Технические средства реализации информационных процессов

Принцип адресности – это общий принцип работы вычислительных систем. Он заключается в том, что структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек. Процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.

Принцип программного управления – это общий принцип работы всех вычислительных систем. Он заключается в том, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

АРХИТЕКТУРА ЭВМ

Гарвардская – память программ и данных разделена, что позволяет распараллелить выборку данных из памяти.

Принстонская (архитектура фон Неймана) – в ней соблюдается принцип однородности памяти. Он заключается в том, что программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти: число, текст или команда.

Конвейерная – это принцип построения компьютера, состоящий в параллельном выполнении команд множеством процессоров над одним потоком данных. Т.е. каждый процессор цепочки использует в качестве входных данных выходные данные предыдущего процессора. х86-процессоры строились по более простой архитектуре.

8-ми разрядная архитектура – Один из признаков, по которым классифицируют архитектуры компьютеров, –  это разрядность интерфейсов и машинного слова.  Разрядности компьютеров могут быть равными  8, 16, 32, 64. Некоторые ЭВМ имеют другие разрядности. Обычно процессоры более высокой разрядности при использовании соответствующей операционной системы выполняют одинаковые задачи быстрее.

Процессоры на основе x86 команд, вплоть до Pentium 4, имели CISC-архитектуру.

CISC – концепция проектирования процессоров, которая характеризуется следующим набором свойств:

- нефиксированное значение длины команды;

- кодирование арифметических действий в одной инструкции;

- небольшое число регистров, каждый из которых выполняет строго определённую функцию.
Типичными представителями являются процессоры на основе  x86 команд, исключая современные Intel Pentium 4, Pentium D, Core, AMD Athlon, Phenom (они являются гибридными).

RISC – компьютер с сокращённым набором команд. Соблюдается принцип «более компактные и простые инструкции выполняются быстрее».

Классификации параллельных архитектур по Флинну

SISD – один поток команд, один поток данных. Сюда относят ЭВМ, построенные по принципам фон Неймана.

SISD – это однопроцессорная вычислительная система с одним потоком команд и данных. Здесь один процессор последовательно выполняет команды над последовательно поступающими от устройств ввода или извлекаемыми из памяти данными.

SIMD – одиночный поток команд и множественный поток данных

SIMD – разновидность многопроцессорной архитектуры, в которой все процессоры выполняют одну и ту же команду, но каждый над своими данными из своей локальной памяти. Такую архитектуру часто называют векторной.

MIМD – множественный поток команд, множественный поток данных

MIМD – разновидность многопроцессорной архитектуры. Каждый процессор здесь функционирует под управлением собственного потока команд, то есть MIMD компьютер может параллельно выполнять совершенно разные программы. Современные суперкомпьютеры, как правило, строятся по данной архитектуре.

MISD – множественный поток команд и одиночный поток данных.

MISD – разновидность многопроцессорной архитектуры. Часто такую архитектуру сопоставляют с конвейером, где каждый процессор одновременно с другими может выполнять свою операцию над выходными данными предыдущего.

СОСТАВ И НАЗНАЧЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА

Базовая аппаратная конфигурация компьютера: системный блок, монитор, клавиатура, мышь.

Для функционирования любого компьютера необходимо наличие процессора, оперативной памяти, устройств ввода и вывода. Процессор выполняет все вычисления и управление другими устройствами;  память служит для хранения программ, исходных данных и результатов вычислений;  устройство ввода позволяет вводить команды программ и исходные данные;  устройство вывода дает возможность отобразить результаты вычислений. Даже персональный компьютер способен выполнять команды без винчестера.

К основным характеристикам центрального процессора относятся тактовая частота, разрядность, объем встроенной кэш-памяти

Тактовая частота определяет количество операций в секунду, выполняемых процессором, и характеризует производительность процессора.

Основные параметры процессоров:

1. рабочее напряжение,
2. разрядность,
3. рабочая тактовая частота,
4. коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты,
5. размер кэш-памяти.

Скорость работы процессора определяют:

1. тактовая частота,
2. разрядность.

Процессор = ЗУ (запоминающее устройство)+АЛУ (арифметико-логическое устройство) +УУ (устройство управления)

Функциями  АЛУ является выполнение арифметических операций.

Процессор выполняет универсальные инструкции, которые называются машинными командами.

Компоненты материнской платы

1.Процессор (чип)

2.Микропроцессорный комплект (чипсет) – набор микросхем, управляющих работой внутренних устройств компьютера и определяющих основные функциональные возможности материнской платы; состоит из «северного моста» и «южного моста». Северный мост управляет взаимодействием процессора, оперативной памяти и порта AGP. Южный мост обычно не подключен напрямую к процессору, в отличие от северного моста. Северный мост связывает южный мост с процессором.

3.Шины – наборы проводников, по которым происходит обмен сигналами между внутренними устройствами компьютера. Шины USB, PCI, PCI-E, AGP, ISA, EISA. Системная шина состоит из адресной шины, шины данных, шины управления (командной шины). Шина заземления – это проводник с достаточно большим поперечным сечением, к которому подключают соответствующий вывод каждой микросхемы, расположенной на плате, например  системной плате.

4.Оперативная память (оперативное запоминающее устройство, ОЗУ) – набор микросхем, предназначенных для временного хранения данных

5.ПЗУ (постоянное запоминающее устройство, энергонезависимая память, в ней BIOS) – микросхема, предназначенная для длительного хранения данных. Основное назначение программ BIOS: проверка состава компьютерной системы; проверка работоспособности компьютерной системы; обеспечение взаимодействия с клавиатурой, монитором, жестким диском и дисководом гибких дисков.

6.Энергонезависимая память СMOS. Микросхема CMOS хранит: данные о гибких и жестких дисках; данные о процессоре; показания системных часов

7.Слоты – разъемы для подключения дополнительных устройств. Слоты расширения представляют собой расположенные на системной плате разъемы для подключения дополнительных устройств внутри системного блока компьютера (например, подключение звуковой карты, видеоадаптера).

8.Контроллеры – электронные схемы для управления устройствами.

9.Батарейка

Слоты расширения представляют собой расположенные на системной плате разъемы для подключения дополнительных устройств внутри системного блока компьютера (например, подключение звуковой карты, видеоадаптера). Их наличие и количество являются характеристикой материнской платы, а не процессора.

Порт – Внешние (периферийные) устройства, такие как сканер или принтер, подключаются через порты, снабженные разъемами снаружи системного блока.

COM – порты компьютера обеспечивают синхронную и асинхронную передачу данных.

Принтер является периферийным устройством, подключаемым к расположенным снаружи системного блока портам. Устройство вывода.

Сканер – это периферийное устройство для регистрации неподвижных изображений и ввода зарегистрированных изображений в компьютер.

Системная шина компьютера включает в себя шину управления, шину данных, шину адреса. Шина адреса предназначена для передачи адреса нахождения данных в памяти. По шине данных происходит передача данных от процессора устройствам и наоборот. По шине управления передаются сигналы управления.

Системной шиной или магистралью называется интерфейс объединения функциональных устройств в вычислительную систему. Это основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой.

Шина заземления – это проводник с достаточно большим поперечным сечением, к которому подключают соответствующий вывод каждой микросхемы, расположенной на плате, например  системной плате.

Шины USB, PCI, PCI-E, AGP, ISA, EISA. Назначением шин компьютера является соединение между собой его функциональных элементов и устройств.

Видеоадаптер – это устройство, устанавливаемое на системную плату компьютера в один из разъемов (слотов) стандартного типа. На данный момент типов всего два: AGP, уже устаревший, но применяемый в недорогих ПК; и PCI-E (PCI-Express) – современный скоростной тип разъема. Как третий вариант  видеоадаптер может быть встроен в саму системную плату, такие устройства называются интегрированными. Они характерны для недорогих «бюджетных» ПК, поскольку проигрывают по производительности съемным видеоадаптерам. В очень старых моделях видеокарта устанавливалась в разъем типа PCI. Монитор является отдельным устройством вывода изображений, которое воспроизводит видеосигнал по командам компьютера. Видеокарта же этот сигнал формирует и является независимым от монитора устройством.

Сетевая плата (сетевая карта) – служит для подключения компьютера в сеть, не является устройством приема-передачи данных.

ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА: КЛАССИФИКАЦИЯ, ПРИНЦИП РАБОТЫ, ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Доступ к памяти

DRAM (Dynamic Random Access Memory) — тип энергозависимой полупроводниковой памяти с произвольным доступом (RAM), также запоминающее устройство, наиболее широко используемое в качестве ОЗУ современных компьютеров.

Прямой доступ к памяти (англ. Direct Memory Access, DMA) — режим обмена данными между устройствами или же между устройством и основной памятью (RAM), без участия центрального процессора (ЦП). В результате скорость передачи увеличивается, так как данные не пересылаются в ЦП и обратно.

Последовательный доступ (англ. sequential access memory, SAM) — ячейки памяти выбираются (считываются) последовательно, одна за другой, в очерёдности их расположения. Вариант такой памяти — стековая память.

Регенерация, т.е. периодическое восстановление состояния ячеек памяти, является атрибутом динамической оперативной памяти. Ячейки данного вида памяти строятся на микроскопических конденсаторах, которые из-за утечек постепенно разряжаются. Чтобы сохранить значение данных, необходима периодическая (десятки раз в секунду) подзарядка конденсаторов, что и происходит при регенерации памяти.

Статическая оперативная память – ячейки статической оперативной памяти представляют собой триггеры – устройства, имеющие два устойчивых состояния. На весь период наличия питающего напряжения любое из этих состояний не изменяется.

Стример (накопитель данных) – хранит информацию на магнитной ленте подобно магнитной аудозаписи. Данные здесь могут сохранятся без потерь очень длительное время.

Винчестер является дополнительным устройством – долговременной памятью на магнитных дисках. Принцип хранения данных на магнитных дисках винчестера основан на явлении остаточной намагниченности, которая сохраняется годами. Эта память на магнитных дисках, где принцип записи и считывания связан с механическим вращением дисков и перемещением магнитных головок, что обусловливает невысокую скорость доступа к данным на дисках. Она существенно медленней внутренней оперативной и сверхоперативной кэш-памяти. Это устройство является очень полезным, благодаря большой емкости и энергонезависимости.

Память на оптических компакт-дисках относится к устройствам внешней памяти и предназначена для длительного хранения программ и данных. Память на компакт-дисках использует механически перемещающуюся оптическую систему для считывания и записи данных, потому быстродействие такой памяти невысокое. Она существенно медленней внутренней оперативной и сверхоперативной кэш-памяти.

Небольшой прямоугольный DVD R/W – DVD – это сочетание технологии записи и считывания данных с оптических компакт-дисков с форматом располагаемых на диске данных. Оптическая система записи/считывания таких дисков имеет размеры, существенно превышающие размеры современных флеш-карт.

Магнитные карты в настоящее время используются в пластиковых платежных картах. Принцип записи и считывания у них аналогичен винчестерному или магнитофонному и требует громоздких механизмов взаимного перемещения головок записи/считывания относительно ферромагнитного информационного слоя. Плотность ячеек такой памяти существенно ниже, чем у флеш-карт.

USB флеш-накопитель (Флэш-карта) – представляет собой внешнюю электронную энергонезависимую память с небольшим быстродействием, вследствие большой удаленности от процессора и ограниченной пропускной способности портов, к которым она подключается. В (флеш-картах) используется электронная энергонезависимая перезаписываемая память. Наибольшей плотностью и быстродействием обладает ее разновидность на основе ячеек с И-НЕ элементами (NAND).

Внешняя память – это энергонезависимая память, предназначенная для длительного хранения программ и данных. К устройствам внешней памяти относят накопители на жестких, гибких магнитных дисках, оптических компакт-дисках, накопители на магнитной ленте, флэш-накопители. Она существенно медленней внутренней оперативной и сверхоперативной кэш-памяти.

Программы начального тестирования, загрузки и базовой системы ввода/вывода (BIOS) персонального компьютера хранятся в микросхеме постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), расположенной на системной плате. Это необходимо для того, чтобы компьютер мог начать функционировать после включения питания независимо от наличия и состава дополнительных видов памяти, таких как винчестер, CD-ROM и т.д.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) представляет собой быстродействующую энергозависимую память, служащую для временного хранения данных и исполняемых в настоящий момент программ.

Кэш-память – промежуточный буфер с быстрым доступом, содержащий копию той информации, которая хранится в памяти с менее быстрым доступом, но с наибольшей вероятностью может быть оттуда запрошена.

Самая быстродействующая – это электронная оперативная память. В современных компьютерах она составляет оперативную  (ОЗУ или RAM) и сверхоперативную (кэш) память. Ее быстродействие обусловлено отсутствием медленных механических элементов в ее устройстве, как это имеет место в памяти на магнитных дисках и лентах, компакт-дисках. С точки зрения физического принципа действия оперативной памяти различают:

•Динамическую память (DRAM). Микросхемы динамической памяти используют в качестве основной оперативной памяти компьютера.

•Статическую память (SRAM). Микросхемы статической памяти используют в качестве вспомогательной памяти (кэш-памяти), предназначенной для оптимизации работы процессора

УСТРОЙСТВА ВВОДА-ВЫВОДА ДАННЫХ, ИХ РАЗНОВИДНОСТИ И ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Монитор. Проектор. Основные характеристики:

– максимальное число отображаемых пикселей по вертикали и горизонтали. Часто эту характеристику заменяют парой – размером экрана  (диагонали) и размером зерна (элемента изображения).

– также глубина цвета (количество воспроизводимых цветов).

– максимальная яркость – При наличии внешнего освещения, а также при сильном рассеянии света при удалении проектора от экрана ощущаемая человеком яркость изображения снижается. Поэтому максимальная яркость важна для таких условий работы.

– максимальная контрастность – показывает во сколько раз могут отличаться по яркости одновременно воспроизводимые в кадре объекты.

Другие основные характеристики монитора или проектора:

максимальные размеры изображения в пикселях – Это основная характеристика пространственной четкости изображения.

Сенсорный экран – это устройство, позволяющее выводить изображение и координатную информацию, но не регистрировать изображения.

Принтер является периферийным устройством, подключаемым к расположенным снаружи системного блока портам. Устройство вывода.

Аудиоколонки являются устройствами вывода.

Сканер – это периферийное устройство для регистрации неподвижных изображений и ввода зарегистрированных изображений в компьютер. Таким образом, регистрацию растровых изображений в памяти компьютера осуществляют сканеры. Сканер  является устройством, которое любой тип сканируемого носителя информации преобразует в растровое изображение. В дальнейшем данное изображение, фактически цифровую фотографию отсканированного объекта, можно с помощью специализированных программ преобразовать в текст, в векторное изображение  либо работать с ним как с фотографией. Основными характеристиками сканера являются пространственная разрешающая способность (число различаемых точек на единицу длины, например «точек на дюйм»,  dot per inch (DPI)) и количество передаваемых цветов (определяется разрядностью представления цвета одной точки; современные значения – это 24 бита, 32 бита). Размер цифрового изображения зависит от размеров сканируемого фрагмента и разрешающей способности сканера, т.е. зависит не только от свойств сканера. Методы сканирования: планшетный, ручной, проекционный.

Стример – это устройство для хранения данных на магнитной ленте. Предназначено как для вывода, так и для ввода информации.

Координатное устройство ввода – разновидность периферийных устройств пользовательского интерфейса, обеспечивающих ввод пространственных координат (в одном, двух, трёх измерениях). Примерами таких устройств могут служить: мышь (в том числе оптическая), джойстик, трекбол, дигитайзер, сенсорная панель или экран.

Трекбол – это устройство координатного ввода. К регистрации изображений такие устройства не имеют отношения.

Классификация мониторов

По цветности мониторы, как правило, разделяют на:
- цветные;
- монохромные;

По виду отображаемой информации мониторы выделяют в такие группы:

1. алфавитно-цифровые
2. дисплеи, способные отображать только алфавитно-цифровую информацию
3. дисплеи, способные отображать псевдографические символы
4. интеллектуальные дисплеи, обладающие редакторскими возможностями и осуществляющие предварительную обработку данных
5. графические
6. векторные
7. растровые

По типу внутреннего устройства (технологии) мониторы разделяют на :
ЭЛТ — на основе электронно-лучевой трубки (англ. CRT — cathode ray tube)
ЖК — жидкокристаллические мониторы (англ. LCD — liquid crystal display)
Плазменный — на основе плазменной панели
Проекционный — видеопроектор и экран размещённые отдельно или объединённые в одном корпусе (как вариант через зеркало или систему зеркал)

По типу используемого видеоадаптера в мониторах выделяют группы:
- HGC
- CGA
- EGA
- VGA , SVGA

По типу интерфейсного кабеля в мониторах разделяют на:
- композитный
- раздельный
- D-SUB
- DVI

По области применения мониторы разделяют на:
- мониторы в телевизорах
- мониторы в компьютерах
- мониторы в телефонах (сотовых и стационарных)
- мониторы в калькуляторах