Учебное пособие: Предмет и содержание кибернетики

Лекция №5. Функциональная организация компьютера

На сегодняшний день обществом используется очень большое количество вычислительных машин. ЭВМ, компьютер, вычислитель – это совокупность технических устройств и программных продуктов, предназначенных для выполнения различного рода логических, арифметических и аналитических задач.

Любая ЭВМ должна обладать следующими характеристиками:

-  комплектация всех составляющих аппаратных ресурсов, необходимых для решения требуемых задач;

-  наличие устройства ввода и вывода информации;

-  высокая совместимость с другими устройствами приема и передачи информации;

ЭВМ – это взаимодействующая совокупность аппаратных и программных средств.

Конструктивно ПК минимальной конфигурации должен состоять из 3-х компонентов: системного блока – устройства содержащего в своей структуре все основные технические компоненты ПК, дисплея и клавиатуры.

Внутренняя структура представляет собой набор устройств, в которые входят системная плата (материнская), отсеки для устройств внешней памяти и блок питания.

Материнская плата – это пластина, выполненная из диэлектрического материала, на которой размещены: микропроцессор, модуль BIOS, модули ОЗУ и ПЗУ, системная шина, гнезда увеличения ресурсов, адаптеры клавиатуры, НЖМД, НГМД, СD-ROM, модули КЕШ-памяти, контроллеры прерываний, таймер и др.

Прерывание – временная остановка выполнения одной программы в целях выполнения другой в данный момент более важной (приоритетной) программы.

Основным показателем материнской платы является степень ее интеграции – максимальное количество элементов, используемое при разработке платы.

Как известно, процессор является основным вычислительным блоком компьютера. Микропроцессор (МП) появился во второй половине ХХ века. Его работой управляют электрические импульсы: наличие импульса соответствует единице, отсутствие импульса – нулю. МП предназначен для обработки сигналов в двоичном коде и представляет собой целую сверхминиатюрную цифровую вычислительную машину, помещенную на одном кремниевом кристалле. Между собой МП различаются разрядностью и тактовой частотой. Разрядность – это количество бит, воспринимаемых МП как единое целое 4,8,16,32,64 (целые степени числа 2). От разрядности зависят производительность ПК и максимальный объем его внутренней памяти. В компьютере имеется генератор тактовых импульсов, служащих метками времени для синхронизации работы всех устройств. Тактовая частота, измеряется в МГц и определяет производительность (быстродействие) ПК.

В состав МП входят:

·  Устройство управления (УУ) – координирует работу всех блоков ПК, вырабатывая в определенные моменты нужные сигналы управления.

·  Арифметико-логическое устройство (АЛУ) – выполняет арифметические и логические операции над числами и символами.

·  Микропроцессорная память (МПП) – служит для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в ближайшие такты работы ПК. МПП строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия. Регистры – это быстродействующие ячейки памяти различной длины.

·  Математический сопроцессор служит для ускоренного выполнения операций над числами с плавающей запятой, для вычисления некоторых трансцендентных, в том числе тригонометрических функций.

·  Интерфейсная система МП реализует сопряжение и связь с другими устройствами и включает в себя:

1.  внутренний интерфейс МП;

2.  буферные запоминающие регистры;

3.  схемы управления портами ввода-вывода и системной шиной.

Системная шина – это основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой.

Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:

1.  между микропроцессором и основной памятью;

2.  между микропроцессорами и портами ввода-вывода вешних устройств;

3.  между основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств (режим прямого доступа к памяти).

Вся информация хранится в памяти компьютера – запоминающем устройстве, предназначенном для хранения исходной, промежуточной и конечной информации, а также программ по ее обработке.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) – служит для хранения неизменяемой (постоянной) информации, позволяет только считывать информацию. ПЗУ является основным и энергонезависимым, т.е. при отключении питания информация в ней сохраняется.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) – служит для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных) в процессе ее обработки. ОЗУ – энергозависимая память, т.е. при отключении питания информация в ней теряется. Основу ОЗУ составляют большие интегральные схемы, содержащие матрицы полупроводниковых запоминающих элементов (триггеров). Конструктивно ОЗУ выполнено в виде отдельных микросхем, расположенных на материнской плате ПК. Объем ОЗУ в современных ПК составляет 128 Мбайт и выше. Имеется возможность наращивания ОЗУ.

В ПК имеется также регистровая КЭШ-память. Это высокоскоростная память сравнительно большой емкости является буфером между ОП и МП. Использование КЭШ – памяти позволяет увеличить скорость выполнения операций. Регистры КЭШ-памяти недоступны для пользователя, отсюда и название КЭШ («тайник» в переводе с английского).

В КЭШ-памяти хранятся данные, которые будут использоваться в ближайшее время. МП, начиная с 486 и выше, имеют встроенную КЭШ-память. Может использоваться дополнительная КЭШ-память, размещаемая на материнской плате вне МП, емкость которой может достигать нескольких десятков мегабайт.

Внешняя память или внешнее запоминающее устройство (ВЗУ) используется для долговременного хранения любой информации, которая может потребоваться когда-либо для решения задач, отдельно от компьютера.

К внешним запоминающим устройствам (ВЗУ) относятся магнитные диски предназначенные для записи, хранения и считывания информации.

Магнитные диски (МД) относятся к магнитным носителям информации. В качестве запоминающей среды у них используются магнитные материалы со специальными свойствами (прямоугольной петлей гистерезиса), позволяющих фиксировать два магнитных состояния – два направления намагниченности. Каждому из этих состояний ставятся в соответствие две двоичные цифры: 0 и 1. Диски бывают жесткими (накопитель на жестком магнитном диске (НЖМД) – винчестер) и гибкими (накопитель на гибком магнитном диске (НГМД) – дискеты). Устройство для чтения и записи информации на магнитном диске называется дисководом.

Информация на МД записывается и считывается магнитными головками вдоль концентрических окружностей – дорожек (треков)

Каждая дорожка МД разбита на сектора. Водном секторе обычно 512 байт данных. Обмен данными между ОП и НМД осуществляется последовательно целым числом секторов. Кластер – это минимальная единица размещения информации на диске, состоящая из одного или нескольких смежных секторов дорожки.

При записи и чтении МД вращается вокруг своей оси, а механизм управления магнитной головкой подволит ее к выбранной дорожке.

Данные на диске храняися в файлах.

Файл – это именованная область внешней памяти, выделенная для хранения массива данных.

Накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД) представляют собой один или несколько жестких дисков из алюминиевых сплавов, покрытых ферролаком, которые вместе с блоком магнитных головок считывания / записи помещены вгерметически закрытый корпус. Емкость НЖМД составляет несколько десятков гигабайт.

Накопители на оптических дисках (НОД) бывают не перезаписываемые и перезаписываемые.

Не перезаписываемые диски обычно называются компакт-дисками (CD ROM). Эти диски поставляются фирмой-изготовителем с уже записанной на них информацией. Запись выполняется лазерным лучом большой мощности, который оставляет на активном слое CD-след – дорожку с микроскопическими впадинками. Появились перезаписываемые лазерно-оптические диски с однократной записью.

Накопители на магнитной ленте (НМЛ) были первыми ВЗУ вычислительных машин. В универсальных ЭВМ широко использовались и используются накопители на бобинной магнитной ленте, а в ПК – накопители на кассетной МЛ. Кассеты с МЛ называются картриджами. Лентопротяжные механизмы называются стриммерами. НМЛ имеют небольшую скорость считывания при большой емкости. Используются для резервного копирования и архивирования информации с жестких дисков, для хранения игр и т.д.

Лекция №6. Внешние (периферийные) устройства и классификации компьютера

Внешние устройства (ВУ) – важнейшая часть любого вычислительного комплекса. Стоимость внешних устройств иногда составляет 50–80% и даже больше стоимости всего ПК. ВУ обеспечивают взаимодействие ПК с внешней средой.

ВЗУ, рассмотренные выше, принято относить к ВУ.

Диалоговые средства пользователя это:

·  Видеомониторы (дисплеи)

·  Устройства речевого ввода-вывода.

Наибольшее распространение получили мониторы на ЭЛТ. Главным параметром любого монитора является размер диагонали экрана, который принято измерять в дюймах. Дисплеи на ЭЛТ применительно к портативным компьютерам, рынок которых неумолимо растет, имеют два принципиальных неустранимых недостатка – большие габариты и потребляемую мощность.

Дисплеи на жидкокристаллических панелях (ЖК) основаны на изменении оптической поляризации отраженного или проходящего света под действием электрического поля. Достоинствами ЖК-дисплеев являются: радикальное уменьшение размеров и веса, низкое потребление энергии, плоский экран, высокая четкость изображения. ЖК-дисплеи имеют ряд недостатков, обусловленных их природой: низкую контрастность, зависимость качества изображения от угла наблюдения инерционность ячеек. Из-за высокой цены, особенно цветных матриц, эти дисплеи применяются, как правило, лишь в блокнотных ПК, где составляют существенную долю стоимости.

Газоплазменные дисплеи основаны на свечении газа под действием электрического поля. Главным недостатком их является большое потребление энергии, что препятствует применению их в системах с автономным питанием.

Устройства речевого ввода – это различные микрофонные акустические системы, звуковые мыши со сложным программным обеспечением, позволяющие распознавать произносимые человеком буквы и слова, идентифицировать их и закодировать для ввода в ПК.

Устройства речевого вывода – это различные синтезаторы звука, выполняющие преобразование цифровых кодов в буквы и слова, воспроизводимые через динамики и колонки, подсоединенные к ПК.

Сегодня существует целый ряд устройств для ввода информации в компьютер. К устройствам ввода (УВВ) относятся:

·  клавиатура;

·  микрофон;

·  графические планшеты;

·  сканеры;

·  манипуляторы: мышь, трекбол (разновидность мыши, применяемой в портативных ПК), джойстик;

·  сенсорные экраны.

Графические планшеты служат для ручного ввода графической информации, изображений путем перемещения специального указателя (пера).

Сканеры (читающие автоматы) служат для автоматического считывания с бумажных носителей и ввода в ПК машинописных текстов, графиков, рисунков, чертежей, фотографий и т.д.

Карманная ручка-сканер С-Pen компании C Technologies – снабжена процессором и памятью. Главная особенность этого миниатюрного сканера в быстродействующей цифровой камере, делающей 100 снимков в секунду, а 6 Мб оперативной памяти позволяют сохранить до 2000 страниц отсканированного текста, который можно непосредственно передать в текстовый редактор ПК. Он распознает тексты на 53 языках, а кроме того переводит тексты с английского языка на русский и обратно. Перевод отражается на миниатюрном ЖК дисплее.

Манипуляторы – это джойстик, рычаг, мышь, световое перо и т.д.

Сенсорные экраны применяются в переносных компьютерах. Прикосновение к поверхности сенсорного экрана вызывает перемещение курсора в место прикосновения или выбор определенной процедуры по меню, выведенному на экран.

К устройствам вывода (УВ) относятся:

·  принтеры;

·  графопостроители (плоттеры).

Принтеры насчитывают более 1000 модификаций. Принтеры делятся на три класса:

·  матричные;

·  струйные;

·  лазерные.

В матричных принтерах изображение формируется их точек ударным способом. Печать точек осуществляется тонкими иглами, ударяющими бумагу через красящую ленту. Скорость печати современных матричных принтеров от 400 до 2000 (одна страница) 2000 знаков) знаков в секунду. Достоинствами матричных принтеров являются надежность, невысокая стоимость картриджей, возможность печати одновременно нескольких копий.

В печатающей головке струйных принтеров вместо иголок имеются тонкие трубочки – сопла, через которые на бумагу выбрасываются мельчайшие капельки красителя (чернил). Скорость печати от 3 до 12 страниц в мин. Недостатком струйных принтеров является дороговизна сменных картриджей, а также использование дорогой бумаги.

В лазерных принтерах лазер создает на поверхности светочувствительного барабана контуры невидимого точечного изображения путем «стекания» электрического заряда с засвеченных лазерным лучом точек на поверхности барабана. После проявления электронного изображения порошком красителя, налипающего на разряженные участки, выполняется печать. То есть, перенос красителя на бумагу и закрепления изображения на бумаге путем разогрева красителя до его расплавления. Скорость печати лазерных принтеров до 24 страниц в минуту. Лазерные принтеры обеспечивают наиболее качественную печать.

Для ввода или вывода звуковых сигналов служит звуковая система, состоящая из звуковой платы (или карты), встроенного динамика в системном блоке ПК и внешней акустической системы.

Устройства связи и телекоммуникации используются для связи с приборами и другими средствами автоматизации, для подключения ПК к каналам связи, к другим ЭВМ, сетям. Это – согласователи интерфейсов, адаптеры, сетевые интерфейсные платы, мультиплексоры передачи данных, модемы.

Многие из рассмотренных устройств относятся к средствам мультимедиа.

Средства мультимедиа (multimedia – многосредовость) – это комплекс аппаратных и программных средств, позволяющих человеку общаться с компьютером, ипользуя естественные для себя среды: звук, видео, графику и т.д.

К средствам мультимедиа относятся:

·  сканеры;

·  видео и звуковые карты;

·  платы видеозахвата, снимающие изображение с видеомагнитофона или видеокамеры и вводящие его в ПК;

·  высококачественные акустические и видеовоспроизводящие системы с усилителями, звуковыми колонками, большими видеоэкранами.

А также ВЗУ большой емкости на оптических дисках, часто используемые для записи и считывания звуковой и видеоинформации. Емкость оптических дисков от 650 Мбайт и выше.

Основные функциональные характеристики ПК

1.  Быстродействие, производительность, тактовая частота. Единицами измерения быстродействия являются:

·  МИПС – миллион операций над числами с фиксированной запятой;

·  МФЛОПС – миллион операций над числами с плавающей запятой;

·  ГФЛОПС – миллиард операций над числами с плавающей запятой.

Оценка производительности с помощью этих единиц весьма приблизительная. Поэтому для характеристики быстродействия обычно используют тактовую частоту. Зная тактовую частоту можно точно определить время выполнения любой операции. Чем выше тактовая частота ПК, тем выше его производительность.

2.  Разрядность машины – это максимальное количество разрядов двоичного числа, над которыми параллельно может выполняться машинная операция. Чем выше разрядность, тем выше быстродействие машины.

3.  Емкость оперативной памяти. С современных ПК емкость ОЗУ 64–128 Мбайт. Увеличение емкости ОЗУ в 2 раза увеличивает производительность ПК в 1.7 раза.

4.  Емкость НЖМД на сегодняшний день составляет от 20 Гбайт и выше.

5.  Стоимость.

6.  Габариты, масса и др.

Классификация ЭВМ.

Исторически первыми появились большие ЭВМ (мэйнфреймы), элементная база которых прошла путь от электронных ламп до интегральных схем со сверхвысокой степенью интеграции.

Первая большая ЭВМ ЭНИАК (Electronic Numerical Integrator and Computer) была создана в 1946 году в США. Эта машина имела массу более 50 тонн, быстродействие несколько сот операций в секунду, оперативную память емкостью 20 чисел, занимала огромный зал площадью 100 кв. м.

Производительность больших ЭВМ оказалась недостаточной для ряда задач: прогнозирования метеообстановки, управление сложными оборонными комплексами, моделирование экологических систем и т.д. Это явилось предпосылкой для создания суперЭВМ, самых мощных вычислительных систем, интенсивно развивающихся в настоящее время.

Появление в 70-х гг. малых ЭВМ обусловлено, с одной стороны прогрессом в области электронной элементной базы, а с другой – избыточностью ресурсов больших ЭВМ для ряда приложений. Малые ЭВМ используются чаще всего для управления технологическими процессами. Они более компактны и значительно дешевле больших ЭВМ.

Изобретение в 1969 году микропроцессора привело к появлению в 60-х годах еще одного класса ЭВМ – микроЭВМ. Именно наличие микропроцессора служило первоначально определяющим признаком микроЭВМ. Сейчас микропроцессоры используются во всех без исключения классах ЭВМ.

Многопользовательские микроЭВМ – это мощные микроЭВМ, оборудованные несколькими видеотерминалами и функционирующие в режиме разделения времени, что позволяет работать на них сразу нескольким пользователям.

Персональные компьютеры (ПК) – однопользовательские микроЭВМ, удовлетворяющие требованиям общедоступности и универсальности применения.

Рабочие станции – представляют собой однопользовательские мощные микроЭВМ, специализированные для выполнения определенного вида работ (графических, инженерных, издательских и т.д.)

Серверы – многопользовательские мощные микроЭВМ в вычислительных сетях, выделенные для обработки запросов от всех станций сети.

Персональные компьютеры

Переносные ПК – быстроразвивающийся класс ПК. В настоящее время по статистике в США, Японии, странах западной Европы около 70% пользователей используют переносные компьютеры. В переносных компьютерах питание обычно от аккумулятора, но возможно подключение к сети.

Портативные ПК – наиболее мощные и крупные переносные ПК. Они оформляются в виде чемодана и называются «кочевник». Частота до 750 Мгц, ОЗУ – до128 Мбайт, НЖМД – десятки Гбайт. Используются для выездных презентаций и стационарно для экономии рабочего места на столе.

Портативные (наколенные) компьютеры типа «LapTop» оформлены в виде небольших чемоданчиков, размером с дипломат, их масса составляет 5–10 кг, по характеристикам сравнимы с обычным ПК.

Компьютеры – блокноты (ноутбуки) выполнят все функции настольных ЭВМ. Конструктивно оформлены в виде небольших чемоданчика, размером с настольную книгу. Многие из них имеют модемы для подключения к сети.

Карманные (наладонные) имеют массу около 300 грамм, размеры их в сложенном состоянии 150х80х20 мм. Это полноправные ПК, имеют возможность подключения к сети.

Электронные секретари (ручной помощник) имеют формат карманного компьютера (массой не более 500 грамм), но более широкие возможности по сравнению с карманными: аппаратное и встроенное программное обеспечение, ориентированное на организацию электронных справочников, хранящих адреса, имена и номера телефонов, информацию о распорядке дня и встречах, списки текущих дел, записи расходов и т.д. Часто имеют текстовые редакторы, графические редакторы, электронные таблицы. У некоторых моделей имеется «перьевой ввод»: сенсорный экран, указка (перо) и экранная эмуляция клавиатуры – указкой можно нажимать клавиши на экране.

Электронные записные книжки (органайзеры) относятся к «легчайшей» категории портативных компьютеров. Их масса не превышает 200 грамм. Органайзеры пользователем не программируются, но содержат вместительную память, в которую можно записать необходимую информацию и отредактировать ее с помощью встроенного текстового редактора. В памяти можно хранить деловые письма, тексты соглашений, контрактов, деловых встреч и распорядок дня.

Все перечисленные виды переносных ПК оборудованы жидкокристаллическими дисплеями.

Лекция №7. Разработка ПП для ЭВМ. Алгоритмы и алгоритмизация

Возможности компьютера как технической основы системы обработки данных связаны с используемым ПО или программами.

Программы предназначены для машинной реализации задач. В информатике и программировании существуют термины задача и приложение. Задача означает проблему, подлежащую реализации с использованием средств ИТ, а приложение – реализованное на компьютере решение по задаче.

С позиции специфики разработки и вида программного обеспечения будем различать два класса задач – технологические и функциональные.

Технологические – ставятся и решаются при организации технологического процесса обработки информации на компьютере, являются основой для разработки сервисных средств ПО в виде утилит, сервисных программ, библиотек процедур и др., применяемых для обеспечения работоспособности компьютера, разработки других программ или обработки данных функциональных задач.

Функциональные – требуют решения при реализации функций управления в рамках ИС предметных областей.

Постановка задачи это точная формулировка решения задачи на компьютере с описанием входной и выходной информации.

Выходная информация может быть представлена в виде документа, кадра на экране монитора, файла базы данных и т.д.

Входная информация представляется в виде документа, файла базы данных и т.д.

Алгоритм – система точно сформулированных правил для преобразования исходных данных (входной информации) в желаемый результат (выходную информацию). Определенный алгоритм выполняется исполнителем. Процесс разработки алгоритма для решения конкретного класса задач и описание его на каком-либо алгоритмическом языке называется алгоритмизацией.

Свойства алгоритма:

1.  Дискретность – разбиение процесса обработки информации на дискретные шаги.

2.  Определенность – однозначность выполнения (детерминированность) каждого отдельного шага преобразования информации.

3.  Конечность – конечность действий (результативность алгоритма), позволяющая получить результаты за конечное число шагов.

4.  Массовость – пригодность алгоритма для решения определенного класса задач.

5.  Понятность алгоритма компьютеру.

В алгоритме обязательно должны быть предусмотрены все ситуации, которые могут возникнуть в процессе решения задачи.

Способы записи алгоритма

1.  Формальный – запись алгоритма словесно, на естественном языке.

2.  Графический – изображение алгоритма в виде блок-схемы.

Виды алгоритмов

В зависимости от поставленной задачи и последовательности выполняемых шагов различают следующие виды алгоритмов:

1.  Линейный – шаги алгоритма следуют один за другим не повторяясь, действия происходят только в одной заранее намеченной последовательности.

Блоки алгоритма 1, 2, 3 выполняются именно в такой последовательности, после чего алгоритм достигает цели и заканчивается.

2.  Алгоритм с ветвлением – в зависимости от выполнения или невыполнения условия, исполняется либо одна, либо другая ветвь алгоритма.

В данном алгоритме проверяется выполнение условия, и если оно выполняется, то есть на вопрос можно ответить «Да», исполняется блок алгоритма 1 (одно ли несколько действий), а если не выполняется – ответ на вопрос отрицательный, то исполняется блок 2.
Примечания: одно из блоков: 1 или 2 может не быть вовсе. Тогда в одном из случаев будут выполняться какие-либо действия, а в другом – ничего не будет выполняться.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5