1.5 Техническое обеспечение информационных систем и технологий

Архитуктура фон Неймана

Американский математик Джон фон Нейман предложил включить в состав первых вычислительных машин устройство памяти. Он также предложил реализовать возможность передачи управления от одной команды к другой, хранить в памяти компьютера набор команд, которые могли бы передавать управление от одной программы другой. Фон Нейман предложил создать процессор, который бы управлял всеми функциями компьютера.

В 1945 году Джон фон Нейман подготовил отчет, в котором определил следующие основные принципы работы и элементы архитектуры компьютера:

• Компьютер состоит из процессора (центрального обрабатывающего устройства), памяти и внешних устройств.

• Единственным источником активности (не считая стартового или аварийного вмешательства человека) в компьютере является процессор, который, в свою очередь, управляется программой, находящейся в памяти.

• Память компьютера состоит из ячеек, каждая из которых имеет свой уникальный адрес. Каждая ячейка хранит команду программы или единицу обрабатываемой информации. Причем и команда, и информация имеют одинаковое представление.

• В любой момент процессор выполняет одну команду программы, адрес которой находится в специальном регистре процессора - счетчике команд.

• Обработка информации происходит только в регистрах процессора. Информация в процессор поступает из памяти или от внешнего устройства.

• В каждой команде программы зашифрованы следующие предписания: из каких ячеек взять обрабатываемую информацию; какие операции совершить с этой информацией; в какие ячейки памяти направить результат; как изменить содержимое счетчика команд, чтобы знать, откуда взять следующую команду для выполнения.

• Процессор исполняет программу команда за командой в соответствии с изменением содержимого счетчика команд до тех пор, пока не получит команду остановиться.

В дальнейшем архитектура фон Неймана незначительно изменялась и дополнялась, но исходные принципы управления работой компьютера с помощью хранящихся в памяти программ остались нетронутыми [2].

Основные структурные элементы ПК

Компьютер имеет следующую структуру: системный блок с входящими в него устройствами, внешние устройства, с помощью которых реализуется диалог оператора с устройством.

Системный блок - состоит из блока питания, системной (материнской) платы и вспомогательных устройств.

На материнской плате находится центральный процессор, выполняющий арифметические, логические и управляющие функции, содержащий собственную сверхбыструю память: ОЗУ – оперативное запоминающее устройство, реализованное в виде плат (Simm, Dimm, Dimm DDR SDRAM и др.), устанавливаемых в разъемы материнской платы; постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), содержащее стартовую программу BIOS, прожигаемую на заводе, аккумулятор для бесперебойного питания части ОЗУ (CMOS) при выключенном компьютере, согласующие микросхемы и т.п. В гнезда – разъемы на материнской плате устанавливается интерфейсные платы: видеокарта, через которую выполняется управление монитором, звуковая карта, обеспечивающая управление колонками или звуком в наушниках, сетевая карта поддерживающей соединение нескольких компьютеров в локальную сеть, внутренний модем, преобразующий телефонный сигнал в компьютерный, а компьютерный в телефонный. Возможно и подключение других плат, для связи с другими устройствами (телевизором, видеокамерой и др.).

Устройства ввода информации: монитор (дисплей), на экране которого отображается информация, клавиатура и мышь, посредством которых реализуется ввод информации, сканер, позволяющий «оцифровать» изображение на бумаге, т.е. преобразовать изображение на бумаге в компьютерный двоичный код, микрофон, джойстик

Устройства вывода информации: принтер и плоттер графопостроитель), отображающие информацию в виде твердой копии, например, на бумаге; звуковые колонки, наушники.

Устройства длительного хранения информации, размещенные внутри корпуса системного блока: накопители на жестких дисках (HDD – винчестеры), накопители на гибких дисках (FDD – дисководы), CD-ROM, DVD-ROM накопители. Могут быть редко применяемые устройства длительного хранения информации, например, стримеры, использующие для хранения информации магнитную ленту.

BIOS (Basic Input Output System) – базовая система ввода-вывода записывается на микросхеме ПЗУ. BIOS содержит: специальные программы по управлению работой стандартными внешними устройствами (драйверы – программы, расширяющие возможности операционной системы); тестовые программы для контроля работоспособности аппаратуры; программу начальной загрузки операционной системы.В BIOS хранятся программы, выполняющие интерфейсные функции по самонастройке, например, по изменению системной даты, времени, установке пароля, указания в каком порядке просматривать устройства при загрузке ядра операционной системы, вызывающие автоматическую идентификацию накопителей на жестких дисках и т.д. Для обеспечения диалога с BIOS в начальный момент работы программ диагностики пользователю нужно нажать клавишу ‘DEL’ ( или другая клавиша, обычно информация о ней появляется на экране монитора). С одной стороны, BIOS можно рассматривать как составную часть аппаратных средств, а с другой – она является программным обеспечением. Вызов программ BIOS, как правило, организован в форме так называемой обработки аппаратных и программных прерываний. Выделение BIOS в отдельный модуль позволяет обеспечить независимость программного обеспечения от специфики конкретной модели компьютеров.

Микропроцессор представляет собой сверхбольшую интегральную схему, имеющую постоянно увеличивающееся со временем количество функциональных элементов типа диод или транзистор. Это программно управляемое устройство обработки информации. Микропроцессор получает информацию и команды по ее обработке и выдает обработанную информацию. Одной из характеристик микропроцессора является разрядность, которая показывает, сколько двоичных битов информации обрабатывается за один такт. Другой характеристикой микропроцессора является величина тактовой частоты, которая показывает быстродействие микропроцессора, т.е. количество базовых операций (например, операции сложения двух чисел), которые процессор производит в секунду. Тактовая частота измеряется в герцах. Производительность процессора является его интегральной характеристикой, которая зависит от частоты процессора, его разрядности особенностей архитектуры. Сегодня фирмы-производители занимаются постоянным наращиванием производительности процессоров.

Накопители бывают на гибких, жестких магнитных и оптических дисках.

Накопители на жестких магнитных дисках (винчестеры) состоят из механического привода, головок чтения/записи, нескольких носителей и контроллера, обеспечивающего работу всего устройства и передачу данных. Сегодня существует 3 основных интерфейса жестких дисков: IDE (Integrated Device Electronics), SCSI (Small Compact System Interface)? SATA(Serial Advanced Technology Attachment). Современная тенденция роста информационной емкости жестких дисков характеризуется наличием винчестеров с терабайтными объемами пространства.

Накопители на сменных дисках:

Floppy – дисковод, носителями информации являются floppy-диски: форм-фактор 5,25”, емкость 160 Кб; форм-фактор 3,5”, емкость 1,44 Кб. Операция чтения/записи осуществляется контактным способом, когда магнитная головка соприкасается с поверхностью носителя.

Оптические накопители: CD-ROM накопители (чтение), использующие оптический принцип чтения информации, носителями информации являются неперезаписываемые CD-ROM диски (CD -компакт диск), CD-R накопители (чтение/запись), носители информации являются записываемые CD-R и перезаписываемые CD-RW диски, DVD-ROM накопители (чтение), носителями информации являются неперезаписываемые DVD--ROM диски (DVD- Digital Video Disk), DVD-R накопители (чтение/запись), носителями информации являются записываемые DVD-R и перезаписываемые DVD-RW, DVD+RW диски [3].