Лекция 1 Классификация ЭВМ По принципу действия
Лекция 1
Системы счисления
Системы счисления разделяют на позиционные и непозиционные. Рассмотрим эти системы счисления. Непозиционная система счисления – это система, в которой цифры не меняют… К непозиционным системам счисления относится система римских цифр, основанная на употреблении латинских букв для…Двоичная, десятичная и шестнадцатеричная системы
amam–1…a1a0,a–1a–2…a–k, где «,» – разделитель целой и дробной частей; ai, i = –k, m; или с явным… (amam–1…a1a0,a–1a–2…a–k)n,Перевод целых чисел
Перевод целого числа X осуществляется по следующему алгоритму: 1) получить цифру числа n-ой системы счисления как остаток от деления числа X… 2) принять за X частное от деления числа X на основание системы счисления n;Перевод дробных чисел
Перевод дробных чисел из n-й в десятичную систему счисления - вещественное число переводится из n-й в десятичную систему счисления с использованием… Перевод дробных чисел с нулевой целой частью из десятичной в n-ую систему… 1) умножить X на n;Классификация ЭВМ
По принципу действия
В этом случае критерием является форма представления информации,
с которой они работают. Цифровые ВМ – вычислительные машины дискретного действия; работают с информацией, представленной в дискретной, а точнее в цифровой форме.
Аналоговые ВМ - вычислительные машины непрерывного действия; работают с информацией, представленной в непрерывной (аналоговой) форме.
По назначению
Универсальные, проблемно-ориентированные, специализированные.
По этапам создания
Поколения ЭВМ Поколение Элементная база процес-сора Макс. емкость ОЗУ, байт Макс.…Лекция 2
Структурная схема ЭВМ.
Вычислительной называется техническая система способная выполнять действия посредством арифметических и логических операций.
ЭВМ (персональный компьютер (ПК)) – это универсальная вычислительная диалоговая система, реализованная на базе микропроцессорных средств, компактных внешних запоминающих устройств, способная выполнять последовательность операций над информацией определенной программы. В основе функционирования любой ЭВМ лежит архитектура.
Архитектура – это наиболее общие принципы построения ЭВМ, реализующие программное управление работой и взаимодействием основных ее функциональных узлов. В основе архитектуры современных ЭВМ лежат принципы, предложенные американским ученым и теоретиком вычислительной техники Джоном фон Нейманом.
ЭВМ состоит из системного блока, к которому подключаются монитор и клавиатура. В системном блоке находятся основные компоненты ЭВМ:
ВЗУ – внешние запоминающие устройства (жесткий диск, приводы CD/DVD/Blu-Ray, флэш-память); некоторые ВЗУ располагаются внутри системного блока и подключаются к контроллерам ВЗУ, а некоторые – снаружи системного блока и подключаются к портам ввода-вывода.
Структура ЭВМ
ВК – видеокарта (видеоадаптер, видеоконтроллер) формирует изображение и передает его на монитор;
ИП – источник питания обеспечивает питание всех блоков ЭВМ по системной шине;
КВЗУ – контроллеры внешних запоминающих устройств управляют обменом информацией с ВЗУ;
КК – контроллер клавиатуры содержит буфер, в который помещаются вводимые символы, и обеспечивает передачу этих символов другим компонентам;
КПВВ – контроллеры портов ввода-вывода управляют обменом информацией с периферийными устройствами;
МП – микропроцессор выполняет команды программы, управляет взаимодействием всех компонент ЭВМ;
ОЗУ – оперативное запоминающее устройство хранит исходные данные и результаты обработки информации во время функционирования ЭВМ;
ПЗУ – постоянное запоминающее устройство хранит программы, выполняемые во время загрузки ЭВМ;
ПУ – периферийные устройства различного назначения: принтеры, сканнеры, манипуляторы «мышь» и др.;
СА – сетевой адаптер (карта) обеспечивает обмен информацией с локальными и глобальными компьютерными сетями.
К устройствам ввода информации относят клавиатуру и такие ПУ, как сканнеры, манипуляторы типа «мышь», джойстики, а к устройствам вывода информации – монитор и такие ПУ, как принтеры.
Современную архитектуру ЭВМ определяют следующие принципы.
1. Принцип программного управления. Обеспечивает автоматизацию процесса вычислений на ЭВМ. Согласно этому принципу, для решения каждой задачи составляется программа, которая определяет последовательность действий ЭВМ.
2. Принцип программы, сохраняемой в памяти. Согласно этому принципу, команды программы подаются, как и данные, в виде чисел и обрабатываются так же, как и числа, а сама программа перед выполнением загружается в ОЗУ, что ускоряет процесс ее выполнения.
3. Принцип произвольного доступа к памяти. В соответствии с этим принципом, элементы программ и данных могут записываться в произвольное место ОЗУ, что позволяет обратиться по любому заданному адресу (к конкретному участку памяти) без просмотра предыдущих.
Составные части ЭВМ образуют аппаратное обеспечение ЭВМ (hardware). Рассмотрим эти компоненты ЭВМ.
Микропроцессор
Основные функции МП: - выполнение команд программы, расположенной в ОЗУ; команда состоит из кода,… - управление пересылкой информации между микропроцессорной памятью, ОЗУ и периферийными устройствами;Системная шина
Системная шина включает в себя: - кодовую шину данных для параллельной передачи всех разрядов числового кода… - кодовую шину адреса для параллельной передачи всех разрядов адреса ячейки ОЗУ; имеет 32 разряда;Постоянное и оперативное ЗУ
Запоминающие устройства характеризуются двумя параметрами: - объем памяти – размер в байтах, доступных для хранения информации; - время доступа к ячейкам памяти – средний временной интервал, в течение которого находится требуемая ячейка памяти и…Лекция 3
Внешние ЗУ
ВЗУ можно разделить по критерию транспортировки на переносные и стационарные. Переносные ВЗУ состоят из носителя, подключаемого к порту ввода-вывода… Перед первым использованием или в случае сбоев ВЗУ необходимо отформатировать… Рассмотрим три типа ВЗУ, разделенные по критерию физической основы или технологии производства носителя: 1) магнитные…Магнитные носители
Из-за контакта головки с поверхностью носителя через некоторое время носитель приходит в негодность. Рассмотрим три типа магнитных носителей. 1. Накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД; harddisk – жесткий диск) представляют собой несколько дисков с…Оптические носители
1) поликарбонатная основа (внешняя сторона диска); 2) активный (регистрирующий) слой пластика с изменяемой фазой состояния; 3) тончайший отражающий слой (внутренняя сторона диска).Флэш-память
Флэш-память представляет собой микросхемы памяти, заключенные в пластиковый корпус, и предназначена для долговременного хранения информации с возможностью многократной перезаписи. Микросхемы флэш-памяти не имеют движущихся частей. При работе указатели в микросхеме перемещаются на начальный адрес блока, и затем байты данных передаются в последовательном порядке. При производстве микросхем флэш-памяти используются логические элементы NAND (И-НЕ). Количество циклов перезаписи флэш-памяти превышает 1 млн. В настоящее время размер флэш-памяти превышает 64 Гбайт (2011 г.), что позволило флэш-памяти вытеснить дискеты. Флэш-память подключается к порту USB.
Видеоподсистема ЭВМ
Видеокарта
1) монитор (дисплей), отображающий на своем экране текстовую и графическую информацию пользователю; 2) видеокарта (ВК; видеоконтроллер, видеоадаптер), обеспечивающая формирование… Видеокарта представляет собой плату, устанавливаемую в специальный слот на материнской плате или интегрированную в…Монитор
Размер экрана монитора задается величиной его диагонали в дюймах. Приняты следующие типоразмеры экранов 12, 14, 15, 17, 19, 21 и 22 дюйма. 1 дюйм =… Разрешение монитора измеряется в пикселях. Пиксель – это точка на экране… Обычно соотношение количества пикселей по горизонтали и вертикали составляет 4:3 (стандартные) или 16:9…Контроллеры портов ввода-вывода
Контроллер порта ввода-вывода (КПВВ) обеспечивает интерфейс между периферийным устройством, подключенным к порту КПВВ, и системной шиной.
Порты ввода-вывода делятся на два типа в зависимости от количества бит, проходящих за один такт передачи:
- параллельные, в которых за один такт проходит несколько бит (например, 8 или 16 бит);
- последовательные, в которых за один такт проходит один бит.
Лекция 4
Периферийные устройства
Клавиатура
Набор клавиш клавиатуры разбит на несколько функциональных групп: - алфавитно-цифровые клавиши (буквы и цифры) предназначены для ввода знаковой… - функциональные клавиши (F1-F12); функции клавиш зависят от конкретной, работающей в данный момент времени…Принтеры
Разрешающая способность или разрешение печати измеряется числом элементарных точек (dot), которые размещаются на одном дюйме (dpi). Например,… Единицей измерения скорости печати информации служит число печатаемых страниц… Данные с ЭВМ хранятся во встроенной памяти принтера. Далее принтер уже самостоятельно печатает файл без участия ЭВМ.…Сканеры
Различают планшетные и ручные сканеры. Принцип работы планшетных сканеров заключается в следующем. Сканируемый… Применяются два типа сенсоров – CCD (Charge-Coupled Device) и CIS (Contact Image Sensor).Сетевой адаптер
Для доступа ЭВМ к локальной сети используется специальная плата – сетевой адаптер, которая выступает в качестве физического соединения ЭВМ и канала связи. Сетевой адаптер выполняет следующие функции:
- подготовку данных, поступающих от ЭВМ, к передаче по каналу связи;
- передачу данных по каналу связи;
- прием данных из канала связи и перевод их в форму, понятную ЭВМ.
Каждый сетевой адаптер имеет уникальный физический адрес, записанный в него на стадии производства.
Модем
Модем – это устройство, предназначенное для подсоединения ЭВМ к обычной телефонной линии. Название происходит от сокращения двух слов – МОдуляция и ДЕМодуляция.
ЭВМ вырабатывает дискретные электрические сигналы (последовательности нулей и единиц), а по телефонным линиям информация передается в аналоговой форме, то есть в виде сигнала, уровень которого изменяется непрерывно, а не дискретно. Модемы выполняют цифро-аналоговое и аналого-цифровое преобразования. При передаче данных, модемы накладывают цифровые сигналы (рис., б), полученные из ЭВМ, на непрерывную частоту телефонной линии (рис., а) (модулируют ее), а при их приеме демодулируют информацию и передают ее в цифровой форме в ЭВМ.
Модуляция колебаний – это изменение амплитуды, частоты или фазы колебаний по определённому закону. Различают амплитудную модуляцию (в), частотную модуляцию (г) и фазовую модуляцию (д).
Виды модуляции
Модемы передают данные по обычным телефонным каналам со скоростью от 300 до 56 000 бит в секунду. Кроме того, современные модемы осуществляют сжатие данных перед отправлением, что сокращает время передачи данных.
По конструктивному исполнению модемы бывают трех видов:
1) встроенные модемы интегрированы в материнскую плату;
2) внутренние модемы вставляются в системный блок ЭВМ в один из слотов расширения материнской платы;
3) внешние модемы подключаются через один из коммуникационных портов, имеют отдельный корпус и собственный блок питания.
По аппаратной реализации модемы бывают двух типов.
1. Программные (software) модемы представляют собой плату, вставляемую в слот PCI и работающую под управлением ОС Windows. Поэтому такие модемы называют Win-модемы. В программных модемах часть их функций реализована не в виде микросхем, а заменена программой, которая выполняется центральным МП ЭВМ. Такая замена существенно удешевляет модем, но обусловливает некоторую дополнительную нагрузку на МП.
2. Аппаратные (hardware) модемы реализуют все процедуры передачи и приема средствами самого модема. Поэтому такие модемы несколько дороже, но более эффективны при работе со старыми телефонными линиями.
Факс-модемы позволяют отправлять и принимать факсимильные сообщения (факсы) и поддерживают возможность телефонного разговора через факс-модем.
Современные цифровые модемы формально модемами не явлются, так как не преобразуют цифровой сигнал в аналоговый и обратно. Они передают и принимают только цифровые сигналы.
ADSL-модемы позволяют передавать данные, используя телефонные линии. При этом остается возможность говорить параллельно по телефону. ADSL-модемы позволяют осуществлять передачу данных на скорости до 1 Мбит/с, а прием данных – до 7 Мбит/с.
Каждый сотовый телефон (за исключением некоторых дешевых моделей) содержит модем для передачи данных в сетях сотовой связи. Также такие модемы выпускаются отдельными устройствами, подключаемые к порту USB.
Таким образом, основными характеристиками модемов являются:
1) скорость передачи;
2) конструктивное исполнение: внутренний, внешний, встроенный;
3) способ подключения к ЭВМ в случае внутреннего и внешнего конструктивного исполнения: слот PCI, порт PCMCIA, порт USB;
4) сеть или технология, по которой модем осуществляет передачу.
Лекция 5
Программное обеспечение ЭВМ
ПО предназначено для решения конкретных задач. Приложение (application) – это программная реализация решения задачи на ЭВМ. В большинстве случаев,… Жизненный цикл ПП состоит из трех стадий: 1) разработка ПП; 2) эксплуатация и…Классификация программного обеспечения
Можно выделить следующие уровни ПО (в порядке убывания):
1) прикладной уровень;
2) служебный уровень;
3) системный уровень;
4) базовый уровень.
Базовый уровень отвечает за взаимодействие с аппаратными средствами и хранится в базовой системе ввода-вывода (BIOS). Программы и данные записываются в ПЗУ на этапе производства и не могут быть изменены во время эксплуатации. ПО базового уровня выполняет следующие функции:
- тестирование оборудования после каждого включения ЭВМ, которое состоит из инициализации системных ресурсов и регистров микросхем, тестирования ОЗУ, инициализации контроллеров, определения и подключения ВЗУ;
- передача управления загрузчику операционной системы;
- управление электропитанием при выключении ЭВМ.
Системный уровень обеспечивает взаимодействие других программ компьютера с базовым уровнем и непосредственно с аппаратным обеспечением. Совокупность ПО системного уровня образует ядро операционной системы (ОС) ЭВМ. Ядро ОС выполняет следующие функции:
- управление и распределение памяти ОЗУ и ВЗУ;
- управление процессами ввода-вывода;
- поддержка файловой системы – упорядоченной совокупности объектов различного типа (файлов), хранящихся в ВЗУ;
- управление устройствами через специальные программы – драйверы;
- организация взаимодействия и диспетчеризации процессов – выполняемых в данный момент программ и задач;
- предоставление интерфейса пользователю для управления перечисленными функциями – системы окон, меню, панелей инструментов для вызова соответствующих функций.
Драйвер устройств – это программа, которая обеспечивает взаимодействие (преобразование сигналов, данных) с компонентами ЭВМ. Почти все компоненты взаимодействуют с ОС через драйверы.
Служебный уровень автоматизирует работы по проверке и настройке компьютерной системы. Задачи, решаемые на служебном уровне, аналогичны задачам системного уровня, однако ПО служебного уровня решает их эффективней. Таким образом, служебный уровень дополняет системный уровень.
Типы служебных программ.
1. Диспетчеры файлов (файловые менеджеры). Предоставляют удобные средства для выполнения большинства операций по обслуживанию файловой системы: копированию, перемещению, переименованию файлов, созданию каталогов (папок), уничтожению объектов, поиску файлов и навигации в файловой системе.
2. Средства сжатия данных (архиваторы). Создают, обновляют и обслуживают архивных файлов, предназначенных для компактного хранения и передачи других файлов.
3. Средства диагностики. Предназначены для автоматизации процессов проверки правильности работы программного и аппаратного обеспечения и оптимизации работы компьютерной системы.
4. Средства просмотра и воспроизведения. Служат для просмотра текстовых файлов, графических изображений, воспроизведения звуковых или видеофайлов.
5. Средства обеспечения компьютерной безопасности. Служат для предотвращения несанкционированного доступа к файлам для их чтения, изменения или повреждения.
Прикладной уровень представляет собой комплекс прикладных программ, с помощью которых выполняются конкретные задачи (производственные, творческие, развлекательные и учебные).
Классификация прикладного ПО.
1. Офисные пакеты. Представляют собой комплексное решение задач, возникающих при документообороте в учреждениях и домашних условиях. Включают текстовый редактор для создания и обработки текстов; табличный процессор для подсчета и анализа числовых данных; систему управления базами данных (СУБД) для хранения и обработки данных; редактор презентаций для подготовки материалов для проведения лекций и презентаций.
2. Графические редакторы предназначены для создания и обработки графических изображений и делятся на три типа: редакторы растровой графики, редакторы векторной графики и редакторы трехмерной графики. Растровая графика состоит из массива точек разных цветов. Векторная графика представляет изображение в виде набора геометрических примитивов: точек, линий, прямоугольников, окружностей и др. Трехмерная графика строится на основе векторной графики, но к ней добавляются новые элементы, имитирующее третье измерение.
3. Системы автоматизированного проектирования (cad-системы) предназначены для автоматизации проектно-конструкторских работ в машиностроении, приборостроении, архитектуре. Позволяют проводить математические расчеты надежности конструкций.
4. Программы для работы в локальных и глобальных сетях: браузеры, клиенты электронной почты, программы для загрузки файлов.
5. Системы автоматизированного перевода. Различают электронные словари и программы перевода текстов на естественных языках.
6. Бухгалтерские системы. Предназначены для автоматизации подготовки начальных бухгалтерских документов предприятия, финансовых отчетов и их учета.
7. Игровые, обучающие и справочные программы.
8. Инструментальные языки и системы программирования. Предназначены для разработки новых программ. Предоставляют программисту удобные средства для создания и отладки программных средств.
Операционные системы
Основная функция всех ОС – посредническая. Она заключается в обеспечении нескольких видов взаимодействия: - взаимодействие между пользователем с одной стороны и программным и… - взаимодействие между программным и аппаратным обеспечением, называемое аппаратно-программным интерфейсом;Распределение ресурсов ЭВМ между процессами
В каждый момент времени процесс может находиться в одном из следующих состояний: - создание – подготовка условий для исполнения процессором; - выполение – непосредственное исполнение процессором;Поддержание файловой системы
Каждый логический диск состоит из двух областей: 1) загрузочной области, содержащей программный код для загрузки ОС;Обеспечение интерфейса пользователя
Основным устройством управления в интерфейсе командной строки является клавиатура. Управляющие команды вводят в поле командной строки, где их можно… Графические интерфейс пользователя реализуют более сложный тип интерфейса, в… В качестве примера активного элемента управления выступает указатель (курсор) мыши – графический объект, перемещение…Драйверы устройств
1) перевод команд ОС в команды контроллера и обратно; 2) обмен данными между ОС и устройством через его контроллер. Каждый контроллер устройства имеет определенное количество регистров, предназначенных для обмена данными между ОС и…Лекция 6