Основные сведения о ВТ, компоненты ВТ

Лекция № 1 Введение. Основные сведения о ВТ. Понятие вычислительного устройства. История развития ВТ. Классификация вычислительных устройств.

1.Общие сведения об информации, информационных технологиях и вычислительной технике

Смысл слова «информация» понятен интуитивно — это данные, сведения. С философской точки зрения, информация — это духовная (нематериальная) субстанция, которая проявляется в нашем материальном мире только на физическом носителе.

Информатика — наука, изучающая информацию, ее свойства и связь с материальным миром, дает следующее определение: «информация — это сведения, упорядоченные на носителе». Носителем в общем смысле может выступать любая физическая среда. Благодаря носителям информации, ее можно использовать, а именно: хранить, получать и обрабатывать. Обработка включает в себя создание, изменение, дополнение, пересылку, уничтожение информации.

Результатом современного научно-технического прогресса в области информации являются информационные технологии. Они описывают работу вычислительной техники — технических средств автоматизации, хранения и обработки информации.

Основное понятие вычислительной техники — вычислительная система. Она состоит из аппаратных устройств и программного обеспечения, необходимого для нормальной работы данных устройств (рис. 1).

Рис. 1 Обработка информации, а) традиционная, б) автоматизированная.

Аппаратная и программная части вычислительных систем будут изучаться в отдельных главах ниже. Носителями информации в современной вычислительной и коммуникационной технике являются электронные элементы, накопители и каналы передачи данных.

Информация — это объект социальных, производственных, культурных отношений. Субъектами информационных отношений являются: создатель информации (лицо, несколько лиц или машина, создавшие ее), владелец (лицо или несколько лиц, которым принадлежит информация) и лица или машины, имеющие доступ к информации (ознакомительный, полный). Информационные отношения регулируются государством законодательно. Информация всегда имеет стоимость и достоверность. Поэтому она также является объектом экономических отношений.

2.Виды информации

Здесь необходимо ввести понятие видов информации, так как оно понадобится уже на первых этапах изучения аппаратного обеспечения компьютеров.

Самое простое разделение информации на виды — по органам человека, которые ее воспринимают или воспроизводят. Общеизвестны такие виды информации, как звуковая (речь, музыка, шум) и визуальная (текст, рисунки, кинофильмы).

Несколько иначе информация подразделяется в современной вычислительной технике. Условно приняты следующие основные виды информации:

• числовая (вид информации, давший название собственно вычислительной технике и ЭВМ);
• текстовая (текст, состоящий из символов — букв, цифр, знаков);
• графическая (графика: изображения, рисунки);
• звуковая (звук);
• видеоинформация (видео: движущееся изображение со звуком).

Вся информация в современной вычислительной технике, вне зависимости от ее вида, хранится и передается в кодированном, так называемом «двоичном» виде. Принцип двоичного кодирования будет рассмотрен несколько позже.

3.Эволюция вычислительной техники

Прежде чем приступать к изучению вычислительной техники, кратко рассмотрим историю ее возникновения. Вычислительная техника имеет долгую и интересную историю, в которой нет какого-либо отдельного революционного скачка — развитие носит эволюционный характер. Отметим основные вехи.

Абак (прообраз более знакомых нам счетов) — старейшее из известных счетных устройств, использовался в древней Азии еще в 30 веке до н.э. Чертежи первой механической вычислительной машины были созданы итальянским художником, скульптором и изобретателем Леонардо да Винчи в начале XVI в. Первая механическая машина, которая могла складывать числа, была создана в 1624 г. немецким ученым Вильгельмом Шиккардом.

Большой вклад в развитие механических вычислительных машин в XVII в. внесли французский математик и философ Блез Паскаль (1642), немецкий философ и математик Готфрид Лейбниц (1674), создавшие свои варианты счетных машин. Английский математик и экономист Чарльз Бэббидж опередил время на десятилетия. Он изобрел первую программируемую вычислительную машину (1822 г.)

В 1927 г. создан первый аналоговый компьютер (Массачусетский технологический институт, США). Немецкий инженер Конрад Цузе в 1938 г. создал механическую программируемую цифровую машину. Считается, что Цузе ничего не знал об аналогичных работах Бэббиджа. Два года спустя он же создал первый электронный калькулятор. Эра ЭВМ зарождалась в обстановке II й мировой войны, и первые компьютеры использовались в военных целях. В 1946 г. создан американский компьютер ENIAC, в 1953 г. — советская машина БЭСМ.

1958 — год изобретения электронной интегральной микросхемы. Это был крупный технологический прорыв в вычислительной технике. В 1971 г. американская фирма Intel изобрела микропроцессор — интегральную микросхему, объединившую основные функции управления компьютером. Персональный компьютер на основе процессора Intel 8088 (год выпуска 1979) был создан фирмой IBM в 1981 году.

Несмотря на то, что небольшие компьютеры выпускались и ранее, марка «Personal Computer» от IBM завоевала мир благодаря модульности и относительной дешевизне. Название «персональный компьютер» вскоре стало нарицательным. Началась эра ПК.

Крупным прорывом в вычислительной технике стало развитие технологий компьютерной связи в 60-80-х годах прошлого века. Глобальное распространение сети Internet и её сервиса World Wide Web в 1993-1995 годах коренным образом изменило информационные технологии, современные тенденции которых: интеграция, создание новых видов обслуживания, создание максимальных удобств для конечного пользователя.

4. Классификация вычислительных машин. Совместимость

Современные вычислительные системы представлены электронными вычислительными машинами (ЭВМ), говоря более современным языком, компьютерами — электронными устройствами, предназначенными для обработки информации. В табл. 1 приведена условная классификация современных компьютеров по вычислительной мощности.

Таблица 1. Современные компьютеры

Тип	Представители	Исполнение	Предназначение
Микрокомпьютеры	Персональные компьютеры/серверы	Настольные, напольные, стоечные	Индивидуальное пользование/Обслуж. ПК в компьют. сети
Большие машины (миникомпьютеры)	Минифреймы/ Кластерные системы	Напольные/ один или несколько блоков	Решение задач в масштабах крупных организаций
Суперкомпьютеры	Мощные компьютеры единичного исполнения для ресурсоемких задач

Современные микрокомпьютеры производятся в нескольких исполнениях: настольные — наиболее распространенные, стоечные — устанавливаются в шкаф-стойку, портативные — размером с книгу — ноутбуки и размером с блокнот — карманные ПК (hand-held PC).

Персональный компьютер, ПК (Personal Computer, PC). Данное название изначально являлось торговой маркой корпорации IBM (Ай-Би-Эм), выпускавшей недорогой настольный бизнес-ориентированный компьютер. Позже название «ПК» стало ассоциироваться с персональными ЭВМ на аппаратных платформах других фирм. Чтобы отличить IBM-совместимые компьютеры, пользуются названием IBM PC.

Совместимость.

Аппаратная совместимость означает возможность взаимозаменяемости комплектующих деталей компьютеров. Программная совместимость двух машин означает возможность бесперебойной работы одного и того же программного обеспечения на обеих машинах. Полная совместимость компьютеров подразумевает их аппаратную и программную совместимость.

Более половины всех ПЭВМ в мире совместимы с платформой IBM PC, иначе называемой x86. Пример несовместимости: детали и программы для IBM-совместимого компьютера не будут работать в компьютере на платформе Macintosh.

Понятие «обратная совместимость» означает способность более поздних устройств конкретной платформы выполнять старые программы и поддерживать старую аппаратуру этой платформы. Так, любая программа, написанная для первого процессора i8086, запускается на следующих представителях x86: процессорах 80386, 486, любых современных Pentium’ах, поскольку они обратно совместимы с i8086.

Совместимость обмена информацией подразумевает возможность передачи информации между компьютерами по компьютерной сети либо с помощью одинаковых накопителей.

5. Назначение основных аппаратных комплектующих компьютера

Современная вычислительная техника содержит достаточно сложные технические устройства, рассмотрение всех подробностей их работы выходит за рамки данной работы. Нам необходимо понять только их назначение.

Большинство комплектующих компьютеров представляют собой различные электронные устройства. Это печатные платы, с интегральными микросхемами, транзисторами, диодами; это приводы, содержащие чувствительные электромагнитные головки, электродвигатели, лазерные системы; это периферийные устройства со светочувствительными элементами, механическими датчиками и т.д.

Рассмотрим архитектуру компьютера на примере персонального компьютера.

Основные части ПК — это монитор, клавиатура и системный блок. Последний содержит главные комплектующие ПК: центральный процессор, оперативную память, накопители (рис.2).

Рис. 2. Основные комплектующие ПК и периферийные устройства.

Перечень устройств компьютера с указанием их исполнения и назначения приведен в табл. 2.

Таблица 2. Некоторые устройства ПК

Наименование	Исполнение	Назначение
Центральный процессор (ЦПУ, CPU)	Электронная микросхема с большим количеством ножек, часто с вентилятором для охлаждения	Выполнение компьютерных программ. Вычисления, принятие логических решений, управление работой устройств компьютера.
Оперативная память (оперативное запоминающее устройство, ОЗУ, RAM)	Набор электронных микросхем на небольшой печатной плате	Временное (оперативное) хранение загруженных программ и данных. Объем памяти влияет на быстродействие компьютера.
Монитор	а) монитор с кинескопом — на основе электронно-лучевой трубки; б) жидкокристаллический монитор — на основе матрицы жидких кристаллов; в) проекционный монитор — на основе проецирующего устройства	Отображение текста, графики и видеоинформации на дисплее.
Клавиатура	Набор клавиш — кнопок на панели	Ввод текстовой информации. Управление компьютером.
«Мышь»	Манипулятор с механическими или оптическими датчиками перемещения	Управление компьютером. Ввод графической информации.
Колонки	Электромагнитные динамики с усилителем низкой частоты	Вывод звука.
Принтер	а) матричные – печать иглами через красящую ленту; б) струйные — печать микроскопическими каплями чернил; в) лазерные — луч лазера прижигает красящий порошок к бумаге	Вывод текста и графики на бумагу — распечатывание.
Сканер	Считывание изображения с помощью чувствительных элементов	Ввод графической информации.
Модем	Электрический преобразователь аналоговых и цифровых сигналов	Связь по компьютерной сети с помощью телефонной линии.
Жесткий диск (винчестер)	Электромеханическое устройство на основе магнитных дисков и чувствительных головок	Хранение системных и прикладных программ, данных пользователя.
Устройство считывания гибких дисков (дисковод)	Электромеханическое устройство на основе магнитных дисков и чувствительных головок	Считывание и запись гибких дисков.
Устройство считывания оптических дисков (CD-привод)	Электро-механо-оптическое устройство на основе лазера	Считывание и запись лазерных дисков.
Устройство бесперебойного питания	Устройство на основе аккумулятора и следящей электроники	Бесперебойное питание. Контроль напряжения питания и включение аккумулятора при его ухудшении или исчезновении.

 

Для более глубокого понимания назначения некоторых типов устройств, опишем компьютерную аппаратуру с точки зрения ее функций. Много устройств компьютера являются устройствами ввода-вывода, поэтому начнем с них.

6. Ввод-вывод. Устройства ввода-вывода

Как видно из таблицы 2, многие устройства компьютера выполняют операции ввода и вывода информации. Остановимся подробнее на этом важном понятии.

Под вводом информации понимается процесс ее поступления в компьютер, под выводом — процесс извлечения. Ввод-вывод — это совокупность операций ввода и вывода.

Все устройства ввода-вывода делятся на 3 типа:

• устройства ввода — служат для внесения информации в компьютер;
• устройства вывода — служат для извлечения информации из компьютера;
• устройства ввода-вывода — объединяют в себе функции двух предыдущих.

Сгруппируем устройства ввода-вывода по типам и укажем виды информации, которые они обрабатывают (табл. 3).

 

Таблица 3. Устройства ввода-вывода

Тип	Название	Вид информации
Устройства ввода	Клавиатура	Текст
	Мышь	Графика
	Сканер	Графика
	Цифровой фотоаппарат	Графика
	Микрофон	Звуковая
	Цифровая видеокамера	Видео
Устройства вывода	Видеокарта	Графика, видео
	Монитор	Графика, видео, текст
	Принтер	Графика, текст
	Колонки	Звуковая
Устройства ввода-вывода	Видеокарта с видеовходом	Вывод графики, ввод-вывод видео
	Звуковая карта	Звуковая
	Модем, сетевая карта	Электрические сигналы
	Винчестер	Магнитная запись
	Дисководы гибких и оптических дисков	Магнитная и оптическая запись

 

Назначение устройств ввода-вывода. Устройства ввода кодируют (преобразуют) текст, графику, звук, видео в машинный двоичный вид. Устройства вывода — декодируют её обратно для восприятия человеком. Некоторые устройства ввода-вывода (накопители, сетевые устройства) предназначены для передачи информации, они преобразуют двоичную информацию в электрические, магнитные и оптические сигналы. Подробно принцип двоичного кодирования и принципы передачи информации по сети будут рассмотрены позже.

Периферийные устройства — это устройства ввода-вывода, не входящие в состав системного блока. Как правило, при этом подразумеваются принтер, сканер, модем, колонки.

Некоторые устройства ввода-вывода являются накопителями. Рассмотрим их более детально.

7. Накопители. Назначение. Классификация

Остановимся подробнее на накопителях, используемых в современной вычислительной технике.

Накопители — это устройства, записывающие и считывающие данные на энергонезависимых носителях информации. Назначение накопителей – сохранять информацию при отключении энергии и при необходимости выдавать ее. Накопители могут сохранять информацию долговременно. Этим полезным свойством накопители отличаются от оперативной памяти, сохраняющей информацию только до момента прекращения электропитания, хотя работает быстрее накопителей.

По материалу носителя и принципу записи/считывания накопители делятся на:

1) Бумажные — перфоленты и перфокарты, устарели и в современной вычислительной технике не используются.

2) Магнитные — подразделяются на магнитные ленты и магнитные диски. Принцип работы ничем не отличается от принципа работы магнитофона — электроиндукционное намагничивание участков поверхности ферромагнитных материалов с последующим считыванием этих участков. Основные виды магнитные дисков: гибкие диски (дискеты), жесткие диски (винчестеры).

3) Лазерные (оптические, компакт-диски, CD). Принцип работы основан на прожиге лучом лазера отверстий на специальной поверхности диска. При считывании диска лазерный луч меньшей мощности фиксирует либо отраженный сигнал, либо его отсутствие.

4) Магнитооптические диски являются комбинированными устройствами, сочетающими в себе некоторые принципы магнитных и оптических накопителей.

5) Накопители на основе перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства (ППЗУ) представляют собой специальные электронные микросхемы.

По возможности перезаписи накопители делятся на:

• перезаписываемые (все магнитные накопители, некоторые оптические и магнитооптические накопители, ППЗУ);
• не перезаписываемые (лазерные диски CD-ROM, CD-R).

По режиму работы накопители подразделяются на:

• сменные (ленты, дискеты, CD) — накопители можно извлекать из приводов;
• несменные (фиксированные) — накопитель на жестких магнитных дисках (винчестер), который производится в одном корпусе с приводом.

Информация на накопителях хранится в виде файлов — упорядоченных однотипных наборов данных.