Аппаратные средства для работы с информацией. Аппаратные компоненты офисного пк

09.02.2019

Аппаратные средства ПК

Студента СПБГУТД

Группа № 1-ЭД-2 «В»

Меркоева Дмитрия

Санкт-Петербург

Введение……………………………………………………….3

Конфигурация персонального компьютера.......................3

Материнская плата…………………………………………..5

BIOS …………………………………………………………….6

IBM PC и принцип открытой архитектуры……………….8

Введение

В наше время трудно представить себе, что без компьютеров можно обойтись. А ведь не так давно, до начала 70-х годов вычислительные машины были доступны весьма ограниченному кругу специалистов, а их применение, как правило, оставалось окутанным завесой секретности и мало известным широкой публике. Однако в1971 г. произошло событие, которое в корне изменило ситуацию и с фантастической скоростью превратило компьютер в повседневный рабочий инструмент десятков миллионов людей. В том вне всякого сомнения знаменательном году еще почти никому не известная фирма Intel из небольшого американского городка с красивым названием Санта-Клара (шт. Калифорния), выпустила первый микропроцессор. Именно ему мы обязаны появлением нового класса вычислительных систем - персональных компьютеров, которыми теперь пользуются, по существу, все, от учащихся начальных классов и бухгалтеров до маститых ученых и инженеров. Этим машинам, не занимающим и половины поверхности обычного письменного стола, покоряются все новые и новые классы задач, которые ранее были доступны (а по экономическим соображениям часто и недоступны - слишком дорого тогда стоило машинное время мэйнфреймов и мини-ЭВМ) лишь системам, занимавшим не одну сотню квадратных метров. Наверное, никогда прежде человек не имел в своих руках инструмента, обладающего столь колоссальной мощью при столь микроскопических размерах.

У персонального компьютера есть два важных преимущества по сравнению со всеми другими видами компьютеров: он имеет относительно простое управление и может решать достаточно широкий класс задач.

Если ранее на ЭВМ могли в основном работать только профессиональные программисты (практически для любой задачи приходилось создавать свою программу), то теперь ситуация коренным образом изменилась. В настоящее время разработаны десятки тысяч программ по всем областям знаний. С ними работают десятки миллионов квалифицированных пользователей.

Согласно статистическим данным, самыми распространенными и используемыми программами являются операционные системы и текстовые редакторы.

Знание характеристик компьютерных устройств поможет квалифицированному пользователю выбрать оптимальную конфигурацию персонального компьютера для решения поставленной практической задачи.

Конфигурация персонального компьютера

Персональными называются компьютеры, на которых может одновременно работать только один пользователь. Персональные компьютеры имеют только одно рабочее место.

Под термином «конфигурация» компьютера понимают список устройств, входящих в его состав.

В соответствие с принципом открытой архитектуры аппаратное обеспечение компьютеров (Hardware) может быть весьма различным. Но любой персональный компьютер имеет обязательный и дополнительный набор устройств.

Обязательный набор устройств:

· Монитор - устройство вывода текстовой и графической информации.

· Клавиатура - устройство для ввода текстовой информации.

· Системный блок - объединение большого количества различных компьютерных устройств.

В системном блоке находится вся электронная начинка компьютера. Основными деталями системного блока являются:

· Процессор - главное компьютерное устройство управления и проведения вычислений.

· Материнская плата - устройство для крепления на ней других внутренних компьютерных устройств.

· Оперативная память (ОЗУ) - устройство для хранения программы и данных во время ее работы в компьютере.

· Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) - устройство для постоянного хранения некоторых специальных программ и данных.

· Кэш память - сверхбыстрая память для хранения особо важной информации.

· Сопроцессор - устройство для выполнения операций с плавающей запятой.

· Видеокарта - устройство, обеспечивающее вывод информации на монитор.

· Флоппи дисковод - устройство для хранения и переноса информации между ПК.

· Винчестер - основное устройство для хранения информации на компьютере.

· Блок питания - устройство для распределения электрической энергии между другими компьютерными устройствами.

· Контроллеры и шина - предназначены для передачи информации между внутренними устройствами ПК.

· Последовательные и параллельные порты - предназначены для подключения внешних дополнительных устройств к компьютеру.

· Корпус - предназначен для защиты материнской платы и внутренних устройств компьютера от повреждений.

Дополнительные устройства, которые можно подключать к компьютеру:

· Принтер - предназначен для вывода текстовой и графической информации на бумагу.

· Дисковод для компакт дисков (CD ROM) - для работы с компакт дисками.

· Дисководы DVD - современные устройства для работы с носителями данных объемом до 17 Гбайт.

· Звуковая карта - устройство для работы со звуковой информацией.

· Мышь - манипулятор для ввода информации в компьютер.

· Джойстик - манипулятор для передачи информации о движении в компьютер.

· Планшет - устройство для работы с компьютерной графикой.

· TV тюнер является устройством, позволяющим ПК принимать и показывать программы телевидения.

· Колонки - внешние устройства для воспроизведения звуков.

· Факс-модем - устройство для связи между компьютерами через телефонную линию.

· Плоттер - устройство для вывода чертежа на бумагу.

· Сканер - для ввода графических изображений в компьютер.

· Ленточные накопители - устройства для проведения резервного копирования данных на магнитную ленту.

· Источник бесперебойного питания - устройство защиты компьютера от перебоев в электроснабжении.

· Накопители на съемных дисках - устройства, в будущем заменяющие флоппи дисководы.

· Графический акселератор - устройство для ускорения обработки и вывода трехмерной графики.

и многое другое...

Для обозначения конфигурации конкретного персонального компьютера применяют записи стандартного типа. Разберем ее на примере:

Pentium II - 333/ 64 Sdram / 3.1Gb / ATI 3D Char 4 Mb / Mini / CD ROM 24X + SB 16 ESS68

Итак, что это за компьютер? Вначале пишется тип процессора - Pentium II с тактовой частотой 333 МГц. Далее обозначен объем и тип оперативной памяти - 64 Мбайта. В ПК встроен винчестер объемом 3.1 Гбайт. Используется видеокарта ATI 3D Char c 4 Мбайтами видеопамяти, видеокарта оптимизирована для работы с трехмерной графикой 3D. Корпус MiniTower. Также в состав ПК входит 24-скоростной дисковод для компакт дисков и простая звуковая карта Sound Blaster. В стандартную конфигурацию компьютера всегда входит 3.5 дюймовый флоппи-дисковод, поэтому он в записи не указывается. Мышь также входит в стандартную конфигурацию. Но монитор совместно с данным комплектом не продается. Его необходимо покупать отдельно. Общий итог - данный компьютер имеет минимальную стандартную конфигурацию для использования в офисе и дома весной 1999 г.

Материнская плата

Материнская плата (Mother board) является основной платой компьютера, т.к. именно на ней крепятся все компьютерные устройства, например, процессор, звуковая карта и т.д.

Материнские платы собираются на основе специального набора микросхем, называемого Chipset.В зависимости от типа устанавливаемого процессора, необходимо использовать различные chipsetы, и получать, т.о. материнские платы разных типов.

Так, для 486 процессоров существовал специальный тип 486 материнских плат. Для процессоров Pentium использовались два вида плат: первый для процессоров с тактовой частотой 60 и 66 МГц, а второй - для всех остальных. Для последующих типов процессоров также необходимо использовать соответствующие системные платы. Так, например, для процессора Celeron используется плата на наборе микросхем 443EX.

Самым популярным производителем материнских плат в России считается фирма Asustek. Хотя на практике можно использовать компьютеры с материнской платой различных производителей. Например, A-Bit, A-Trend, Giga - Byte и другие.

Последней разработкой в области системных плат для настольных ПК стала технология NLX, и, возможно, именно она окажется ведущей технологией ближайшего будущего. Платы этого стандарта, на первый взгляд, напоминают платы LPX, но на самом деле они значительно усовершенствованы. Если на платы LPX нельзя установить самые новые процессоры из-за их более крупных размеров и повышенного тепловыделения, то в разработке NLX эти проблемы прекрасно разрешены. Вот каковы основные преимущества этого нового стандарта, перед остальными.

Поддержка современных процессорных технологий. Это особенно важно для систем с процессором Pentium II, поскольку размер его корпус Single Edge Contact (т.е. корпуса, с единственным рядом расположенных по периметру контактов) практически не позволяет устанавливать этот процессор на платах Baby-AT и LPX. И хотя некоторые производители системных плат все же предлагают АТХ-системы на основе Pentium II, на их платах остается место только для двух 72-контактных разъемов модулей SIMM!

Гибкость по отношению к быстро изменяющимся процессорным технологиям. Идея гибких систем с объединительной платой нашла новое воплощение в конструкции плат NLX, установить которые можно быстро и легко, не разбирая при этом всю систему на части. Но в отличие от традиционных систем с объединительными платами, у нового стандарта NLX есть поддержка таких лидеров компьютерной индустрии, как AST, Digital, Gateway, Hewlett-Packard, IBM, Micron, NEC и другие.

Поддержка других новых технологий. Речь здесь идет о таких высоко производительных решениях, как AGP (Accelerated Graphics Port - ускоренный графический порт), USB (Universal Serial Bus - универсальная последовательная шина), технологии больших модулей памяти и DIMM. А в ответ на всевозрастающую роль мультимедиа-приложений разработчики встроили в новую системную плату еще и поддержку таких возможностей, как проигрывание назад видеоролика, расширенные графика и звук. И если в прошлом использование мультимедиа-технологий означало дополнительные затраты на различные дочерние платы, то теперь необходимость в них отпала.

Системная плата NLX и платы ввода-вывода (располагающиеся, как и в конструкции LPX, параллельно системной) теперь легко вставляются и вынимаются, при этом другие платы, в том числе и расположенные вертикально, остаются нетронутыми. Легче добраться и до самого процессора, который охлаждается теперь гораздо лучше, чем в системах с тесно расположенными компонентами. Поддержка плат расширения различного размера позволяет выпускать системы различных модификаций.

Стандарт NLX обеспечивает максимальную гибкость систем и самое оптимальное использование свободного пространства. Даже самые длинные платы ввода-вывода устанавливаются без труда и не задевают при этом никаких других системных компонентов, что было настоящей проблемой для компьютеров типа Baby-AT.

BIOS - Базовая система ввода-вывода (Basic Input Output System) называется так потому, что включает в себя обширный набор программ ввода-вывода, благодаря которым операционная система и прикладные программы могут взаимодействовать с различными устройствами как самого компьютера, так и подключоными к нему. Вообще говоря, в PS система BIOS занимает особое место. С одной стороны, ее можно рассматривать как составную часть аппаратных средств, с другой стороны, она является как бы одним из програмных модулей операционной системы. Сам термин BIOS, видимо, заимствован из операционной системы CP/M, в которой модуль с подобным названием был реализован програмно и выполнял примерно подобные действия.

Большинство современных видеоадаптеров, а также контроллеры накопителей имеют собственную систему BIOS, которая обычно дополняет системную. Во многих случаях программы, входящие в конкретную BIOS, заменяют соответствующие програмные модули основной BIOS. Вызов программ BIOS, как правило, осуществляется через програмные или аппаратные прерывния.

Система BIOS помимо программ взаимодействия с аппаратными средствами на физическом уровне содержит программу тестирования при включении питания компьютера POST (Power–On-Self-Test, Самотестирование при включении питания компьютера). Тестируются основные компоненты, такие как процкссор, память, вспомогательные микросхемы, приводы дисков, клавиатуру и видеоподсистему. Если при включении питания компьютера возникают проблемы (BIOS не может выполнить начальный тест), вы услышите последовательность звуковых сигналов:

Если вы сталкиваетесь с чем-либо подобным, существует высокая вероятность того, что эта проблема связана с аппаратными средствами.

Система BIOS в PS реализована в виде одной микросхемы, установленной на материнской плате компьютера.Название ROM BIOS в настоящее время не совсем справедливо, ибо «ROM» - предполагает использование постоянных запоминающих устройств (ROM - Read Only Memory), а для хранения кодов BIOS в настоящее время применяются в основном перепрограммируемые (стираемые электрически или с помощью ультрафиолетового излучения) запоминающие устройства. Мало того, наиболее перспективным для хранения системы BIOS является сейчас флэш-память. Это позволяет легко модифицировать старые или добавлять дополнительные функции для поддержки новых устройств, подключаемых к компьютеру.

Поскольку содержимое ROM BIOS фирмы IBM было защищено авторским правом, то есть его нельзя подвергать копированию, то большинство других производителей компьютеров вынуждены были использовать микросхемы BIOS независимых фирм, системы BIOS которых, разумеется, были практически полностью совместимы с оригиналом. Наиболее известные из этих фирм три: American Megatrends Inc. (AMI), Award Software и Phoenix Technologies. Заметим, что конкретные версии BIOS неразрывно связаны с набором микросхем (chipset), используемым на системной плате. Кстати, компания Phoenix Technologies считается пионером в производстве лицензионно-чистых BIOS. Именно в них впервые были реализованы такие функции, как задание типа жесткого диска, поддержка привода флоппи-дисков емкостью 1,44 Мбайта и т.д. Более того, считается, что процедура POST этих BIOS имеет самую мощную диагностику. Справедливости ради надо отметить, что BIOS компании AMI наиболее распространены. По некоторым данным, AMI занимает около 60% этого сегмента рынка. Кроме того, из программы Setup AMI BIOS можно вызвать несколько утилит для тестирования основных компонентов системы и работы с накопителями. Однако при их использовании особое внимание следует обратить на тип интерфейса, который использует привод накопителя.

Система BIOS в компьютерах, неразрывно связана с SMOS RAM. Под этим понимается «неизменяемая» память, в которой хранится информация о текущих показаниях часов, значении времени для будильника, конфигурации компьютера: количестве памяти, типах накопителей и т.д. Именно в этой информации нуждаются программные модули системы BIOS. Своим названием SMOS RAM обязана тому, что эта память выполнена на основе КМОП-струкгур (CMOS-Complementary Metal Oxide Semiconductor), которые, как известно, отличаются малым энергопотреблением. Заметим, что CMOS-память энергонезависима только постольку, поскольку постоянно подпитывается, например, от аккумулятора, расположенного на системной плате, или батареи гальванических элементов, как правило, смонтированной на корпусе системного блока.Большинство системных плат допускают питание CMOS RAM как от встроенного, так и от внешнего источника.

В случае повреждения микросхемы CMOS RAM (или разряде батареи или аккумулятора) программа Setup имеет возможность воспользоваться некой информацией по умолчанию (BIOS Setup Default Values), которая хранится в таблице соответствующей микросхемы ROM BIOS. Кстати, на некоторых материнских платах питание микросхемы CMOS RAM может осуществляться как от внутреннего, так и от внешнего источника. Выбор определяется установкой соответствующей перемычки.

Программа Setup поддерживает установку нескольких режимов энергосбережения, например Doze (дремлющий), Standby (ожидания, или резервный) и Suspend (приостановки работы). Данные режимы перечислены в порядке возрастания экономии электроэнергии. Система может переходить в конкретный режим работы по истечении определенного времени, указанного в Setup. Кроме того, BIOS обычно поддерживает и спецификацию АРМ (Advanced Power Management). Как известно, впервые ее предложили фирмы Microsoft и Intel. В их совместном документе содержались основные принципы разработки технологии управления потребляемой портативным компьютером мощностью.

Задание полной конфигурации компьютера осуществляется не только установками из программы Setup, но и замыканием (или размыканием) соответствующих перемычек на системной плате. Назначение каждой из них указано в соответствующей документации.

IBM PC и принцип открытой архитектуры

Принцип открытой архитектуры гласит, что компьютеры собираются из комплектующих, созданных в соответствии с определенными стандартами. Данные стандарты опубликованы и информационно доступны. При этом пользователь имеет возможность самостоятельно вставлять в ПК платы самых разных фирм - производителей и адаптировать свой персональный компьютер к требуемой деятельности.

До появления персональных компьютеров IBM PC все другие модели были основаны на принципе «закрытой архитектуры», т.е. все аппаратные средства были для конечного пользователя «вещью в себе». После того, как заканчивалась сборка аппарата, он «был обречен на необратимое старение». Если с производства снималась хоть одна деталь, систему можно было выбрасывать.

То, что IBM PC стали стандартом персональных машин связано с его очень удачной конструкцией. Компьютеры IBM могут быть созданы из независимо изготовленных частей аналогично детскому конструктору. Если работа любой детали вас не устраивает, ее вынимают и заменяют другой. Ранее, если какая-нибудь деталь снималась с производства, надо было выбрасывать весь прибор. Для IBM PC есть десятки предложений по замене. Компьютеры IBM PC созданы в соответствие с принципом открытой архитектуры

Достоинства принципа открытой архитектуры можно рассмотреть на следующем примере: Пусть у нас есть простой монофонический плеер. Мы покупаем и вставляем в него устройство для записи звука. В результате получаем монофонический магнитофон. Добавляем вторую колонку и слушаем стерео. Подключаем FM тюнер и получаем магнитолу. Далее осталось сделать еще один шаг и в результате вместо старого плеера мы имеем - двух кассетную стерео магнитолу. Просто в дополнение к прежним деталям мы докупили несколько новых и соединили их вместе. К сожалению, на практике с магнитофонами данный подход не работает, но с компьютерами все обстоит намного лучше.

Лекция 2. Технические средства компьютерной графики

Общие сведения о компьютерах, используемых для обработки графической информации

Технические средства и программное обеспечение (ПО) являются инструментальной средой графической системы. Они образуют физическую среду, в которой реализуются математические методы, алгоритмы, математические модели в рамках специального ПО компьютерной графики.

Пользователь (инженер, дизайнер, художник, редактор) взаимодействует с этой средой и, используя средства компьютерной графики, создает графические объекты различной сложности. Технические средства и общесистемное ПО реализуют различные, но взаимосвязанные функции по созданию графической информации, ее преобразованию, хранению и выводу.

С помощью технических средств компьютерной графики решают следующие задачи:

Ввод исходной графической информации;

Оперативный диалог пользователя с графической системой;

Преобразование графической информации;

Хранение графической информации в различных форматах;

Отображение графической информации;

Документирование графической информации.

Основу технических средств компьютерной графики, решающих перечисленные задачи, составляют вычислительные системы, включающие процессоры, оперативную память, внешние запоминающие устройства, устройства ввода графической информации, устройства вывода графической информации, устройства взаимодействия пользователя с компьютером, телекоммуникационные и сетевые устройства. Перечисленные задачи компьютерно-технических средств решаются совместно с общесистемным ПО.

Чаще всего, после того, как изображение возникло на мониторе, пользователь каким-либо образом должен взаимодействовать с ним: модифицировать, передвигать, управлять. Для этого существует ряд устройств, о которых будет рассказано ниже.

Классификация компьютеров

Компьютеры можно классифицировать по различным признакам. Компьютеры, используемые для обработки графической информации можно разделить на две группы – универсальные (общего назначения) и специализированные. Большинство компьютеров, оперирующих с графической информацией, относятся к универсальным, а специализированные компьютеры предназначены для решения узкого круга сложных задач компьютерной графики. Примером специализированных графических компьютеров может служить многопроцессорный суперкомпьютер Onyx 4 Ultimate Vision фирмы Silicon Graphics, содержащий от 2 до 64 центральных процессоров и от 2 до 32 графических процессоров.

Многие современные суперкомпьютеры созданы по кластерной технологии (англ. cluster – скопление). По этой технологии компьютер строится из нескольких десятков вычислительных машин, связанных между собой и функционирующих как единая система. Кластерные суперкомпьютеры легко масштабируются и позволяют получать высокое быстродействие и высокую готовность.

Одним из наиболее ранних методов классификации компьютеров является классификация по назначению. В данном случае учитывается, для решения какого рода задач компьютер применяется. Также существует классификация компьютеров по типоразмерам, по уровню специализации и др.

Мэйнфреймы (от англ. mainframe) – высокопроизводительные компьютеры с большими вычислительными ресурсами, способные решать сложные задачи, обрабатывать большие объемы данных и выполнять обработку нескольких тысяч запросов одновременно.

Конструктивно мэйнфреймы выполняются в едином корпусе в форме шкафа или тумбы (отсюда и их название), к которому могут подключаться многочисленные терминалы (рис. 2.1). Как правило, мэйнфреймы отличаются очень высокой надежностью.

Рис. 2.1. Мэйнфрейм корпорации IBM

Мэйнфреймы обычно используют для хранения и обработки больших баз данных, а также для создания крупных web-узлов с большим количеством клиентов.

Серверы (от англ. server – обслуживающий) – компьютеры, которые в вычислительных сетях являются центральными управляющими и информационными узлами. На серверах хранится большое количество информации, в том числе и графической, которую могут использовать все компьютеры, подключенные к сети, в зависимости от их статуса (Рис. 2.2).

Сервер определяет работоспособность всей сети, сохранность баз данных и другой информации, поэтому серверы имеют систему хранения данных, отличающуюся большой емкостью и высокой надежностью, возможность замены неисправных блоков при непрерывной работе (т.н. «горячая» замена).

Рис. 2.2. Сервер Dell

Персональные рабочие станции - графические рабочие станции, выполненные на вычислительной платформе, используемой в персональных компьютерах, как правило, это платформа WINTEL. Вычислительная платформа - совокупность центрального процессора (в данном случае - микропроцессор фирмы Intel) и операционной системы (ОС) (в этом случае - вариант ОС Windows корпорации Microsoft).

Рис. 2.3. Рабочая станция HP

Обычно в качестве персональных рабочих станций используются высокопроизводительные персональные компьютеры, укомплектованные дополнительными периферийными устройствами в зависимости от назначения станции (Рис. 2.3).

Персональные компьютеры (ПК) (англ. personal computer, PC) - компьютеры, предназначенные для индивидуального использования одним пользователем автономно или в сети совместно с другими компьютерами. Персональные компьютеры бывают настольные, переносные и карманные.

Персональные настольные компьютеры предназначены для работы в лабораторных условиях, в офисе, кабинете или комнате. Их располагают непосредственно на рабочем месте, обычно на столе, в соответствии с их названием. Это наиболее распространенные компьютеры, составляющие большую часть всех компьютеров в мире. Настольные персональные компьютеры в зависимости от их возможностей и назначения можно разделить на профессиональные, офисные, учебные и бытовые.

Рис. 2.4. Персональный настольный компьютер

Как правило, конструктивно настольные компьютеры и рабочие станции состоят из центральной части - системного блока, и монитора, клавиатуры и мыши, подключенных к системному блоку. Конструктивное оформление системного блока отличается большим разнообразием - от классического горизонтального или вертикального до самых экзотических решений дизайнеров (Рис. 2.4). В некоторых моделях ПК монитор и системный блок могут быть совмещены.

Переносные (мобильные) персональные компьютеры широко используются наравне с настольными компьютерами. Современные переносные компьютеры часто называют ноутбуками (от англ. notebook). Ноутбук функционально аналогичен настольному ПК и часто не уступает ему по техническим параметрам. В ноутбуках используется такое же программное обеспечение, что и в настольных ПК. Основная особенность ноутбука - возможность автономной работы с питанием от встроенного аккумулятора. Это позволяет использовать ноутбук в различных условиях при отсутствии питающей сети. Конструктивно ноутбук содержит жидкокристаллический дисплей, клавиатуру, совмещенную с системным блоком, жесткий диск и оптический дисковод (CD-ROM, CD-RW или DVD-RW). Рядом с клавиатурой размещается манипулятор (сенсорная панель) для управления курсором. Размеры ноутбуков соответствуют портфелю или небольшой сумке (Рис. 2.5).

Рис. 2.5. Переносной персональный компьютер (ноутбук)

Изначально, широкое распространение ноутбуков сдерживалось их высокой стоимостью по сравнению с настольными компьютерами, однако по мере развития технологии изготовления для них комплектующих их стоимость снижалась, что обусловило повышение спроса и интенсивное развитие их производства. В настоящее время все основные производители настольных компьютеров предлагают большое число моделей ноутбуков, отличающихся функциональными возможностями и стоимостью.

Карманные (или наладонные) переносные компьютеры (КПК) помещаются на ладони или в кармане. КПК также называют наладонниками(англ. palmtop). Кроме палмтопов существуют карманные компьютеры, которые называют PDA (англ. personal digital assistent). Общее название карманных компьютеров - handhold computers - компьютеры, которые держат в руках (Рис. 2.6).

Рис. 2.6. Специализированный карманный компьютер

Все карманные компьютеры в зависимости от наличия клавиатуры делятся на две большие группы: КПК с клавиатурой и КПК без клавиатуры. КПК с клавиатурой внешне похожи на ноутбук, уменьшенный до карманных размеров. КПК без клавиатуры оснащены сенсорным экраном и информация вводится на экран при помощи специальной указки - стилуса, при этом может использоваться экранная клавиатура или написание символов стилусом непосредственно на экране.

В карманных компьютерах программы хранятся в микросхемах энергонезависимой памяти. В набор программ обычно входит операционная система, текстовые и графические редакторы, системы баз данных, электронные таблицы и интернет-браузеры. Эти компьютеры позволяют обрабатывать документы, работать с базами данных, производить вычисления, читать электронные книги, слушать музыку, просматривать фильмы и работать в Интернете.

К данной группе также можно отнести смартфоны (англ. smartphone – умный телефон). Это устройства, сочетающие в себе некоторые функции карманных компьютеров и мобильных телефонов (Рис. 2.7).

Каждый тип компьютера обладает определенными функциональными возможностями обработки графической информации. Все возможности компьютера реализуются совместно программными и аппаратными средствами и должны органично сочетаться с возможностями пользователя. Разделение функций между аппаратными и программными средствами компьютера направлено на повышение его эффективности при решении различных задач.

Аппаратные средства персональных компьютеров

Персональный компьютер – универсальное устройство. Его конфигурацию (состав оборудования) можно изменять по мере необходимости. Тем не менее, существует базовая конфигурация, которую считают типовой. В этой конфигурации компьютер обычно поставляется пользователю. В настоящее время в базовой конфигурации рассматривают четыре устройства:

· системный блок;

· монитор;

· клавиатура;

Системный блок

Системный блок – основное устройство компьютера. Внутри него находиться целый ряд важнейших компонентов. По способу размещения устройств относительно системного блока их делят на внешние (периферийные) и внутренние (центральные).

К центральным устройствам, непосредственно участвующим в обработке данных, относятся центральный процессор, оперативная память, графический процессор и подсистема ввода-вывода. Эти устройства расположены внутри системного блока.

К периферийным относятся устройства, реализующие функции ввода, вывода, подготовки данных и хранения больших объемов информации. Общим для всех периферийных устройств является то, что они преобразуют форму представления данных без изменения их содержания. Такие устройства подключаются к системному блоку снаружи через различные разъемы и порты.

Рис. 2.8. Корпус ПК в горизонтальном и вертикальном исполнении

По внешнему виду системные блоки различаются формой корпуса. Корпуса компьютеров выпускают в горизонтальном исполнении (desktop) и в вертикальном (tower) (Рис. 2.8). Корпуса в вертикальном исполнении различают по габаритам: полноразмерный (full tower), средний (midi tower) и малый (mini tower). Среднеразмерные корпуса в вертикальном исполнении весьма популярны в сфере бытового использования.

ТЕМА №1

ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ИНФОРМАТИКИ

ЛЕКЦИИ

МЕДИЦИНСКИЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Информатика (от франц. informacion – “информация” и automatigue “автоматика”) – наука, изучающая все аспекты получения, хранения, преобразования, передачи и использования информации.

Предметом информатики являются:

аппаратные средства вычислительной техники;
программные средства вычислительной техники;
средства взаимодействия пользователя с аппаратными и программными средствами вычислительной техники.

Аппаратные и программные средства современного
персонального компьютера

Необходимо знать: определение компьютера; классификацию современных ЭВМ; состав и предназначение аппаратных средств современного персонального компьютера; понятие программного обеспечения; классификацию программных средств, их предназначение; механизм взаимодействия аппаратных и программных средств в единой системе – персональном компьютере; принципы хранения информации в памяти компьютера; основные методы работы с операционной системой Windows.

Необходимо уметь: показать основные аппаратные средства компьютера; включить и выключить персональный компьютер; управлять работой компьютера при помощи клавиатуры и мыши; выделять и перемещать объекты; пользоваться контекстным меню; открывать, закрывать, разворачивать, сворачивать, перемещать окно, изменять его размеры; просматривать содержимое окна, используя полосы прокрутки; работать с несколькими окнами; создавать, удалять и копировать объекты; использовать главное меню; применять стандартные программы Windows.

Компьютер - электронный прибор, предназначенный для автоматизации, создания, хранения, транспортировки и обработки данных.

Рассмотрим классификацию современных компьютеров. Одним из принципов классификации может быть назначение . В этом случае различают большие, мини- и микро- ЭВМ и персональные компьютеры.

Большие ЭВМ – это самые мощные компьютеры. Их применяют для обслуживания очень крупных организаций и целых отраслей народного хозяйства (например для АЭС). Штат обслуживания Большой ЭВМ составляет до многих десятков человек, поэтому на базе таких суперкомпьютеров создают вычислительные центры, включающие в себя несколько отделов или групп.

Мини–ЭВМ отличаются от больших уменьшенными размерами и соответственно меньшей производительностью и стоимостью. Такие компьютеры используются крупными предприятиями и научными учреждениями. Их часто применяют для управления производственными процессами. Для организации работы с мини-ЭВМ требуется также вычислительный центр, хотя и не такой многочисленный, как для больших ЭВМ.

Микро-ЭВМ доступны многим предприятиям. Для их обслуживания обычно не создают вычислительные центры. Эту задачу может решать небольшая вычислительная лаборатория в составе нескольких человек. Микро-ЭВМ могут применяться и в крупных вычислительных центрах, где они выполняют вспомогательные функции, например, осуществляют предварительную подготовку данных.

В настоящее время особо бурное развитие получила категория персональных компьютеров . Они предназначены для обслуживания одного рабочего места. Отличаются небольшими размерами и относительно невысокой стоимостью. В тоже время современные рациональные компьютеры обладают немалой производительностью.

До последнего времени ПК разделяли на бытовые и профессиональные. Однако сейчас такое разделение не актуально. С 1999 года в области ПК действует международный классификационный стандарт, устанавливающий следующие их категории : массовые, деловые, портативные, развлекательные ПК и рабочие станции.

Большинство компьютеров, присутствующих в настоящее время на рынке попадают в категорию массовых . В них гармонично сочетаются средства для решения различных задач и работы с любыми типами данных.

Для деловых ПК минимизированы требования к средствам воспроизведения графики, а к средствам работы со звуковыми данными требований вообще не предъявляется. Для портативных ПК обязательным является наличие средств компьютерной связи. В категории рабочих станций повышены требования к устройствам хранения данных. Развлекательные компьютеры, пожалуй, самые мощные. К ним предъявляются высокие требования в отношении средств воспроизведения графики и звука.

Наряду с рассмотренной классификацией по назначению существует ряд других, например по уровню специализации . В этой классификации различают универсальные и специализированные компьютеры. На базе первых можно собирать вычислительные системы произвольного состава, для решения широкого круга задач: работы с текстом, графикой, музыкой, видеоматериалами и т.д. Специализированные компьютеры предназначены для решения конкретного круга задач. К ним относятся, например, бортовые компьютеры автомобилей, судов, самолетов, космических аппаратов. Специализированные компьютеры широко используются и для управления различными медицинскими приборами, например, электронные кардиографы, реографы, спирографы, в которые встроены микропроцессоры, реализующие функции ЭВМ.

Другая классификация основана на размерах . Различают настольные, портативные (notebook) и карманные модели(palmtop). Первые распространены наиболее широко. Они являются принадлежностью рабочего места. Портативные компьютеры удобны для транспортировки. Благодаря портативности ноутбуки используют для создания мобильных медицинских приборно-компьютерных систем, удобных, например, для выезда на дом к пациенту. Карманные модели выполняют функции интеллектуальных записных книжек. Они способны выполнять ограниченный круг задач: в них можно набрать текст, создать простую электронную таблицу, подготовить и отправить электронную почту и т.д.

Еще одна классификация основана на совместимости . Различают несколько видов совместимости. Важнейшей из них является аппаратная. Исходя из нее, различают аппаратные платформы. В области ПК сегодня наиболее широко распространенны две из них: IBM PC и Apple Macintosh. Абсолютное большинство имеющихся в России компьютеров построено на платформе IBM, их называют IBM-совместимыми компьютерами. «Макинтоши» в России используются в основном в полиграфической промышленности для подготовки полноцветных иллюстраций и дизайна.

В любой ЭВМ принято рассматривать две части, работающие в непосредственной связи и непрерывном взаимодействии: аппаратные и программные средства. К первым относятся устройства и приборы, входящие в состав вычислительной системы, ко вторым - программы, обеспечивающие ее функционирование.

В состав компьютера обычно входят следующие устройства:

1. внутренние устройства (объединены в системный блок):

1.1. процессор – «мозг» компьютера, основная микросхема, в которой производятся все вычисления, выполняются большинство логических и математических операций (Современный процессор представляет собой выращенный по особой технологии кристалл кремния площадью всего 4-6 см 2 , несущий на себе многие миллионы элементов. Основной характеристикой процессора является скорость работы, ведь чем она выше, тем мощнее и совершеннее компьютер.);

1.2. оперативная память – набор микросхем, предназначенных для временного хранения информации и обмена ею с процессором;

1.3. постоянное запоминающее устройство – микросхема для хранения базовой системы ввода-вывода (BIOS);

1.4. энергонезависимое запоминающее устройство – микросхема, питающаяся от собственного аккумулятора, предназначенная для хранения некоторой системной информации, в то время, когда компьютер выключен (например, на базе этого устройства работают системные часы);

1.5. жесткий диск - устройство для долговременного хранения больших объемов информации:

1.6. устройства для работы с внешними носителями информации:

1.6.1. дисковод для дискет 3,5 дюйма;

1.6.2. дисковод для компакт-дисков (CD-ROM), DVD-ROM;

1.7. приспособления для подключения внешних устройств (например, видеоадаптер, звуковая карта, порты и т.д);

1.8. материнская плата – устройство для соединения всех вышеназванных компонентов и обеспечения их работы;

1.9. блок питания;

2. внешние устройства (большинство из них имеют собственные корпуса, но некоторые могут входить в системный блок):

2.1. устройства вывода:

2.1.1. монитор – устройство визуального представления информации;

2.1.2. принтер – прибор для получения копии документов на бумаге или других подобных носителях;

2.1.3. аудио колонки – устройство вывода звуковой информации;

2.2. устройства ввода:

2.2.1. клавиатура для ввода алфавитно-цифровых данных и команд;

2.2.2. мышь – устройство управления манипуляторного типа;

2.2.3. сканер – прибор для ввода информации с бумажного или подобного носителя;

2.2.4. микрофон – устройство ввода звуковой информации;

2.2.5. приспособления для захвата видеоизображения;

2.3. устройства ввода-вывода:

2.3.1. модем – прибор для обмена информацией между удаленными компьютерами по каналам связи;

2.3.2. сетевая плата – приспособление для обмена информацией между компьютерами по локальной сети.

В последние годы все большую популярность приобретают цифровые фото и видео камеры. Они позволяют получать соответствующую информацию сразу же в цифровом виде. Ее непосредственный перенос в компьютер не представляет сложности. Надо отметить, что цифровая фотокамера для врача является незаменимым инструментом, так как позволяет фотографировать пациентов при внешних проявлениях заболеваний, ход различных процедур, например оперативных вмешательств, рентгенограммы и т.д. Полученные фотографии можно использовать для проведения заочных консультаций, в учебной и научно-исследовательской деятельности.

Рассмотрим программное обеспечение. Программа - это запись алгоритма решения задачи в виде последовательности команд на языке, понятном для компьютера. Конечной целью любой компьютерной программы является управление аппаратными средствами. Принято различать четыре иерархических уровня: базовый, системный, служебный и прикладной.

Базовые программные средства обеспечивают взаимодействие с основными аппаратными средствами и являются неотъемлемой составной частью последних. К ним относится базовая система ввода-вывода (BIOS).

Программы системного уровня обеспечивают связь программного обеспечения более высокого уровня с базовым и непосредственно с аппаратными средствами, осуществляя управление всем комплексом устройств, из которых состоит компьютер. Кроме того, программное обеспечение системного уровня включает так называемые средства обеспечения пользовательского интерфейса, осуществляющие взаимодействие компьютера с пользователем. Обычно программное обеспечение этого уровня объединено в операционную систему компьютера. В настоящее время в России наибольшее распространение получили операционные системы семейства Microsoft Windows.

Основное назначение программ служебного уровня (утилит) состоит в автоматизации работ по проверке, наладке и настройке компьютерной системы, выполнении различных вспомогательных функций. К утилитам относятся диспетчеры файлов, средства контроля и диагностики, сжатия данных, просмотра и воспроизведения и ряд других программ.

Прикладное программное обеспечение непосредственно служит для работы пользователя с различной информацией: создания текстовых и графических документов, выполнения математических расчетов, автоматизации производственной и офисной деятельности и т.д. Из прикладных программ широко распространены текстовые и графические редакторы, настольные издательские системы, базы данных, электронные таблицы, системы автоматического проектирования, бухгалтерские системы, средства для видеомонтажа и создания музыки и многие другие. Существуют специальные медицинские прикладные программы: экспертные и справочные системы, средства обработки медицинских изображений и т.д. К прикладным программам относятся и разнообразные компьютерные игры.

2.1. Общие сведения о персональном компьютере.

Компьютер – это электронный прибор, предназначенный для автоматизации создания, хранения, обработки и транспортировки данных.

Первая серийная персональная ЭВМ (ПЭВМ) появилась в США в 1975 г. Персональная ЭВМ относится к классу микроЭВМ и является машиной индивидуального пользования. Характерные признаки: относительно невысокая стоимость, малые размеры, высокая надежность, простота обслуживания, малая потребляемая мощность с возможностью питания от бытовой электросети.

ПЭВМ это общедоступный и универсальный инструмент, многократно повышающий производительность интеллектуального труда специалистов различного профиля. ПЭВМ работает с пользователем в диалоговом режиме. Общедоступность ПЭВМ определяется сравнительно низкой стоимостью, компактностью, отсутствием специальных требований как к условиям эксплуатации, так и степени подготовленности пользователя.

Большую роль в развитии ПЭВМ сыграло появление компьютера IBM PC корпорации IBM (США) на базе микропроцессора Intel-8086 в 1981 г. Этот ПК занял ведущее место на рынке ПЭВМ благодаря «открытой архитектуре», позволяющей расширять возможности ПЭВМ путем модернизации компьютера и добавления различных периферийных устройств. В наши дни около 85% всех продаваемых ПЭВМ базируется на архитектуре IBM PC.

Классификация ПЭВМ по конструктивному исполнению:

Большие ЭВМ , которые представляют собой многопользовательские машины с центральной обработкой, с большими возможностями для работы с базами данных, с различными формами удаленного доступа. (Казалось бы, что с появление быстро прогрессирующих ПЭВМ большие ЭВМ обречены на вымирание, однако они продолжают развиваться, и выпуск их снова стал увеличиваться.). Это супер ЭВМ для решения крупномасштабных вычислительных задач, для обслуживания крупнейших информационных банков данных.

Машины RS/6000 – очень мощные по производительности, предназначены для построения рабочих станций для работы с графикой, UNIX-серверов. Первоначально эти машины предполагалось применять для обеспечения научных исследований. Применяются для комплектования ведомственных, территориальных и региональных вычислительных центров.

Средние ЭВМ , предназначены в первую очередь для работы в финансовых структурах (ЭВМ типа AS/400 (Advanced Portable Model 3 – адванц портейбл))- это бизнес компьютеры, 64-разрядные.

В этих машинах особое внимание уделяется сохранению и безопасности данных, программой совместимости и т.д.

Компьютеры на платформе микросхем фирмы Intel . IBM-совместимые компьютеры этого класса составляют примерно 50-60% рынка всей компьютерной техники. Эти компьютеры позволяют удовлетворять индивидуальные потребности пользователей.

Архитектура и основные компоненты пэвм.

Это многоуровневая иерархия аппаратно-программных средст, из которых строится ЭВМ.

Детализацией архиттурного и структурного построения ЭВМ занимаются различные категории специалистов вычислительной техники.

А) инженеры –схемотехники - проектируют отдельные технические устройства.

Б) системные программисты - создают программы управления техническими средствами, информационного воздействия между уровнями, организации вычислительного процесса.

В) программисты-прикладники - разрабатывают пакеты программ более высокого уровня, которые обеспечивают взаимодействие пользователей с ЭВМ.

Важнейшими характеристиками ЭВМ являются быстродействие и производительность. А другой не менее важной характеристикой ЭВМ является емкость запоминающих устройств.

Любой компьютер (включая ПК) имеет три основные составные части:

Центральный процессор;

периферийные устройства.

Они взаимодействуют между собой с помощью шин, стандартизация которых делает архитектуру компьютера открытой.

Конструктивно ПЭВМ состоит из трех основных блоков:

системный блок,

клавиатура

дисплей (монитор).

Для расширения функциональных возможностей к ПЭВМ можно подключать различные дополнительные периферийные устройства (печатающие устройства, накопители, указательные устройства, устройства оптического считывания изображений, графопостроители и др.

Системный блок – главный блок ПЭВМ. Он строится по модульному принципу, что позволяет легко изменить конфигурацию компьютера: увеличить объем оперативной памяти, заменить видеокарту, увеличить емкость винчестера.

Все компоненты системного блока находятся внутри корпуса, защищающего их от механических повреждений и обеспечивающего необходимый тепловой режим. Элементы управления и индикаторы находятся на передней панели системного блока. Сетевые разъемы, разъемы для подключения периферийных устройств и вентилятор блока питания расположены на задней панели системного блока.

В системном блоке расположены основные узлы, это - центральный микропроцессор, сопроцессор, модули оперативной и постоянной памяти, контроллеры, накопители на магнитных дисках и другие функциональные модули.

Периферийные устройства – любые устройства, не расположенные на системно плате, кроме процессора и ОЗУ. Обычно под периферийными устройствами понимают дополнительные устройства, расширяющие возможности компьютера. Могут устанавливаться в системный блок или подключатся к нему снаружи.

Основные электронные компоненты компьютера, такие как микропроцессор, память, кварцевый генератор тактовых импульсов и др. располагаются на системной , или как ее еще называют материнской (motherboard) плате. Все они подключены к системной шине (системному интерфейсу) .

Системная шина – сеть электронных проводников, осуществляющая обмен информацией между различными компонентами компьютера.

Основная характеристика – разрядность шины – определяется ее способностью передавать одновременно несколько бит (разрядов) информации.

Выделяют три компоненты системной шины:

шину данных , обеспечивающую взаимодействие микропроцессора с устройствами ввода - вывода;

адресную шину , осуществляющую взаимодействие с памятью.

шину управления , обеспечивающую передачу управляющих команд;

Основные типы современных шин- ISA, EISA, PCI, AGP .

Микропроцессор (МП) или центральный процессор (CPU) это специальный чип (интегральная микросхема), который выполняет все основные вычислительные операции необходимые персональному компьютеру: (складывает, вычитает, умножает, делит числа, хранящиеся в памяти компьютера), и делает это со скоростью в несколько сотен миллионов операций в секунду.

Центральный процессор осуществляет в персональном компьютере обработку всей информации, работает под управлением программных средств, преобразуя входную информацию в выходную.

Именно компьютерные программы сообщают процессору необходимую последовательность действий.

Если опустить подробности, то принцип работы центрального процессора можно описать следующим образом.

Процессору необходимо знать, какую математическую операцию надо проводить и с какими числами, а также, что делать с результатом. Все это содержится в микропроцессорных кодах. Например, операция сложения требует выполнения около семи инструкций (микрокоманд) процессора.

Следуя вышесказанному, процессор должен быть:

не дорогим

достаточно производительным

обладать низким тепловыделением (иначе постоянный гул от высокооборотистого вентилятора

оставлять место для апгрейда (модернизации)

просто стабильно работать

На сегодняшний день рынок предлагает процессоры от трех производителей –, Intel, AMD, VIA.

Компания AMD – традиционно предлагает производительные процессоры Athlon c частотами 1500-1800 Мгц, однако с точки зрения совместимости и стабильности работы их вряд ли можно назвать лучшим выбором.

Процессоры компании VIA Technologies (технологис) не так распространены на рынке, как ее многочисленные чипсеты и на нашем рынке они до сих пор считаются экзотикой. А причина в частоте процессора ниже 1 Ггц (на сегодняшний день это уже маловато).

Процессоры Celeron, (облегченный Р4), производимые корпорацией Intel пока удовлетворяют полностью поставленными нами требованиям производительности (тактовые частоты от 1200 до 1800М гц и выше). А процессоры, этой же фирмы, такие как Рentium 4 на ядре Northwood (нортвед), (частоты от 1600 до 2400 Мгц, хороши всем, кроме цен), 380$.

Математический сопроцессор ускоряет выполнение математических операций и графических работ. Наиболее современные процессоры (Pentium) имеют встроенный сопроцессор.

Постоянная память или постоянное запоминающее устройство (ПЗУ, Read only Memory, ROM). Является энергонезависимой, используется для хранения системных программ для проверки оборудования компьютера, инициирования загрузки операционной системы и выполнения базовых функций по обслуживанию устройств компьютера. Содержимое ПЗУ называется базовой системой ввода вывода (BIOS).

Полупостоянная память (CMOS) – небольшой участок памяти для хранения параметров конфигурации компьютера. Для питания CMOS при выключенном электропитании компьютера используется специальный аккумулятор. Для изменения параметров конфигурации в BIOS содержится программа настройки конфигурации компьютера – SETUP.

Оперативная память ( RAM ) , называемая также оперативным запоминающим устройством (ОЗУ).

Предназначена для временного хранения информации при работе компьютера. В ней содержатся выполняемые в текущий момент программы и используемые ими данные. Оперативная память (внутренняя память) является очень важным элементом в ПК. Оперативная память работает очень быстро. Именно из нее процессор берет программы и исходные данные для обработки, в нее он записывает полученные результаты.

Однако опер.память работает пока включен компьютер, при выключении ПК информация стирается.

Оперативную память можно наращивать с помощью установки в системный блок на системную плату специальные модули памяти типа SIMM или DIMM.

Типа SDRAM, способна работать на частоте 266 Мгц, это наиболее распространенный на сегодняшний день стандарт памяти у хороших машин.

Основной недостаток оперативной памяти – конструктивно достижимый ее объем во много раз меньше, чем у дисковой. Решить эту проблему за счет использования дисковой памяти позволяет виртуальная память .

Кэш-память (Cache). Сверхоперативная память, которая в несколько раз ускоряет обмен данными между микропроцессором и оперативной памятью, а также между оперативной памятью и внешними устройствами памяти. В ней хранятся копии наиболее часто используемых участков оперативной памяти. Объем кэш-памяти от 64 до 512 Кбайт.

Контроллеры (адаптеры) устройств представляютсобой электронные схемы, управляющие внешними устройствами компьютера, они "объясняют" процессору, как работать с конкретным устройством. Для каждого внешнего устройства есть свой контроллер. Некоторые контроллеры управляют сразу несколькими устройствами (пример: контроллер портов ввода-вывода).

Накопители на гибких магнитных дисках (НГМД, Floppy Disk Drive, FDD). Предназначены для переноса информации с компьютера на компьютер, хранения информации с помощью гибких дисков (Floppy Disk, дискета).

Накопители на жестких магнитных дисках (Hard Disk Drive, HDD, винчестер, жесткий диск, хард, винт – это сленг). Предназначены для постоянного хранения информации и характеризуются большим объемом и скоростью считывания данных. На жестком диске хранятся программы и данные.

При выборе ж. Диска нужно усматривать две позиции – это объем и скорость вращения шпинделя.

Говоря об объеме диска – в качестве оптимальной на сегодняшний день - это 60 Гбайт, так как современные приложения без стеснения “кушают” место на диске, поэтому экономить здесь – нет смысла.

От скорости вращения шпинделя – напрямую ж.диска зависят такие параметры, как время доступа и среднее время поиска.

Производителей ж.дисков на мировом рынке не много, и все они хорошо известны. Это Вестерн Дигитал, IBM, Самсунг и др.

Оптические (лазерные) компакт-диски

Объем современных программ, а также графических и звуковых файлов чрезвычайно велик, поэтому емкости дискет для них катастрофически не хватает. В 90 годы были изобретены Компакт – диски (CD-ROM). С помощью дисковода для компакт-диска встроенного в системный блок компьютеры могут считывать лазерные компакт-диски, а также при наличии звуковой карты проигрывать аудиокомпакт-диски.

CD-ROM – только считывающие диски

CD-R - диски для записи информации

CD-RW - диски способные стирать и записывать информацию

CD - ROM , CD - R , CD - RW - предназначены для хранения больших объемов информации. Емкость компакт-диска около 600-700 Мбайт. Используются преимущественно для распространения данных и дистрибутивов различных программ (энциклопедий, графических библиотек, учебных и игровых программ, и т.д.).

DVD - становятся все более популярный Универсальный цифровой диск.

Эти диски вмещают колоссальное количество информации.

Существуют односторенние и двухсторонние, однослойные и двухслойные.

Емкость информации у таких дисков от 4 до 17 Гбайт и выше.

DVD – применяются для хранения фильмов, музыки, современных игр, которые изобилуют 3х мерную графику.

Накопители на магнитной ленте (стримеры) – используются в основном для хранения резервных копий информации.

Съемные диски (магнитооптические, Iomega ZIP и др.) – применяются для резервирования данных и хранения редко используемых данных.

Порты ввода-вывода – (платы), снабженные разъемами для подсоединения к компьютеру дополнительных устройств: (параллельные, последовательные, игровой ).

Указательные устройства : мышь, трекбол, сенсорная панель джойстик, световое перо.

Видеосистема , содержащая два основных компонента: монитор, видеоконтроллер (видеоадаптер).

Принтеры, разновидности которых отличаются способами нанесения красителя на бумагу (лазерные, струйные, матричные и т.д.) (Плоттеры).

Аппаратные средства. Центральный процессор и его режимы работы. Мультипроцессорная обработка. Расслоение памяти. Регистр перемещения. Прерывания и опрос состояний. Буферизация. Защита памяти. Периферийные устройства и их режимы. Каналы ввода-вывода. Захват цикла памяти. Относительная адресация. Виртуальная память. Прямой доступ к памяти. Иерархия памяти.

Поделитесь работой в социальных сетях

Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск

PAGE 6

“ Системное программное обеспечение ”

Лекция 2

Аппаратные средства и программное обеспечение

Аппаратные средства . Центральный процессор и его режимы работы. Мультипроцессорная обработка. Расслоение памяти. Регистр перемещения. Прерывания и опрос состояний. Буферизация. Защита памяти. Периферийные устройства и их режимы. Каналы ввода-вывода. Захват цикла памяти. Относительная адресация. Виртуальная память. Прямой доступ к памяти. Иерархия памяти.
Программное обеспечение.

Литература

Гордеев А.В., Молчанов А.Ю. Системное программное обеспечение. СПб.: Питер, 2001.

[Дейтел 87] Дейтел Г., Введение в операционные системы. М."Мир",1987.

[Кейлингерт 85] Кейлингерт П., Элементы операционных систем, М."Мир", 1985.

[Кейслер 86] Кейслер С., Проектирование операционных систем для малых ЭВМ, М."Мир", 1986.

[Колин 75] Колин А., Введение в операционные системы, М."Мир", 1975.

[Цикритзис 77] Цикритзис Д., Бернстайн Ф., Операционные системы, М."Мир", 1977.

Аппаратные средства

Аппаратные средства - это устройства компьютера: процессоры, устройства памяти, устройства ввода-вывода, а также средства приема-передачи данных.

Мы рассмотрим различные виды аппаратных средств и режимы их работы, которые имеют важное значение с точки зрения работы ОС.

Центральный процессор и его режимы работы

Следует обратить внимание на два основных режима: режим задачи (problem state ) и режим супервизора (supervisor state ) . Операционной системе обычно присваивается статус самого полномочного пользователя и работает она в режиме супервизора, имея доступ ко всем командам, предусмотренным в машине. Программы пользователя имеют доступ лишь к ограниченному числу команд и, в обычном случае, работают в режиме задачи. Команды, которые не могут выполняться в режиме задачи, носят название привилегированных команд .

Мультипроцессорная обработка (multiprocessing )

В мультипроцессорных системах несколько процессоров работают с общей основной памятью и одной ОС. Здесь возникает необходимость обеспечения координированного упорядоченного доступа для исключения конфликтных ситуаций, например, когда два процессора не могли бы одновременно изменять содержимое общей ячейки памяти и т.п. ситуации. Следует отметить, что упорядочение доступа необходимо также и для однопроцессорных машин.

Расслоение памяти

Метод расслоения памяти (storage interleaving ) применяется для увеличения скорости доступа к оперативной памяти. В обычном случае во время обращения к какой-либо области памяти никакие другие обращения к памяти производиться не могут. При расслоении памяти соседние по адресам ячейки размещаются в различных модулях памяти, так что появляется возможность производить несколько обращений одновременно. Например,

при расслоении на два направления ячейки с нечетными адресами оказываются в одном модуле памяти, а с четными - в другом. Таким образом, расслоение памяти позволяет обращаться сразу к нескольким ячейкам, поскольку они относятся к различным модулям.

Регистр перемещения

Регистр перемещения (relocation register ) обеспечивает возможность динамического перемещения программ в памяти. В регистр перемещения заносится базовый адрес программы, хранящейся в основной памяти. Содержимое регистра перемещения прибавляется к каждому указанному в выполняемой программе адресу. Благодаря этому пользователь может писать программу так, как если бы она начиналась с нулевой ячейки памяти, но реально в памяти программа может размещаться совсем не в тех местах, которые она должна была бы занимать согласно адресам, указанным при трансляции.

Прерывания и опрос состояний

Одним из способов, позволяющих некоторому устройству проверить состояние другого, независимо работающего устройства, является опрос (polling ). Так одно из устройств периодически может проверять состояние другого, и, если оно не находится в определенном состоянии, продолжать свою работу.

Прерывания (interrupts ) дают возможность немедленно одному устройству привлечь внимание другого, с тем, чтобы первое могло сообщить об измерении своего состояния. Состояние устройства, работа которого прерывается, должно быть сохранено, только после этого допустимо выполнять обработку прерывания. После завершения обработки прерывания состояние прерванного устройства восстанавливается, с тем, чтобы можно было продолжить работу.

Буферизация

Буфер (buffer ) - это область оперативной памяти, предназначенная для промежуточного хранения данных при выполнении операций ввода-вывода.

Существует несколько способов буферизации. При простой буферизации процесс обработки данных процессором и процесс занесения новых данных в буфер разделены во времени, т.е. в момент занесения новых данных процесс обработки производиться не может, и наоборот. Метод двойной буферизации позволяет совмещать эти процессы, т.е. когда канал заносит данные в один буфер, процессор может обрабатывать данные другого буфера. Такое поочередное использование буферов называют буферизацией с переключением или триггерной буфферизацией (flip - flop buffering ). Ввод-вывод с буферизацией носит название спулинг (spooling ).

Защита памяти

Защита памяти (storage protection ) - важное условие работы для систем коллективного пользования. Защита памяти ограничивает диапазон адресов, которые доступны программе. Защиту памяти для программы, занимающей непрерывный блок ячеек памяти, можно реализовать с помощью граничных регистров, где указываются старший и младший адреса этого блока памяти.

Защита памяти также может быть реализована с помощью ключей защиты памяти (storage protect keys ) , относящихся к определенным областям основной памяти - программе разрешается обращение только к тем областям памяти, ключи которых совпадают с ключом данной программы.

Периферийные устройства и их режимы

Периферийные устройства обладают возможностью работать либо в режиме on - line , когда они непосредственно связаны с центральным процессором. Либо в автономном режиме off - line , когда ими управляют контроллеры, не связанные с центральной вычислительной машиной.

Каналы ввода-вывода

Канал ввода-вывода представляет собой специализированный процессор, предназначенный для управления вводом-выводом независимо от основного процессора. Канал имеет возможность прямого доступа к основной памяти для записи и выборки информации. Основное назначение каналов состоит в том, чтобы увеличить параллелизм работы аппаратуры и освободить процессор от подавляющей части нагрузки, связанной с управлением вводом-выводом.

Для высокоскоростного обмена данными между внешними устройствами и основной памятью используются селекторные каналы (selector channel ) , имеющие только по одному подканалу и обслуживающие в каждый момент времени только одно устройство.

В отличие от селекторных, мультиплексные каналы (multiplexor channel ) имеют множество подканалов и могут работать одновременно с несколькими потоками данных в режиме чередования.

Захват цикла памяти

Наиболее узкое место где может возникнуть конфликтная ситуация между каналами и процессором - это доступ к основной памяти. При возникновении ситуации, когда и каналам и процессору может потребоваться обращение к основной памяти, в обычном случае приоритет предоставляется каналам. Это и называется захватом цикла памяти (cycle stealing ), канал буквально “крадет” циклы обращения к памяти у процессора. Подобный подход обычно используется в ОС.

Относительная адресация

Для обеспечения работы с большими адресными пространствами в памяти используется относительная адресация (база + смещение). В этом случае все адреса программы суммируются с содержимым базового регистра (base register ) . Подобное решение имеет то преимущество, что программы в этом случае оказываются перемещаемыми и позиционно независимыми .

Виртуальная память

Использование виртуальной памяти (virtual storage ) дает возможность указывать в программах адреса, которым необязательно соответствуют реальные адреса основной памяти. Виртуальные адреса динамически, при помощи аппаратных средств, преобразуются в адреса команд и данных, физически расположенных в основной памяти.

В системах виртуальной памяти применяются такие методы, как страничная организация (paging ) - предусмативающая обмен между основной и внешней памятью блоками данных фиксированного размера, и сегментация (segmentation ) - предусматривающая разделение программ и данных на логические компоненты (сегменты).

Прямой доступ к памяти (ПДП)

Прямой доступ к памяти (Direct Memory Access , DMA ) является средством повышения производительности за счет минимизации количества прерываний, происходящих в процессе выполнения программы. ПДП основан на том, что после начала операции ввода-вывода символы передаются в основную память по принципу захвата цикла - канал захватывает шину связи процессора с основной памятью на короткое время передачи одного символа, после чего процессор продолжает работу. Когда внешнее устройство оказывается готовым к передаче очередного символа блока, оно прерывает процессор. Однако в случае ПДП состояние процессора запоминать не требуется, поскольку передача одного символа означает для процессора скорее задержку, или приостановку, чем обычное прерывание. Символ передается в основную память под управлением специальных аппаратных средств, а после завершения передачи процессор возобновляет работу.

Аппаратные средства, обеспечивающие захват циклов памяти и управление устройствами ввода-вывода в режиме ПДП, называются каналом прямого доступа к памяти (DMA channel ) .

Конвейеризация

Конвейеризация (pipelining ) - это аппаратный способ, применяемый в высокопроизводительных вычислительных средствах с целью использования определенных типов параллелизма для повышения эффективности обработки команд. Упрощенно схему конвейеризации можно представить в виде обычного конвейера, на котором в различных стадиях выполнения одновременно могут находиться несколько команд. Такое совмещение требует достаточно больших аппаратурных затрат, но оправдано сокращением общего времени выполнения команд.

Иерархия памяти (storage hierarchy )

Известно, что современные вычислительные машины содержат несколько видов памяти: кеш-память (ca c he, storage ) оперативную, внешнюю, и другие. Все эти виды памяти создают единую иерархию памяти, переход по уровням этой иерархии от кеш к внешней памяти сопровождается уменьшением стоимости и скорости и увеличением емкости памяти.

Вопросы

Объясните, в чем заключается концепция расслоения памяти.
В чем заключается отличие между простой и двойной буферизацией?
Опишите несколько способов защиты памяти.
Как осуществляется прямой доступ к памяти?
Укажите различия между селекторными и мультиплексными каналами.
Какие возможности предоставляет использование виртуальной памяти?

Программное обеспечение

Программное обеспечение - это комплекс программных средств, включающий системные программы, пакеты прикладных и пользовательских программ.

Раздел для самостоятельной проработки

Дайте определения следующим понятиям :

Прикладное и системное программное обеспечение
Процедурно-ориентированные и проблемно-ориентированные языки
Машинный язык
Ассемблеры
Языки высокого уровня
Трансляторы, компиляторы и интерпретаторы
Системы управления вводом-выводом (IOCS )
Спулинг
Микропрограммирование
Эмуляция