между центрами пикселов называется точечным шагом монитора. Это расстояние существенно влияет на чёткость изображения. Чем меньше шаг, тем выше чёткость. Обычно в цветных мониторах шаг составляет 0,24 мм. При таком шаге глаз человека воспринимает точки триады как одну точку "сложного" цвета.

На противоположной стороне трубки расположены три (по количеству основных цветов) электронные пушки. Все три пушки "нацелены" на один и тот же пиксел, но каждая из них излучает поток электронов в сторону "своей" точки люминофора. Чтобы электроны беспрепятственно достигали экрана, из трубки откачивается воздух, а между пушками и экраном создаётся высокое электрическое напряжение, ускоряющее электроны. Перед экраном на пути электронов ставится маска — тонкая металлическая пластина с большим количеством отверстий, расположенных напротив точек люминофора. Маска обеспечивает попадание электронных лучей только в точки люминофора соответствующего цвета.

Ход электронного пучка по экрану

Величиной электронного тока пушек и, следовательно, яркостью свечения пикселов, управляет сигнал, поступающий с видеоадаптера.

На ту часть колбы, где расположены электронные пушки, надевается отклоняющая система монитора, которая заставляет электронный пучок пробегать поочерёдно все пикселы строчку за строчкой от верхней до нижней, затем возвращаться в начало верхней строки и т.д.

Количество отображённых строк в секунду называется строчной частотой развертки. А частота, с которой меняются кадры изображения, называется кадровой частотой развёртки. Последняя не должна быть ниже 85 Гц, иначе изображение будет мерцать.

2.  Жидкокристаллические мониторы

Все шире используются наряду с традиционными ЭЛТ-мониторами. Жидкие кристаллы — это особое состояние некоторых органических веществ, в котором они обладают текучестью и свойством образовывать пространственные структуры, подобные кристаллическим. Жидкие кристаллы могут изменять свою структуру и светооптические свойства под действием электрического напряжения. Меняя с помощью электрического поля ориентацию групп кристаллов и используя введённые в жидкокристаллический раствор вещества, способные излучать свет под воздействием электрического поля, можно создать высококачественные изображения, передающие более 15 миллионов цветовых оттенков.

Большинство ЖК-мониторов использует тонкую плёнку из жидких кристаллов, помещённую между двумя стеклянными пластинами. Заряды передаются через так называемую пассивную матрицу — сетку невидимых нитей, горизонтальных и вертикальных, создавая в месте пересечения нитей точку изображения (несколько размытого из-за того, что заряды проникают в соседние области жидкости).

Жидкокри- сталлический монитор

Активные матрицы вместо нитей используют прозрачный экран из транзисторов и обеспечивают яркое, практически не имеющее искажений изображение. Экран при этом разделен на независимые ячейки, каждая из которых состоит из четырех частей (для трёх основных цветов и одна резервная). Количество таких ячеек по широте и высоте экрана называют разрешением экрана. Современные ЖК-мониторы имеют разрешение 642х480, 1280х1024 или 1024х768. Таким образом, экран имеет от 1 до 5 млн точек, каждая из которых управляется собственным транзистором. По компактности такие мониторы не знают себе равных. Они занимают в 2 — 3 раза меньше места, чем мониторы с ЭЛТ и во столько же раз легче; потребляют гораздо меньше электроэнергии и не излучают электромагнитных волн, воздействующих на здоровье людей.

3.  Сенсорный экран

   Сенсорный экран

Общение с компьютером осуществляется путём прикосновения пальцем к определённому месту чувствительного экрана. Этим выбирается необходимый режим из меню, показанного на экране монитора. (Меню — это выведенный на экран монитора список различных вариантов работы компьютера, по которому можно сделать конкретный выбор.) Сенсорными экранами оборудуют рабочие места операторов и диспетчеров, их используют в информационно-справочных системах и т.д.

Принтер, плоттер, сканер

Принтер — печатающее устройство. Осуществляет вывод из компьютера закодированной информации в виде печатных копий текста или графики.

Существуют тысячи наименований принтеров. Но основных видов принтеров три: матричные, лазерные и струйные.

Матричный символ

Матричные принтеры используют комбинации маленьких штырьков, которые бьют по красящей ленте, благодаря чему на бумаге остаётся отпечаток символа. Каждый символ, печатаемый на принтере, формируется из набора 9, 18 или 24 игл, сформированных в виде вертикальной колонки. Недостатками этих недорогих принтеров являются их шумная работа и невысокое качество печати.

Лазерные принтеры работают примерно так же, как ксероксы. Компьютер формирует в своей памяти "образ" страницы текста и передает его принтеру. Информация о странице проецируется с помощью лазерного луча на вращающийся барабан со светочувствительным покрытием, меняющим электрические свойства в зависимости от освещённости.

  Лазерный принтер

После засветки на барабан, находящийся под электрическим напряжением, наносится красящий порошок — тонер, частицы которого налипают на засвеченные участки поверхности барабана. Принтер с помощью специального горячего валика протягивает бумагу под барабаном; тонер переносится на бумагу и "вплавляется" в неё, оставляя стойкое высококачественное изображение. Цветные лазерные принтеры пока очень дороги.

Струйные принтеры генерируют символы в виде последовательности чернильных точек. Печатающая головка принтера имеет крошечные сопла, через которые на страницу выбрызгиваются быстросохнущие чернила. Эти принтеры требовательны к качеству бумаги. Цветные струйные принтеры создают цвета, комбинируя чернила четырех основных цветов — ярко-голубого, пурпурного, желтого и черного.

Принтер связан с компьютером посредством кабеля принтера, один конец которого вставляется своим разъёмом в гнездо принтера, а другой — в порт принтера компьютера. Порт — это разъём, через который можно соединить процессор компьютера с внешним устройством.

Каждый принтер обязательно имеет свой драйвер — программу, которая способна переводить (транслировать) стандартные команды печати компьютера в специальные команды, требующиеся для каждого принтера.

Плоттер (графопостроитель) — устройство, которое чертит графики, рисунки или диаграммы под управлением компьютера.

Плоттеры используются для получения сложных конструкторских чертежей, архитектурных планов, географических и метеорологических карт, деловых схем. Плоттеры рисуют изображения с помощью пера.

Роликовые плоттеры прокручивают бумагу под пером, а планшетные плоттеры перемещают перо через всю поверхность горизонтально лежащей бумаги. дддддддд

Плоттеру, так же, как и принтеру, обязательно нужна специальная программа — драйвер, позволяющая прикладным программам передавать ему инструкции: поднять и опустить перо, провести линию заданной толщины и т.п.

  Роликовый плоттер и планшетный сканер

Сканер — устройство для ввода в компьютер графических изображений. Создает оцифрованное изображение документа и помещает его в память компьютера.

Если принтеры выводят информацию из компьютера, то сканеры, наоборот, переносят информацию с бумажных документов в память компьютера. Существуют ручные сканеры, которые прокатывают по поверхности документа рукой, и планшетные сканеры, по внешнему виду напоминающие копировальные машины.

Если при помощи сканера вводится текст, компьютер воспринимает его как картинку, а не как последовательность символов. Для преобразования такого графического текста в обычный символьный формат используют программы оптического распознавания образов.

Модем и факс-модем

Модем — устройство для передачи компьютерных данных на большие расстояния по телефонным линиям связи.

Цифровые сигналы, вырабатываемые компьютером, нельзя напрямую передавать по телефонной сети, потому что она предназначена для передачи человеческой речи — непрерывных сигналов звуковой частоты.

Модем обеспечивает преобразование цифровых сигналов компьютера в переменный ток частоты звукового диапазона — этот процесс называется модуляцией, а также обратное преобразование, которое называется демодуляцией. Отсюда название устройства: модем — модулятор/демодулятор.

Схема реализации модемной связи

Для осуществления связи один модем вызывает другой по номеру телефона, а тот отвечает на вызов. Затем модемы посылают друг другу сигналы, согласуя подходящий им обоим режим связи. После этого передающий модем начинает посылать модулированные данные с согласованными скоростью (количеством бит в секунду) и форматом. Модем на другом конце преобразует полученную информацию в цифровой вид и передает её своему компьютеру. Закончив сеанс связи, модем отключается от линии.

Внешний модем

Управление модемом осуществляется с помощью специального коммутационного программного обеспечения.

Модемы бывают внешние, выполненные в виде отдельного устройства, и внутренние, представляющие собой электронную плату, устанавливаемую внутри компьютера. Почти все модемы поддерживают и функции факсов.лоллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллллл

Факс — это устройство факсимильной передачи изображения по телефонной сети. Название "факс" произошло от слова "факсимиле" (лат. fac simile — сделай подобное), означающее точное воспроизведение графического оригинала (подписи, документа и т.д.) средствами печати.   Модем, который может передавать и получать данные как факс, называется факс-модемом.

Манипуляторы

Манипуляторы (мышь, джойстик и др.) — это специальные устройства, которые используются для управления курсором.

Мышь имеет вид небольшой коробки, полностью умещающейся на ладони. Мышь связана с компьютером кабелем через специальный блок — адаптер, и её движения преобразуются в соответствующие перемещения курсора по экрану дисплея. В верхней части устройства расположены управляющие кнопки (обычно их три), позволяющие задавать начало и конец движения, осуществлять выбор меню и т.п.

Джойстик — обычно это стержень-ручка, отклонение которой от вертикального положения приводит к передвижению курсора в соответствующем направлении по экрану монитора. Часто применяется в компьютерных играх. В некоторых моделях в джойстик монтируется датчик давления. В этом случае, чем сильнее пользователь нажимает на ручку, тем быстрее движется курсор по экрану дисплея.

Трекбол — небольшая коробка с шариком, встроенным в верхнюю часть корпуса. Пользователь рукой вращает шарик и перемещает, соответственно, курсор. В отличие от мыши, трекбол не требует свободного пространства около компьютера, его можно встроить в корпус машины.

Дигитайзер — устройство для преобразования готовых изображений (чертежей, карт) в цифровую форму. Представляет собой плоскую панель — планшет, располагаемую на столе, и специальный инструмент — перо, с помощью которого указывается позиция на планшете. При перемещении пера по планшету фиксируются его координаты в близко расположенных точках, которые затем преобразуются в компьютере в требуемые единицы измерения.

Устройство компьютера

Рассмотрим устройство компьютера на примере самой распространенной компьютерной системы — персонального компьютера. Персональным компьютером (ПК) называют сравнительно недорогой универсальный микрокомпьютер, рассчитанный на одного пользователя. Персональные компьютеры обычно проектируются на основе принципа открытой архитектуры.

Принцип открытой архитектуры заключается в следующем:

* Регламентируются и стандартизируются только описание принципа действия компьютера и его конфигурация (определенная совокупность аппаратных средств и соединений между ними). Таким образом, компьютер можно собирать из отдельных узлов и деталей, разработанных и изготовленных независимыми фирмами-изготовителями.

* Компьютер легко расширяется и модернизируется за счёт наличия внутренних расширительных гнёзд, в которые пользователь может вставлять разнообразные устройства, удовлетворяющие заданному стандарту, и тем самым устанавливать конфигурацию своей машины в соответствии со своими личными предпочтениями.

Упрощённая блок-схема, отражающая основные функциональные компоненты компьютерной системы в их взаимосвязи, изображена на рисунке.

Общая структура персонального компьютера с подсоединенными периферийными устройствами

Для того, чтобы соединить друг с другом различные устройства компьютера, они должны иметь одинаковый интерфейс (англ. interface от inter — между, и face — лицо).

Интерфейс — это средство сопряжения двух устройств, в котором все физические и логические параметры согласуются между собой.

Если интерфейс является общепринятым, например, утверждённым на уровне международных соглашений, то он называется стандартным.

Каждый из функциональных элементов (память, монитор или другое устройство) связан с шиной определённого типа — адресной, управляющей или шиной данных.

Для согласования интерфейсов периферийные устройства подключаются к шине не напрямую, а через свои контроллеры (адаптеры) и порты примерно по такой схеме:

Контроллеры и адаптеры представляют собой наборы электронных цепей, которыми снабжаются устройства компьютера с целью совместимости их интерфейсов. Контроллеры, кроме этого, осуществляют непосредственное управление периферийными устройствами по запросам микропроцессора.

Порты устройств представляют собой некие электронные схемы, содержащие один или несколько регистров ввода-вывода и позволяющие подключать периферийные устройства компьютера к внешним шинам микропроцессора.

Портами также называют устройства стандартного интерфейса: последовательный, параллельный и игровой порты (или интерфейсы).

Последовательный порт обменивается данными с процессором побайтно, а с внешними устройствами - побитно.

Параллельный порт получает и посылает данные побайтно.

К последовательному порту обычно подсоединяют медленно действующие или достаточно удалённые устройства, такие, как мышь и модем. К параллельному порту подсоединяют более "быстрые" устройства — принтер и сканер. Через игровой порт подсоединяется джойстик. Клавиатура и монитор подключаются к своим специализированным портам, которые представляют собой просто разъёмы.

Основные электронные компоненты, определяющие архитектуру процессора, размещаются на основной плате компьютера, которая называется системной или материнской (MotherBoard). А контроллеры и адаптеры дополнительных устройств, либо сами эти устройства, выполняются в виде плат расширения (DаughterBoard — дочерняя плата) и подключаются к шине с помощью разъёмов расширения, называемых также слотами расширения (англ. slot — щель, паз).

Основные блоки, входящие в состав компьютера

Современный персональный компьютер состоит из нескольких основных конструктивных компонент:

* системного блока;

* монитора;

* клавиатуры;

* манипуляторов.

В системном блоке размещаются:

* блок питания;

* накопитель на жёстких магнитных дисках;

* накопитель на гибких магнитных дисках;

* системная плата;

* платы расширения;

* накопитель CD-ROM;

* и др.

Корпус системного блока может иметь горизонтальную (DeskTop) или вертикальную (Tower — башня) компоновку. Типичный системный блок со снятой крышкой корпуса — на рис. 2.28.

Системный блок со снятой крышкой корпуса:

1 — Системная плата.

2 — Разъём дополнительного второго процессора.

3 — Центральный процессор с радиатором для отвода тепла.

4 — Разъёмы оперативной памяти.

5 — Накопитель на гибких магнитных дисках.

6 — Накопитель CD-ROM.

7 — Сетевая карта.

8 — Графический акселератор.

9 — Блок питания, преобразующий переменное напряжение электросети в постоянное напряжение различной полярности и величины, необходимое для питания системной платы и внутренних устройств. Блок питания содержит вентилятор, создающий циркулирующие потоки воздуха для охлаждения системного блока.

Системная плата

Системная (материнская) плата является основной в системном блоке. Она содержит компоненты, определяющие архитектуру компьютера:

* центральный процессор;

* постоянную (ROM) и оперативную (RAM) память, кэш-память;

* интерфейсные схемы шин;

* гнёзда расширения;

* обязательные системные средства ввода-вывода и др.

Системные платы исполняются на основе наборов микросхем, которые называются чипсетами (ChipSets). Часто на системных платах устанавливают и контроллеры дисковых накопителей, видеоадаптер, контроллеры портов и др. В гнёзда расширения системной платы устанавливаются платы таких периферийных устройств, как модем, сетевая плата, видеоплата и т.п.

Системная плата компьютера класса Pentium:

1 — Разъём под центральный процессор;

2 — Дополнительный кэш объёмом 256 Кбайт;

3 — Разъём под дополнительный кэш;

4 — Контроллеры внешних устройств;

5 — Разъёмы накопителей на жёстких магнитных дисках;

6 — Разъёмы под оперативную память, 4 планки;

7 — Коннектор (соединитель) клавиатуры и мыши;

8 — Микросхема, обслуживающая флоппи-дисковод, последовательные порты и параллельный порт;

9 — Разъёмы 32-битной шины (для видеокарты, карты Интернет и др.);

10 — Перезаписываемая BIOS (Flash-память);

11 — Мультимедийная шина;

12 — Разъёмы 16-битной шины.

Поколения ЭВМ и их основные характеристики

Поколение ЭВМ

Первое (1949-1958)

Второе (1959-1963)

Третье (1964-1976)

Четвертое (1977-...)

Элементная база ЭВМ

Электронные лампы, реле

Транзисторы, параметроны

Интегральные схемы (ИС), БИС (частично)

Большие ИС, сверхбольшие ИС ( СБИС, частично)

Производительность ЦП

До 3 х 100 00 оп./с

До 3 х 1 000 000 оп/с

До 3 х 10 000 000 оп/с

Более Зх 10 000 000 оп/с

Тип операционной системы (ОП)

Триггеры, ферритовые сердечники (ФС)

Миниатюрные ФС

Полупроводниковая на БИС

Полупроводниковая на СБИС

Объём ОП

До 64 Кб

До 512 Кб

До 16 Мб

Более 16 Мб

Характерные типы ЭВМ поколения

-

Малые, средние, большие, специальные

Большие, средние, мини- и микро-ЭВМ

Супер-ЭВМ, ПК, специальные, общие, сети ЭВМ

Типичные модели поколения

EDSAC, ENIAC, UNIVAC, БЭСМ, Урал.

RCA-501.1ВМ 7090, Наири, Мир, МИНСК, Урал-11,

М-220, БЭСМ-6, М-4000

ЕС-ЭВМ, СМ-ЭВМ, IBM/360, PDP, VAX

IBM/370, SX-2,

IBM РС/ХТ/АТ, РS/2,

Cray, сети

Характерное программное обеспечение

Коды, автокоды, ассемблеры

Языки программирования, диспетчеры, АСУ, АСУТП

ППП, СУБД, САПРы, ЯВУ, операционные системы

БЗ, ЭС, системы параллельного программирования

Упражнения по теме «Информация»

1. Запишите множество вариантов загорания двух светофоров на соседних перекрестках.

2. Три человека — Иванов, Петров и Сидоров — образуют очередь. Запишите все возможные варианты образования этой очереди.

3. Назовите все возможные комбинации из двух различных нот (всего нот семь: до, ре, ми, фа, соль, ля, си).

4. Пусть голосуют 3 человека (голосование «да»/«нет»). Запишите все возможные исходы голосования.

5. Предположим, что имеются 3 автомобильные дороги, идущие от Парижа до Тулузы, и 4 — от Тулузы до Мадрида. Сколькими способами можно выбрать дорогу от Парижа в Мадрид через Тулузу? Попытайтесь найти систематический метод для последовательного нахождения решения так, чтобы можно было составить список способов, не пропустив ни одного из них.

6. Поезд находится на одном из восьми путей. Сколько бит информации содержит сообщение о том, где находится поезд?

7. Сколько существует различных двоичных последовательностей из одного, двух, трех, четырех, восьми символов?

8. Каков информационный объем сообщения «Я помню чудное мгновенье» при условии, что один символ кодируется одним байтом и соседние слова разделены одним пробелом?

9. Определите приблизительно информационный объем:

а) этой страницы книги;

б) всей книги;

в) поздравительной открытки.

10. Сколько бит необходимо, чтобы закодировать оценки «неудовлетворительно», «удовлетворительно», «хорошо» и «отлично»?

11.Сколько различных символов, закодированных байтами, содержится в сообщении: 1101001100011100110100110001110001010111?

12.Сколько байт памяти необходимо, чтобы закодировать изображение на экране компьютерного монитора, который может отображать 1280 точек по горизонтали и 1024 точек по вертикали при 256 цветах?

13. Решите уравнение 8х (бит) = 32 (Кбайт).

14. Решите систему уравнений

15. Определите правила формирования приведенных ниже последовательностей и вставьте пропущенные числа :

а)1, 3, 5,...,9; ж) 128, 64, 32..,8; н) 15 (27) 42

б)20, 15,....5; з) 4, 9, 17, 35, ..,139; 30 (...) 55;

в)1, 2, 4,....16; и) 1, 2, 2, 4, 8, ..,256;о) 10 (50) 15

г)1, 4, 9,..,,25; к) 2, 3, 10, 15, ..,35; 17 (...) 20;

д)1, 8, 27,...,125; л) 1, 3, 3, 9, ..,6561;п) 143 (56) 255

е)1, 2, 6,...,120; м) к, о, ж, з, г, ..,ф; 218 (...) 114.

Ответы

1. Обозначим номера светофоров цифрами 1 и 2, а цвета их загорания — буквами 3 (зеленый), Ж (желтый) и К (красный). Тогда искомое множество содержит следующие 9 элементов: 31—З2, 31—Ж2, 31—К2, Ж1—32, Ж1 —Ж2,Ж1 — К2, К1 — З2, К1 — Ж2, К1 — К2.

2. Вариантов всего шесть:

1) Иванов, Петров, Сидоров; 4) Петров, Сидоров, Иванов;

2) Иванов, Сидоров, Петров; 5) Сидоров, Иванов, Петров;

3) Петров, Иванов, Сидоров; 6) Сидоров, Петров, Иванов.

3. Комбинаций 42 : «до—ре», «до—ми», ..., «до—ей», «ре—до», «ре—ми», ..., «ре—си», «ми—до», «ми—ре», ..., «ми—си», ..., «ей—до», «ей—ре», ...,

«си—ля».

4. Исходов восемь: «да—да—да», «да—да—нет», «да—нет—да», «да—нет—нет», «нет—да—да», «нет—да—нет», «нет—нет—да», «нет—нет—нет».

5. Двенадцатью способами.

6. 3 бит информации (8 = 23).

7. Двоичных последовательностей из одного бит всего 21 = 2, из двух бит — 22=4, из трех бит — 23=8, из четырех бит — 24= 16, из восьми бит — 28= 256.

8. 24 байт, или 192 бит.

10. Два бит: 00 — «неуд.», 01 — «удов.», 10 — «хор.», 11 — «отл.».

11. Разбиваем сообщение на восьмерки бит (т. е. на байты):

01001100 01110011 01001100 01110011 01010111.

Сравнивая байты между собой, видим, что первый и третий, а также второй и четвертый байты одинаковые. Следовательно, различных символов всего три.

12. Всего на экране монитора 1280•1024 = 1 310 720 точек. Для кодирования каждой из точек, которые могут быть окрашены в 256 цветов (256 = 28), требуется 8 бит, или 1 байт. Таким образом, для кодирования всего изображения требуется 1 310 720 байт = 1,25 • 220 байт =1,25 Мбайт.

13. Выравниваем размерности в левой и правой частях уравнения с учетом того, что 1Кбайт = 213 бит. Затем приводим обе части к одному основанию 2. Имеем 23х=25•213 , или 23х= 218. Переходим к равносильному уравнению Зх = 18, откуда х = 18 : 3 = 6.

14. Выравниваем размерности с учетом того, что 1Кбайт = 213 бит и 1Мбайт= = 223 бит. Приводим оба уравнения к одному основанию 2 и переходим к равносильным уравнениям. Полкчаем х= 11, у = 5.

15. а) 7 (чтобы получить следующее число, нужно к предыдущему прибавить 2

б) 10 (чтобы получить следующее число, нужно от предыдущего отнять 5

в) 8 (чтобы получить следующее число, нужно предыдущее умножить на 2

г) 16 (возвести в квадрат числа 1, 2, 3, ...);

д) 64 (возвести в куб числа 1, 2, 3, ...);

е) 24 (чтобы получить очередное число, нужно предыдущее умножить на номер числа);

ж) 8 (чтобы получить следующее число, нужно предыдущее разделить на 2

з) 69 (чтобы получить следующее число, нужно предыдущее умножить на 2 и к полученному произведению поочердно прибавлять либо вычитать единицу);

и) 32 (числа Фибоначи);

к) 26 (а1=2 аi=i2 +(-1)i-1,i=2,3,...);

л) 81 (а1=1 а2=3, аi =а1• а2• …• аi-1, i=2,3,...);

м) с (выписаны первые буквы цветов радуги: с — «синий»);

н) 25 (число в скобках есть разность между числами вне скобок);

о) 74 (удвоенная сумма чисел, стоящих вне скобок);

п) 52 (полуразность чисел, стоящих вне скобок).