Файл: Информационное и математическое обеспечение вычислительных систем.pdf

Введение

В работе рассматриваются основные аспекты, связанные с вычислительными системами: состав, свойства, информационные и математические основы.

Цель – получить полное представление о вычислительных системах. Цель достигается за счет рассмотрения перечисленных выше блоков в различной литературе и сопоставлении данных в ней между собой.

Для написания глав с первой по третью использовались современные книги и учебники по информатике. Для четвертой главы использовались книги и учебники по математике в основном современные. Источники вызывают доверие, так как это настоящие книги и учебники, издательств не вызывающих подозрения.

1. Состав вычислительных систем

Вычислительная система (программно-технический комплекс) – совокупность баз данных и программ, функционирующих на вычислительных средствах как единое целое для решения определенных задач.^[1]

Таким образом, вычислительная система в первую очередь делится на программную (программы и базы данных) и аппаратную часть (вычислительные средства). Рассмотрим по отдельности каждую из частей.

Аппаратное обеспечение вычислительной системы

Аппаратное обеспечение – комплекс механических, электрических и электронных устройств^[2].

К аппаратному обеспечению относятся:

• центральный процессор (процессоры)^[3];
• память³;
• периферийные устройства³.

Процессор

Процессор – это центральное устройство компьютера, выполняющее операции по обработке данных и управляющее периферийными устройствами компьютера³. У компьютеров четвёртого поколения и старше функции центрального процессора выполняет микропроцессор на основе сверхбольшой интегральной схемы (СБИС), содержащей несколько миллионов элементов, конструктивно созданный на полупроводниковом кристалле путём применения сложной микроэлектронной технологии⁴.

Центральный процессор состоит из^[4]:

• устройство управления (УУ);
• арифметико-логическое устройство (АЛУ);
• запоминающее устройство (ЗУ) на основе регистров процессорной памяти и кэш-памяти процессора;
• генератор тактовой частоты (ГТЧ).

---

Устройство управления организует процесс выполнения программ и координирует взаимодействие всех устройств вычислительной системы во время её работы^[5].

Арифметико-логическое устройство выполняет арифметические и логические операции над данными: сложение, вычитание, умножение, деление, сравнение и др⁶.

Запоминающее устройство – это внутренняя память процессора. Регистры служит промежуточной быстрой памятью, используя которые, процессор выполняет расчёты и сохраняет промежуточные результаты. Для ускорения работы с оперативной памятью используется кэш-память, в которую с опережением подкачиваются команды и данные из оперативной памяти, необходимые процессору для последующих операций^[6].

Генератор тактовой частоты генерирует электрические импульсы, синхронизирующие работу всех узлов компьютера. В ритме ГТЧ работает центральный процессор⁶.

В итоге работу процессора можно объяснить так:

1. Генератор тактовой частоты посылает сигнал на устройство управления.
2. Устройство управления подает сигналы регистрам памяти и арифметико-логическому устройству и управляет ими для решения очередной задачи.
3. После решения задачи устройство управления посылает сигнал о завершении.
4. Иногда для решения задачи используется еще и математический сопроцессор.
5. Пользователь, используя клавиатуру, может инициировать обращение к процессору.
6. Сигнал с клавиатуры с помощью адаптера приходит на управляющее устройство через интерфейс системной шины.

Память

Память делится на основную и внешнюю память^[7].

Основная память делится в свою очередь на постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ)^[8].

Постоянное запоминающее устройство – энергонезависимая память, используется для хранения массива неизменяемых данных^[9]. ПЗУ бывают двух видов:

• С параллельным доступом (parallel mode или random access): такое ПЗУ может быть доступно в системе в адресном пространстве ОЗУ. Например, К573РФ5^[10];
• С последовательным доступом: такие ПЗУ часто используются для однократной загрузки констант или прошивки в процессор илиПЛИС, используются для хранения настроек каналов телевизора, и др. Например, 93С46, AT17LV512A⁹.

Оперативная память – это рабочая область для процессора компьютера. В ней во время работы хранятся программы и данные. Оперативная память часто рассматривается как временное хранилище, потому что данные и программы в ней сохраняются только при включенном компьютере или до нажатия кнопки сброса (reset)^[11].

---

Внешняя память делится на жесткие и магнитные диски.

Основой накопителей на магнитных дисках является диск (или диски), покрытые магнитными окислами, которые под воздействием магнитного поля могут изменять свою намагниченность и оставаться в таком состоянии достаточно длительное время. Магнитный диск может быть либо гибким, на основе полимеров, либо жестким, на основе алюминиевых пластин^[12].

Носителем в накопителях на гибких магнитных дисках (НГМД) является магнитный диск—дискета (флоппи-диск) — на полимерной основе, заключенный в пластиковый конверт¹². Носитель читается и записывается в приводе — дисководе, который содержит магнитную головку и двигатель, приводящий в движение диск и головку: Дискета может свободно выниматься из привода, поэтому дискеты чаше всего используют для переноса информации между компьютерами. Недостатками накопителей на гибких магнитных дисках являются их низкая емкость, недостаточные быстродействие и надежность.

Накопитель на жестком магнитном диске внешне представляет собой прочный металлический корпус, внутри которого находится один или несколько магнитных дисков. Он полностью герметичен и защищает дисковод от частичек пыли, которые при попадании в узкий зазор между головкой и поверхностью диска могут повредить чувствительный магнитный слой и вывести диск из строя. Кроме того, корпус экранирует накопитель от электромагнитных помех. Сам диск представляет собой круглую металлическую пластину с очень ровной поверхностью, покрытую тонким ферромагнитным слоем. Магнитные головки считывают и записывают информацию на диски. Цифровая информация преобразуется в переменный электрический ток, поступающий на магнитную головку, а затем передается на магнитный диск, но уже в виде магнитного поля, которое диск может воспринять и «запомнить»^[13].

Таким образом, работу памяти можно представить в следующем виде:

1. На жестком или магнитном диске храниться внешняя информация.
2. В ПЗУ хранится управляющая информация: программа BIOS и другие микропрограммы для координации работы системы.
3. При работе с системой результаты работы помещаются в оперативную память.
4. При необходимости данные берутся или добавляются во внешнюю память через соответствующие адаптеры.

Периферийные устройства

Периферийные устройства делятся на устройства ввода и устройства вывода. Устройства ввода преобразуют информацию в форму понятную машине, после чего компьютер может ее обрабатывать и запоминать. Устройства вывода переводят информацию из машинного представления в образы, понятные человеку^[14].

---

Самым известным устройством ввода информации является клавиатура (keyboard) – это стандартное устройство, предназначенное для ручного ввода информации. Работой клавиатуры управляет контроллер клавиатуры, расположенный на материнской плате и подключаемый к ней через разъем на задней панели компьютера⁸. При нажатии пользователем клавиши на клавиатуре, контроллер клавиатуры преобразует код нажатой клавиши в соответствующую последовательность битов и передает их компьютеру. Отображение символов, набранных на клавиатуре, на экране компьютера называется эхом^[15]. Обычная современная клавиатура имеет, как правило, 101-104 клавиши, среди которых выделяют алфавитно-цифровые клавиши, необходимые для ввода текста, клавиши управления курсором и ряд специальных и управляющих клавиш. Существуют беспроводные модели клавиатуры, в них связь клавиатуры с компьютером осуществляется посредством инфракрасных лучей.

Наиболее важными характеристиками клавиатуры являются чувствительность ее клавиш к нажатию, мягкость хода клавиш и расстояние между клавишами^[16]. На долговечность клавиатуры определяется количеством нажатий, которые она рассчитана выдержать. Клавиатура проектируется таким образом, чтобы каждая клавиша выдерживала 30-50 миллионов нажатий.

К манипуляторам относят устройства, преобразующие движения руки пользователя в управляющую информацию для компьютера. Среди манипуляторов выделяют мыши, трекболы, джойстики^[17].

Мышь предназначена для выбора и перемещения графических объектов экрана монитора компьютера. Для этого используется указатель, перемещением которого по экрану управляет мышь. Мышь позволяет существенно сократить работу человека с клавиатурой при управлении курсором и вводе команд. Особенно эффективно мышь используется при работе графическими редакторами, издательскими системами, играми. Современные операционные системы также активно используют мышь для управляющих команд.

У мыши могут быть одна, две или три клавиши. Между двумя крайними клавишами современных мышей часто располагают скрол. Это дополнительное устройство в виде колесика, которое позволяет осуществлять прокрутку документов вверх-вниз и другие дополнительные функции.

Мышь состоит из пластикового корпуса, cверху находятся кнопки, соединенные с микропереключателями. Внутри корпуса находится обрезиненный металлический шарик, нижняя часть которого соприкасается с поверхностью стола или специального коврика для мыши, который увеличивает сцепление шарика с поверхностью. При движении манипулятора шарик вращается и переедает движение на соединенные с ним датчики продольного и поперечного перемещения. Датчики преобразуют движения шарика в соответствующие импульсы, которые передаются по проводам мыши в системный блок на управляющий контроллер. Контроллер передает обработанные сигналы операционной системе, которая перемещает графический указатель по экрану^[18]. В беспроводной мыши данные передаются с помощью инфракрасных лучей. Существуют оптические мыши, в них функции датчика движения выполняют приемники лазерных лучей, отраженных от поверхности стола^[19].

---

Трекбол по функциям близок мыши, но шарик в нем больших размеров, и перемещение указателя осуществляется вращением этого шарика руками. Трекбол удобен тем, что его не требуется перемещать по поверхности стола, которого может не быть в наличии. Поэтому, по сравнению с мышью, он занимает на столе меньше места. Большинство переносных компьютеров оснащаются встроенным трекболом.

Джойстик представляет собой основание с подвижной рукояткой, которая может наклоняться в продольном и поперечном направлениях^[20]. Рукоятка и основание снабжаются кнопками. Внутри джойстика расположены датчики, преобразующие угол и направление наклона рукоятки в соответствующие сигналы, передаваемые операционной системе. В соответствии с этими сигналами осуществляется перемещение и управление графических объектов на экране.

Дигитайзер – это устройство для ввода графических данных, таких как чертежи, схемы, планы и т. п. Он состоит из планшета, соединенного с ним визира или специального карандаша. Перемещая карандаш по планшету, пользователь рисует изображение, которое выводится на экран.

Сканер – устройство ввода графических изображений в компьютер. В сканер закладывается лист бумаги с изображением. Устройство считывает его и пересылает компьютеру в цифровом виде^[21]. Во время сканирования вдоль листа с изображением плавно перемещается мощная лампа и линейка с множеством расположенных на ней в ряд светочувствительных элементов. Обычно в качестве светочувствительных элементов используют фотодиоды. Каждый светочувствительный элемент вырабатывает сигнал, пропорциональный яркости отраженного света от участка бумаги, расположенного напротив него. Яркость отраженного луча меняется из-за того, что светлые места сканируемого изображения отражают гораздо лучше, чем темные, покрытые краской. В цветных сканерах расположено три группы светочувствительных элементов, обрабатывающих соответственно красные, зеленые и синие цвета. Таким образом, каждая точка изображения кодируется как сочетание сигналов, вырабатываемых светочувствительными элементами красной, зеленой и синей групп. Закодированный таким образом сигнал передается на контроллер сканера в системный блок^[22].

Резюмируя главу, можно сказать, что основными устройствами вывода являются: монитор, принтер, плоттер, наушники и колонки, ввода: клавиатура, мышь, сканер, микрофон, тачпад, джойстик и сенсорный экран. Всех их объединяет необходимость наличия соответствующих адаптеров и драйверов для работы.

---