Файл: «Состав и свойства вычислительных систем. Информационное и математическое обеспечение вычислительных систем».pdf

Введение

В любой стране достижение высоких экономических и социальных результатов в значительной степени зависит от масштабов и темпов информатизации общества, использования информационных технологий во всех сферах человеческой деятельности.

Несмотря на различие процессов информатизации в различных областях человеческой деятельности, ее объединяют три составляющие: единство основных средств производства (средства вычислительной техники и информации), единство сырья (данные, подлежащие анализу и обработке), единство выпускаемой продукции (информация, используемая для управления и совершенствования деятельности человека).

Компьютер в первую очередь является машиной - не существующим в природе, а созданным человеком объектом, предназначенным для умножения природных возможностей человека. В отличие от инструментов, приспособлений и механизмов компьютер, как и любая машина, не использует для своего функционирования физическую силу (энергию) человека. При работе с любой машиной человек выполняет только функцию управления. Компьютер является особенной - вычислительной, информационной машиной, усиливающей не физические возможности человека, а его способность к вычислениям, накоплению и обработке информации, выполняющей разного рода вычисления или облегчающей этот процесс. Основные функциональные элементы компьютера построены с помощью электронных приборов, с использованием современной наиболее развитой технологии обработки сигналов, на базе применения достижений электроники. Возможно построение вычислительных машин на другой материальной базе: история знает механические, наши современники - оптические, а футурологи предсказывают появление биологических вычислительных машин. По способу представления информации вычислительные машины разделяют на три группы:

1. аналоговые вычислительные машины (АВМ), в которых информация представлена в виде непрерывно изменяющихся переменных, выраженных какими-либо физическими величинами;
2. цифровые вычислительные машины (ЦВМ), в которых информация представлена в виде дискретных значений переменных (чисел), выраженных комбинацией дискретных значений какой-либо физической величины (цифр);
3. гибридные вычислительные машины, в которых используются оба способа представления информации.

Каждый из этих способов имеет свои преимущества и недостатки. Основным достоинством ЦВМ, определившим их широкое распространение и преобладание среди всех ЭВМ, является то, что точность получаемых с их помощью результатов вычислений не зависит от точности, с которой они сами (т.е. ЦВМ) изготовлены, в отличие от АВМ. Этим объясняется и тот факт, что первое известное аналоговое вычислительное устройство - логарифмическая линейка - появилось лишь в XVII в., тогда как самыми древними цифровыми средствами для облегчения вычислений были человеческая рука и подручные предметы - камешки, палочки, косточки и т.п.: «Цифровое» приспособление для счета - абак - был известен уже древним египтянам.

---

Важную роль в развитии вычислительной техники, средств обработки информации и управляющих устройств, являющихся основой автоматизации в различных сферах человеческой деятельности, сыграло появление микропроцессоров. Неослабевающий интерес к микропроцессорам объясняется такими их свойствами, как низкая стоимость, высокая надежность, компактность и значительные вычислительные и функциональные возможности, позволяющие применять их даже там, где использование средств цифровой обработки информации ранее считалось нецелесообразным.

1. Вычислительная система. Виды вычислительных систем.

Вычислительная система (ВС) - это взаимосвязанная совокупность аппаратных средств вычислительной техники и программного обеспечения, предназначенная для обработки информации. Иногда под ВС понимают совокупность технических средств ЭВМ, в которую входит не менее двух процессоров, связанных общностью управления и использования общесистемных ресурсов (память, периферийные устройства, программное обеспечение и т.п.).

Ресурсы вычислительной системы

К ресурсам вычислительной системы относят такие средства вычислительной системы, которые могут быть выделены процессу обработки данных на определенный квант времени. Основными ресурсами ВС являются процессоры, области оперативной памяти, наборы данных, периферийные устройства, программы.

 Виды вычислительных систем

В зависимости от ряда признаков различают следующие вычислительные системы (ВС):

• однопрограммные и многопрограммные (в зависимости от количества программ, одновременно находящихся в оперативной памяти);
• индивидуального и коллективного пользования (в зависимости от числа пользователей, которые одновременно могут использовать ресурсы ВС);
• с пакетной обработкой и разделением времени (в зависимости от организации и обработки заданий);
• однопроцессорные, многопроцессорные и многомашинные (в зависимости от числа процессоров);
• сосредоточенные, распределенные (вычислительные сети) и ВС с теледоступом (в зависимости от территориального расположения и взаимодействия технических средств);
• работающие или не работающие в режиме реального времени (в зависимости от соотношения скоростей поступления задач в ВС и их решения);
• универсальные, специализированные и проблемно-ориентированные (в зависимости от назначения).
  1. Состав вычислительных систем.

---

Состав вычислительной системы называют конфигурацией. Конфигурация вычислительной системы включает аппаратные и программные средства, которые представляют собой отдельно аппаратную конфигурацию и программную конфигурацию.

Современные компьютеры и вычислительные комплексы имеют блочно-модульную конструкцию – аппаратную конфигурацию, необходимую для исполнения конкретных видов работ, которую можно собирать из готовых блоков и узлов. По способу расположения устройств различают внутренние и внешние устройства. Внешними, как правило, являются большинство устройств ввода-вывода данных и некоторые устройства, предназначенные для длительного хранения данных. Согласование между отдельными узлами и блоками выполняют с помощью аппаратных интерфейсов. Аппаратными интерфейсами называют переходные аппаратно-логические устройства. Стандарты на аппаратные интерфейсы называют протоколами. Протокол – это совокупность технических условий, обеспечивающих взаимное согласование различных устройств при их совместной работе.

Многочисленные интерфейсы, присутствующие в любой вычислительной системе, можно условно разделить на последовательные и параллельные. Через последовательные интерфейсы данные предаются последовательно бит за битом, а через параллельные – одновременно группами битов. При этом количество битов, участвующих в одной посылке, определяется разрядностью интерфейса (8, 16, 24, 32, 64-разрядные).

Поскольку обмен данными через последовательные интерфейсы производится битами, их производительность измеряют битами в секунду (бит/с, Кбит/с, Мбит/с). Последовательные интерфейсы применяют для подключения “медленных” устройств, когда нет существенных ограничений на продолжительность обмена данными. Так как обмен данными через параллельные интерфейсы производится группами битов (байтами), то их производительность измеряется  байтами в секунду (байт/с, Кбайт/с, Мбайт/с). Параллельные интерфейсы применяют для подключения быстродействующих устройств там, где важна скорость передачи данных.

1.2. Базовая аппаратная конфигурация компьютера

Компьютер – это электронный прибор (универсальная техническая система), предназначенный для автоматизации создания, хранения, обработки и транспортировки данных. Конфигурацию компьютера (состав оборудования) можно гибко изменять по мере необходимости. Однако существует понятие базовой конфигурации, которую считают типовой. Понятие базовой конфигурации по мере развития техники может меняться. В настоящее время в состав базовой конфигурации включают: системный блок, монитор, клавиатуру и мышь.

---

Системный блок является основным узлом, внутри которого установлены наиболее важные компоненты:

1. 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 функциональные основные 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;
   • постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) – микросхема, предназначенная для длительного хранения данных и даже при выключенном компьютере;
   • разъёмы для подключения дополнительных устройств (слоты).
2. Жёсткий диск – основное устройство для долговременного хранения больших объёмов данных и программ. Управление работой жёсткого диска выполняет аппаратно-логическое устройство – контроллер жёсткого диска. К основным параметрам жёстких дисков относятся ёмкость и производительность. Ёмкость современных жёстких дисков может достигать нескольких десятков Гбайт. Производительность диска оценивается скоростью внутренней передачи данных, которая может достигать 30 – 80 Мбайт/с. С производительностью диска, кроме скорости внутренней передачи данных, напрямую связан параметр среднего времени доступа. Он определяет интервал времени необходимый для поиска нужных данных. Этот показатель может составлять 5 – 10 микросекунд (мкс), в зависимости от скорости вращения диска.
3. Дисковод гибких дисков – специальный накопитель для оперативного переноса небольших объёмов информации на гибкие магнитные диски (дискеты) или с дискет на жёсткий диск или в ОЗУ.
4. Дисковод компакт-дисков CD-ROM (постоянное запоминающее устройство на основе компакт-диска) – устройство для считывания больших объёмов числовых данных с помощью лазерного луча. Основным параметром дисководов CD-ROM является скорость чтения данных. Она измеряется в кратных долях. За единицу измерения была принята скорость чтения 150 Кбайт/с. Двукратная скорость чтения 300 Кбайт/с, 4-х кратная – 600 Кбайт/с и т. д.
5. Видеокарта (видеоадаптер) – это устройство, образующее совместно с монитором, видеоподсистему компьютера. Видеоадаптер выполнен в виде отдельной дочерней платы, которая вставляется в один из слотов материнской платы и называется видеокартой. Видеоадаптер выполняет функции видеоконтроллера, видеопроцессора и видеопамяти. Одним из важнейших параметров видеосистемы является разрешение экрана. Для каждого размера монитора существует своё оптимальное разрешение экрана, которое должен обеспечивать видеоадаптер. 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 нём видеопамяти.
6. Звуковая карта – устройство, выполняющее вычислительные операции, связанные с обработкой звука, речи, музыки. Звуковая карта подключается к одному из слотов материнской платы в виде дочерней карты. Основным параметром звуковой карты является разрядность, определяющая количество битов, используемых при преобразовании сигналов из аналоговой формы в цифровую форму и наоборот.

---

Монитор – устройство визуального представления данных. Его основными потребительскими параметрами являются: размер и шаг маски экрана, максимальная частота регенерации изображения, класс защиты. Стандартные размеры мониторов 14,15, 17, 19, 20 и 21 дюймов. Маска – это панель с регулярно расположенными отверстиями или щелями, которая расположена перед люминофором. Шаг маски – это расстояние между отверстиями или щелями. Чем меньше шаг маски, тем чётче и точнее изображение. В современных мониторах шаг маски составляет 0,25 – 0,27 мм. Частота регенерации (обновления) изображения показывает, сколько раз в течение секунды монитор может полностью сменить изображение. В настоящее время минимальная величина частоты регенерации составляет 75 Гц, нормальная – 85 Гц и комфортная – 100 и более Гц. Класс защиты монитора определяется стандартом, которому соответствует монитор с точки зрения требований техники безопасности. В настоящее время самые жёсткие нормы по параметрам, определяющим качество изображения (яркость, контрастность, мерцание, антибликовые свойства покрытия) установлены в стандарте ТСО-99.

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

Мышь – устройство управления манипуляторного типа. Перемещение мыши по плоской поверхности синхронизировано с перемещением графического объекта (указателя мыши) на экране монитора. Работу мыши обеспечивает специальная системная программа – драйвер мыши. Драйвер мыши предназначен для интерпретации сигналов, поступающих через порт, и обеспечивает механизм передачи информации о положении и состоянии мыши операционной системе и работающим программам. Комбинация монитора и мыши обеспечивает наиболее современный тип интерфейса пользователя.

Кроме базовой конфигурации компьютера в его состав могут входить и периферийные устройства. Периферийные устройства компьютера подключаются к его интерфейсам и предназначены для выполнения вспомогательных операций. Благодаря периферийным устройствам, компьютерная система приобретает гибкость и универсальность.

---