WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 |
-- [ Страница 1 ] --

Московский международный институт эконометрики, информатики, финансов и права Алехина Г.В.

Вычислительные сети системы и телекоммуникаций Москва, 2003 Алехина Г.В. Вычислительные сети системы и телекоммуникаций.

/Московский международный институт эконометрики, информатики, финансов и права. - М., 2003. – 213 с.

© Алехина Г.В., 2003 © Московский международный институт эконометрики, информатики, финансов и права, 2003 1. Основные понятия - вычислительная техника, вычислительная система, компьютер, ЭВМ...................................................................... 7 2. Основные этапы развития ЭВМ......................................................... 7 2.1. Первое поколение ЭВМ.................................................................... 9 2.2. Второе поколение ЭВМ.................................................................... 9 2.3. Третье поколение ЭВМ.................................................................. 2.4. Четвертое поколение ЭВМ............................................................. 2.5. Пятое поколение ЭВМ.................................................................... 2.6. Перспективы развития ЭВМ.......................................................... 3. Пользователи ЭВМ............................................................................ 4. Классификация компьютеров (ЭВМ)............................................... 4.1. Встроенные компьютеры............................................................... 4.2. Микрокомпьютеры.......................................................................... 4.3. Миникомпьютеры (компьютеры среднего класса)..................... 4.4. Большие ЭВМ и суперкомпьютеры.............................................. 5. Характеристики ЭВМ........................................................................ 6. Принципы построения ЭВМ............................................................. 7. Базовая аппаратная конфигурация ПЭВМ...................................... 7.1. Системный блок.............................................................................. 7.1.1. Материнская плата - общие сведения........................................ 7.1.2. Системы, расположенные на материнской плате..................... 7.1.3. Жесткий диск................................................................................ 7.1.4. Дисковод гибких дисков.............................................................. 7.1.5. Дисковод компакт-дисков CD-ROM.......................................... 7.1.6. Видеокарта (видеоадаптер)......................................................... 7.1.7. Звуковая карта.............................................................................. 7.2. Монитор........................................................................................... 7.3. Клавиатура....................................................................................... 7.4. Мышь................................................................................................ 8. Периферийные устройства ПЭВМ................................................... 8.1. Устройства ввода знаковых данных.............................................. 8.2. Устройства командного управления............................................. 8.3. Устройства ввода графических данных........................................ 8.4. Устройства вывода данных............................................................ 8.5. Устройства хранения данных........................................................ 8.6. Устройства обмена данными......................................................... 9. Вычислительные системы................................................................. 9.1. Понятие вычислительной системы............................................... 9.2. Классификация вычислительных систем..................................... 9.3. Архитектура вычислительных систем.......................................... 9.3.1. МКМД – структуры..................................................................... 9.3.2. Кластеры....................................................................................... 10. Компьютерные сети: основные понятия........................................ 11. Характеристика компьютерных сетей........................................... 12. Характеристика возможностей компьютерной сети.................... 13. Классификация компьютерных сетей............................................ 14. Локальные компьютерные сети: принципы организации............ 14.1. Понятие и основные компоненты локальных сетей.................. 14.2. Характеристики локальных сетей............................................... 14.3. Области применения локальных компьютерных сетей............ 14.4. Типы локальных сетей.................................................................. 14.5. Методы доступа к передающей среде в локальных сетях........ 14.6. Протоколы верхнего уровня........................................................ 14.7. Сетевое оборудование локальных компьютерных сетей.......... 15. Глобальные компьютерные сети: принципы организации........ 15.1. Общие сведения........................................................................... 15.2. Управление обменом данных.................................................... 15.3. Системы сетевых коммуникаций.............................................. 15.3.1. Электронная почта................................................................... 15.3.2. Системы адресации.................................................................. 15.3.3. Системы телеконференций..................................................... 15.3.4. Почтовые списки...................................................................... 15.4. Характеристика сети Internet..................................................... 15.4.1. Общие сведения........................................................................ 15.4.2. Протоколы сети Internet........................................................... 15.4.3. Типы сервисов Internet............................................................. 15.4.4. Подключение к сети Internet................................................... 15.4.5. Развитие сети Internet............................................................... 15.5. Отечественные территориальные компьютерные сети. Сеть FidoNet................................................................................................................ 15.5.1. Общие сведения........................................................................ 15.5.2. Сеть Internet/Россия................................................................. 15.5.3. Сеть РЕЛКОМ.......................................................................... 15.5.4. Спринт-сеть............................................................................... 15.5.5. Сеть FidoNet.............................................................................. 16. Корпоративные компьютерные сети............................................ 16.1. Характеристика корпоративных компьютерных сетей........... 16.2. Типовая структура корпоративных компьютерных сетей...... 16.3. Установка Intranet........................................................................ 16.4. Сетевое оборудование корпоративных компьютерных сетей....................................................................................................... 16.5. Система видеоконференцсвязи.................................................. 16.6. Системы управления сетью........................................................ 17. Базовые технологии компьютерных сетей.................................. 17.1. Управление взаимодействием прикладных процессов в сетях 17.2. Протоколы передачи данных нижнего уровня. Управление доступом к передающей среде............................................................ 17.3. Подходы к управлению каналом............................................... 17.3.1. Сети с опросом......................................................................... 17.3.2. Непрерывный автоматический запрос на повторение передачи данных результатов в дуплексных системах..................................... 17.3.3. ППД типа первичный / вторичный без опроса..................... 17.3.4. Протокол типа запрос передачи/разрешение передачи...... 17.3.5. Протокол типа разрешить/запретить передачу..................... 17.3.6. Множественный доступ с временным разделением............ 17.3.7. Одноранговые ППД................................................................. 17.3.8. Система с контролем несущей (с коллизиями)..................... 17.3.9. Метод передачи маркера......................................................... 17.3.10. Протокол типа “маркерное кольцо”..................................... 17.3.11. Приоритетные слотовые системы........................................ 17.3.12. Системы с контролем несущей без коллизий..................... 17.3.13. Приоритетные системы с передачей маркера..................... 17.4. Телекоммуникационные системы: основные понятия и определения.......................................................................................... 17.5. Типы линий и каналов связи...................................................... 17.6. Аналоговое и цифровое кодирование цифровых данных....... 17.7. Синхронизация элементов ТКС................................................. 17.8. Спутниковые сети связи............................................................. 17.9. Коммутация в сетях.................................................................... 17.9.1. Коммутация цепей................................................................... 17.9.2. Коммутация с промежуточным хранением........................... 17.9.3. Коммутация сообщений.......................................................... 17.9.4. Коммутация пакетов................................................................ 17.9.5. Символьная коммутация......................................................... 17.10. Маршрутизация пакетов в сетях.............................................. 17.10.1. Сущность, цели и способы маршрутизации........................ 17.10.2. Способы маршрутизации...................................................... 17.10.3. Эффективность алгоритмов маршрутизации...................... 17.10.4. Методы маршрутизации........................................................ 17.11. Защита от ошибок в сетях........................................................ 17.11.1. Причины возникновения ошибок в сети............................. 17.11.2. Методы защиты от ошибок................................................... 17.11.3. Системы передачи с обратной связью................................. 17.11.4. Деловая ситуация................................................................... 17.12. Сети и технологии Х.25 и Frame Relay................................... 17.12.1. Сети и технологии Х.25......................................................... 17.12.2. Сети и технологии Frame Relay (ретрансляция кадров).... 17.13. Сети и технологии ISDN и SDN.............................................. 17.13.1. Сети и технологии ISDN....................................................... 17.13.2. Импульсно-кодовая модуляция............................................ 17.13.3. Факторы, способствующие развитию технологий ISDN... 17.13.4. Роль ISDN-сетей..................................................................... 17.13.5. Сети и технологии SDH......................................................... 17.14. Сети и технологии АТМ........................................................... 17.14.1. Общие сведения...................................................................... 17.14.2. Каналы, используемые АТМ-технологией.......................... 17.14.3. Трафики, допустимые в режиме АТМ................................. 17.14.4. Развитие технологии АТМ.................................................... 18. Эффективность функционирования и перспективы развития компьютерных сетей............................................................................ 18.1. Понятие эффективности функционирования компьютерных сетей................................................................................................................ 18.2. Факторы, определяющие эффективность функционирования компьютерных сетей............................................................................ 18.3. Основные показатели эффективности компьютерных сетей. 18.4. Показатели экономической эффективности использования компьютерных сетей............................................................................ 18.5. Перспективы развития компьютерных сетей........................... 1. Основные понятия - вычислительная техника, вычислительная система, компьютер, ЭВМ Изыскание средств и методов механизации и автоматизации работ — одна из основных задач технических дисциплин. Автоматизация работ с данными имеет свои особенности и отличия от автоматизации других типов работ. Для этого класса задач используют особые виды устройств, большинство из которых являются электронными приборами.

Совокупность устройств, предназначенных для автоматической или автоматизированной обработки данных, называют вычислительной техникой.

Конкретный набор взаимодействующих между собой устройств и программ, предназначенный для обслуживания одного рабочего участка, называют вычислительной системой. Центральным устройством большинства вычислительных систем является компьютер.

Компьютер — это электронной прибор, предназначенный для автоматизации создания, хранения, обработки и транспортировки данных. Наиболее распространенным синонимом слова “компьютер” является термин “электронная вычислительная машина” (ЭВМ).

ЭВМ - комплекс аппаратных (технических) средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач, посредством выполнения задаваемой соответствующей программой последовательности операций.

Архитектура ЭВМ - это многоуровневая иерархия аппаратурно-программных средств, из которых строится ЭВМ. Каждый из уровней допускает многовариантное построение и применение. Конкретная реализация уровней определяет особенности структурного построения ЭВМ. В последующих разделах учебника эти вопросы подробно рассматриваются.

2. Основные этапы развития ЭВМ Первая демонстрация электронной вычислительной машины ENIAC состоялась в 1946 г. Она содержала около 18000 радиоламп, имела быстродействие 5000 операций сложения в сек., основную память на 20 чисел и работала под управлением программы, набранной штеккерами на коммутационной доске. Долгое время считалось, что ее создатели - американские инженеры Эккерт и Моучли - являлись изобретателями первой в мире ЭВМ.

Но 19 октября 1973г. федеральный судья США Ларсен объявил патент Эккерт-Моучли недействительным. Решение было вынесено в результате шестилетнего судебного разбирательства (1967 - 1973 г.г.), начатого по инициативе компании - патентовладельца "Сперри - Ренд", предъявившей претензии фирме "Ханауэлл" за нарушение патентных прав.

Суд установил, что подлинным изобретателем электронной вычислительной машины является Джон Винсент Атанасов, 1903г.

рождения, профессор государственного университета в Айове. В 1937г.

он вместе с молодым специалистом Клиффордом Берри начал разработку электронной вычислительной машины "АВС" (Atanasov and Berri Computer). Предполагалось, что эта ЭВМ будет способна решать системы алгебраических уравнений до 30 порядка. Для ввода и вывода десятичных чисел использовались перфокарты фирмы IBM.

После ввода число переводилось в двоичную систему счисления. ЭВМ должна была обрабатывать числа длиной 50 бит, имела арифметический блок, регенеративное электростатическое запоминающее устройство в виде барабана и содержала около 300 электронных ламп.

В 1939г. макет ЭВМ был построен. Дж.В.Атанасов сделал доклад о своей разработке с изложением основных принципов в Ассоциации по развитию науки (Флорида). В 1940г. появилась первая газетная публикация о его работе над электронной вычислительной машиной.

В 1942г. машина "АВС" была построена. Но ведущие специалисты различных фирм считали, что спроса на такие машины не будет.

Университет штата Айова отказался от уплаты патентной пошлины.

Атанасов обращался в "IBM" и "Rend corporation", но они так же не восприняли новую разработку.

После вступления США в 1942г. во Вторую мировую войну, Берри был мобилизован, Атанасов перешел в морскую артиллеристскую лабораторию и оставил работу над ЭВМ.

Профессор физики из штата Пенсильвания Джон Моучли слышал сообщение Атанасова во Флориде, позднее в письмах уточнял принципы построения "АВС". Его эта проблема заинтересовала, т.к.

ранее он занимался аналоговыми машинами и не мог получить на них необходимой точности вычислений. Результатом работы Дж.Моучли и его коллеги Эккерта явилась ЭВМ "Eniac", которую им удалось реализовать в 1942-1944г.г. под покровительством Пентагона.

Дальнейшее развитие электронных вычислительных машин принято делить на поколения. Можно выделить пять поколений ЭВМ, отличающиеся элементной базой, конструктивно-технологическим исполнением, логической организацией, программным обеспечением, техническими характеристиками, организацией доступа к ЭВМ со стороны пользователей.

Основная тенденция развития вычислительной техники - уменьшить трудоемкость подготовки программ для решения задач, облегчить связь операторов с машинами, повысить быстродействие, эффективность использования ЭВМ и их надежность.

Возможности улучшения технико-экономических показателей ЭВМ в значительной степени зависят от элементов, используемых для построения их электронных схем. Поэтому при рассмотрении этапов развития ЭВМ каждое поколение обычно в первую очередь характеризуется используемой элементной базой.

2.1. Первое поколение ЭВМ Основным активным элементом первого поколения являлась электронная лампа. Остальные компоненты электронной аппаратуры - это обычные резисторы, конденсаторы, трансформаторы. Для построения основной памяти (ОП) ЭВМ уже с середины 50-х г.г. начали использоваться специально разработанные для этой цели элементы - ферритовые сердечники с прямоугольной петлей гистерезиса. В качестве устройств ввода-вывода сначала использовалась стандартная телеграфная аппаратура (телетайпы, ленточные перфораторы, трансмиттеры, аппаратура счетно-перфорационных машин), а затем специально для ЭВМ были разработаны электромеханические запоминающие устройства на магнитных лентах, барабанах и дисках. К первому поколению относятся отечественные машины БЭСМ-2, Стрела, М-3, Минск-1, Урал-1, Урал-2, М-20, и др. Они имели значительные размеры, потребляли большую мощность, имели сравнительно малое быстродействие, малую емкость ОП, невысокую надежность работы и недостаточное программное обеспечение.

В 1947г. в ЭВМ "Edvac" Дж. фон-Нейман разместил программу в памяти ЭВМ и сформулировал принципы построения электронных вычислительных машин, которые сохранили свое значение до настоящего времени.

2.2. Второе поколение ЭВМ На смену электронным лампам в машинах второго поколения (с 1953г.) пришли транзисторы. В отличии от ламповых машин, транзисторные машины обладали большим быстродействием, емкостью ОП, надежностью. Существенно уменьшены размеры, масса и потребляемая мощность. Большим достижением являлось применение печатного монтажа. Повысилась надежность электромеханических устройств в/в, удельный вес которых в аппаратном комплексе увеличился. Машины II поколения обладали большими вычислительными и логическими возможностями. Особенностью машин II поколения являлась их дифференциация по применению.

Появились машины для решения научно-технических задач, экономических задач, для управления производственными процессами и различными объектами (управляющие машины). Наряду с техническим совершенствованием ЭВМ развивались методы и приемы программирования вычислений, высшей ступенью которых является автоматическое программирование. Появились алгоритмические языки, существенно упрощающие процесс подготовки задач к решению на ЭВМ. Появились многопрограммные ЭВМ, в которых реализовано выполнение одновременно нескольких программ за счет организации параллельной работы основных устройств машины. Расширилась сфера применения ЭВМ - они стали использоваться в качестве управляющего органа в автоматизированных и автоматических системах управления, а так же - в системах передачи информации.

К ЭВМ второго поколения относились машины отечественного производства Минск-2, Раздан-2, Раздан-3, М-220, БЭСМ-4, БЭСМ-6, Мир, Наири, Минск-22, Минск-32, Урал-14, Урал-16, и т.д.

Структурная схема ЭВМ первого и второго поколений 2.3. Третье поколение ЭВМ Третье поколение ЭВМ (с 1962г.) характеризовалось широким применением интегральных схем, заменивших большинство транзисторов и различных деталей. Интегральная схема представляла собой законченный логический функциональный блок, соответствующий достаточно сложной транзисторной схеме.

Благодаря интегральным схемам удалось существенно улучшить технические и эксплуатационные характеристики машины. Этому способствовало так же применение многослойного печатного монтажа.

Значительно расширился набор электромеханических устройств ввода-вывода, развитие которых носило эволюционный характер: их характеристики улучшались гораздо медленнее, чем характеристики электронного оборудования.

Дальнейшее развитие получило программное обеспечение, особенно - операционные системы, которые обеспечивали работу ЭВМ в различных режимах - в режиме пакетной обработки, в режиме разделения времени, в режиме запрос - ответ, и т.д.

Существенно расширены возможности по обеспечению непосредственного доступа к ЭВМ со стороны абонентов, находящихся на различных (от нескольких десятков метров до сотен километров) расстояниях. При разработке ВМ III поколения применялись различные методы автоматизации проектирования. Основной объем документации разрабатывался с помощью ЭВМ.

Отчетливо появилась тенденция к унификации ЭВМ, к созданию машин, представляющих собой единую систему. Ярким выражением этой тенденции является создание ЕС ЭВМ.

Структурная схема ЭВМ третьего поколения 2.4. Четвертое поколение ЭВМ Четвертое поколение машин начало развиваться с 1970г. Для них характерно применение больших интегральных схем (БИС). Высокая степень интеграции способствовала увеличению плотности компоновки электронной аппаратуры, повышению ее надежности и быстродействия, снижению стоимости. Это оказывало существенное влияние на логическую структуру (архитектуру) ЭВМ и на ее программное обеспечение. Более тесной становится связь структуры ЭВМ и ее программного обеспечения, особенно ОС.

Размеры машины и их стоимость настолько уменьшились, что появились их новые типы - от мини - ЭВМ до персональных, предназначенных для индивидуального использования (как стационарных, "настольных" ПЭВМ, так и мобильных, переносных:

Lop-Top, Notebook, вплоть до микро - калькуляторов различных типов).

Стоимость ЭВМ настолько снизилась, что час их работы стал стоить в десять раз меньше часа работы среднеоплачиваемого клерка.

Стал расширяться рынок сбыта - за счет вовлечения в него "непрограммирующих пользователей", т.е. людей, не являющихся профессионалами в области компьютерной науки. Это наложило отпечаток на архитектуру программного обеспечения - появилось стремление упростить общение с ЭВМ, сделать его более дружественным для пользователя. В программном обеспечении ЭВМ появился новый стандарт - "дружественность к пользователю среды общения".

Использование больших интегральных схем настолько уменьшило размеры ЭВМ, что появилась возможность в том же (а часто и значительно сокращенном) объеме разместить дополнительные блоки - например, блоки контроля хода вычислительного процесса и автоматического обеспечения его надежности. Впервые принципы построения ЭВМ, сформулированные фон-Нейманом, стали нарушаться - появились новые типы ЭВМ: векторные, конвейерные, матричные.

Микроминиатюризация сделала возможным встраивание специализированных микроЭВМ в различную аппаратуру - что позволяло получать от этой аппаратуры дополнительные функциональные возможности.

На базе персональных ЭВМ (ПЭВМ) стали создаваться системы автоматизированного проектирования (САПРы), в которых дружественность к пользователю позволяла упростить общение профессионалов, специализирующихся в различных областях науки и техники.

Доступность ПЭВМ привела к их массовому использованию, что выявило потребность к объединению ПЭВМ в сети для выполнения совместной работы, для совместного использования ресурсов.

Структурная схема ПЭВМ 2.5. Пятое поколение ЭВМ С 1991г. началась разработка ПЭВМ пятого поколения, отличительной особенностью которого стало стремление повысить интеллектуальность вычислительной системы за счет перехода от обработки данных к обработке знаний.

В составе вычислительных систем 5-го поколения появились новые виды ЭВМ и программного обеспечения (ПО): машины баз знаний, машины логического вывода, естественно языковый (ЕЯ) интерфейс. В конструкцию ЭВМ и ПО стали активно внедряться элементы самообучения, самонастройки, адаптации. Более сильно проявилась тенденция отказа от принципов фон-Неймана, машины стали разделятся на ЭВМ фон-Неймановской архитектуры (для вычислений) и не фон-Неймановской архитектуры (в основном для логической, интеллектуальной обработки информации).

В настоящее время работа над 5-ым поколением ЭВМ не завершена - трудности интеллектуализации ЭВМ оказались слишком большими, выяснилась недостаточная проработанность основных положений "искусственного интеллекта", ограниченность наших знаний о природе и закономерностях мышления. Но многие разработки, выполненные для вычислительных систем 5 поколения, стали использоваться в ЭВМ и ПО машин фон-Неймановской архитектуры, существенно повысилась их производительность, надежность и эффективность.

Классификация ЭВМ может производиться по различным признакам. По форме используемых сигналов все ЭВМ делятся на три группы: аналоговые, цифровые и комбинированные (гибридные или аналого-цифровые).

Аналоговые вычислительные машины находят свое применение для выполнения вычислений на основе специальных разделов высшей математики (интегральное исчисление, операционное исчисление, преобразования Фурье, и др.), для управления объектами, поведение которых описывается на языке тех же разделов, для математического моделирования поведения сложных объектов и процессов (замена натурных экспериментов математическим моделированием).

Основными недостатками аналоговых ВМ являются низкая точность вычислений (3-4 десятичных знака) и большая продолжительность подготовки такой ЭВМ к работе (программирование машины).

Цифровые ВМ (ЦВМ) позволяют обрабатывать различные виды информации, закодированной в цифровом виде. По функциональным возможностям они делятся на универсальные и специализированные.

Универсальные ЭЦВМ предназначены для решения любых задач, поддающихся алгоритмизации, имеют для этого универсальную систему команд, и возможность конфигурировать систему под конкретные условия применения. Специализированные ЦВМ предназначены для решения конкретного класса задач (например, машины для решения раскройной задачи, для управления движением поезда, АРМ операциониста банка, и др.). Основные достоинства ЦВМ - их универсальность, возможность обработки на них различных видов информации, малое время подготовки (перенастройки) ЭВМ для решения новой задачи, практически неограниченная точность вычислений.

Комбинированные ЭВМ соединяют в себе достоинства аналоговых и цифровых вычислительных машин: цифровая часть таких машин позволяет упростить подготовку машины к вычислениям (программирование) и повысить точность вычислений за счет цифрового отображения результатов. Решающие же блоки выполнены на аналоговых элементах, что существенно сокращает время вычислений. К гибридным ЭВМ относятся ЦДА (цифровые дифференциальные анализаторы), ЦИМ (цифровые интегрирующие машины) и ЦМ (цифровые модели), назначение которых ясно из их названия.

Универсальные электронные ЦВМ принято делить по их вычислительной мощности (суперЭВМ, большие, средние, малые и т.д.). Состав выпускаемых ЭВМ очень динамичен, и структура парка ЭВМ сильно изменяется каждые три-пять лет. Появляются новые типы ЭВМ (например, переносные: Lаp-top, Notebook), иногда меняется их основная сфера использования, а в связи с этим - и название.

В настоящее время можно выделить такие разновидности универсальных ЭЦВМ: суперЭВМ и суперсерверы;

профессиональные рабочие станции;

персональные ЭВМ;

встраиваемые микроЭВМ (или "одноплатные" ЭВМ);

программируемые микрокалькуляторы.

Приведенные разновидности перечислены в порядке убывания вычислительной мощности. К числу универсальных ЭЦВМ отнесены и программируемые микрокалькуляторы, вычислительная мощность которых иногда превышает параметры малых или средних ЭЦВМ первого поколения (например, микрокалькулятор МК-61 по вычислительной мощности сопоставим с ЭЦВМ "Урал-1").

2.6. Перспективы развития ЭВМ Несомненно, что одним из главных факторов достижения высокого быстродействия, а значит и высокой производительности ЭВМ, является построение их на новейшей элементной базе. Смена поколений ЭВМ в значительной степени связана с переходами на новые поколения элементной базы, знаменующие достижения новых частотных диапазонов работы схем в рамках доступных технологий.

Элементная база служит показателем технического уровня развития страны, общества, цивилизации. Успехи в создании новой элементной базы определяются передовыми научными и техническими достижениями целого ряда наук (физики, химии, оптики, механики, др.).

Качество элементной базы является показателем технического прогресса.

Все современные ЭВМ строятся на микропроцессорных наборах, основу которых составляют большие (БИС) и сверхбольшие интегральные схемы (СБИС). Технологический принцип разработки и производства интегральных схем действует уже более четверти века. Он заключается в циклическом послойном изготовлении частей электронных схем по циклу “программа - рисунок - схема”. По программам на напыленный фоторезисторный слой наносится рисунок будущего слоя микросхемы. Затем рисунок протравливается, фиксируется, закрепляется и изолируется от новых слоев. На основе этого создается пространственная твердотельная структура. Например, микропроцессор типа Pentium включал в себя около трех с половиной миллионов транзисторов, размещаемых в пятислойной структуре, a Pentium III – уже около 25 миллионов транзисторов.

Степень микроминиатюризации, размер кристалла ИС, производительность и стоимость технологии напрямую определяются типом литографии. В настоящее время оптическая литография (нанесение послойных рисунков световым лучом) вытесняется электронной (лазерной), ионной и рентгеновской литографией. Это позволяет обеспечить толщину вычерчиваемых линий 0.13, 0.10 и даже 0.08 мкм. Вместо ранее используемых алюминиевых проводников в микросхемах повсеместно начинают применять медные соединения, что позволяет повысить частоту работы.

Такие высокие технологии порождают целый ряд проблем.

Микроскопическая толщина линий, сравнимая с диаметром молекул, требует высокой чистоты используемых и напыляемых материалов, применения вакуумных установок и снижения рабочих температур.

Уменьшение линейных размеров микросхем и повышение уровня их интеграции заставляют проектировщиков искать средства борьбы с потребляемой Wn и рассеиваемой Wp мощностью. При сокращении линейных размеров микросхем в 2 раза, их объемы изменяются в 8 раз.

Пропорционально этим цифрам должны меняться и значения Wn и Wp, в противном случае схемы будут перегреваться и выходить из строя.

Уменьшение питающих напряжений, локальные средства охлаждения микросхем и другие меры не позволяют в целом решить эти проблемы.

Аналитики предрекают достижение пределов в производстве микросхем к 2010-2015 годам.

Дальнейший прогресс в повышении производительности может быть обеспечен либо за счет архитектурных решений, либо за счет новых принципов построения и работы микросхем. Альтернативных путей развития просматривается не очень много. Так как микросхемы СБИС не могут работать с высокой тактовой частотой, то в ЭВМ будущих поколений их целесообразно комплексировать в системы. При этом несколько СБИС должны работать параллельно, а слияние работ в системе должны обеспечивать сверхскоростные ИС (ССИС), которые не могут иметь высокой степени интеграции.

Большие исследования проводятся также в области использования явления сверхпроводимости и туннельного эффекта - эффекта Джозефсона. Работа микросхем при температурах близких к абсолютному нулю (0оК= -273,15°С) позволяет достигнуть fmax, при этом Wp=Wn=0. Очень интересны результаты по использованию “теплой сверхпроводимости”. Оказывается, что для некоторых материалов, в частности для солей бария, явление сверхпроводимости наступает уже при температурах около -150°С. Высказывались соображения, что могут быть получены материалы, имеющие сверхпроводимость при температурах, близких комнатной. Тематика исследовательских работ и их результаты в этом направлении являются закрытыми. Однако, с уверенностью можно сказать, что появление таких элементов знаменовало бы революцию в развитии средств вычислительной техники новых поколений.

Таким образом, можно сделать вывод, что в настоящее время возможности микроэлектроники еще не исчерпаны, но давление пределов уже ощутимо. Внедрение новых технологий производства микропроцессоров испытывает и экономические проблемы. Например, построение нового завода по производству микросхем с 0.13 микронной технологией стоит от двух до четырех млрд. долларов. Это заставляет искать новые альтернативные пути построения будущих ЭВМ.

Интенсивные поиски идут по многим направлениям. Наиболее перспективными из них следует считать:

• создание молекулярных и биокомпьютеров (нейрокомпьютеров);

• разработка квантовых компьютеров;

• разработка оптических компьютеров.

Укажем основные принципы их построения.

Молекулярные компьютеры. Во многих странах проводятся опыты по синтезу молекул на основе их стереохимического генетического кода, способных менять ориентацию и реагировать на воздействия током, светом и т.п. Например, ученые фирмы Hewlett Packard и Калифорнийского университета (UCLA) показали принципиальную возможность создания молекулярной памяти ЭВМ на основе молекул роксана (http://www.zdnet.ru/printreviews.asp?ID=89).

Продолжаются работы по созданию логических схем, узлов и блоков.

По оценкам ученых подобный компьютер в 100 млрд. раз будет экономичнее современных микропроцессоров.

Биокомпьютеры или нейрокомпьютеры. Идея создания подобных компьютеров базируется на основе теории перцептрона – искусственной нейронной сети, способной обучаться. Автором этих идей был Розенблат. Он указал, что структуры, имеющие свойства мозга и нервной системы, позволяют получить целый ряд преимуществ:

• параллельность обработки информационных потоков;

• способность к обучению и настройке;

• способность к автоматической классификации;

• более высокую надежность;

• ассоциативность.

Компьютеры, состоящие из нейроподобных элементов, могут искать нужные решения посредством самопрограммирования, на основе соответствия множеств входных и выходных данных. В настоящее время уже созданы и используются программные нейропакеты, которые доказывают возможность построения подобных машин на СБИС.

Квантовые компьютеры. Принцип работы элементов квантового компьютера основан на способности электрона в атоме иметь различные уровни энергии Е0, Е1,…,Е. Переход электрона с нижнего энергетического уровня на более высокий связан с поглощением кванта электромагнитной энергии – фотона. При излучении фотона осуществляется обратный переход. Всеми подобными переходами можно управлять действием электромагнитного поля от атомного или молекулярного генератора. Этим исключаются спонтанные переходы с одного уровня на другой.

Основным же строительным блоком квантового компьютера служит qubit – Quantum Bit, который может иметь большое число состояний. Для таких блоков определен логически полный набор элементарных функций. Это позволяет строить сложные устройства.

Известны эксперименты по созданию RISC – процессора на RSFQ логике (Rapid Single Flux Quantum) и проекты создания петафлопных (1000 триллионов операций/с) компьютеров http://www.submarine.ru/print.cfm?Id=42).

Оптические компьютеры. Идея построения оптического компьютера давно волнует исследователей. Многие устройства ЭВМ используют оптику в своем составе: сканеры, дисплеи, лазерные принтеры, оптические диски CD-ROM и DVD-ROM. Появились и успешно работают оптоволоконные линии связи. Остается создать устройство обработки информации с использованием световых потоков.

Способность света параллельно распространяться в пространстве позволяет создавать параллельные устройства обработки. Это позволило бы на несколько порядков ускорить быстродействие ЭВМ.

Пока отсутствуют проекты создания чисто оптических процессоров, но уже имеются эксперименты по проектированию оптоэлектронных и оптонейронных отдельных устройств.

Каковы же состояние и прогноз развития микропроцессоров в настоящее время?

В начале 2000 года основные конкуренты по производству интегральных 32-разрядных микросхем (архитектура IA-32) фирмы Intel и AMD преодолели рубеж f=1ГГц.

Фирма Intel выпустила Pentium III (ядро Coppermine – 0.18 мкм техпроцесс, кэш L2 – 256Кбайт, формфактор – Slot1). Дальнейшим развитием этой линии следует считать ожидаемый выход в конце года микропроцессора Willamette (переход на техпроцесс 0.13мкм, кэш L1 – 256Кбайт, кэш L2 – 0.5-1Мбайт, формфактор – Soket 423, частота – 1.5ГГц, увеличение частоты в 2001 году до 2ГГц).

Последним представителем IA-32 объявлен микропроцессор Foster, серверный вариант Willamette (эта схема станет основой микропроцессоров Pentium IV). Здесь предполагается значительное улучшение всех характеристик, выпуск – в конце 2001года.

Первым 64-разрядным микропроцессором (IA-64) ожидается микропроцессор Merced (трехуровневая кэш-память 2-4Мбайта, техпроцесс –0.18мкм, появится к концу 2001 года). Экспериментальная версия этого изделия имеет название Itanium.

Коммерческая версия Merced будет иметь название McKinley. Она появится год спустя. Ожидается, что ее характеристики будут примерно в два раза выше Itanium.

Фирма AMD продемонстрировала свой микропроцессор Athlon (ядро Thunderbild – кэш L1 –128Кбайт, кэш L2 –512Кбайт,формфактор – Soket A, Slot A – промежуточный). Развитием этого направления следует считать микропроцессор Mustang, который должен выйти в конце года.

Интенсивно разрабатывается StedgeHammer – первый 64 разрядный микропроцессор фирмы AMD, выпуск которого ожидается в 2001 году. Частота работы – выше 1.5ГГц.

3. Пользователи ЭВМ Пользователь ЭВМ - человек, в интересах которого проводится обработка данных на ЭВМ.

В качестве пользователей ЭВМ могут выступать заказчики вычислительных работ, программисты, операторы. Как правило, время подготовки задач во много раз превышает время их решения.

Требования пользователей к выполнению вычислительных работ удовлетворяются специальным подбором и настройкой технических и программных средств. Обычно эти средства взаимосвязаны и объединяются в одну структуру.

Структура - совокупность элементов и их связей. Различают структуры технических, программных и аппаратно-программных средств. Выбирая ЭВМ для решения своих задач, пользователь интересуется функциональными возможностями технических и программных модулей (как быстро может быть решена задача, насколько ЭВМ подходит для решения данного круга задач, какой сервис программ имеется в ЭВМ, возможности диалогового режима, стоимость подготовки и решения задач и т.д.). При этом пользователь интересуется не конкретной технической и программной реализацией отдельных модулей, а общими вопросами организации вычислений.

Последнее включается в понятие архитектуры ЭВМ, содержание которого достаточно обширно.

Детализацией архитектурного и структурного построения ЭВМ занимаются различные категории специалистов вычислительной техники. Инженеры - системотехники проектируют отдельные технические устройства и разрабатывают методы их сопряжения друг с другом. Системные программисты создают программы управления техническими средствами, информационного взаимодействия между уровнями, организации вычислительного процесса. Программисты - прикладники разрабатывают пакеты программ более высокого уровня, которые обеспечивают взаимодействие пользователей с ЭВМ и необходимый сервис при решении ими своих задач. Указанные специалисты рассматривают понятие архитектура в более узком смысле. Для них наиболее важные структурные особенности сосредоточены в наборе команд ЭВМ, являющимся границей между аппаратными и программными средствами.

Пользователи ЭВМ, которые обычно не являются профессионалами в области вычислительной техники, рассматривают архитектуру через более высокоуровневые аспекты, касающиеся взаимодействия с ЭВМ (человеко-машинного интерфейса), начиная со следующих групп характеристик ЭВМ, определяющих ее структуру:

• технические и эксплутационные характеристики ЭВМ (быстродействие и производительность, показатели надежности, достоверности, точности, емкость оперативной и внешней памяти, габаритные размеры, стоимость технических и программных средств, особенности эксплуатации и др.);

• характеристики и состав функциональных модулей базовой конфигурации ЭВМ;

возможность расширения состава технических и программных средств;

возможность изменения структуры;

• состав программного обеспечения ЭВМ и сервисных услуг (операционная система или среда, пакеты прикладных программ, средства автоматизации программирования).

4. Классификация компьютеров (ЭВМ) Рынок современных компьютеров отличается разнообразием и динамизмом, каких еще не знала ни одна область человеческой деятельности. Практика показала, что для решения различных задач нужна соответственно и различная вычислительная техника. Почти каждое десятилетие меняются поколения ЭВМ, каждые два года основные типы микропроцессоров, определяющих основные характеристики новых ЭВМ. Такие темпы сохраняются уже многие годы. В этих условиях любая предложенная классификация ЭВМ очень быстро устаревает и нуждается в корректировке. Например, еще десятилетие назад в основном использовалась классификация средств вычислительной техники, в основу которой было положено их разделение по быстродействию:

• супер ЭВМ для решения крупномасштабных вычислительных задач, для обслуживания крупнейших информационных банков данных;

• большие ЭВМ для комплектования ведомственных, территориальных и региональных вычислительных центров;

• средние ЭВМ широкого назначения для управления сложными технологическими производственными процессами. ЭВМ этого типа могут использоваться и для управления распределенной обработкой информации в качестве сетевых серверов;

• персональные и профессиональные ЭВМ, позволяющие удовлетворять индивидуальные потребности пользователей. На базе этого класса ЭВМ строятся автоматизированные рабочие места (АРМ) для специалистов различного уровня;

• встраиваемые микропроцессоры, осуществляющие автоматизацию управления отдельными устройствами и механизмами.

С развитием сетевых технологий все больше начинает использоваться другой классификационный признак, отражающий место и роль ЭВМ в сети. Согласно ему классификация принимает вид:

- мощные машины и вычислительные системы для управления гигантскими сетевыми хранилищами информации;

- кластерные структуры;

- серверы;

- рабочие станции;

- сетевые компьютеры.

Мощные машины и вычислительные системы предназначаются для обслуживания крупных сетевых банков данных и банков знаний. По своим характеристикам их можно отнести к классу суперЭВМ, но в отличие от них они являются более специализированными и ориентированными на обслуживание мощных потоков информации.

Кластерные структуры представляют собой многомашинные распределенные вычислительные системы, объединяющие под единым управлением несколько серверов. Это позволяет гибко управлять ресурсами сети, обеспечивая необходимую производительность, надежность, готовность и другие характеристики.

Серверы - это вычислительные машины и системы, управляющие определенным видом ресурсов сети. Различают файл-серверы, серверы приложений, факс - серверы, почтовые, коммуникационные, Web серверы и др.

Термин "рабочая станция" отражает факт наличия в сетях абонентских пунктов, ориентированных на работу профессиональных пользователей с сетевыми ресурсами. Этот термин как бы отделяет их от ПЭВМ, обеспечивающих работу основной массы непрофессиональных пользователей, работающих обычно в автономном режиме.

Сетевые компьютеры (СК) представляют собой упрощенные персональные компьютеры, вплоть до карманных ПК. Они становятся еще одним стандартом, объединяющим целый класс компьютеров, который получает массовое производство и распространение.

Их применение позволяет аккумулировать вычислительные мощности и все виды вычислительных услуг на серверах в сетях ЭВМ.

В связи с этим отпадает необходимость каждому пользователю иметь собственные автономные средства обработки. Очень многие из них могут обращаться к вычислительным ресурсам сетей с помощью простейших средств доступа - сетевых компьютеров. Требуемая информация и нужные виды ее обработки будут выполнены серверами сети, а пользователи получают уже готовые, требуемые им результаты.

Таким образом, для подобного вида услуг образуется своеобразная ниша, которую должны заполнить сетевые компьютеры, поскольку они обеспечивают:

- резкое снижение совокупной стоимости владения (Total Cost of Ownership, TCO) вычислительными средствами предприятия, фирмы, корпорации;

- повышение производительности работы пользователей при одновременном снижении расходов на обслуживание;

- упрощение процессов администрирования, настройки, защиты, модернизации и т.п.

Собственные средства обработки в СК представлены достаточно слабо или вообще отсутствуют. Основу СК составляет весьма скромный по своим возможностям встроенный микропроцессор или блок управления. Очень многие фирмы (Oracle, Sun, Philips, даже IBM и др.) проявляют интерес к этому новому классу компьютеров и связывают с ним большие надежды. Уже появились первые разработки подобных устройств, но пока еще не выявлены единые принципы их структурного и функционального построения.

Уже теперь понятие “сетевой компьютер” отождествляется с целым спектром моделей, различающихся своими функциональными возможностями. Чаще всего под СК понимают достаточно дешевый компьютер с малой оперативной памятью, с отсутствием жесткого и гибкого дисков и со слабым программным обеспечением. Стоимость СК должна быть намного ниже стоимости персонального компьютера (ПК) приличной конфигурации. Намечается достаточно широкая классификация СК в соответствии с их возможностями по представлению данных, выполнения отдельных простейших программ и приложений. Наиболее часто выделяют:

- Windows-терминалы (Windows-based Terminal, WBT) – настольные и мобильные ПК с операционной системой Windows СЕ. Рассчитаны на запуск приложений на сервере и получение от него данных;

- простейшие универсальные СК (“тонкие клиенты”) – настольные ПК с доступом к различным сетевым ресурсам.

Практически все требуемые пользователям программы должны выполняться на сервере;

- сетевые компьютеры Java (Java Net PC), способные выполнять простейшие Java-программы;

- достаточно мощные СК (Net PC) – настольные ПК с резидентной операционной системой, способные работать с большинством приложений.

Предполагается, что СК найдут широкое распространение среди следующих категорий пользователей: различные фирмы (особенно крупные), учебные заведения и частные потребители.

Для повышения эффективности обработки больших объемов данных и экономической информации, целесообразно использовать комплекс компьютеров различных классов - от ПК до больших ЭВМ.

При этом на каждом уровне будут решаться задачи, соответствующие возможностям конкретного класса компьютеров, что часто и реализуется субъектами экономики информационного общества в своих информационных системах.

Важно помнить, что независимо от класса компьютеров, они бесполезны без соответствующих программных средств и информационных ресурсов - данных, информации, знаний.

4.1. Встроенные компьютеры Встроенные компьютеры - это ЭВМ, используемые в качестве узлов для управления некоторым устройством или обработки измерений.

4.2. Микрокомпьютеры Микрокомпьютеры - наиболее часто используемый и широко распространенный тип компьютеров. Микрокомпьютер часто называют персональным компьютером или персональной ЭВМ (ПЭВМ), т.е.

компьютером (ЭВМ) общего назначения, предназначенным для индивидуального пользования.

Различают следующие классы персональных компьютеров (ПК):

1) настольный ПК (Dessktop или Tabletop) - малогабаритная ЭВМ настольного типа, обычно состоящая из системного блока, содержащего целый ряд устройств, обеспечивающих работу компьютера, клавиатуры, позволяющей вводить информацию в компьютер, и монитора (дисплея), предназначенного для изображения графической и текстовой информации. Настольные ПК отличаются друг от друга формой и расположением (горизонтального/вертикального) корпуса системного блока - это могут быть так называемые:

• настольные ПК башенного типа (tower), • большие настольные ПК (Big), • средние настольные ПК (Mid), • малые настольные ПК (Mini), • настольные ПК малютки (Baby), • настольные ПК слимы (Slim), • настольные ПК “размером книги” (Book Size), 2) портативные (Portable) или мобильные (Mobile) ПК - представляют собой меньшие по размеру по сравнению с настольными ПК, имеющие встроенное автономное питание, и у которых системный блок, монитор и клавиатура заключены в один корпус, конструктивно, как крышка и клавиатура. Эти ПК могут быть следующих видов:

• “блокнотные” ПК (Notebook) - ПЭВМ типа записной книжки или другими словами “компьютер - блокнот”;

• “накаленный” ПК (Lap top) - ПЭВМ, размеры и масса которого позволяют работать с ним “на коленях”;

• “подблокнотные” ПК (Subnotbook) - ПЭВМ меньшего размера, чем “блокнотные” и “накаленные” ПК;

• ручные ПК (Hand-held или Palm-top) - ПЭВМ миниатюрных размеров (с почтовую открытку), который можно держать в одной руке, другой работать на нем, а переносить или хранить в кармане одежды;

• карманные ПК (Pocket или Pocket - Size) - миниатюрные компьютеры, которые очень близки по своим возможностям к ручным ПК, но еще меньше по размеру.

3) специализированные ПК - представляют собой миниатюрные компьютеры. Среди специализированных миниатюрных ПК можно выделить:

• электронные органайзеры (electronic organazers) и персональные цифровые секретары (personal Digital Assistant - PDA) - миниатюрные специализированные ПК, весом менее 500 грамм, предназначенные для организации и планирования индивидуальной деятельности любого человека, с возможностью ведения личных баз данных, формирования сообщений и отправки их нужному адресату;

• программные калькуляторы (Programmable Calculators) - миниатюрный компьютер, предназначенный для специализированной обработки научной и/или бизнес - информации, имеющий собственный язык программирования;

• калькуляторы (Calculators) - наименьшие, массовые, широкоиспользуемые ПК, специализированные на выполнение определенных видов вычислений (основные математические операции, несложные инженерные, технические и экономические расчеты и т.д.);

• электронные игры (Calculator/computer - electronic games) - миниатюрный специализированный компьютер или калькулятор, реализующий функции одной или нескольких игр.

Класс самых миниатюрных ПК, которые в последнее время получили название “микросы” (Micros), постоянно расширяется с одновременным процессами и их дальнейшей миниатюризации, повышения мощности и наделения новыми функциональными возможностями.

4) "перьевые”, планшетные ПК (Penbased или Tablets) - ПЭВМ со специализированным набором функций, управляемые при помощи специального “пера” (перьевого манипулятора). Среди “перьевых”, планшетных ПК имеются ПЭВМ, размером ручных, карманных и калькуляторов. Наиболее широко возможность управления при помощи пера используется в персональных цифровых ассистентах PDA.

ПК составляют самый широко используемый класс ЭВМ. При этом область их применения постоянно расширяется, увеличивается их мощность, или придаются все новые и новые функции. При объединении в сети ПК обеспечивают возможность многочисленным пользователям и информационным работникам обмениваются данными, информацией, знаниями, осуществлять доступ к национальным и мировым информационным ресурсам. Несмотря на это, ПК имеют существенные ограничения по решению больших экономических задач, обработки больших объемов экономической информации, а иногда и по скорости вычислений. Многие проблемы, связанные с такими ограничениями можно решить при совместном использовании ПК и ЭВМ более высокого уровня, которые рассматриваются ниже.

Отдельное место среди микрокомпьютеров занимают так называемые однопользовательские рабочие станции - микро-ЭВМ, более мощная, чем микро-ЭВМ, относимая к классу персональных компьютеров, подключенная к вычислительной системе или сети и предназначенная для выполнения работ определенного типа.

4.3. Миникомпьютеры (компьютеры среднего класса) К этому классу относятся мини и малые ЭВМ, а также ЭВМ так называемого среднего класса или средние ЭВМ (Minicomputers или Midrange). Часто их называют серверами (server), так как они используются в качестве ЭВМ, выполняющих определенные функции по обслуживанию многочисленных пользователей (обычно от 2 до 32, для мини-ЭВМ, от 32 до 128 - для среднего класса).

Мини-компьютеры и ЭВМ среднего класса дороже по цене, детальнее и больше любой ПЭВМ по размерам.

Они обычно используются для автоматизации управления, решения экономических задач и в качестве сетевых серверов в средних и больших субъектах экономики информационного общества и в соответствующих многопользовательских информационных системах, связывающих большие объемы информации и значительное число информационных работников. Наиболее мощные ПЭВМ могут также использоваться в качестве серверов.

4.4. Большие ЭВМ и суперкомпьютеры Большие ЭВМ (Main fraims) так называемые суперкомпьютеры (Supercomputers) значительно дороже по цене (средняя стоимость до млн. долларов) больше по размеру и производительности, чем все остальные компьютеры, а количество пользователей от 128- (для больших ЭВМ) и неограниченно для суперкомпьютеров.

Большие ЭВМ представляют собой универсальные компьютеры общего назначения, либо высокоскоростные ЭВМ для научных исследований, средняя стоимость которых достигает 1 млн. долларов. В экономике такие компьютеры используются в основном на самом высоком уровне управления экономикой информационного общества, а также в качестве серверов в системах массового обслуживания (например, системах бронирования и резервирования авиабилетов и туристических маршрутов, в банковских системах и т.д.). К этому классу серверов относятся и некоторые наиболее мощные компьютеры среднего класса.

Суперкомпьютеры представляют собой универсальные ЭВМ, в основном предназначенные для решения задач, требующих очень длительных и очень сложных вычислений. Суперкомпьютеры могут выполнять миллиарды операций в секунду и используются для моделирования различных сложнейших явлений и процессов, происходящих в природе и информационном обществе, прогнозирования погоды и моделирования сложных химических и биологических систем, для исследования вселенной и изучения нейросетей человеческого мозга.

5. Характеристики ЭВМ Важнейшими характеристиками ЭВМ служат быстродействие и производительность. Эти характеристики сильно связаны, но их не следует смешивать. Быстродействие характеризуется числом определенного типа команд, выполняемых ЭВМ за одну секунду.

Производительность - это объем работ (например, число стандартных программ), выполняемый ЭВМ в единицу времени.

Определение характеристик быстродействия и производительности представляет собой очень сложную инженерную и научную задачу, до настоящего времени не имеющую единых подходов и методов решения. Основные трудности в решении данной задачи заключены в проблеме выбора: что и как измерять. Укажем лишь наиболее распространенные подходы.

Применительно к ПЭВМ в качестве относительной характеристики быстродействия используют значение тактовой частоты работы микропроцессора, считая, что более быстродействующая техника должна обеспечивать и более высокие показатели производительности. Однако практика измерений значений этих характеристик для разнотипных ЭВМ может дать противоречивые результаты. Другими из альтернативных единиц измерения быстродействия были и остаются величины, измеряемые в MIPS (Million Instructions Per Second - миллион операций в секунду) и в MFLOPS (Million Floating Point Operations Per Second - миллион операций с плавающей точкой в секунду). В качестве операций здесь обычно рассматриваются наиболее короткие операции типа сложения.

Они широко используются для оценки больших машин, но для оценки современных ПЭВМ применяется достаточно редко.

Для более точных комплексных оценок применяют специальные тестовые наборы, которые можно разделить на три группы:

- наборы тестов фирм-изготовителей для оценивания качества собственных изделий (например, компания Intel для своих микропроцессоров ввела показатель iCOMP-Intel Comparative Microprocessor Performance);

- стандартные универсальные тесты для ЭВМ, предназначенных для крупномасштабных вычислений (например, пакет математических задач Linpack, по которому ведется список ТОР 500, включающий 500 самых производительных компьютерных установок в мире);

- специализированные тесты для конкретных областей применения компьютеров (например, для тестирования ПК по критериям офисной группы приложений используется тест - Winstone99 - Business, для группы "домашних компьютеров" - WinBench99 - CPUMark32, группы ПК для профессиональной работы - 3DWinBench99 - UserScene).

Отметим, что результаты оценивания ЭВМ по различным тестам несопоставимы. Наборы тестов и области применения компьютеров должны быть адекватны.

Другой важнейшей характеристикой ЭВМ является емкость запоминающих устройств. Емкость памяти измеряется количеством структурных единиц информации, которое может одновременно находиться в памяти. Этот показатель позволяет определить, какой набор программ и данных может быть одновременно размещен в памяти.

Наименьшей структурной единицей информации является бит - одна двоичная цифра. Как правило, емкость памяти оценивается в более крупных единицах измерения - байтах (байт равен восьми битам).

Следующими единицами измерения служат 1Кбайт=210байта= байта, 1Мбайт=210Кбайта==220 байта, 1Гбайт=210Мбайта=220 Кбайта=230 байта.

Обычно отдельно характеризуют емкость оперативной памяти и емкость внешней памяти. Современные персональные ЭВМ могут иметь емкость оперативной памяти равную 64-256 Мбайтам и даже больше. Этот показатель очень важен для определения, какие программные пакеты и их приложения могут одновременно обрабатываться в машине.

Емкость внешней памяти зависит от типа носителя. Так, емкость одной дискеты составляет 1.2, 1.44, 2.88 Мбайта, в зависимости от типа дисковода и характеристик дискет. Емкость жесткого диска и дисков DVD может достигать нескольких десятков Гбайтов, емкость компакт диска (CD-ROM)- сотни Мбайтов (640Мбайт и выше) и т.д. Емкость внешней памяти характеризует объем программного обеспечения и отдельных программных продуктов, которые могут устанавливаться в ЭВМ. Например, для установки операционной среды Windows требуется объем памяти жесткого диска более 600Мбайт и не менее Мбайт оперативной памяти ЭВМ.

Надежность - это способность ЭВМ при определенных условиях выполнять требуемые функции в течение заданного периода времени (стандарт ISO (Международная организация стандартов) -2382/14-78).

Высокая надежность ЭВМ закладывается в процессе ее производства. Переход на новую элементную базу - сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) резко сокращает число используемых интегральных схем, а значит и число их соединений друг с другом.

Хорошо продуманы компоновка компьютера и обеспечение требуемых режимов работы (охлаждение, защита от пыли). Модульный принцип построения позволяет легко проверять и контролировать работу всех устройств, проводить диагностику и устранение неисправностей.

Точность - возможность различать почти равные значения (стандарт ISO - 2382/2-76). Точность получения результатов обработки в основном определяется разрядностью ЭВМ, которая в зависимости от класса ЭВМ может составлять 32, 64 и128 двоичных разрядов.

Во многих случаях применениях ЭВМ не требуется большой точности, например, при обрабатывании текстов и документов, при управлении технологическими процессами. В этом случае достаточно использовать 8-16-разрядные двоичные коды. При выполнении же сложных математических расчетов требуется использовать более высокую разрядность 32, 64 (и даже более). Для работы с такими данными используются соответствующие структурные единицы представления информации (байт, слово, двойное слово).

Программными способами диапазон представления и обработки данных может быть увеличен в несколько раз, что позволяет достигать очень высокой точности.

Достоверность - свойство информации быть правильно воспринятой. Достоверность характеризуется вероятностью получения безошибочных результатов. Заданный уровень достоверности обеспечивается аппаратно-программными средствами контроля самой ЭВМ. Возможны методы контроля достоверности путем решения эталонных задач и повторных расчетов. В особо ответственных случаях проводятся контрольные решения на других ЭВМ и сравнение результатов.

6. Принципы построения ЭВМ Основные принципы построения ЭЦВМ были сформулированы в 1947г Дж.фон-Нейманом и сохранили свое значение до настоящего времени. Важнейшими из них являются следующие.

1 принцип Для хранения информации в ЭВМ служит память, для обработки информации - процессор.

2 принцип Иерархическое построение памяти ЭВМ: память состоит из нескольких запоминающих устройств (ЗУ), различающихся емкостью и быстродействием. Самое быстрое ЗУ - сверхоперативное (СОЗУ), имеющее емкость в несколько машинных слов (или нескольких десятков, редко - сотен или тысяч) и быстродействие, равное быстродействию процессора. Обычно СОЗУ размещается в кристалле микропроцессора. Это - одно из наиболее дорогих ЗУ.

Близка по быстродействию к СОЗУ основная память ЭВМ (ОП).

Ее объем превышает десятки тысяч байт. ОП является "полностью электронной" памятью, но выполняется на отдельных микросхемах, доступ микропроцессора к которым осуществляется через системную магистраль, в связи с чем время обращения к ней по сравнению с СОЗУ увеличивается в 2-10 раз.

Для хранения больших массивов информации и редко используемых программ служат внешние ЗУ (ВЗУ) - накопители. В зависимости от конструкции носителя информации получили распространение ВЗУ трех типов: накопители на жестком магнитном диске (НМД), накопители на гибких магнитных дисках (НГМД) и накопители на магнитных лентах (НМЛ, в качестве которых часто используются стриммеры). Все они относятся к ЗУ электромеханического типа, в связи с чем для них характерна значительно меньшая скорость работы. Но емкость этих ЗУ значительно превышает емкость ОП, а стоимость их (в расчете на единицу информации) значительно ниже.

3 принцип Для внутреннего хранения и преобразования числовой информации должна использоваться двоичная система счисления. Для характеристики объема информации при этом используется двоичный символ - бит, который может принимать значения: 0 или 1.

При больших объемах и при выполнении специфических машинных операций используются производные от бита единицы информации:

- триада - 3 бита (используется для перевода из двоичной в восьмиричную систему счисления и обратно);

- тетрада - 4 бита (используется для перевода из двоичной в шестнадцатиричную систему счисления и обратно, и для представления шестнадцатиричных (Hexadecimal, или сокращенно - "Hex") цифр;

- байт - 8 бит (используется в большинстве ЭЦВМ в качестве основной единицы информации при размещении ее в запоминающих устройствах. Восьмибитная единица информации применяется для кодирования - т.е.

представления в виде двоичного числа - алфавитно цифровых символов, математических знаков, знаков пунктуации, символов псевдографики, и специальных управляющих символов, и позволяет закодировать различных символов. При работе только с шестнадцатиричными цифрами в одном байте размещается две тетрады, т.е. две шестнадцатиричных цифры).

При большом объеме запоминающего устройства применяются производные от байта единицы информации:

- 1 Кбайт = 1024 байта (здесь буква "К" является аналогом приставки "кило", которая в физике используется для укрупнения единицы в 1000 раз. Но десятичное число "1000" при переводе в двоичную систему счисления не является"круглым" числом (т.е.

не представляется единицей с нулями). Ближайшим "круглым" числом является десятичное 1024 - в двоичной системе счисления это 1 с десятью нулями);

- 1 Мбайт = 1024 Кбайт ( "М" эквивалентно приставке "мега" в физике);

- 1 Гбайт = 1024 Мбайт ( "Г" эквивалентно приставке "гига");

- 1 Тбайт = 1024 Гбайт ( "Т" эквивалентно приставке "терра").

При обработке информации применяются другие машинные единицы информации, являющиеся производными бита: машинное слово, полуслово и двойное слово. Но размер этой единицы зависит от типа применяемого процессора. Так в ЭЦВМ, построенных на микропроцессоре i80486 длина машинного слова - 32 бита или 4 байта (полуслова - 16 бит, двойного слова - 64 бита).

4 принцип Принцип адресности памяти: вся память разделена на ячейки, каждая из которых хранит одну единицу информации (чаще всего - байт, но может быть и слово, полуслово, двойное слово). Каждая ячейка имеет свой уникальный номер, который называется ее адресом. При обращении к памяти указывается адрес - т.е. номер ячейки, в которую нужно поместить или из которой нужно прочитать число.

5 принцип Арифметическое устройство ЭЦВМ должно строиться на основе единых схем для выполнения всех операций. В этом случае не требуется отдельных устройств для выполнения операций сложения, вычитания, умножения, и др., что сокращает объем оборудования и его стоимость.

6 принцип Принцип программного управления:

a) работой ЭВМ управляет программа, состоящая из отдельных команд;

b) программа размещается вместе с данными в основной памяти ЭВМ;

c) каждая команда хранится в отдельной ячейке памяти (или группе смежных ячеек) и имеет свой адрес;

d) все команды имеют одинаковую структуру. Они состоят из двух частей: кода операции и адресной части.

Код операции определяет, какую команду нужно выполнить. Адресная часть определяет, где хранятся операнды - т.е. обрабатываемые данные, и куда необходимо поместить результат операции.

В зависимости от количества используемых в команде операндов различаются одно-, двух-, трех-, четырехадресные, и безадресные команды.

В одноадресных командах указывается, где находится один из двух обрабатываемых операндов. Второй операнд должен быть помещен заранее в арифметическом устройстве (для этого в систему команд вводятся специальные команды пересылки данных между устройствами).

В двухадресных командах оба операнда перед выполнением операции находятся в памяти, поэтому их адреса указываются в команде. После выполнения команды в один из этих адресов засылается результат, а находившийся там операнд теряется.

В трехадресных командах два адреса указывают, где находятся исходные операнды, а третий - куда необходимо поместить результат.

В четырехадресных командах три адреса используются для указания исходных операндов и результата, а четвертый - для указания адреса следующей команды.

В безадресных командах обычно обрабатывается один операнд, который до и после операции находится в арифметическом устройстве (в память не пересылается). Кроме того, безадресные команды используются для выполнения служебных операций (очистить экран, заблокировать клавиатуру, снять блокировку, и др.).

e) все команды программы выполняются последовательно, команда за командой, в том порядке, как они записаны в памяти ЭВМ (естественный порядок следования команд). Этот порядок характерен для линейных программ, т.е. программ, не содержащих разветвлений.

Для организации разветвлений, циклического выполнения участков программы, есть команды, нарушающие естественный порядок. К ним относятся: безусловная передача управления (или "безусловный переход"), условная передача управления (т.е. переход, если выполняется заданное условие), обращение к подпрограмме (т.е.

"переход с возвратом"), циклические операции. Кроме того, естественный порядок следования команд не соблюдается в машинах, использующих четырехадресные команды - в этом случае некоторые из команд передачи управления упраздняются.

При явном указании адреса следующей команды реализуется "принудительный" порядок следования команд. Он возможен только если программа размещается в доступной процессору части основной памяти. Поскольку при этом команды (с точки зрения процессора) ничем не отличаются от данных, в процессе выполнения программы ее команды можно изменять (модифицировать), что повышает гибкость программирования и универсальность ЭВМ.

7. Базовая аппаратная конфигурация ПЭВМ Персональный компьютер - универсальная техническая система.

Его конфигурацию (состав оборудования) можно гибко изменять по мере необходимости. Тем не менее, существует понятие базовой конфигурации, которую считают типовой. В таком комплекте компьютер обычно поставляется. Понятие базовой конфигурации может меняться.

В настоящее время в базовой конфигурации рассматривают четыре устройства:

• системный блок;

• монитор;

• клавиатуру;

• мышь.

7.1. Системный блок Системный блок представляет собой основной узел, внутри которого установлены наиболее важные компоненты. Устройства, находящиеся внутри системного блока, называют внутренними, а устройства, подключаемые к нему снаружи, называют внешними.

Внешние дополнительные устройства, предназначенные для ввода, вывода и длительного хранения данных, также называют периферийными.

По внешнему виду системные блоки различаются формой корпуса. Корпуса персональных компьютеров выпускают в горизонтальном (desktop) и вертикальном (tower) исполнении. Корпуса, имеющие вертикальное исполнение, различают по габаритам:

полноразмерный (big tower), среднеразмерный (midi tower) и малораз мерный {mini tower). Среди корпусов, имеющих горизонтальное исполнение, выделяют плоские и особо плоские (slim).

Кроме формы, для корпуса важен параметр, называемый форм фактором. От него зависят требования к размещаемым устройствам. В настоящее время в основном используются корпуса двух форм факторов: АТ и АТХ. Форм-фактор корпуса должен быть обязательно согласован с форм-фактором главной (системной) платы компьютера, так называемой материнской платы.

Корпуса персональных компьютеров поставляются вместе с блоком питания и, таким образом, мощность блока питания также является одним из параметров корпуса. Для массовых моделей достаточной является мощность блока питания 200-250 Вт.

Рассмотри внутренние устройства системного блока.

7.1.1. Материнская плата - общие сведения Материнская плата - основная плата персонального компьютера.

На ней размещаются:

• процессор - основная микросхема, выполняющая большинство математических и логических операций;

• микропроцессорный комплект (чипсет) - набор микросхем, управляющих работой внутренних устройств компьютера и определяющих основные функциональные возможности материнской платы;

• шины - наборы проводников, по которым происходит обмен сигналами между внутренними устройствами компьютера;

• оперативная память (оперативное запоминающее устройство, ОЗУ) - набор микросхем, предназначенных для временного хранения данных, когда компьютер включен;

• ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) - микросхема, предназначенная для длительного хранения данных, в том числе и когда компьютер выключен;

• разъемы для подключения дополнительны устройств (слоты).

7.1.2. Системы, расположенные на материнской плате Оперативная память Оперативная память (RAM — RandomAccess Memory) — это массив кристаллических ячеек, способных хранить данные. Существует много различных типов оперативной памяти, но с точки зрения физического принципа действия различают динамическую память (DRAM) и статическую память (SRAM).

Ячейки динамической памяти (DRAM) можно представить в виде микроконденсаторов, способных накапливать заряд на своих обкладках.

Это наиболее распространенный и экономически доступный тип памяти.

Недостатки этого типа связаны, во-первых, с тем, что как при заряде, так и при разряде конденсаторов неизбежны переходные процессы, то есть запись данных происходит сравнительно медленно. Второй важный недостаток связан с тем, что заряды ячеек имеют свойство рассеиваться в пространстве, причем весьма быстро. Если оперативную память постоянно не «подзаряжать», утрата данных происходит через несколько сотых долей секунды. Для борьбы с этим явлением в компьютере происходит постоянная регенерация (освежение, подзарядка) ячеек оперативной памяти. Регенерация осуществляется несколько десятков раз в секунду и вызывает непроизводительный расход ресурсов вычислительной системы.

Ячейки статической памяти (SRAM) можно представить как электронные микроэлементы — триггеры, состоящие из нескольких транзисторов. В триггере хранится не заряд, а состояние (включен/выключен), поэтому этот тип памяти обеспечивает более высокое быстродействие, хотя технологически он сложнее и, соответственно, дороже.

Микросхемы динамической памяти используют в качестве основной оперативной памяти компьютера. Микросхемы статической памяти используют в качестве вспомогательной памяти (так называемой кэш-памяти), предназначенной для оптимизации работы процессора.

Каждая ячейка памяти имеет свой адрес, который выражается числом. В настоящее время в процессорах Intel Pentium и некоторых других принята 32-разрядная адресация, а это означает, что всего независимых адресов может быть 232. Таким образом, в современных компьютерах возможна непосредственная адресация к полю памяти размером 232 = 4 294 967 296 байт (4,3 Гбайт). Однако это отнюдь не означает, что именно столько оперативной памяти непременно должно быть в компьютере. Предельный размер поля оперативной памяти, установленной в компьютере, определяется микропроцессорным комплектом (чипсетом) материнской платы и обычно составляет несколько сот Мбайт.

Одна адресуемая ячейка содержит восемь двоичных ячеек, в которых можно сохранить 8 бит, то есть один байт данных. Таким образом, адрес любой ячейки памяти можно выразить четырьмя байтами.

Представление о том, сколько оперативной памяти должно быть в типовом компьютере, непрерывно меняется. В середине 80-х годов поле памяти размером 1 Мбайт казалось огромным, в начале 90-х годов достаточным считался объем 4 Мбайт, к середине 90-х годов он увеличился до 8 Мбайт, а затем и до 16 Мбайт. Сегодня типичным считается размер оперативной памяти 32-64 Мбайт, но очень скоро эта величина будет превышена в 2-4 раза даже для моделей массового потребления.

Оперативная память в компьютере размещается на стандартных панельках, называемых модулями. Модули оперативной памяти вставляют в соответствующие разъемы на материнской плате. Если к разъемам есть удобный доступ, то операцию можно выполнять своими руками. Если удобного доступа нет, может потребоваться неполная разборка узлов системного блока, и в таких случаях операцию поручают специалистам.

Конструктивно модули памяти имеют два исполнения — однорядные (SIMM-модули) и двухрядные (DIMM-модули). На компьютерах с процессорами Pentium однорядные модули можно применять только парами (количество разъемов для их установки на материнской плате всегда четное), а DIMM-модули можно устанавливать по одному. Многие модели материнских плат имеют разъемы как того, так и другого типа, но комбинировать на одной плате модули разных типов нельзя.

Основными характеристиками модулей оперативной памяти являются объем памяти и время доступа. SIMM-модули поставляются объемами 4,8,16,32 Мбайт, а DIMM-модули — 16,32,64,128 Мбайт и более. Время доступа показывает, сколько времени необходимо для обращения к ячейкам памяти — чем оно меньше, тем лучше. Время доступа измеряется в миллиардных долях секунды (наносекундах, нс).

Типичное время доступа к оперативной памяти для SIMM-модулей — 50 70 нс. Для современных DIMM-модулеи оно составляет 7-10 нс.

Процессор Процессор — основная микросхема компьютера, в которой и производятся все вычисления. Конструктивно процессор состоит из ячеек, похожих на ячейки оперативной памяти, но в этих ячейках данные могут не только храниться, но и изменяться. Внутренние ячейки процессора называют регистрами. Важно также отметить, что данные, попавшие в некоторые регистры, рассматриваются не как данные, а как команды, управляющие обработкой данных в других регистрах. Среди регистров процессора есть и такие, которые в зависимости от своего содержания способны модифицировать исполнение команд. Таким образом, управляя засылкой данных в разные регистры процессора, можно управлять обработкой данных. На этом и основано исполнение программ.

С остальными устройствами компьютера, и в первую очередь с оперативной памятью, процессор связан несколькими группами проводников, называемых шинами. Основных шин три: шина данных, адресная шина и командная шина.

Шины Адресная шина. У процессоров Intel Pentium (а именно они наиболее распространены в персональных компьютерах) адресная шина 32-разрядная, то есть состоит из 32 параллельных линий. В зависимости от того, есть напряжение на какой-то из линий или нет, говорят, что на этой линии выставлена единица или ноль. Комбинация из 32 нулей и единиц образует 32-разрядный адрес, указывающий на одну из ячеек оперативной памяти. К ней и подключается процессор для копирования данных из ячейки в один из своих регистров.

Шина данных. По этой шине происходит копирование данных из оперативной памяти в регистры процессора и обратно. В компьютерах, собранных на базе процессоров Intel Pentium, шина данных 64 разрядная, то есть состоит из 64 линий, по которым за один раз на обработку поступают сразу 8 байтов.

Шина команд. Для того чтобы процессор мог обрабатывать данные, ему нужны команды. Он должен знать, что следует сделать с теми байтами, которые хранятся в его регистрах. Эти команды поступают в процессор тоже из оперативной памяти, но не из тех областей, где хранятся массивы данных, а оттуда, где хранятся программы. Команды тоже представлены в виде байтов. Самые простые команды укладываются в один байт, однако, есть и такие, для которых нужно два, три и более байтов. В большинстве современных процессоров шина команд 32-разрядная (например, в процессоре Intel Pentium), хотя существуют 64-разрядные процессоры и даже 128 разрядные.

Система команд процессора В процессе работы процессор обслуживает данные, находящиеся в его регистрах, в поле оперативной памяти, а также данные, находящиеся во внешних портах процессора. Часть данных он интерпретирует непосредственно как данные, часть данных — как адресные данные, а часть — как команды. Совокупность всех возможных команд, которые может выполнить процессор над данными, образует так называемую систему команд процессора. Процессоры, относящиеся к одному семейству, имеют одинаковые или близкие системы команд. Про цессоры, относящиеся к разным семействам, различаются по системе команд и невзаимозаменяемы.

Процессоры с расширенной и сокращенной системой команд Чем шире набор системных команд процессора, тем сложнее его архитектура, тем длиннее формальная запись команды (в байтах), тем выше средняя продолжительность исполнения одной команды, измеренная в тактах работы процессора. Так, например, система команд процессоров Intel Pentium в настоящее время насчитывает более тысячи различных команд. Такие процессоры называют процессорами с расши ренной системой команд — CISC-процессорами (CISC — Complex Instruction Set Computing).

В противоположность СISC-процессорам в середине 80-х годов появились процессоры архитектуры RISC с сокращенной системой команд (RISC — Reduced Instruction Set Computing). При такой архитектуре количество команд в системе намного меньше, и каждая из них выполняется намного быстрее. Таким образом, программы, состоя щие из простейших команд, выполняются этими процессорами много быстрее. Оборотная сторона сокращенного набора команд состоит в том, что сложные операции приходится эмулировать далеко не эффективной последовательностью простейших команд сокращенного набора.

В результате конкуренции между двумя подходами к архитектуре процессоров сложилось следующее распределение их сфер применения:

• CISC-процессоры используют в универсальных вычислительных системах;

• RISC-npoцеccopы используют в специализированных вычислительных системах или устройствах, ориентированных на выполнение единообразных операций.

Для персональных компьютеров платформы IBM PC долгое время выпускались только CZyC-процессоры, к которым относятся и все процессоры семейства Intel Pentium. Однако в последнее время компания AMD приступила к выпуску процессоров семейства AMD-K6, в основе которых лежит внутреннее ядро, выполненное по RISC архитектуре, и внешняя структура, выполненная по архитектуре CISC.

Таким образом, сегодня появились процессоры, совместимые по системе команд с процессорами х86, но имеющие гибридную архитектуру.

Совместимость процессоров Если два процессора имеют одинаковую систему команд, то они полностью совместимы на программном уровне. Это означает, что программа, написанная для одного процессора, может исполняться и другим процессором. Процессоры, имеющие разные системы команд, как правило, несовместимы или ограниченно совместимы на программном уровне.

Группы процессоров, имеющих ограниченную совместимость, рассматривают как семейства процессоров. Так, например, все процессоры Intel Pentium относятся к так называемому семейству х86.

Родоначальником этого семейства был 16-разрядный процессор Intel 8086, на базе которого собиралась первая модель компьютера IBM PC.

Впоследствии выпускались процессоры Intel 80286, Intel 80386, Intel 80486, Intel Pentium 60,66.75,90,100.133;

несколько моделей процессоров Intel Pentium MMX, модели Intel Pentium Pro, Intel Pentium II, Intel Celeron, Intel Xeon, Intel Pentium III и другие. Все эти модели, и не только они, а также многие модели процессоров компаний AMD и Cyrix относятся к семейству х86 и обладают совместимостью по принципу «сверху вниз».

Принцип совместимости «сверху вниз» — это пример неполной совместимости, когда каждый новый процессор «понимает» все команды своих предшественников, но не наоборот. Это естественно, поскольку двадцать лет назад разработчики процессоров не могли предусмотреть систему команд, нужную для современных программ.

Благодаря такой совместимости на современном компьютере можно выполнять любые программы, созданные в последние десятилетия для любого из предшествующих компьютеров, принадлежащего той же аппаратной платформе.

Основные параметры процессоров Основными параметрами процессоров являются: рабочее напряжение, разрядность, рабочая тактовая частота, коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты и размер кэш-памяти.

Рабочее напряжение процессора обеспечивает материнская плата, поэтому разным маркам процессоров соответствуют разные материнские платы (их надо выбирать совместно). По мере развития процессорной техники происходит постепенное понижение рабочего напряжения. Ранние модели процессоров х86 имели рабочее напряжение 5 В. С переходом к процессорам Intel Pentium оно было понижено до 3, В, а в настоящее время оно составляет менее 3 В. Причем ядро процессора питается пониженным напряжением 2,2 В. Понижение рабочего напряжения позволяет уменьшить расстояния между структурными элементами в кристалле процессора до десятитысячных долей миллиметра, не опасаясь электрического пробоя. Пропор ционально квадрату напряжения уменьшается и тепловыделение в процессоре, а это позволяет увеличивать его производительность без угрозы перегрева.

Разрядность процессора показывает, сколько бит данных он может принять и обработать в своих регистрах за один раз (за один такт). Первые процессоры х86 были 16-разрядными. Начиная с процессора 80386 они имеют 32-разрядную архитектуру. Современные процессоры семейства Intel Pentium остаются 32-разрядными, хотя и работают с 64-разрядной шиной данных (разрядность процессора определяется не разрядностью шины данных, а разрядностью командной шины).

В основе работы процессора лежит тот же тактовый принцип, что и в обычных часах. Исполнение каждой команды занимает определенное количество тактов. В настенных часах такты колебаний задает маятник;

в ручных механических часах их задает пружинный маятник;

в электронных часах для этого есть колебательный контур, задающий такты строго определенной частоты. В персональном компьютере тактовые импульсы задает одна из микросхем, входящая в микропроцессорный комплект (чипсет), расположенный на материнской плате. Чем выше частота тактов, поступающих на процессор, тем больше команд он может исполнить в единицу времени, тем выше его производительность. Первые процессоры х86 могли работать с частотой не выше 4,77 МГц, а сегодня рабочие частоты некоторых процессоров уже превосходят 500 миллионов тактов в секунду (500 МГц).

Тактовые сигналы процессор получает от материнской платы, которая, в отличие от процессора, представляет собой не кристалл кремния, а большой набор проводников и микросхем. По чисто физическим причинам материнская плата не может работать со столь высокими частотами, как процессор. Сегодня ее предел составляет 100 133 МГц. Для получения более высоких частот в процессоре происходит внутреннее умножение частоты на коэффициент 3;

3,5;

4;

4,5;

5 и более.

Сверхоперативная память Обмен данными внутри процессора происходит в несколько раз быстрее, чем обмен с другими устройствами, например с оперативной памятью. Для того чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают буферную область — так называемую кэш-память. Это как бы «сверхоперативная память».

Когда процессору нужны данные, он сначала обращается в кэш-память, и только если там нужных данных нет, происходит его обращение в оперативную память. Принимая блок данных из оперативной памяти, процессор заносит его одновременно и в кэш-память. «Удачные» обращения в кэш-память называют попаданиями в кэш. Процент попаданий тем выше, чем больше размер кэш-памяти, поэтому высокопроизводительные процессоры комплектуют повышенным объемом кэш-памяти.

Нередко кэш-память распределяют по нескольким уровням. Кэш первого уровня выполняется в том же кристалле, что и сам процессор, и имеет объем порядка десятков Кбайт. Кэш второго уровня находится либо в кристалле процессора, либо в том же узле, что и процессор, хотя и исполняется на отдельном кристалле. Кэш-память первого и второго уровня работает на частоте, согласованной с частотой ядра процессора.

Кэш-память третьего уровня выполняют на быстродействующих микросхемах типа SRAM и размещают на материнской плате вблизи процессора. Ее объемы могут достигать нескольких Мбайт, но работает она на частоте материнской платы.

Микросхема ПЗУ и система BIOS В момент включения компьютера в его оперативной памяти нет ничего — ни данных, ни программ, поскольку оперативная память не может ничего хранить без подзарядки ячеек более сотых долей секунды, но процессору нужны команды, в том числе и в первый момент после включения.

Поэтому сразу после включения на адресной шине процессора выставляется стартовый адрес. Это происходит аппаратно, без участия программ (всегда одинаково). Процессор обращается по выставленному адресу за своей первой командой и далее начинает работать по программам.

Этот исходный адрес не может указывать на оперативную память, в которой пока ничего нет. Он указывает на другой тип памяти — постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Микросхема ПЗУ способна длительное время хранить информацию, даже когда компьютер выключен. Программы, находящиеся в ПЗУ, называют «зашитыми» — их записывают туда на этапе изготовления микросхемы.

Комплект программ, находящихся в ПЗУ, образует базовую систему ввода-вывода (BIOS — Basic Input Output System). Основное назначение программ этого пакета состоит в том, чтобы проверить состав и работоспособность компьютерной системы и обеспечить взаимодействие с клавиатурой, монитором, жестким диском и диско водом гибких дисков. Программы, входящие в BIOS, позволяют нам наблюдать на экране диагностические сообщения, сопровождающие запуск компьютера, а также вмешиваться в ход запуска с помощью клавиатуры.

Энергонезависимая память CMOS Выше мы отметили, что работа таких стандартных устройств, как клавиатура, может обслуживаться программами, входящими в BIOS, но такими средствами нельзя обеспечить работу со всеми возможными устройствами. Так, например, изготовители BIOS абсолютно ничего не знают о параметрах наших жестких и гибких дисков, им не известны ни состав, ни свойства произвольной вычислительной системы. Для того чтобы начать работу с другим оборудованием, программы, входящие в состав BIOS, должны знать, где можно найти нужные параметры. По очевидным причинам их нельзя хранить ни в оперативной памяти, ни в постоянном запоминающем устройстве.

Специально для этого на материнской плате есть микросхема «энергонезависимой памяти», по технологии изготовления называемая CMOS. От оперативной памяти она отличается тем, что ее содержимое не стирается во время выключения компьютера, а от ПЗУ она отличается тем, что данные в нее можно заносить и изменять самостоятельно, в соответствии с тем. какое оборудование входит в состав системы. Эта микросхема постоянно подпитывается от небольшой батарейки, расположенной на материнской плате. Заряда этой батарейки хватает на то, чтобы микросхема не теряла данные, даже если компьютер не будут включать несколько лет.

В микросхеме CMOS хранятся данные о гибких и жестких дисках, о процессоре, о некоторых других устройствах материнской платы. Тот факт, что компьютер четко отслеживает время и календарь (даже и в выключенном состоянии), тоже связан с тем, что показания системных часов постоянно хранятся (и изменяются) в CMOS.

Таким образом, программы, записанные в BIOS, считывают данные о составе оборудования компьютера из микросхемы CMOS, после чего они могут выполнить обращение к жесткому диску, а в случае необходимости и к гибкому, и передать управление тем программам, которые там записаны.

Шинные интерфейсы материнской платы Связь между всеми собственными и подключаемыми устройствами материнской платы выполняют ее шины и логические устройства, размещенные в микросхемах микропроцессорного комплекта (чипсета). От архитектуры этих элементов во многом зависит производительность компьютера.

ISA Историческим достижением компьютеров платформы IBM PC стало внедрение почти двадцать лет назад архитектуры, получившей статус промышленного стандарта ISA (Industry Standard Architecture).

Она не только позволила связать все устройства системного блока между собой, но и обеспечила простое подключение новых устройств через стандартные разъемы (слоты). Пропускная способность шины, выполненной по такой архитектуре, составляет до 5,5 Мбайт/с, но, несмотря на низкую пропускную способность, эта шина продолжает использоваться в компьютерах для подключения сравнительно «медленных» внешних устройств, например звуковых карт и модемов.

EISA Расширением стандарта ISA стал стандарт EISA (Extended ISA), отличающийся увеличенным разъемом и увеличенной производительностью (до 32 Мбайт/с). Как и ISA, в настоящее время данный стандарт считается устаревшим. После 2000 года выпуск материнских плат с разъемами ISA/EISA и устройств, подключаемых к ним, прекращается.

VLB Название интерфейса переводится как локальная шина стандарта VESA ( VESA Local Bus). Понятие «локальной шины» впервые появилось в конце 80-х годов. Оно связано тем, что при внедрении процессоров третьего и четвертого поколений (Intel 80386 и Intel 80486) частоты основной шины (в качестве основной использовалась шина ISA/EISA) стало недостаточно для обмена между процессором и оперативной памятью. Локальная шина, имеющая повышенную частоту, связала между собой процессор и память в обход основной шины. Впоследствии в эту шину «врезали» интерфейс для подключения видеоадаптера, который тоже требует повышенной пропускной способности, — так появился стандарт VLB, который позволил поднять тактовую частоту локальной шины до 50 МГц и обеспечил пиковую пропускную способность до 130 Мбайт/с.

Основным недостатком интерфейса VLB стало то, что предельная частота локальной шины и, соответственно, ее пропускная способность зависят от числа устройств, подключенных к шине. Так, например, при частоте 50 Мц к шине может быть подключено только одно устройство (видеокарта). Для сравнения скажем, что при частоте 40 Мгц возможно подключение двух, а при частоте 33 Мгц — трех устройств.

PCI Интерфейс PCI (Peripheral Component Interconnect — стандарт подключения внешних компонентов) был введен в персональных компьютерах, выполненных на базе процессоров Intel Pentium. По своей сути это тоже интерфейс локальной шины, связывающей процессор с оперативной памятью, в которую врезаны разъемы для подключения внешних устройств. Для связи с основной шиной компьютера (ISA/ EISA) используются специальные интерфейсные преобразователи — мосты PCI (PCI Bridge). В современных компьютерах функции моста PCI выполняют микросхемы микропроцессорного комплекта (чипсета).

Данный интерфейс поддерживает частоту шины 33 МГц и обеспечивает пропускную способность 132 Мбайт/с. Последние версии интерфейса поддерживают частоту до 66 МГц и обеспечивают производительность 264 Мбайт/с для 32-разрядных данных и Мбайт/с для 64-разрядных данных.

Важным нововведением, реализованным этим стандартом, стала поддержка так называемого режима plug-and-play, впоследствии оформившегося в промышленный стандарт на самоустанавливающиеся устройства. Его суть состоит в том, что после физического подключения внешнего устройства к разъему шины PC/происходит обмен данными между устройством и материнской платой, в результате которого устройство автоматически получает номер используемого прерывания, адрес порта подключения и номер канала прямого доступа к памяти.

Конфликты между устройствами за обладание одними и теми же ресурсами (номерами прерываний, адресами портов и каналами прямого доступа к памяти) вызывают массу проблем у пользователей при установке устройств, подключаемых к шине ISA. С появлением интерфейса РС1и с оформлением стандарта plug-and-play появилась возможность выполнять установку новых устройств с помощью авто матических программных средств — эти функции во многом были возложены на операционную систему.

FSB Шина PCI, появившаяся в компьютерах на базе процессоров Intel Pentium как локальная шина, предназначенная для связи процессора с оперативной памятью, недолго оставалась в этом качестве. Сегодня она используется только как шина для подключения внешних устройств, а для связи процессора и памяти, начиная с процессора Intel Pentium Pro используется специальная шина, получившая название front Side Bus (FSB). Эта шина работает на очень высокой частоте 100-125 МГц. В настоящее время внедряются материнские платы с частотой шины FSB 133 МГц и ведутся разработки плат с частотой до 200 МГц. Частота шины FSB является одним из основных потребительских параметров — именно он и указывается в спецификации материнской платы.

Пропускная способность шины FSB при частоте 100 МГц составляет порядка 800 Мбайт/с.

AGP Видеоадаптер — устройство, требующее особенно высокой скорости передачи данных. Как при внедрении локальной шины VLB, так и при внедрении локальной шины PCI видеоадаптер всегда был первым устройством, «врезаемым» в новую шину. Сегодня параметры шины PCI уже не соответствуют требованиям видеоадаптеров, поэтому для них разработана отдельная шина, получившая название AGP (Advanced Graphic Port — усовершенствованный графический порт).

Частота этой шины соответствует частоте шины PCI (33 МГц или МГц), но она имеет много более высокую пропускную способность — до 1066 Мбайт/с (в режиме четырехкратного умножения).

PCMCIA PCMCIA (Personal Computer Метолу Card International Association — стандарт международной ассоциации производителей плат памяти для персональных компьютеров). Этот стандарт определяет интерфейс подключения плоских карт памяти небольших размеров и используется в портативных персональных компьютерах.

USB USB (Universal Serial Bus —универсальная последовательная магистраль). Это одно из последних нововведений в архитектурах материнских плат. Этот стандарт определяет способ взаимодействия компьютера с периферийным оборудованием. Он позволяет подключать до 256 различных устройств, имеющих последовательный интерфейс.

Устройства могут включаться цепочками (каждое следующее устройство подключается к предыдущему). Производительность шины USB относительно невелика и составляет до 1,5 Мбит/с, но для таких устройств, как клавиатура, мышь, модем, джойстик и т. п., этого достаточно. Удобство шины состоит в том, что она практически исключает конфликты между различным оборудованием, позволяет подключать и отключать устройства в -«горячем режиме» (не выключая компьютер) и позволяет объединять несколько компьютеров в простейшую локальную сеть без применения специального оборудования и программного обеспечения.

Функции микропроцессорного комплекта (чипсета) Параметры микропроцессорного комплекта (чипсета) в наибольшей степени определяют свойства и функции материнской платы. В настоящее время большинство чипсетов материнских плат выпускаются на базе двух микросхем, получивших название «северный мост» и «южный мост».

«Северный мост» управляет взаимосвязью четырех устройств:

процессора, оперативной памяти, порта AGP и шины PCI. Поэтому его также называют четырехпортовым контроллером.

«Южный мост» называют также функциональным контроллером. Он выполняет функции контроллера жестких и гибких дисков, функции моста ISA — PCI, контроллера клавиатуры, мыши, шины USB и т. п.

7.1.3. Жесткий диск Жесткий диск — основное устройство для долговременного хранения больших объемов данных и программ. На самом деле это не один диск, а группа соосных дисков, имеющих магнитное покрытие и вращающихся с высокой скоростью. Таким образом, этот <диск» имеет не две поверхности, как должно быть у обычного плоского диска, а 2п поверхностей, где п — число отдельных дисков в группе.

Над каждой поверхностью располагается головка, предназначенная для чтения-записи данных. При высоких скоростях вращения дисков (90 об/с) в зазоре между головкой и поверхностью образуется аэродинамическая подушка, и головка парит над магнитной поверхностью на высоте, составляющей несколько тысячных долей миллиметра. При изменении силы тока, протекающего через головку, происходит изменение напряженности динамического магнитного поля в зазоре, что вызывает изменения в стационарном магнитном поле ферромагнитных частиц, образующих покрытие диска. Так осуществляется запись данных на магнитный диск.

Операция считывания происходит в обратном порядке.

Намагниченные частицы покрытия, проносящиеся на высокой скорости вблизи головки, наводят в ней ЭДС самоиндукции. Электромагнитные сигналы, возникающие при этом, усиливаются и передаются на обработку.

Управление работой жесткого диска выполняет специальное аппаратно-логическое устройство — контроллер жесткого диска. В прошлом оно представляло собой отдельную дочернюю плату, которую подключали к одному из свободных слотов материнской платы. В настоящее время функции контроллеров дисков выполняют микросхемы, входящие в микропроцессорный комплект (чипсет), хотя некоторые виды высокопроизводительных контроллеров жестких дисков по-прежнему поставляются на отдельной плате.

К основным параметрам жестких дисков относятся емкость и производительность. Емкость дисков зависит от технологии их изготовления. В настоящее время большинство производителей жестких дисков используют изобретенную компанией IBM технологию с использованием гигантского магниторезистивного эффекта (GMR ~ Giant Magnetic Resistance). Теоретический предел емкости одной пластины, исполненной по этой технологии, составляет порядка Гбайт. В настоящее время достигнут технологический уровень 6,4 Гбайт на пластину, но развитие продолжается.

С другой стороны, производительность жестких дисков меньше зависит от технологии их изготовления. Сегодня все жесткие диски имеют очень высокий показатель скорости внутренней передачи данных (до 30-60 Мбайт/с), и потому их производительность в первую очередь зависит от характеристик интерфейса, с помощью которого они связаны с материнской платой. В зависимости от типа интерфейса разброс значений может быть очень большим: от нескольких Мбайт/с до 13- Мбайт/с для интерфейсов типа EIDE', до 80 Мбайт/с для интерфейсов типа SCSIv. от 50 Мбайт/с и более для наиболее современных интерфейсов типа IEEE 1394.

Кроме скорости передачи данных с производительностью диска напрямую связан параметр среднего времени доступа. Он определяет интервал времени, необходимый для поиска нужных данных, и зависит от скорости вращения диска. Для дисков, вращающихся с частотой об/мин, среднее время доступа составляет 9-10 мкс, для дисков с частотой 7200 об/мин — 7-8 мкс. Изделия более высокого уровня обеспечивают среднее время доступа к данным 5-6 мкс.

7.1.4. Дисковод гибких дисков Информация на жестком диске может храниться годами, однако иногда требуется ее перенос с одного компьютера на другой. Несмотря на свое название, жесткий диск является весьма хрупким прибором, чувствительным к перегрузкам, ударам и толчкам. Теоретически, переносить информацию с одного рабочего места на другое путем переноса жесткого диска возможно, и в некоторых случаях так и поступают, но все-таки этот прием считается нетехнологичным, поскольку требует особой аккуратности и определенной квалификации.

Для оперативного переноса небольших объемов информации используют так называемые гибкие магнитные диски (дискеты), которые вставляют в специальный накопитель — дисковод. Приемное отверстие накопителя находится на лицевой панели системного блока.

Правильное направление подачи гибкого диска отмечено стрелкой на его пластиковом кожухе.

Основными параметрами гибких дисков являются:

технологический размер (измеряется в дюймах), плотность записи (измеряется в кратных единицах) и полная емкость.

Первый компьютер IBM PC (родоначальник платформы) был выпущен в 1981 году. К нему можно было подключить внешний накопитель, использующий односторонние гибкие диски диаметром 5, дюйма. Емкость диска составляла 160 Кбайт. В следующем году появились аналогичные двусторонние диски емкостью 320 Кбайт.

Начиная с 1984 года выпускались гибкие диски 5,25 дюйма высокой плотности (1,2 Мбайт). В наши дни диски размером 5,25 дюйма не используются, и соответствующие дисководы в базовой конфигурации персональных компьютеров после 1994 года не поставляются.

Гибкие диски размером 3,5 дюйма выпускают с 1980 года.

Односторонний диск обычной плотности имел емкость Кбайт, двусторонний — 360 Кбайт, а двусторонний двойной плотности — 720 Кбайт. Ныне стандартными считают диски размером 3,5 дюйма высокой плотности. Они имеют емкость 1440 Кбайт (1,4 Мбайт) и маркируются буквами HD (high density — высокая плотность).

С нижней стороны гибкий диск имеет центральную втулку, которая захватывается шпинделем дисковода и приводится во вращение.

Магнитная поверхность прикрыта сдвигающейся шторкой для защиты от влаги, грязи и пыли. Если на гибком диске записаны ценные данные, его можно защитить от стирания и перезаписи, сдвинув защитную задвижку так, чтобы образовалось открытое отверстие. Для разрешения записи задвижку перемещают в обратную сторону и перекрывают отверстие. В некоторых случаях для безусловной защиты информации на диске задвижку выламывают физически, но и в этом случае разрешить запись на диск можно, если, например, заклеить образовавшееся отверстие тонкой полоской липкой ленты.

Гибкие диски считаются малонадежными носителями информации. Пыль, грязь, влага, температурные перепады и внешние электромагнитные поля очень часто становятся причиной частичной или полной утраты данных, хранившихся на гибком диске. Поэтому использовать гибкие диски в качестве основного средства хранения информации недопустимо. Их используют только для транспортировки информации или в качестве дополнительного (резервного) средства хранения.

7.1.5. Дисковод компакт-дисков CD-ROM В период 1994-1995 годах в базовую конфигурацию персональных компьютеров перестали включать дисководы гибких дисков диаметром 5,25 дюйма, но вместо них стандартной стала считаться установка дисковода CD-ROM, имеющего такие же внешние размеры.

Аббревиатура CD-ROM (Compact Disc Read-Only Memory) перево дится на русский язык как постоянное запоминающее устройство на основе компакт-диска. Принцип действия этого устройства состоит в считывании числовых данных с помощью лазерного луча, отражающегося от поверхности диска. Цифровая запись на компакт диске отличается от записи на магнитных дисках очень высокой плотностью, и стандартный компакт-диск может хранить примерно Мбайт данных.

Большие объемы данных характерны для мультимедийной информации (графика, музыка, видео), поэтому дисководы CD-ROM относят к аппаратным средствам мультимедиа. Программные продукты, распространяемые на лазерных дисках, называют мультимедийными изданиями. Сегодня мультимедийные издания завоевывают все более прочное место среди других традиционных видов изданий. Так, например, существуют книги, альбомы, энциклопедии и даже периодические издания (электронные журналы), выпускаемые на СD ROM.

Основным недостатком стандартных дисководов CD-ROM является невозможность записи данных, но параллельно с ними существуют и устройства однократной записи CD-R (Compact Disk Recorder), и устройства многократной записи CD-RW.

Основным параметром дисководов CD-ДОМявляется скорость чтения данных. Она измеряется в кратных долях. За единицу измерения принята скорость чтения в первых серийных образцах, составлявшая Кбайт/с. Таким образом, дисковод с удвоенной скоростью чтения обеспечивает производительность 300 Кбайт/с, с учетверенной скоростью — 600 Кбайт/с и т. д. В настоящее время наибольшее распространение имеют устройства чтения CD-ROM с производительностью 32х-48х. Современные образцы устройств однократной записи имеют производительность 4х-8х, а устройств многократной записи — до 4х.

7.1.6. Видеокарта (видеоадаптер) Совместно с монитором видеокарта образует видеоподсистему персонального компьютера. Видеокарта не всегда была компонентом ПК. На заре развития персональной вычислительной техники в общей области оперативной памяти существовала небольшая выделенная экранная область памяти, в которую процессор заносил данные об изображении. Специальный контроллер экрана считывал данные об яркости отдельных точек экрана из ячеек памяти этой области и в соответствии с ними управлял разверткой горизонтального луча электронной пушки монитора.

С переходом от черно-белых мониторов к цветным и с увеличением разрешения экрана (количества точек по вертикали и горизонтали) области видеопамяти стало недостаточно для хранения графических данных, а процессор перестал справляться с построением и обновлением изображения. Тогда и произошло выделение всех операций, связанных с управлением экраном, в отдельный блок, получивший название видеоадаптер. Физически видеоадаптер выполнен в виде отдельной дочерней платы, которая вставляется в один из слотов материнской платы и называется видеокартой. Видеоадаптер взял на себя функции видеоконтроллера, видеопроцессора и видеопамяти.

За время существования персональных компьютеров сменилось несколько стандартов видеоадаптеров: МОЛ (монохромный);

CGA ( цвета);

EGA (16 цветов);

VGA (256 цветов). В настоящее время применяются видеоадаптеры SVGA, обеспечивающие по выбору воспроизведение до 16,7 миллионов цветов с возможностью произ вольного выбора разрешения экрана из стандартного ряда значений (640х480, 800х600,1024х768,1152х864;

1280х1024 точек и далее).

Разрешение экрана является одним из важнейших параметров видеоподсистемы. Чем оно выше, тем больше информации можно отобразить на экране, но тем меньше размер каждой отдельной точки и, тем самым, тем меньше видимый размер элементов изображения.

Использование завышенного разрешения на мониторе малого размера приводит к тому, что элементы изображения становятся неразборчивыми и работа с документами и программами вызывает утомление органов зрения. Использование заниженного разрешения приводит к тому, что элементы изображения становятся крупными, но на экране их располагается очень мало. Если программа имеет сложную систему управления и большое число экранных элементов, они не пол ностью помещаются на экране. Это приводит к снижению производительности труда и неэффективной работе.

Таким образом, для каждого размера монитора существует свое оптимальное разрешение экрана, которое должен обеспечивать видеоадаптер (см табл. 1).

Таблица 1. Соответствие размера монитора разрешению экрана Размер монитора Оптимальное разрешение экрана 14 дюймов 640х 15 дюймов 800х 17 дюймов 1024х 19 дюймов 1280х Большинство современных прикладных и развлекательных программ рассчитаны на работу с разрешением экрана 800х600 и более.

Именно поэтому сегодня наиболее популярный размер мониторов составляет 15 дюймов.

Цветовое разрешение (глубина цвета) определяет количество различных оттенков, которые может принимать отдельная точка экрана.

Максимально возможное цветовое разрешение зависит от свойств видеоадаптера и, в первую очередь, от количества установленной на нем видеопамяти. Кроме того, оно зависит и от установленного разрешения экрана. При высоком разрешении экрана на каждую точку изображения приходится отводить меньше места в видеопамяти, так что информация о цветах вынужденно оказывается более ограниченной.

В зависимости от заданного экранного разрешения и глубины цвета необходимый объем видеопамяти можно определить по следующей формуле:

m * n *b P = где Р — необходимый объем памяти видеоадаптера;

т — горизонтальное разрешение экрана (точек);

п — вертикальное разрешение экрана (точек);

Ь — разрядность кодирования цвета (бит).

Минимальное требование по глубине цвета на сегодняшний день — 256 цветов, хотя большинство программ требуют не менее 65 тыс.

цветов (режим High Co/or). Наиболее комфортная работа достигается при глубине цвета 16,7 млн цветов (режим True Color).

Работа в полноцветном режиме True Color с высоким экранным разрешением требует значительных размеров видеопамяти.

Современные видеоадаптеры способны также выполнять функции обработки изображения, снижая нагрузку на центральный процессор ценой дополнительных затрат видеопамяти. Еще недавно типовыми считались видеоадаптеры с объемом памяти 2-4 Мбайт, но уже сегодня обычным считается объем 16 Мбайт.

Видеоускорение — одно из свойств видеоадаптера, которое заключается в том, что часть операций по построению изображений может происходить без выполнения математических вычислений в основном процессоре компьютера, а чисто аппаратным путем — преобразованием данных в микросхемах видеоускорителя. Видеоуско рители могут входить в состав видеоадаптера (в таких случаях говорят о том, что видеокарта обладает функциями аппаратного ускорения), но могут поставляться в виде отдельной платы, устанавливаемой на материнской плате и подключаемой к видеоадаптеру.

Различают два типа видеоускорителей — ускорители плоской (2D) и трехмерной (3D} графики. Первые наиболее эффективны для работы с прикладными программами (обычно офисного применения) и оптимизированы для операционной системы Windows, а вторые ориентированы на работу мультимедийных развлекательных программ, в первую очередь компьютерных игр и профессиональных программ обработки трехмерной графики. Обычно в этих случаях используют разные математические принципы автоматизации графических операций, но существуют ускорители, обладающие функциями и двумерного, и трехмерного ускорения.

7.1.7. Звуковая карта Звуковая карта явилась одним из наиболее поздних усовершенствований персонального компьютера. Она подключается к одному из слотов материнской платы в виде дочерней карты и выполняет вычислительные операции, связанные с обработкой звука, речи, музыки. Звук воспроизводится через внешние звуковые колонки, подключаемые к выходу звуковой карты. Специальный разъем позволяет отправить звуковой сигнал на внешний усилитель. Имеется также разъем для подключения микрофона, что позволяет записывать речь или музыку и сохранять их на жестком диске для последующей обработки и использования.

Основным параметром звуковой карты является разрядность, определяющая количество битов, используемых при преобразовании сигналов из аналоговой в цифровую форму и наоборот. Чем выше разрядность, тем меньше погрешность, связанная с оцифровкой, тем выше качество звучания. Минимальным требованием сегодняшнего дня являются 16 разрядов, а наибольшее распространение имеют 32 разрядные и 64-разрядные устройства.

В области воспроизведения звука наиболее сложно обстоит дело со стандартизацией. Отсутствие единых централизованных стандартов привело к тому, что ряд фирм, занимающихся выпуском звукового оборудования, де-факто ввели в широкое использование свои внутрифирменные стандарты. Так, например, во многих случаях стандартными считают устройства, совместимые с устройством SoundBlaster, торговая марка, которая принадлежит компании Creative Labs.

7.2. Монитор Монитор — устройство визуального представления данных. Это не единственно возможное, но главное устройство вывода. Его основными потребительскими параметрами являются: размер и шаг маски экрана, максимальная частота регенерации изображения, класс защиты.

Размер монитора измеряется между противоположными углами трубки кинескопа по диагонали. Единица измерения — дюймы.

Стандартные размеры: 14" (символ " означает дюйм) ;

15";

17";

19";

20";

21". В настоящее время наиболее универсальными являются мониторы размером 15 и 17 дюймов, а для операций с графикой желательны мониторы размером 19-21 дюйм.

Изображение на экране монитора получается в результате облучения люминофорного покрытия остронаправленным пучком электронов, разогнанных в вакуумной колбе. Для получения цветного изображения люминофорное покрытие имеет точки или полоски трех типов, светящиеся красным, зеленым и синим цветом. Чтобы на экране все три луча сходились строго в одну точку и изображение было четким, перед люминофором ставят маску — панель с регулярно расположенными отверстиями или щелями. Часть мониторов оснащена маской из вертикальных проволочек, что усиливает яркость и насыщенность изображения. Чем меньше шаг между отверстиями или щелями (шаг маски), тем четче и точнее полученное изображение. Шаг маски измеряют в долях миллиметра. В настоящее время наиболее рас пространены мониторы с шагом маски 0,25-0,27 мм. Устаревшие мониторы могут иметь шаг до 0,43 мм, что негативно сказывается на органах зрения при работе с компьютером. Модели повышенной стоимости могут иметь значение менее 0,25 мм.

Частота регенерации (обновления) изображения показывает, сколько раз в течение секунды монитор может полностью сменить изображение (поэтому ее также называют частотой кадров). Этот параметр зависит не только от монитора, но и от свойств и настроек видеоадаптера (см. ниже), хотя предельные возможности определяет все-таки монитор.

Частоту регенерации изображения измеряют в герцах (Гц). Чем она выше, тем четче и устойчивее изображение, тем меньше утомление глаз, тем больше времени можно работать с компьютером непрерывно.

При частоте регенерации порядка 60 Гц мелкое мерцание изображения заметно невооруженным глазом. Сегодня такое значение считается недопустимым. Минимальным считают значение 75 Гц, нормативным — 85 Гц и комфортным — 100 Гц и более.

Класс защиты монитора определяется стандартом, которому соответствует монитор с точки зрения требований техники безопасности. В настоящее время общепризнанными считаются следующие международные стандарты: MPR-II, ТСО-92, ГСО-95, ГСО 99 (приведены в хронологическом порядке). Стандарт MPR-II ограничил уровни электромагнитного излучения пределами, безопасными для человека. В стандарте ТСО-92 эти нормы были сохранены, а в стандартах ГСО-95 и ГСО-99 ужесточены. Эргономические и экологические нормы впервые появились в стандарте ГСО-95, а стандарт ГСО-99 установил самые жесткие нормы по параметрам, определяющим качество изображения (яркость, контрастность, мерцание, антибликовые свойства покрытия).

Большинством параметров изображения, полученного на экране монитора, можно управлять программно. Программные средства, предназначенные для этой цели, обычно входят в системный комплект программного обеспечения — мы рассмотрим их при изучении операционной системы компьютера.

7.3. Клавиатура Клавиатура — клавишное устройство управления персональным компьютером. Служит для ввода алфавитно-щфровых (знаковых) данных, а также команд управления. Комбинация монитора и клавиатуры обеспечивает простейший интерфейс пользователя. С помощью клавиатуры управляют компьютерной системой, а с помощью монитора получают от нее отклик.

Принцип действия клавиатуры Клавиатура относится к стандартным средствам персонального компьютера. Ее основные функции не нуждаются в поддержке специальными системными программами (драйверами). Необходимое программное обеспечение для начала работы с компьютером уже имеется в микросхеме ПЗУ в составе базовой системы ввода-вывода (BIOS), и потому компьютер реагирует на нажатия клавиш сразу после включения.

Принцип действия клавиатуры заключается в следующем.

1. При нажатии на клавишу (или комбинацию клавиш) специальная микросхема, встроенная в клавиатуру, выдает так называемый скоп-код.

2. Скан-код поступает в микросхему, выполняющую функции порта клавиатуры. (Порты — специальные аппаратно-логические устройства, отвечающие за связь процессора с другими устройствами.) Данная микросхема находится на основной плате компьютера внутри системного блока.

3. Порт клавиатуры выдает процессору прерывание с фиксированным номером. Для клавиатуры номер прерывания — 9 (Interrupt 9, Int 9).

4. Получив прерывание, процессор откладывает текущую работу и по номеру прерывания обращается в специальную область оперативной памяти, в которой находится так называемый вектор прерываний.

Вектор прерываний — это список адресных данных с фиксированной длиной записи. Каждая запись содержит адрес программы, которая должна обслужить прерывание с номером, совпадающим с номером записи.

5. Определив адрес начала программы, обрабатывающей возникшее прерывание, процессор переходит к ее исполнению. Простейшая программа обработки клавиатурного прерывания «зашита» в микросхему ПЗУ, но программисты могут «подставить» вместо нее свою программу, если изменят данные в векторе прерываний.

6. Программа-обработчик прерывания направляет процессор к порту клавиатуры, где он находит скан-код, загружает его в свои регистры, потом под управлением обработчика определяет, какой код символа соответствует данному скан-коду.

7. Далее обработчик прерываний отправляет полученный код символа в небольшую область памяти, известную как буфер клавиатуры, и прекращает свою работу, известив об этом процессор.

8. Процессор прекращает обработку прерывания и возвращается к отложенной задаче.

9. Введенный символ хранится в буфере клавиатуры до тех пор, пока его не заберет оттуда та программа, для которой он и предназначался, например текстовый редактор или текстовый процессор. Если символы поступают в буфер чаще, чем забираются оттуда, наступает эффект переполнения буфера. В этом случае ввод новых символов на некоторое время прекращается. На практике в этот момент при нажатии на клавишу мы слышим предупреждающий звуковой сигнал и не наблюдаем ввода данных.

Состав клавиатуры Стандартная клавиатура имеет более 100 клавиш, функционально распределенных по нескольким группам.

Группа алфавитно-цифровых клавши предназначена для ввода знаковой информации и команд, набираемых по буквам. Каждая клавиша может работать в нескольких режимах (регистрах) и, соответственно, может использоваться для ввода нескольких символов.

Переключение между нижним регистром (для ввода строчных символов) и верхним регистром (для ввода прописных символов) выполняют удержанием клавиши SHIFT (нефиксированное переключение). При необходимости жестко переключить регистр используют клавишу CAPS LOCK (фиксированное переключение).

Если клавиатура используется для ввода данных, абзац закрывают нажатием клавиши ENTER, При этом автоматически начинается ввод текста с новой строки. Если клавиатуру используют для ввода команд, клавишей ENTER завершают ввод команды и начинают ее исполнение.

Для разных языков существуют различные схемы закрепления символов национальных алфавитов за конкретными алфавитно цифровыми клавишами. Такие схемы называются раскладками клавиатуры. Переключения между различными раскладками выполняются программным образом — это одна из функций операцион ной системы. Соответственно, способ переключения зависит от того, в какой операционной системе работает компьютер. Например, в системе Windows 2000 для этой цели могут использоваться следующие комбинации: левая клавиша ALT+SHIFT или CTRL+SHIFT. При работе с другой операционной системой способ переключения можно установить по справочной системе той программы, которая выполняет переключение.

Общепринятые раскладки клавиатуры имеют свои корни в раскладках клавиатур пишущих машинок. Для персональных компьютеров IBM PC типовыми считаются раскладки QWERTY (английская) и ЙЦУКЕНГ (русская). Раскладки принято именовать по символам, закрепленным за первыми клавишами верхней строки алфавитной группы.

Группа функциональных клавиш включает двенадцать клавиш (от F1 до F12), размещенных в верхней части клавиатуры. Функции, закрепленные за данными клавишами, зависят от свойств конкретной работающей в данный момент программы, а в некоторых случаях и от свойств операционной системы. Общепринятым для большинства программ является соглашение о том, что клавиша F1 вызывает спра вочную систему, в которой можно найти справку о действии прочих клавиш.

Служебные клавиши располагаются рядом с клавишами алфавитно-цифровой группы. В связи с тем, что ими приходится пользоваться особенно часто, они имеют увеличенный размер. К ним относятся рассмотренные выше клавиши SHIFT и ENTER, регистровые клавиши ALT и CTRL (их используют в комбинации с другими клави шами для формирования команд), клавиша TAB (для ввода позиций табуляции при наборе текста), клавиша ESC (от английского слова Escape) для отказа от исполнения последней введенной команды и клавиша BACKSPACE для удаления только что введенных знаков (она находится над клавишей ENTER и часто маркируется стрелкой, направленной влево).

Служебные клавиши PRINT SCREEN, SCROLL LOCK и PAUSE/BREAK размещаются справа от группы функциональных клавиш и выполняют специфические функции, зависящие от действующей операционной системы. Общепринятыми являются следующие действия:

PRINT SCREEN — печать текущего состояния экрана на принтере (для MS-DOS) или сохранение его в специальной области оперативной памяти, называемой буфером обмена (для Windows).

SCROLL LOCK — переключение режима работы в некоторых (как правило, устаревших) программах.

PAUSE/BREAK — приостановка/прерывание текущего процесса.

Две группы клавиш управления курсором расположены справа от алфавитно-цифровой панели. Курсором называется экранный элемент, указывающий место ввода знаковой информации. Курсор используется при работе с программами, выполняющими ввод данных и команд с клавиатуры. Клавиши управления курсором позволяют управлять позицией ввода.

Четыре клавиши со стрелками выполняют смещение курсора в направлении, указанном стрелкой. Действие прочих клавиш описано ниже.

PAGE UP / PAGE DOWN — перевод курсора на одну страницу вверх или вниз. Понятие «страница» обычно относится к фрагменту документа, видимому на экране. В графических операционных системах (например, Windows) этими клавишами выполняют «прокрутку» содержимого в текущем окне. Действие этих клавиш во многих программах может быть модифицировано с помощью служебных регистровых клавиш, в первую очередь SHIFT и CTRL. Конкретный результат модификации зависит от конкретной программы и/или операционной системы.

Клавиши HOME и END переводят курсор в начало или конец текущей строки, соответственно. Их действие также модифицируется регистровыми клавишами.

Традиционное назначение клавиши INSERT состоит в переключении режима ввода данных (переключение между режимами вставки и замены). Если текстовый курсор находится внутри существующего текста, то в режиме вставки происходит ввод новых знаков без замены существующих символов (текст как бы раздвигается).

В режиме замены новые знаки заменяют текст, имевшийся ранее в позиции ввода.

В современных программах действие клавиши INSERT может быть иным. Конкретную информацию следует получить в справочной системе программы. Возможно, что действие этой клавиши является настраиваемым, — это также зависит от свойств конкретной программы.

Клавиша DELETE предназначена для удаления знаков, находящихся справа от текущего положения курсора. При этом положение позиции ввода остается неизменным.

Группа клавиш дополнительной панели дублирует действие цифровых и некоторых знаковых клавиш основной панели. Во многих случаях для использования этой группы клавиш следует предварительно включать клавишу-переключатель NUM LOCK (о состоянии переключателей NUM LOCK, CAPS LOCK и SCROLL LOCK можно судить по светодиодным индикаторам, обычно расположенным в правом верхнем углу клавиатуры).

Появление дополнительной панели клавиатуры относится к началу 80-х годов. В то время клавиатуры были относительно дорогостоящими устройствами. Первоначальное назначение дополнительной панели состояло в снижении износа основной панели при проведении расчетно-кассовых вычислений, а также при управлении компьютерными играми (при выключенном переключателе NUM LOCK клавиши дополнительной панели могут использоваться в качестве клавиш управления курсором).

Pages:     || 2 | 3 | 4 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.