Основы технического обеспечения информационных технологий

Учебные вопросы: 1. Общие принципы организации и работы компьютера. 2. Основы построения компьютерных систем.

Общие принципы организации и работы компьютера. Компьютер (англ. computer, от лат. compute считаю, вычисляю), обозначает устройство, действующее автоматически по заранее составленной программе или последовательности команд, для решения математических и экономико-статистических задач, задач планирования и управления производством и т.п. Термин "К." обычно отождествляют с электронными вычислительными машинами. БСЭ

По принципам своего устройства компьютер это модель человека, работающего с информацией Имеются четыре основных компонента информационной функции человека: 1)прием (ввод) информации, 2)запоминание информации (память), 3)процесс мышления (обработка информации), 4)передача (вывод) информации. Компьютер включает в себя устройства, выполняющие эти функции мыслящего человека: 1)устройства ввода, 2)устройства запоминания (память), 3)устройство обработки (процессор), 4)устройства вывода.

Работая с информацией, человек пользуется не только теми знаниями, которые помнит, но и книгами, справочниками и другими внешними источниками. У компьютера тоже есть два вида памяти: оперативная (внутренняя) и долговременная (внешняя) память.

Схема устройства компьютера впервые была предложена в 1946 году американским ученым Джоном фон Нейманом, где он сформулировал основные принципы работы ЭВМ, которые во многом сохранились и в современных компьютерах. Революционной идеей, предложенной Нейманом является принцип хранимой программы, т.е. программа может также храниться в виде набора нулей и единиц в той же самой памяти, что и обрабатываемые ею числа.

Типы современных ЭВМ Среди множества современных ЭВМ можно выделить основные классы: 1. СуперЭВМ - предназначены для решения громоздких задач в военном деле, экономике, космонавтике, метеорологии и пр. В мае 2005 года в США установлен новый рекорд быстродействия для компьютера: СуперЭВМ IBM BlueGene/L достиг на тесте Linpack производительности Tflop/s(135 триллионов операций в секунду над числами с плавающей запятой). Компьютер предназначается для моделирования ядерных взрывов и обеспечения интересов национальной безопасности США. В России их делают в единичных экземплярах.

2. Мэйнфреймы или большие вычислительные комплек­сы (БВК). В 90-х годах они были очень распространены в СССР и во всем мире. В СССР это были в основном различные модификации серии ЕС. Область применения БВК решение особо ответственных задач в военной, финансовой и прочих сферах там, где требуется исключительная надежность работы. От суперЭВМ мэйнфреймы отличаются прежде всего огромным количеством пользователей и более отказоустойчивой работой. В крупных организациях применение БВК экономически более оправдано, чем применение сетей ПК, так как их обслуживание значительно дешевле. В настоящее время около 70% деловой информации в мире хранится на мэйнфреймах.

3. Мини-ЭВМ - использовались в небольших организациях для решения сравнительно небольших задач. В СССР были распространены мини-ЭВМ серии СМ. Мини-ЭВМ находят применение в качестве серверов (центральных ЭВМ) высоко надежных локальных вычислительных сетей с числом рабочих станций более Рабочие станции это младшие модели супер- ЭВМ, их производительность выше, чем у самых мощных ПК. Чаще всего это однопользовательские компьютеры. Применяются рабочие станции в студиях анимации, в системах автоматизированного проектирования.

5. Персональные ЭВМ (ПЭВМ, ПК) при производительности более 1 млн опер./с (тактовая частота > 3600 МГц); объем ОЗУ >16 Гбайт; объем жесткого диска уже > 4 Тбайт вытеснили мэйнфреймы и мини-ЭВМ из многих областей деятельности. 6. Карманные персональные компьютеры (КПК) имеют вес 0,2 - 0,1 кг. Эти ЭВМ отличаются от ПК не только размерами, но и форматом данных, в них используются собственные операционные системы. 7. Смартфоны (коммуникаторы) - Эти устройства являются гибридами сотовых телефонов и КПК.

Основы построения компьютерных систем Архитектура современных компьютеров Под архитектурой ЭВМ понимается совокупность общих принципов организации аппаратно- программных средств и их характеристик, определяющая функциональные возможности ЭВМ при решении соответствующих классов задач.

Основные компоненты ПК В основу архитектуры современных компьютеров положен магистрально-модульный принцип построения. Модульный принцип позволяет пользователю самому комплектовать нужную ему конфигурацию и производить при необходимости, модернизацию. Модульная организация опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между устройствами. Магистраль (системная шина) включает в себя три многоразрядные шины: 1)шину данных; 2)шину адреса; 3)шину управления.

Магистрально-модульное устройство компьютера

Шина данных. По этой шине данные передаются между устройствами. Например, данные из оперативной памяти могут быть переданы процессору для обработки, а затем отправлены в оперативную память, или в устройство вывода. Данные могут передаваться от устройства к устройству в любом направлении. Разрядность ШД определяется разрядностью процессора, т.е. количеством двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за 1 такт.

Шина адреса. Каждое устройство или ячейка памяти имеют свой адрес. Выбор устройств или ячейки памяти, куда пересылаются или откуда считываются данные по шине данных, производит процессор согласно программе. Адрес передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном направлении от процессора к памяти или устройству. Разрядность шины данных определяет размер адресного поля процессора. Количество адресуемых ячеек памяти определяется выражением: N = 2 I, где I – разрядность ША. Для 32-разрядного компьютера адресное пространство составляет: N = 2 32 = = 4 Гбайт

Шина управления. По шине управления передаются управляющие сигналы, которые определяют, какую операцию нужно производить: записи информации, считывания информации, синхронизации обмена между устройствами и т.д.

Процессор. Основными характеристиками процессора являются: быстродействие, производительность, тактовая частота. Важнейшей характеристикой процессора, определяющей его быстродействие, является его частота, т.е. количество операций в секунду. Частота современных компьютеров измеряется в ГГц. Производительность процессора - это интегральная характеристика, которая зависит от частоты, разрядности и архитектурных особенностей процессора. Производительность определяется в процессе тестирования по скорости определенных операций.

Характеристики процессора Модель (линейка): Для Intel: Pentium, Core2 Quad, Core2 Duo. Для AMD: Athlon 64 X2, Athlon 64 X3, Phenom.

Частота процессора- это количество элементарных операций, которые процессор может выполнить в течение секунды. Производительность зависит не только от частоты! Системная шина – канал по которому процессор соединен с другими устройствами компьютера. КЭШ-память это быстродействующая память, которая хранит информацию из оперативной памяти, для более быстрого доступа к ней. Сокет – разъём, в который помещается процессор. Материнская плата должна поддерживать точно такой сокет, какой будет у процессора. Разрядность. Когда говорят о разрядности процессора х 64, это значит, что он имеет 64-разрядную шину данных, и 64 бита он обрабатывает за один такт. Количество ядер. На данный момент в продаже имеются одно-, двух-, четырёх- и шестиядерные процессоры.

Структурная схема ПК

Системный блок Системный блок – самый главный блок компьютера. К нему подключаются все остальные блоки, называемые внешними или периферийными устройствами. В системном блоке размещаются: 1)блок питания; 2)системная (материнская плата); 3)магистраль (системная шина); 4)процессор; 5)звуковая карта; 6)видеокарта (графическая карта); 7)накопители на жестких магнитных дисках; 8)другие накопители (cd-rom, dvd-rom) 9)и т.д.

Логическая схема системной (материнской) платы Материнская плата (англ. motherboard, главная плата) сложная многослойная печатная плата, на которой устанавливаются основные компоненты персонального компьютера..

Оперативная память Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ или RAM) - область памяти, предназначенная для хранения информации в течение одного сеанса работы с компьютером. Конструктивно ОЗУ выполнено в виде интегральных микросхем. Основные параметры, которые характеризуют ОЗУ – это емкость и время обращения к памяти. Кэш-память При наличии Кэш-памяти данные из ОЗУ сначала переписываются в нее, а затем в регистры процессора. При повторном обращении к памяти сначала производится поиск нужных данных в Кэш-памяти и необходимые данные из Кэш-памяти переносятся в регистры, поэтому повышается быстродействие.

Контроллеры Устройства, которые осуществляют обмен информацией между оперативной памятью и внешними устройствами называются контроллерами или адаптерами, иногда картами. Контроллеры, адаптеры или карты имеют свой процессор и свою память, т.е. представляют собой специализированный процессор. Контроллеры или адаптеры (схемы, управляющие внешними устройствами компьютера) находятся на отдельных платах, которые вставляются в унифицированные разъемы (слоты) на материнской плате.

Для подключения контроллеров или адаптеров современные ПК снабжены такими слотами и интерфейсами. Слоты (разъемы) расширения конфигурации ПК предназначены для подключения дополнительных устройств к основной шине данных компьютера. Интерфейс – это совокупность средств соединения и связи устройств компьютера. Подключение периферийных устройств (принтеры, мышь, сканеры и т.д.) осуществляется через специальные интерфейсы, которые называются портами.

Внешняя память и их классификация Для хранения программ и данных в ПК используются накопители различных типов. Накопители - это устройства для записи и считывания информации с различных носителей информации. Различают накопители со сменным и встроенным носителем: 1) накопители на флоппи-дисках; 2) накопители на несменных жестких дисках (винчестеры); 3) накопители на сменных жестких дисках; 4) накопители на магнитооптических дисках 5) и т.д.

Дополнительные устройства Кроме процессора и памяти в системном блоке находятся электронные платы, обеспечивающие и расширяющие возможности ПК: 1) видео-плата - изображение для монитора; 2) звуковая плата - звук для колонок; 3) внутренний модем - связь по телефонной линии, выход в Internet; 4) сетевая плата - обмен данными между компьютерами, объединенными в локальную сеть 5) дополнительные периферийные устройства. Периферийные устройства - это устройства, которые подключаются к контроллерам ПК и расширяют его функциональные возможности.

Литература: 1.Информатика: учебник. Под ред. Н. Макаровой. М.: Финансы и статистика, 2000,768 с. 2. Симонович В.С. Информатика базовый курс: Учебник. - М.: Питер; Спб.2000-Пресс, 2000,680 с. 3. Гук М. Аппаратные средства PC: Энциклопедия. - СПб.: Питер, 1999, 816 с. 4.Информатика. Энциклопедический словарь. Под ред. Д. А.Поспелова.- М: Педагогика-Пресс, 2000, 349 с. 5. Основы автоматизации и управления в органах внутренних дел. Под ред. А.П.Полежаева и В.А.Минаева. - М.: Академия МВД РФ, 1993, 332 с.