Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Информатика. Часть 1.pdf
Скачиваний:
69
Добавлен:
28.02.2016
Размер:
2.1 Mб
Скачать

2. КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

РАЗДЕЛ 1. ВВЕДЕНИЕ. ОСНОВНОЙ ПРИНЦИП РАБОТЫ, КРАТКАЯ ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ПК. АППАРАТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПКIBM PC

Тема 1. Введение

Процесс информатизации общества

В современном обществе деятельность людей, коллективов и организаций в большой степени зависит от их информированности и способности эффективно использовать имеющуюся информацию. Объем информации растет непрерывно с каждым днем, с каждым часом. Об этом говорят следующие цифры: общая сумма накопленных человечеством знаний с 1900 г. увеличилась к 1950 г. в два раза, дальнейшее удвоение происходило каждые 10 лет, с 1970 г. – уже каждые 5 лет, с 1990 г. – ежегодно. Лавинообразный поток информации не дает возможности воспринять эту информацию в полной мере, ориентироваться в нем становится все труднее.

Принятие рациональных решений в любой сфере деятельности требует обработки больших объемов информации, что стало невозможным без использования специальных технических средств.

Внедрение современных средств обработки, хранения и передачи информации в различные сферы деятельности послужило началом нового эволюционного процесса в развитии человеческого общества, называемого информатизацией.

Информатизация общества – социально-экономический и научно-техни- ческий процесс создания оптимальных условий для удовлетворения информационных потребностей и использования информационных ресурсов.

Универсальным техническим средством обработки любой информации является компьютер, который играет роль помощника и усилителя интеллектуальных возможностей человека, а коммуникационные средства, использующие компьютеры, служат для передачи и обмена информацией на любые расстояния. Появление и развитие компьютеров – основная составляющая часть процесса информатизации общества.

Предмет информатики

Термин «информатика» возник в 60-х гг. во Франции для названия области, занимающейся автоматизированной обработкой информации с помощью электронных вычислительных машин. Французский термин informatigue (информатика) образован путем слияния слов information (информация) и automatigue (автоматика) и означает «информационная автоматика или автоматизированная переработка информации».

Обособление информатики как самостоятельной области человеческой деятельности связано с развитием компьютерной техники, резко ускорившимся с появлением и усовершенствованием микропроцессорной техники в начале 1970-х годов XX века. С этого времени элементной базой вычислительных машин становятся интегральные схемы и микропроцессоры, а понятие «информатика» начинает обозначать процессы обработки, хранения и передачи и информации.

8

Информатика это основанная на использовании компьютерной техники дисциплина, изучающая структуру и общие свойства информации, а также закономерности и методы ее создания, хранения, поиска, преобразования, передачи и применения в различных сферах человеческой деятельности.

Информатика в широком смысле представляет собой единство разнообразных отраслей науки, техники и производства, связанных с переработкой информации с помощью компьютеров и телекоммуникационных средств связи.

Информатика в узком смысле это три тесно взаимосвязанные части: технические средства или аппаратное обеспечение (HardWare), программные средства или программное обеспечение (SoftWare), алгоритмические правила и законы.

Алгоритмы это точные и понятные исполнителю правила и предписания для выполнения последовательностей действий, приводящих к решению задачи. Название «алгоритм» произошло от латинской формы имени среднеазиатского математика аль-Хорезми Algorithmi. Исполнитель алгоритма – это некоторая система (техническая, биологическая или биотехническая), способная выполнить действия, предписываемые алгоритмом. В информатике универсальным исполнителем алгоритмов является компьютер. Алгоритм должен быть записан на «понятном» ему языке, для чего необходима точная запись команд, другими словами, язык для записи алгоритмов должен быть формализован. Такой язык принято называть языком программирования, а запись алгоритма на этом языке программой для компьютера.

Информация и данные

Термин «информация» происходит от латинского informatio разъяснение, осведомление, изложение. С позиции материалистической философии информация есть отражение реального мира с помощью сведений (сообщений). Сообщение это форма представления информации в виде речи, текста, изображения, цифровых данных, графиков, таблиц и т.п. В широком смысле информация это общенаучное понятие, включающее в себя обмен сведениями между людьми, обмен сигналами между живой и неживой природой, людьми и устройствами.

Информация известные человеку сведения об объектах и явлениях окружающей среды, их параметрах, свойствах и состоянии.

Информатика рассматривает информацию как концептуально связанные между собой сведения, данные, понятия, изменяющие наши представления о явлении или объекте окружающего мира. Наряду с информацией в информатике часто употребляется понятие «данные».

Данные могут рассматриваться как признаки или записанные наблюдения, которые по каким-то причинам не используются, а только хранятся. В том случае, если появляется возможность использовать эти данные для уменьшения неопределенности о чем-либо, данные превращаются в информацию. Поэтому можно утверждать, что информацией являются используемые данные.

Информацию можно создавать, передавать, принимать, запоминать, копировать, преобразовывать, комбинировать, разделять, собирать, хранить, искать, измерять, разрушать, обрабатывать. Средства обработки информации это всевозможные устройства и системы, созданные человечеством, и в первую очередь, компьютер универсальная машина для обработки информации.

9

Тема 2. Основной принцип работы, краткая история развития ПК

Компьютер (от английского computer вычислитель) программируемое вычислительное электронное устройство, предназначенное для создания, обработки, хранения и передачи данных и информации. Основу компьютера составляет аппаратное обеспечение, состоящее из различных электронных устройств. Принцип действия компьютера состоит в выполнении программ, входящих в программное обеспечение, – заранее заданных, четко определенных алгоритмами последовательностей арифметических, логических и иных операций.

Разнообразие современных компьютеров очень велико. Но их структуры основаны на общих логических принципах, позволяющих выделить в любом компьютере следующие составляющие:

1. Центральное процессорное устройство – ЦПУ, CPU (от англ. Central Processing Unit) или просто центральный процессор (ЦП). Основные компоненты центрального процессора устройство управления (УУ) и арифметикологическое устройство (АЛУ).

2.Память.

3.Устройства ввода.

4.Устройства вывода.

 

Устройства

 

вывода

ПАМЯТЬ

Центральный

процессор

 

Программы

УУ

Данные

АЛУ

Устройства

ввода

Рис. 2.1.1. Функциональные составляющие компьютера

Все устройства компьютера соединены каналами связи, по которым передается информация (рис. 2.1.1). На рисунке обычными стрелками показаны направления движения информации, пунктирными направления передачи управляющих сигналов. Рассмотрим с помощью этой схемы основной и упрощенный принцип работы компьютера.

С помощью устройств ввода данные и управляющая программа заносятся в память и там хранятся. Программа состоит из машинных команд. Каждая команда содержит код операции, которую надо выполнить, аргументы или операнды этой операции и адрес ячейки памяти, в которую следует записать результат. При выполнении каждой команды программы УУ осуществляет следующую последовательность действий:

считывает команду из памяти;

вызывает из памяти ее операнды и пересылает их в АЛУ;

10

настраивает АЛУ на выполнение нужной операции;

пересылает полученный от АЛУ результат по адресу, указанному в ко-

манде.

УУ также выполняет команды перемещения информации из одних ячеек памяти в другие, обрабатывает команды ввода и вывода информации. С помощью устройств вывода результаты работы компьютера предоставляются пользователю. Память осуществляет прием и хранение информации, а также выдачу информации по запросу в другие устройства.

Критериев для классификации компьютеров существует множество. Компьютеры различаются по архитектуре, производительности, условиям эксплуатации, количеству процессоров, потребительским свойствам и т.д. Например, существует деление компьютеров по их поколениям – условная классификация вычислительных систем по степени развития аппаратных и программных средств, возникшая в результате быстрой эволюции элементной базы (лампы, транзисторы, микросхемы), появления новых структур и возможностей, расширения областей применения компьютерной техники.

Взависимости от условий эксплуатации компьютеры разделяют на:

офисные, предназначенные для выполнения различных задач в нормальных условиях эксплуатации;

специальные, используемые для решения специфических задач в особых условиях (управление технологическими процессами и установками на сложных производствах, газопроводах, ракетах, самолетах, вертолетах, под водой, в условиях запыленности, вибрации и т.д.);

переносные, служащие для работы в поездках, на презентациях.

Четких границ между классами компьютеров не существует. По мере развития науки и совершенствования технологий производства, появляются новые классы компьютеров, границысуществующихклассов современемпостепенноменяются.

Класс персональных компьютеров в настоящий момент времени является самым многочисленным. Персональные компьютеры это компьютеры универсального назначения, рассчитанные для работы и управления одним человеком (пользователем).

Персональный компьютер (ПК) используется во многих сферах деятельности. ПК незаменим для работы в офисе, например, в качестве универсальной «печатной машины»: любой документ, набранный на ПК, можно сохранить в электронном виде, чтобы в дальнейшем быстро и легко его редактировать (изменять, исправлять), распечатывать, копировать, вставлять в другой документ и т.д. ПК в офисе необходим для создания и работы со всевозможными базами данных по учету товаров, документации, инвентаря, персонала, для ведения бухгалтерского учета и экономических расчетов, для разработки маркетинговых презентаций и бизнес-планов, для работы с электронной почтой, для доступа к мировым информационным ресурсам сети Интернет и многих других целей.

В домашних условиях ПК так же может использоваться для работы, развлечений, доступа к электронной почте и сети Интернет, из ПК при желании можно сделать музыкальный центр, телевизор, домашний кинотеатр и другое.

11

Представление информации в компьютере, кодирование, единицы измерения информации

Любую информацию, которую мы видим или слышим, можно преобразовать

вспециальный электронный вид, необходимый для компьютера. Программы, пользовательские данные, документы, графические изображения, аудиовидео- и любая другая информация внутри компьютера представлена и существует только

вцифровом электронном виде. Вся информация, поступающая в компьютер, преобразуется с помощью программ кодирования в последовательности специальных

цифровых электрических сигналов («нулей» и «единиц») в цифровой электронный вид, с которым могут работать все составные части компьютера. Для перевода любой информации из обычного вида в электронный компьютерный вид программы кодирования используют двоичную систему счисления.

Система счисления это способ записи чисел с помощью заданного набора специальных знаков (цифр). Люди используют с древних времен десятичную систему счисления. При преобразовании информации в электронный вид используется двоичная, иногда восьмеричная и шестнадцатеричная системы счисления системы с основанием, являющимся целой степенью числа 2. В двоичной системе используются цифры 0, 1; в восьмеричной цифры 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7; в шестнадцатеричной для чисел от нуля до девяти используются цифры 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, а для чисел от десяти до пятнадцати в качестве цифр используются символы A, B, C, D, E, F.

Запись в системах счисления первых двух десятков целых чисел:

10-я

2-я

8-я

16-я

0

0

0

0

1

1

1

1

2

10

2

2

3

11

3

3

4

100

4

4

5

101

5

5

6

110

6

6

7

111

7

7

8

1000

10

8

9

1001

11

9

10-я

2-я

8-я

16-я

10

1010

12

A

11

1011

13

B

12

1100

14

C

13

1101

15

D

14

1110

16

E

15

1111

17

F

16

10000

20

10

17

10001

21

11

18

10010

22

12

19

10011

23

13

Преимущества использования двоичной системы для преобразования информации в электронный вид очевидны. Это простота с точки зрения технической реализации двоичной системы в компьютерах для этого нужны простые технические устройства с двумя устойчивыми состояниями, а не с десятью (в случае использования десятичной системы), например, электронные ключи (есть напряжение – нет напряжения, есть ток нет тока, «1» «0»). Представление информации с помощью двух состояний достаточно надежно и помехоустойчиво. Для выполнения логических преобразований над информацией в двоичном виде можно применить аппарат булевой алгебры.

Для преобразования информационных знаков (десятичных чисел, букв любых алфавитов, специальных символов) в двоичный вид существуют наборы кодов и программы-кодировщики, присваивающие каждому знаку свой двоичный код. Информация, вводимая пользователем в компьютер, преобразуется с их по-

12

мощью в последовательность двоичных цифровых электрических сигналов («нулей» и «единиц») цепи двоичных кодов. При выводе информации для чтения (на монитор, принтер) по каждому коду формируется соответствующее ему изображение информационного знака. Соответствие между информационными знаками и их уникальными двоичными кодами называется системой кодирования или кодировкой. В настоящее время существует множество различных видов кодировок.

U (уровень

 

 

 

 

 

1 Байт

 

 

 

напряжения)

 

бит

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 Вольт

 

 

бит

 

бит

 

бит

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

1

 

0

1

1

1

0

0

0 Вольт

t (время)

Рис. 2.1.2. Кодирование информации на аппаратном уровне

На аппаратном уровне существуют различные способы кодирования двоичной информации, например, двоичные «1» и «0» кодируются различными уровнями электрического напряжения (рис. 2.1.2).

Наименьшей единицей измерения компьютерной информации является бит (от англ. bit binary digit двоичная цифра) – двоичный разряд, принимающий значения «0» или «1». Восемь бит составляют байт (рис. 2), или машинное слово. Байт – универсальная единица измерения компьютерной информации. Составные части компьютеров работают с байтами. Персональные компьютеры используют размер ячейки памяти состоящий из 8 бит или байта. Изменяя зна-

чения битов в пределах одного байта (00000001, 00000010, 00000011, 00000100 и

т.д.), можно получить 256 (28 = 256) различных значений, что очень удобно, например, для кодирования набора из десятичных цифр, строчных и прописных (то есть маленьких и больших) букв двух алфавитов и специальных символов. Кодировки, использующие до 256 различных состояний байта, называются однобайтными (код ASCII, читается «аски»). В настоящее время все более широкое распространение приобретает двухбайтная кодировка Unicode, в ней коды символов могут принимать значения от 0 до 65535 (216-1). Этого хватает для обозначения практически всех применяемых символов.

1024 байта образуют один килобайт 1КБ или 1kB. Приставка «кило» здесь означает не умножение числа на 1000, как в десятичной системе счисления (1 килограмм= 1000 грамм, 1 километр= 1000 метров), аумножениена1024 (210 = 1024).

Сейчас используются более крупные единицы информации: 1 Мегабайт (1 МБ или 1 MB) = 1024 КБ = 220 байт.

1 Гигабайт (1 ГБ или 1 GB) = 1024 МБ = 230 байт.

В последнее время в связи с увеличением объемов обрабатываемой информации входят в употребление такие производные единицы, как:

1 Терабайт = 1024 ГБ = 240 байт. 1 Петабайт = 1024 ТБ = 250 байт.

13

Характеристики центрального процессора

Центром любой вычислительной системы, в том числе и любого компьютера, является центральный процессор основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера. Кроме ЦП, в компьютере используются и другие процессоры, выполняющие различные функции.

Производительность ЦП характеризуется следующими параметрами:

1. Разрядность процессора (внутренняя разрядность) количество бит, которое обрабатывает ЦП в единицу времени (за один такт). Существует также понятие внешней разрядности данных (или разрядность шины данных) количество бит, которым ЦП может обмениваться с другими устройствами в единицу времени (за один такт).

2. Тактовая частота – характеризует количество элементарных операций выполненных ЦП в секунду. Выполнение различных операций при обработке данных в ЦП происходит в строго отведенные единицы времени такты, что необходимо для синхронизации процесса обработки и координации шагов работы остальных устройств компьютера.

Частота – физическая величина, равная количеству каких-либо колебаний в секунду, измеряется в Герцах (Гц). Частота в 1 Гц означает одно колебание в секунду. Тактовая частота определяет количество тактов ЦП в секунду, из-за ее больших значений измеряется в Мегагерцах (МГц или MHz) и Гигагерцах (ГГц или GHz): 1 МГц = 1000 000 Гц = 106 Гц. 1 ГГц = 1000 000 000 Гц = 109 Гц.

3.Объем адресуемой памяти (адресное пространство) – это максимальное количество байт, к которому может обратиться ЦП для размещения в нем обра-

батываемых данных. Объем адресуемой памяти теоретически определяется разрядностью адресной шины или шины памяти процессора и равен 2n (n – количество линий в шине), практически – параметрами чипсета.

4.Степень интеграции количество элементарных полупроводниковых элементов, размещенное в интегральной микросхеме ЦП.

Все современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров. Фи-

зически микропроцессор (МП) представляет собой интегральную микросхему тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещены элементы и схемы, реализующие все функции процессора. Кристалл-пластинка устанавливается в керамический корпус.

Современные микропроцессоры создаются на основе технологий, обеспе-

чивающих формирование элементов с линейным размером 0,18-0,13 микрометра

(1мкм = 10 –6 м).

Краткая история развития ПК. Структура и архитектура ПК

Распространение персональных компьютеров к концу 70-х годов привело к некоторому снижению спроса на большие ЭBM, что стало предметом серьезного беспокойства фирмы IBM (International Business Machines) ведущей компании по производству больших ЭВМ, и в 1979 году фирма IBM решила попробовать свои силы на рынке персональных компьютеров. В качестве ЦП для нового ПК специалисты IBM выбрали из всего ряда существовавших тогда 16-разрядных

14

микропроцессоров (фирм Texas Instruments, Motorola, Intel, Zilog) микропроцессор 8088 фирмы Intel.

В августе 1981 года новый ПК под названием IBM PC был официально представлен и вскоре после этого приобрел большую популярность у пользователей. До появления IBM PC персональные компьютеры того времени строились на базе 8-разрядных микропроцессоров и не имели большого спроса из-за низкой производительности и быстродействия. Вскоре компьютер IBM PC занял ведущее место на рынке, вытеснив модели 8-битовых компьютеров.

Преимущество 16-разрядных микропроцессоров по сравнению с 8-разряд- ными состоит в значительном повышении быстродействия и производительности: 8-разрядные МП манипулируют данными из 8 бит, 16-разрядные работают и с 8- и 16-разрядными данными. Также они адресуют гораздо больший объем памяти: 8-разрядные МП могут обращаться не более, чем к 64kB, МП 8088 позволяет адресовать 1024kB или 1 MB памяти.

Принципиальное отличие ПК IBM PC от персональных компьютеров того времени заключалось не только в использовании нового мощного по тем временам 16-разрядного микропроцессора 8088, но и в усовершенствовании структуры компьютера, а также в применении принципа открытой архитектуры при его проектировании и производстве.

Структура компьютера это совокупность его функциональных элементов, узлов, схем и связей между ними. Не все компоненты IBM PC были специально разработаны для него, достаточно большая часть системы составлена из стандартных компонентов. Особенность ПК IBM состоит в оригинальном способе организации и объединения существовавших в то время компонентов в единую функционирующую систему. Все основные комплектующие в составе IBM PC размещаются в одном корпусе, получившем название системного блока. Системный блок, разработанный фирмой IBM, очень удобен и для добавления в него новых устройств для расширения возможностей ПК (модернизации (апгрейда)), и для обслуживания и ремонта.

Архитектурой компьютера называется его описание на некотором общем уровне, включающее описание системы команд, системы адресации, организации памяти, возможностей программирования и т.д. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя. В современной вычислительной технике существуют различные типы архитектур: классическая архитектура, многопроцессорная архитектура, архитектура с параллельными процессорами, многомашинная архитектура (рис. 2.1.3).

УУ

 

 

 

 

УУ

УУ

УУ

УУ

АЛУ

АЛУ

АЛУ

АЛУ

АЛУ

АЛУ

АЛУ

АЛУ

Память

 

Память

 

 

 

Архитектура

 

Архитектура

с параллельными процессорами

 

многопроцессорного компьютера

Рис. 2.1.3. Различные типы архитектур компьютера

15

ПК IBM имеет классическую архитектуру (рис. 2.1.1) это простой однопроцессорный компьютер, в ЦП которого через одно арифметико-логическое устройство проходит поток данных, через одно устройство управления проходит поток команд, составляющих программу.

IBM PC спроектирован на основе принципа открытой архитектуры, заключающегося в следующем: регламентируется и стандартизируется только описание принципа действия компьютера, его составных частей и соединений между ними. Такой компьютер можно собирать из отдельных узлов и деталей, разработанных и изготовленных различными фирмами (но по одним стандартам). ПК IBM PC легко модернизируется за счет наличия внутренних слотов (разъемов) расширения, в которые можно устанавливать разнообразные устройства (удовлетворяющие заданному стандарту), тем самым конфигурировать ПК в соответствии со своими предпочтениями.

В настоящее время компьютер IBM PC стал стандартом персонального компьютера. Компьютеры IBM и IBM-совместимые составляют около 90% всех производимых в мире ПК.

Микропроцессоры для ПК производились и производятся многими фирмами. В настоящее время в IBM-совместимых ПК применяются в основном процессоры фирм Intel и AMD (Advanced Micro Devices). Считается, что процессоры Intel более оптимальны для работы в многозадачном режиме, в локальных компьютерных сетях, с программами автоматизированного проектирования, а процессоры AMD для работы в домашних и офисных компьютерах, с видео-, игровыми и графическими программами. В целом оба типа процессоров поддерживают все задачи без исключения, но отличаются производительностью для разных классов задач.

Краткая история развития процессоров фирмы Intel представлена в табл. 2.1.1.

Таблица 2.1.1

Краткая история развития процессоров фирмы Intel

Модель Intel

Разрядность, бит

Тактовая час-

Адресное

Кол-во эл-

Год

(кодовое название)

ЦП

Данных

Адреса

тота, МГц

пр-во

тов, тыс.

вып.

8086

16

16

20

5-10

1 Mb

29

1978

8088

16

8

20

5-8

1 Mb

29

1979

80186

16

16

20

10-12

1 Mb

134

1982

80286

16

16

24

6-12

16 Mb

134

1982

80386DX

32

32

32

16-33

4096 Mb

275

1985

80386SX

32

16

24

16-33

4096 Mb

275

1988

80486DX

32

32

32

25-50

4096 Mb

1250

1989

80486SX

32

16

24

20-33

16 Mb

900

1991

80486DX2

32

32

32

50-66

4096 Mb

1250

1992

Pentium (P5)

64

64

32

60-66

4096 Mb

3100

1993

Pentium (P54C)

64

64

32

75-200

4096 Mb

3300

1993

80486DX4

32

32

32

75-100

4096 Mb

1600

1994

Pentium Pro

64

64

32

150-200

4096 Mb

5500

1995

Pentium MMX (P55C)

64

64

32

166-233

4096 Mb

4500

1997

Pentium II (Deschutes)

64

64

64

266-450

64 Gb

7500

1998

Celeron (Covington)

64

64

64

266-300

64 Gb

7500

1998

Pentium II Xeon

64

64

64

400-450

64 Gb

7500

1998

Celeron (Mendocino)

64

64

64

300-533

64 Gb

19000

1999

Pentium III (Coppermine)

64

64

64

533-1200

64 Gb

28100

1999

Celeron (Willamette-128)

64

64

64

1600-2000

64 Gb

 

2002

Pentium IV

64

64

64, 128

1600-3200

64,128 Gb

 

2002

16