На сайте Учебник-скачать-бесплатно.ком ученик найдет электронные учебники ФГОС и рабочие тетради в формате pdf (пдф). Данные книги можно бесплатно скачать для ознакомления, а также читать онлайн с компьютера или планшета (смартфона, телефона).
Информатика Учебник 8-9 класс Макаровой - 2014-2015-2016-2017 год:
Пояснение: Для скачивания книги (с Гугл Диска), нажми сверху справа - СТРЕЛКА В ПРЯМОУГОЛЬНИКЕ . Затем в новом окне сверху справа - СТРЕЛКА ВНИЗ . Для чтения - просто листай колесиком страницы вверх и вниз.
V . \
% V
1.5< Л J
^.T
J
a~«-
Dk.I3*M/0K
b erw'iUaieAr
-I
Графический редактор Photoshop
l.lDixl
J файл Ораека Рстдиг.* Форвет Сервис Пака>слайдрв Окно
- думака X
i, ^ “ Ап« • 18 - . ^Конструктор Сидеть слей* *
Я б X
^Зйметки к слайду
Ш£7 1.
Д*ЙС1ПИЛ»|^ Ав>тофисуры' к ЕЗ C'i isS А'- л -i СмДд1»Т Зфарнлежешумомвтк русооб! {pocoei)
Система соэ|дания презентаций PowerPoint
Рис. 15.7. Внешний вид окон различных приложений
254
Раздел 2. Программное обеспечение информационных технологий
Все программы, создаваемые для Windows, имеют стандартный оконный интерфейс.
У них формируются однотипные справочные зоны и зоны управления. Вид рабочего поля изменяется в зависимости от назначения прикладной среды (см. рис. 15.7).
Рассмотрим более подробно характерные объекты структуры интерфейса любой прикладной среды Windows. В качестве примера возьмем интерфейс табличного процессора (рисунок 15.8).
Кнопка Закрыть Кнопка Развернуть/Восстановить Панель инструментов Кнопка Свернуть
Кнопка
системного
меню
|— Строка заголовка прикладной среды
р Строка
основного меню
^ Microsoft Excel
Файл Правка
D @
Arial Cyr А1
Вид Вставка Формат Серм ' Данные
а X ife ш
» 10 ж /с ч
Окно*|^правка
Новое
Расположить... Скрыть
Заголовок документа
Рабочее поле
Полосы прокрутки
Строка ввода и редактирования Раскрывающееся меню Строка состояния
Рис. 15.8. Интерфейс прикладной среды на примере табличного процессора Excel
Тема 15. Общая характеристика прикладной среды
При запуске любой прикладной среды на экран выводится окно приложения, то есть самой среды. Обычно внутри окна приложения сразу открывается и окно документа. Это может быть новый документ или документ, который редактировался последним. Если приложение было вызвано путем открытия документа, то именно этот документ и будет располагаться в окне приложения.
Интерфейс прикладной среды включает в себя следующие элементы: строка заголовка прикладной среды, строка основного меню, панель инструментов, строка ввода и редактирования, строка состояния.
Строка заголовка включает в себя: кнопку системного меню, название приложения (в нашем случае — Microsoft Excel), кнопку Свернуть, кнопку Развернуть/Восстановить, кнопку Закрыть. Назначение всех этих кнопок более подробно рассмотрено в п. 14.5.
Основное меню любой прикладной среды Windows похоже на матрешку. Разделы верхнего уровня обозначены в строке основного меню.
В каждом из таких разделов команды более низкого уровня объединены по своему назначению. Список этих команд открывается в виде раскрывающегося меню (см. рис. 15.8). Обращение к некоторым из этих команд приводит в свою очередь к появлению дополнительного меню (подменю) еще более низкого зфовня. Таким образом, с помощью основного меню производится последовательный выбор требуемой управляющей команды и задание всех необходимых для ее выполнения параметров.
Панель инструментов содержит фиксированный или устанавливаемый пользователем набор командных кнопок, предназначенных для более быстрого (по сравнению с многоуровневым меню) вызова управляющих команд, входящих в состав основного меню.
Интерфейс табличного процессора и системы управления базами данных включают в себя также строку ввода и редактиро-
256
Раздел 2. Программное обеспечение информационных технологий
вания. В этой строке отображаются вводимые в текущую ячейку таблицы или в поле базы данных числа, текст или формулы. В этой строке можно просматривать или редактировать содержимое текущей ячейки или поля, а также видеть саму формулу.
Строка состояния содержит информацию о режимах работы приложения.
Кроме перечисленных, имеется группа элементов, которые можно условно назвать вспомогательной областью управления. К ним относятся: строка заголовка окна документа, создаваемого приложением; вертикальная и горизонтальная полосы прокрутки.
В строке заголовка окна документа указывается имя файла текущего документа, создаваемого выбранным приложением. Поскольку на экране в окне документа видна только его часть (называемая рабочим полем), то для просмотра других областей документа, которые в данный момент не видны в его окне, используются полосы прокрутки. Полоса, обеспечивающая вертикальное перемещение содержимого окна, называется вертикальной полосой прокрутки, а горизонтальное перемещение осуществляется с помощью горизонтальной полосы прокрутки. Действуют они точно так же, как и в любом другом окне Windows (см. п. 14.5). Если окно документа развернуто до максимального размера, то строка заголовка докзгмента совмещается со строкой заголовка прикладной среды.
15.4. Редактирование документа
При работе в прикладной среде часто возникает необходимость внесения изменений в ранее созданные документы.
Например, вы создали средствами текстового процессора приглашение на праздник. Пусть этот праздник — ваш день рождения. Вы напечатали приглашение для одного из своих друзей. Все полз^илось замечательно. Правда, друзей у вас много, одним приглашением не обойтись. Можно ли изменить средствами текстового процессора уже имеющееся приглашение или придется создавать новое? Работая в среде текстового процессора, достаточно будет заменять в готовом документе только имя приглашенного и печатать новые приглашения.
Тема 15. Общая характеристика прикладной среды
Другой пример. Вы создали в табличном процессоре таблицу расчета среднего балла вашей успеваемости, внесли туда все полученные оценки, а через день получили пять новых. Можно ли добавить их в старую таблицу? Конечно да, ведь не зря компьютер называют универсальным инструментом для обработки информации.
В прикладных программах можно не только создавать документы, как на печатной машинке, но и осуществлять дальнейшие изменения: вносить исправления, устранять ошибки, осуществлять поиск и замену отдельных значений и т. д. Все операции, связанные с внесением изменений в документ, исправлением в нем ошибок, объединяются в общее понятие — редактирование.
I
Редактирование — процесс внесения изменений в документ.
Редактировать можно текстовые документы, таблицы, базы данных, рисунки и т. д. Представьте себе, насколько упростился труд писателей. Теперь им не надо переписывать рукописи своих произведений бесчисленное количество раз, выискивая и устраняя ошибки. Средствами текстового процессора подобную работу можно проделать за считанные минуты.
Люди, чья деятельность связана с выполнением расчетов, избавлены, от необходимости пересчитывать заново огромные таблицы. Теперь достаточно изменить только исходные цифры, а перерасчет итогов табличный процессор выполнит гштоматически.
ОБРАТИТЕ
ВНИМАНИЕ
Запомните правило редактирования:
1. Выделить объект.
2. Выполнить команду или действия по редактированию.
Выделение объекта. Прежде чем осуществлять какие-либо действия над объектом в документе, его необходимо выделить. При
258
Раздел 2. Программное обеспечение информационных технологий
отображении выделенных объектов на экране обычно либо цвет объекта изменяется на противоположный, либо показывается внешняя граница объекта. Обычно объекты в приложении выделяются щелчком мыши.
Таблица 15.1. Действия над выделенными объектами
Типовые действия над выделенными объектами Описание
Удаление Способы удаления выделенного объекта: 1. Нажатие клавиши Del на клавиатуре 2. Команда Вырезать в Основном меню 3. Кнопка на панели инструментов
ф X X об X О X X о через буфер обмена Копирование выделенного объекта через буфер обмена (см. рис. 15.2-15.4) рекомендуется при создании копии объекта в другом документе
в текущем документе Этот способ рекомендуется при создании копии объекта в текущем документе. Не отпуская левую кнопку мыши, нужно нажать клавишу Ctrl и переместить копию объекта на новое место. При этом копируемый объект в буфер обмена не помещается
Вырезание Это действие применяется на первом этапе перемещения объекта. Объект исчезает со старого места и помещается в буфер обмена
Вставка Это действие осуществляет вставку объекта из буфера обмена в редактируемый документ. Для внедрения нового объекта обычно предусмотрены специальные команды в основном меню прикладной среды
Перемещение (в текущем документе) Это действие сочетает в себе вырезание и вставку. При этом перемещаемый объект в буфер обмена не помещается. Для перемещения необходимо, не отпуская левую кнопку мыши, перетащить объект на новое место
Замена Это действие сочетает в себе удаление и вставку объекта
Тема 15. Общая характеристика прикладной среды
259
Часто возникает необходимость выделить группу однотипных, подряд расположенных объектов — блок. Например, словосочетание в предложении или несколько ячеек в таблице. В этом случае мышь «буксируется» при нажатой левой кнопке от первого объекта к последнему.
Способы выделения конкретных объектов будут приведены при описании каждой среды (см. темы 16-19). Типовые действия над выделенным объектом по редактированию документа с помощью команд перечислены в таблице 15.1.
Часто при редактировании в большинстве прикладных сред предусмотрены соответствующие команды, например Правка | Поиск и Правка | Замена. Для поиска объекта в документе указывается его образец. Для замены объекта помимо образца поиска указывают еще и образец для замены.
15.5. Форматирование документа
Модельер стремится к тому, чтобы созданная им одежда была не только удобной и функционгшьной, но и красивой. Кондитер,
выпекая торт, старается сделать его нарядным. Он понимает, что для покзгпателя важны не только вкусовые качества, но и внешний вид.
У пользователя, работающего с документом, будь то таб-лица, рисунок или текст, также возникает необходимость оформить его красиво и профессионально.
Литератор оформляет текст в зависимости от жанра. Например, текст прозаического произведения будет начинаться почти у самого края страницы, в то время как стихотворение, скорее всего, расположится в центре.
Другой пример. Вы создали таблицу, но она настолько широка, что не умещается на странице. Надо либо уменьшить таблицу, либо развернуть страницу горизонтально.
260
Раздел 2. Программное обеспечение информационных технологий
Подобных примеров, когда необходимо красивое и правильное оформление документа, можно привести множество.
При создании школьной газеты обязательно понадобится человек, который умеет красиво писать и оформлять заголовки.
До изобретения компьютера и современных прикладных программ для решения подобных задач приходилось нанимать специалистов. Любой документ, где требовалось хоть какое-то офорхяление, надо было заказывать в типографии. Если вам требовалась красиво оформленная грамота, текст которой выполнен готическим шрифтом, то ее приходилось специально заказывать художнику.
Сегодня прикладные программы избавили человека от подобных трудностей. Каждая прикладная среда обладает набором операций, позволяющих выполнить внешнее оформление документа в соответствии с предъявляемыми требованиями. Все операции по оформлению документа в целом или его объектов объединяются общим понятием — форматирование.
■ Форматирование — процесс представления внешнего вида доку-^ мента или отдельных его объектов в требуемой форме.
Само слово форматирование происходит от слова «форма», то есть форматировать — означает придгшать чему-либо форму.
Форматирование
форматирование документа в целом
Форматирование объектов докудлента
Форматирование объектов, созданных в текущей среде
Форматирование внедренных объектов
Рис. 15.9. Уровни форматирования
Тема 15. Общая характеристика прикладной среды
261
в чем же состоит процесс форматирования документа средствами прикладной среды? Этот процесс можно представить в виде набора действий, выполняемых инструментами прикладной среды над документом в целом или его отдельными объектами (рисунок 15.9). При этом следует учитывать, в какой среде создавался объект, так как это определит используемый инструментарий работы.
Форматирование документа в целом
Каждый документ может быть сохранен в файле, отображен на экране, напечатан на бумаге. Причем на экране документ отображается именно в том виде, как он будет напечатан на бумаге {физической странице).
На физической странице всегда выделяется область, в которой размеп^аются объекты документа. Эта область получила название логической страницы (рисунок 15.10).
Форматирование страницы документа в любой прикладной среде обычно предполагает установку таких параметров, как: ориентация страницы, поля, колонтитулы (см. рис. 15.10).
----Верхний колонтитул
^---Верхнее поле
»• ««■••• I
Логическая страница Правое поле Левое поле Нижний колонтитул Нижнее поле
Рис. 15.10. Страница документа
Ориентация страницы — положение листа бумаги (физической страницы) в пространстве. Различают книжную и альбомную ориентации (рисунок 15.11).
262
Раздел 2. Программное обеспечение информационных технологий
1. Книжная 1 »
Альбомная ■
Поля — области физической страницы, используемые для размещения сопроводительной информации (сносок, колонтитулов и т. п.)> Левое и правое поля обычно остаются незаполненными. В верхнем и нижнем полях могут располагаться колонтитулы.
Колонтитулы — служебная информация, размещаемая в верхнем или нижнем поле страницы. Например, это может быть
фамилия автора, название документа, но-
Рис. 15.11. Ориентация jjgp страницы и т. п. страницы
Форматирование объектов документа
Любой документ состоит из объектов. Вид каждого объекта определяется средой, в которой он был создан. Например, в текстовом процессоре это символ, слово, абзац; в системе управления базой данных — поле, запись и т. д.
Такие объекты создаются и редактируются инструментами самой среды. Помимо этого, в документ могут быть внедрены объекты, созданные при помощи других прикладных программ. Например, объемная надпись, рисунок, формула.
Перечислим параметры, общие для большинства объектов:
♦ размер;
♦ форма;
♦ местоположение в документе;
♦ положение относительно других объектов.
Размер объекта обычно измеряется по высоте и ширине. При этом объекты можно масштабировать, то есть пропорционально изменять их габариты, например размеры символа.
Форма объектное может быть произвольной, но наиболее рас-пространеннгш — прямоугольная, например выделенный фрагмент текста.
Местоположение объекта в документе определяется относительно края страницы.
Положение объекта относительно других объектов документа при необходимости задается пользователем. Например,
Тема 15. Общая характеристика прикладной среды
263
для рисунка в текстовом документе может быть установлено значение «относительно абзаца».
Помимо перечисленных, jr каждого объекта могут иметься свои индивидуальные параметры, подлежащие форматированию. Например, цвет для текста или тень для автофигуры.
Можно выделить целую группу параметров форматирования, не являющихся общими для всех объектов, но одинаковых для любой среды. К таким параметрам относятся:
♦ шрифтовое оформление;
^ цветовое оформление и узор;
ф толщина, тип и штрих линии.
Шрифт. Под шрифтом понимают внешний вид символов алфавита. Например, к разным шрифтам относятся готическая фрактура и церковно-славянский устав (рисунок 15.12). Каждую конкретную реализацию шрифта называют начертанием.
Таких начертаний у каждого шрифта может быть несколько. Совокупность всех начертаний называют гарнитурой шрифта.
Начертания отличаются друг от друга толщиной штрихов, шириной букв, общим рисунком (прямое или курсивное) и др. Гарнитуры шрифтов True Туре, используемые в приложениях Windows, изначально содержат несколько базовых начертаний. Они различаются по виду и кеглю.
Вид начертания. Из начертаний внутри одной гарнитуры чаще всего используются: обычное (прямое), курсивное, полужирное, полужирное курсивное (рисунок 15.13).
Кегль. Это размер шрифта. По традиции, со времен типографского набора, кегль измеряют в пунктах (пт). Один пункт равен 0,35 мм. Существует ряд стандартных кеглей, например, как на рисунке 15.14. Меняя при компьютерном наборе кегль и вид начертания, можно создавать разнообразные варианты щюдставле-ния той или иной гарнитуры.
Ис%
%
Рис. 15.12. Примеры шрифтов
264
Раздел 2. Программное обеспечение информационных технологий
■Jih.
Вы ещё хотите чаю? Вы ещё хотите чаю? Вы ещё хотите чаю? Вы ещё хотите чаю?
обычное курсивное полужирное полужирное курсивное
абвгдежэннкл мнопрстуф хцчш щ
АБВГДЕЖЗИЙКЛМНОПР С ТУ 123466789.:,,С*!?')
12 Съешь еще этих мягких фра]
16 Съешь еш;е этих м#
Съешь еще эп
24
36
48
Съешь еп
Съешь
Рис. 15.13. Виды начертаний
Цвет. Многие объекты прикладных сред имеют параметр цвета. Объекты с однородной структурой, такие как символ, линия и т. п., окрашиваются только в один цвет. У объектов со сложной структурой (автофигура, ячейка, поле и т. п.) различают цвет линии (границы) и цвет заливки (фона) (рисунок 15.15).
Узор. С понятием цвета тесно связано понятие узора. Поверхность объекта может быть заполнена не однотонным цветом, а узором. Спектр узоров достаточно разнообразен (рисунок 15.16). Узор формируется двумя цветами: фона и штриховки.
Толщина, тип и штрих линии. Объект «линия» существует не только в графическом редакторе. Очень часто линия становится составной частью более сложных объектов. Например, плоские фигуры обычно имеют контур, образуемый линией (см. рис. 15.16). Линии друг от друга отличаются толщиной, типом, видом штриха.
Толщина линии. Линии могут иметь различную толщину. Величина этого параметра, так же как и размер шрифта, измеряется в пунктах. Обычно диа-
Рис. 15.14. Символы разного кегля начертания Bold гарнитуры Century
Old Style
Цвет
заливки (фона)
Цвет
линии (границы)
Рис. 15.15. Окрашивание объектов сложной структуры
Тема 15. Общая характеристика прикладной среды
265
пазон значений толщины линий колеблется от 1/4 до 6 пт (рисунок 15.17).
_ __________ V
Тип линии. Линия простого типа представляет собой однородную прямую заданной толщины. Но очень часто бывает нужно провести, например, двойную линию.
Практически во всех прикладных средах предусмотрена возможность выбора нужного типа линии из имеющихся шаблонов (рисунок 15.18).
Тип штриха. Помимо непрерывных можно проводить линии, состоящие из штрихов. Такие линии применяются в тех случаях, когда нужно не ограничить какую-то область рамкой, а вы-_________________ делить главное в составе целого. Например, на рисунке 15.10 штриховыми линиями на листе бумаги обозначена область логической страницы. Типы штрихов при-_________________ ведены на рисунке 15.19.
Рис. 15.16. Примеры узоров
1/4 пт 1/2 пт 3/4 пт 1 пт
1 1/2 пт
2 1/4 пт
3 пт 41/2 пт 6 пт
Рис 15.17. Толщина линии
Рис. 15.18. Тип линии Рис. 15.19. Тип штриха
15.6. Общая характеристика инструментов прикладной среды
Каждый специалист имеет собственный инструмент. Так, например, врач использует стетоскоп, скальпель и т. п. Столяр применяет в своей работе рубанок, киянку, стамеску. Художник вооружается для работы кистью, красками и мольбертом.
Работая на компьютере с тем или иным документом, человек использует в качестве инструментов прикладные программы, формирующие ту или иную прикладную среду.
266
Раздел 2. Программное обеспечение информационных технологий
Сравнивая прикладную среду с привычными нам инструментами, можно сказать, что она похожа на перочинный ножик.
В состав перочинного ножа входит множество разнообразных инструментов: нож, ножницы, отвертка, штопор, вилка и т. п. Все эти инструменты предназначены для разных работ. Вместе их объединили только по одному признаку — эти инструменты нужны человеку во время похода или в другой ситуации, когда обычные нож, вилка и т. п. недоступны. Каждая прикладная среда также имеет соответствующие инструменты, обеспечивающие работу пользователя с документом.
Существуют разные способы для работы с этим инструментом: можно использовать кнопки на панели инструментов или выбирать соответствующие команды меню. Каким бы способом вы ни воспользовались, вы все равно будете работать с одним и тем же инструментом.
• Инструменты прикладной среды — совокупность средств прикладной среды для работы с документом и его объектами.
Инструменты различают между собой прежде всего по их назначению. Одни инструменты предназначены для работы с файлами, другие — для обработки данных в приложении и т. д.
Управление инструментами прикладной среды сосредоточено в основном меню (см. рис. 15.8). Представьте себе Центр управления полетами космических кораблей. В нем задействовано огромное количество людей и технических устройств (локаторы, антенны, спутники и т. д.). Большинство из них находится далеко за пределами Центра. Несмотря на это, все они управляются именно отсюда.
Точно так же управление всеми инструментами прикладной среды осуществляется с помощью команд основного меню. Наименования этих команд обычно совпадают с назвсшиями соответствующих инструментов.
Команды по своему назначению объединены в группы, которые называются именами меню (Файл, Правка и т. д.). Эти имена
Тема 15. Общая характеристика прикладной среды
267
образуют верхний уровень основного меню (рисунок 15.20). Такое меню называется многоуровневым, так как оно содержит команды, объединенные по своему назначению в группы. Каждая группа раскрывается щелчком мыши на ее имени. После этого появляется меню следующего уровня, позволяющее выбрать нужную команду в группе. В ряде случаев при выборе команды открывается подменю более низкого уровня. На самом нижнем уровне нередко бывает необходимо уточнить параметры команды, указав необходимые значения в открывшемся диалоговом окне.
Рис 15.20. Основное меню прикладной среды
На рисунке 15.20 приведены только те имена меню, которые являются общими для большинства сред. Специфические имена будут рассмотрены в темах, посвященных конкретным прикладным средам.
Файл. Это меню объединяет команды для работы с файлами и документом в целом: создать новый файл, открыть существующий, сохранить редактируемый файл, сохранить копию файла под другим именем и/или в другом месте, установить параметры страницы, вывести редактируемый файл на печать.
Создаваемый прикладной средой документ может быть представлен в различных формах:
268
Раздел 2. Программное обеспечение информационных технологий
Ф в экранной форме, то есть в виде отображенного на экране монитора документа с внедренными в него объектами;
Ф в форме твердой копии, то есть в виде распечатки созданного документа на принтере;
Ф в электронной форме — в виде файла на диске.
Результат работы с любой прикладной программой обязательно должен быть сохранен в файле на диске. Без этого невозможно ни продолжение работы, ни передача созданного документа на другой компьютер и т. п.
Правка. Список команд этого раздела обычно открывают команды отмены (откатки) и повтора (возврата). Команда откатки позволяет отменить последнее действие, а команда повтора — вернуть последнюю из отмененных операций. Этот раздел меню включает в себя команды редактирования содержимого объектов документа. И хотя для каждой прикладной среды эти объекты разные, общий для прикладной среды механизм обмена данными позволяет применять однотипные операции для всех объектов.
Для копирования и перемещения различных объектов используется буфер обмена или технология OLE (см. п. 14.7). С их помощью можно осуществлять интеграцию данных различных прикладных сред.
ОБРАТИТЕ При записи в буфер обмена любого нового объекта ранее ВНИМАНИЕ помещенный туда объект не сохраняется (удаляется).
Технология выполнения копирования и перемещения через буфер обмена любых объектов состоит в следующем:
ф выделить нужный объект;
ф перенести его в буфер обмена; для этого можно воспользоваться командами Вырезать или Копировать из меню Правка;
ф установить курсор в нужное место редактируемого дo^cyмeнтa;
ф вставить объект из буфера в указанное курсором место.
Если при этом объект был удален командой Вырезать в буфер, то произойдет его перемещение на новое место в документе.
Тема 15. Общая характеристика прикладной среды
269
Если же объект был скопирован в буфер (команда Копировать), то в новом месте документа появится его дубликат.
Следует отметить, что данный механизм позволяет осуществлять обмен данными не только в рамках одного документа, но и между различными прикладными средами.
Вид. Это меню предназначено для выбора различных способов отображения документа на экране, настройки вывода на экран используемых инструментов, добавления колонтитулов, изменения масштаба отображения документа на экргше и др.
Вставка. В этом разделе меню сгруппированы команды по размещению в специфической управляющей информации, а также для внедрения и связывания объектов по технологии OLE (см. тему 14).
Формат. Раздел меню Формат содержит команды, с помощью которых выполняется форматирование объектов документа, созданных в данной среде. Обычно имена команд совпадают с названиями объектов, например: Абзац, Строка, Столбец, Лист.
Помимо команд форматирования конкретных объектов здесь же находятся ком£шды, определяющие стили и автоформат.
Под стилем понимается совокупность параметров форматирования объекта документа. Автоформат назначает параметры форматирования для всех объектов документа и всего документа в целом.
Сервис. Это меню обеспечивает дополнительные возможности прикладной среды. Предоставление этих возможностей обеспечивается запуском на выполнение программ прикладной среды, например для проверки орфографии.
Другим примером может служить адресная книга. Эта программа хранит сведения о людях, с которыми вам часто приходится иметь дело. Она может быть использована для отправки вашего документа по адресу, хранящемуся в списке адресов, или для вставки обращения в документ, предназначенный конкретному лицу.
Окно. К этому меню следует обращаться при работе с несколькими открытыми в прикладной среде документами для
270
Раздел 2. Программное обеспечение информационных технологий
Каскад
Мозаика
Рис. 15.21. Способы упорядочивания окон
настройки параметров их окон и перехода от одного документа к другому. Команды этого пункта позволяют упорядочивать открытые окна несколькими различными способами. Например, каскадом или мозаикой (рис 15.21).
Справка. Вы всегда можете получить подсказку по всем инструментам текущей прикладной среды, выбрав меню с символом ?.
Контрольные вопросы и задания
1. Что такое прикладная среда?
2. Приведите примеры, в которых можно провести аналогию с прикладными средами.
3. В чем причина многообразия прикладных сред?
4. Для чего нужна прикладная среда?
5. Какие вы знаете особенности прикладных сред Windows?
6. В чем состоит наглядность прикладных сред Windows?
7. Как проявляется в работе многозадачность?
8. Как можно организовать обмен объектами между разными документами?
9. Чем способ обмена данными через буфер отличается от технологии OLE?
10. Что такое составной документ?
11. Из каких структурных частей состоит интерфейс любой прикладной среды?
12. Что понимается под редактированием документа?
13. Что понимается под форматированием документа?
14. Какие параметры форматирования вы знаете?
15. Что подразумевается под инструментами прикладной среды?
Р-
16. В чем состоит назначение основного меню прикладной среды и какие типовые группы в нем можно выделить?
РАЗДЕЛ 3 Техническое
обеспечение
информационных
технологий
Тема 16 Компьютер как средство обработки информации 273
Тема 17 Микропроцессор......................276
Тема 18 Устройства памяти...................280
Тема 19 Устройства ввода информации.........298
Тема 20 Устройства вывода...................309
Тема 21 Взаимодействие устройств компьютера.319
Тема 22 Аппаратное обеспечение компьютерных сетей 330
Тема 23 Логические основы построения компьютера. . . 343
Тема 24 История развития компьютерной техники.... 367
Тема 25 Классификация компьютеров
по функциональным возможностям.......381
Тема 26 Класс больших компьютеров...........385
Тема 27 Класс малых компьютеров.............391
Тема 28 Перспективы развития компьютерных систем. . 397
л
юбой компьютер может быть рассмотрен с технической точки зрения как система взаимосвязанных материальных объектов (устройств) разного принципа действия. Все эти устройства объединяет общая цель — техническое обеспечение основных этапов обработки информации. Одни устройства служат для того, чтобы компьютер смог получать информацию, другие преобразуют введенную в компьютер информацию, третьи обеспечивают вывод информации из компьютера, а некоторые несут вспомогательные функции. Техническую часть персонального компьютера принято называть аппаратным обеспечением. Аппаратное обеспечение всегда может быть предстгшлено в виде базовой части, состгш-ляющей основу любой модели компьютера, и периферийной части, которую составляют разнообразные устройства ввода-вывода.
Из раздела вы узнаете, из каких устройств состоит базовая часть компьютера, познакомитесь с различными видами внутренней и внешней памяти, их назначением, физическими принципами и характеристиками. Приводится краткая характеристика периферийных устройств — устройств ввода (клавиатуры, манипуляторов, сенсорных и сканирующих устройств, систем распознавания символов) и вывода (мониторов, принтеров, плоттеров). Вы познакомитесь с упрощенной структурой компьютера и основными принципами взаимодействия его частей. Лучшего понимания вы достигнете, если хорошо освоите тему, посвященную алгебре логики, которая заложена в основу организации работы базовой части компьютера.
В разделе также рассматриваются компьютерные сети, для функционирования которых тоже необходимо специальное аппаратное обеспечение. Вы получите представление о каналах связи, о назначении сетевых адаптеров и модемов, о роли протоколов.
Последние темы раздела посвящены описанию основных классов современных компьютеров. Один класс образуют большие компьютеры, к которым отнесены суперкомпьютеры и суперсерверы. Другой класс составляют малые компьютеры: персональные, портативные и производственные. Для каждого подкласса приводятся основные характеристики и особенности.
И в заключение, вы узнаете историю основных этапов развития компьютерной техники — от идеи создания аналитической машины до перспективных моделей «компьютера будущего».
Illl
ни
Тема 16 Компьютер как средство
обработки информации
Изучив эту тему, вы узнаете:
каково назначение аппаратного обеспечения компьютера;
каков состав базового комплекта компьютера; что означает понятие производительности компьютера.
Перед вами на столе установлен компьютер. Вы можете обратиться к нему за помощью, пообщаться с ним — иногда как с добрым или строгим учителем, иногда как с партнером в игре. Компьютер помогает вам в решении самых разных задач, учит, развлекает. При этом компьютер послушно выполняет ваши указания в виде определенных команд. Компьютер обладает чрезвычайно высокой по сравнению с человеческими возможностями скоростью работы, благодаря чему команды исполняются почти мгновенно.
Что же позволяет компьютеру так безукоризненно исполнять волю человека? Как устроен компьютер и из каких частей он состоит? Ответы на эти вощхюы могут быть щхютыми или сложными в зависимости от того, как человек собирается его использовать.
В этом учебнике вы познакомитесь с устройством компьютера с точки зрения пользователей, чтобы уметь обращаться с компьютером как с инструментом для обработки информации. Компьютер должен воспринимать и распознавать вводимую информацию, запоминать ее, совершать над ней различные действия и выводить результаты своей работы, то есть выполнять основные этапы обработки информации (рисунок 16.1): ввод, хранение, преобразование, вывод.
Преобразование |
♦ t
Хранение
Рис. 16.1. Основные этапы обработки информации
274
Раздел 3. Техническое обеспечение информационных технологий
Для решения всех этих задач необходимы технические устройства и программы. Совокупность технических устройств называют аппаратным обеспечением (англ, hardware — аппаратные средства).
А Аппаратное обеспечение персонального компьютера — система взаимосвязанных технических устройств, выполняющих ввод, хра-' «I* нение, обработку и вывод информации.
Отдельные части компьютера — блоки, связанные между собой с помощью различных устройств: электрических кабелей, разъемов, портов и т. п.
Системный блок
Монитор
Звуковые колонки
—1
С— 1..—.
Клавиатура
Мышь
Из всего многообразия составных частей компьютера можно выделить минимально необходимый базовый комплект: устройство ввода информации — клавиатура, устройство вывода — монитор и отдельный блок, который называют системным. Эти устройства обеспечивают основные этапы обработки информации, отображенные на рисунке 16.1. С помощью клавиатуры человек вручную вводит информацию (данные и команды) в память компьютера. Монитор используется для отобргшсения вводимых данных, а также для вывода на экран результатов обработки информации. Системный блок обеспечивает преобразование и хранение информации.
Наряду с клавиатурой и монитором при работе с персональным компьютером используется еще ряд устройств, не входящих в базовый комплект, но обеспечивающих ввод и вывод информации. Трудно, например, представить себе работу современного компью-
Тема 16. Компьютер как средство обработки информации
тера без маленькой помощницы — мыши, которая легко движется по коврику дг1же в руках неопытного пользователя.
Очень полезно иметь печатающее устройство — принтер, позволяющий распечатывать в считанные минуты текстовые, табличные, графические документы. Часто в комплект современного компьютера входят также сканер (устройство ввода информации с листа книги, журнала и т. п.), звуковые колонки, наушники, микрофон и др. Те, кто увлекается компьютерными играми, знают, что для управления ими часто используется джойстик.
Наличие этих и многих других устройств в составе компьютера позволяет использовать его в качестве универсального инструмента обработки разнообразной информации. В последующих темах вы более подробно познакомитесь с назначением и особенностями аппаратного обеспечения персонального компьютера.
Независимо от комплектации компьютера нас всегда будут интересовать характеристики его возможностей, которые также позволяют сравнивать компьютеры между собой. Одна из таких важнейших характеристик — производительность компьютера, которая приближенно характеризуется количеством элементарных операций, выполняемых за одну секунду (оп/с).
А Производительность компьютера — характеристика, показываю-Щ |цая скорость выполнения компьютером операций обработки ин-«ю формации.
Контрольные вопросы
1. Как вы понимаете назначение компьютера?
2. Назовите основные этапы обработки информации компьютером.
3. Опишите основные этапы обработки информации с помощью обычного микрокалькулятора.
4. Что понимают под аппаратным обеспечением компьютера?
5. Что входит в базовый комплект персонального компьютера?
6. Каково назначение клавиатуры и монитора?
7. Перечислите известные вам устройства компьютера, не входящие в базовый комплект.
8. Что понимается под производительностью компьютера?
Тема 17 Микропроцессор
Изучив эту тему, вы узнаете:
'«*■ что такое микропроцессор и каково его назначение;
каковы основные характеристики микропроцессора — тактовая частота и разрядность.
Центральным устройством в компьютере является процессор. Он выполняет различные арифметические и логические операции, к которым сводится решение любой задачи обработки информации на компьютере. Кроме того, процессор управляет работой всех устройств компьютера.
Процессор — устройство, обеспечивающее преобразование информации и управление другими устройствами компьютера.
Что же представляет собой современный процессор? Для ответа на этот вопрос вспомним, что вся история развития компьютеров тесно связана с достижениями человечества в области электроники, материаловедения и других областей науки и техники. Именно открытия некоторых свойств материалов и веществ, в частности на основе кремния, позволили создать процессор для современного компьютера на кремниевом кристалле. Современный процессор представляет собой микросхему, или чип (англ, chip — чип), выполненную на миниатюрной кремниевой пластине — кристалле. Поэтому его принято называть мик-
' ропроцессором (англ. Central Pro-
cessing Unit, CPU).
Первый в мире микропроцессор создан в 1971 году инженерами фир-ф 'Т мы Intel. Для современных компью-
теров микропроцессоры фирмы Intel и фирмы AMD являются наиболее распространенными.
Микропроцессор конструктивно представляет собой интегральную микросхему, а точнее, сверхбольшую
дмо
Тема 17. Микропроцессор
277
интегральную схему (СБИС). Слово «сверхбольшая» относится не к размерам интегральной схемы, а к количеству заключенных в ней электронных компонентов, размещенных на кремниевой пластине. Число таких компонентов достигает нескольких миллионов. Совершенствование технологий позволяет минимизировать электронные компоненты и увеличить их количество на одном кристалле, что влечет за собой уменьшение размеров устройств, повышение скорости работы и увеличение надежности. Микропроцессор имеет контакты в виде штырьков, которые вставляются в специальный разъем, или сокет (англ, socket — разъем), на системной плате. Разъем имеет форму прямоугольника с несколькими рядами отверстий по периметру.
Обработка любой информации на компьютере связана с выполнением процессором различных арифметических и логических операций. Арифметические операции — это базовые математические операции, такие как сложение, вычитание, умножение и деление. Логические операции (логическое сложение, логическое умножение, отрицание и др.) представляют собой некоторые специальные операции, которые чаще всего используются при проверке соотношений между различными величинами. Это необходимо для управления работой компьютера.
В состав процессора входят:
♦ арифметико-логическое устройство (АЛУ), выполняющее базовые арифметические и логические операции;
♦ устройство управления (УУ);
ф элементы памяти.
Процессор должен обеспечить автоматическое исполнение программы, хранящейся в памяти компьютера, для чего выполняет следующие действия:
ф извлечь из памяти команду;
♦ расшифровать команду;
Ф выполнить команду.
Эти действия процессор повторяет до команды окончания программы. Важной характеристикой процессора является его производительность (количество элементарных операций, выпол-
278
Раздел 3. Техническое обеспечение информационных технологий
Импульсы электрического тока
^1такт 1с
t.c
няемых им за одну секунду), которая и определяет быстродействие компьютера в целом. В свою очередь, производительность процессора зависит от двух других его характеристик — тактовой частоты и разрядности.
Тактовая частота задает ритм жизни компьютера. Тактовая частота — это количество тактов в секунду. Такт — интервал времени между начетами двух соседних тактовых импульсов. Единица измерения тактовой частоты — герц (Гц). Для современных компьютеров тактовая частота измеряется единицами гигагерц (ГГц), 1 ГГц = 10® Гц. Чем выше тактовая частота, тем меньше
длительность выполнения операций и тем выше производительность компьютера. Тактовая частота определяет число тактов работы процессора в секунду. В течение одного такта может быть выполнена элементарная операция, например сложение двух чисел. Современный персональный компьютер может выполнять миллионы и миллиарды таких элементарных операций в секунду.
Разрядность процессора определяет размер минимальной порции информации, обрабатываемой процессором за один такт. Эта порция информации, часто называемая машинным словом, представлена последовательностью двоичных разрядов (бит). Процессор в зависимости от его типа может иметь одновременный доступ к 8, 16, 32, 64 битам.
С повышением разрядности увеличивается объем информации, обрабатываемой процессором за один такт, что ведет к уменьшению количества тактов работы, необходимых для выполнения сложных операций. Кроме того, чем выше разрядность, тем с большим объемом памяти может работать процессор. Первые микропроцессоры (1971 г. — фирма Intel) имели разрядность 4 бит, тактовзчо частоту 108 кГц и способность адресовать 640 байт основной памяти. В 2000 году компьютеры оснащались 32-разрядными микропроцессорами с тактовой частотой порядка 1,7-3 ГГц.
Кроме центрального микропроцессора во многих компьютерах имеются сопроцессоры — дополнительные специализированные про-
Тема 17. Микропроцессор
279
цессоры. Например, математический сопроцессор — микросхема, которая помогает основному процессору в выполнении вычисле-ний при решении на компьютерю математических задач.
Одной из основных тенденций в развитии микропроцессоров до недавнего времени было увеличение тактовой частоты и разрядности. Сегодня ведущие производители микропроцессоров отказались от такой стратегии, теперь важнейшими показателями производительности становятся количество процессорных ядер, которые реализуют полный набор возможностей процессора.
Контрольные вопросы
1. Как вы понимаете назначение микропроцессора?
2. Что такое микропроцессор?
3. Какие характеристики микропроцессора вы знаете?
4. Что такое тактовая частота процессора и как она связана с характеристикой « производительность » ?
5. Что такое разрядность процессора?
6. Что зависит от разрядности процессора?
7. В чем назначение сопроцессора?
8. Приведите примеры устройств, использующих микропроцессор.
9. Определите тип микропроцессора в школьном (личном) компьютере.
Тема 18 Устройства памяти
Изучив эту тему, вы узнаете:
II*’ что такое память компьютера и как она соотносится с памятью человека;
каковы характеристики памяти;
почему память компьютера разделяется на внутреннюю и внешнюю;
какова структура и особенности внутренней памяти;
'»#’ какие наиболее распространенные типы внешней памяти компьютера существуют и в чем состоит их назначение.
18.1. Назначение и основные характеристики памяти
в процессе работы компьютера программы, исходные данные, а также промежуточные и окончательные результаты необходимо где-то хранить и иметь возможность обращаться к ним. Для этого в составе компьютера имеются различные запоминающие устройства, которые называют памятью. Информация, хранящаяся в запоминающем устройстве, представляет собой закодированные с помощью цифр О и 1 различные символы (цифры, буквы, знаки), звуки, изображения.
К Память компьютера — совокупность устройств для хранения ин-— формации.
В процессе развития вычислительной техники люди вольно или невольно пытались по образу и подобию собственной памяти проектировать и создавать различные технические устройства хранения информации. Чтобы лучше понять назначение и возможности различных запоминающих устройств компьютера, можно провести аналогию с тем, как хранится информация в памяти человека.
Может ли человек хранить всю информацию об окружающем мире в своей памяти и нужно ли это ему? Зачем, например, пом-
Тема 18. Устройства памяти
281
нить названия всех поселков и деревень вашей области, когда при необходимости вы можете воспользоваться картой местности и найти все, что вас интересует? Нет необходимости помнить и цены железнодорожных билетов на разных направлениях, так как для этого есть справочные службы. А сколько существует всевозможных математических таблиц, где рассчитаны значения некоторых сложных функций! В поисках ответа вы всегда можете обратиться к соответствующему справочнику.
Информация, которую человек постоянно хранит в своей внутренней памяти, характеризуется гораздо меньшим объемом по сравнению с информацией, сосредоточенной в книгах, кинолентах, на видеокассетах, дисках и других материальных носителях. Можно сказать, что материальные носители, используемые для хранения информации, составляют внешнюю память человека. Для того чтобы воспользоваться информацией, хранящейся в этой внешней памяти, человек должен затратить гораздо больше времени, чем если бы она хранилась в его собственной памяти. Этот недостаток компенсируется тем, что внешняя память позволяет сохранять информацию сколь угодно длительное время и использовать ее может множество людей.
Существует еще один способ хранения информации человеком. Только что появившийся на свет малыш уже несет в себе внешние черты и, частично, характер, унаследованный от родителей. Это так называемая генетическая память.
Новорожденный многое умеет: дышит, спит, ест... Знаток биологии вспомнит о безусловных рефлексах.
Эту разновидность внутренней памяти человека можно назвать постоянной, неизменной.
Подобный принцип разделения памяти использован и в компьютере. Вся компьютерная память поделена на внутреннюю и внешнюю.
Аналогично памяти человека, внутренняя память компьютера является
282
Раздел 3. Техническое обеспечение информационных технологий
быстродействующей, но имеет ограниченный объем. Работа же с внешней памятью требует гораздо большего времени, но она позволяет хранить практически неограниченное количество информации.
Внутренняя память состоит из нескольких частей: оперативной, постоянной и кэш-памяти. Это связано с тем, что используемые процессором программы можно условно разделить на две группы: временного (текущего) и постоянного использования. Программы и данные временного пользования хранятся в оперативной памяти и кэш памяти только до тех пор, пока включено электропитание компьютера. После его выключения выделенная для них часть внутренней памяти полностью очищается. Другая часть внутренней памяти, называемая постоянной^ является энергонезависимой, то есть записанные в нее программы и данные хранятся всегда, независимо от включения или выключения компьютера.
«
Внешняя память компьютера по аналогии с тем, как человек обычно хранит информацию в книгах, газетг1х, журналах, на магнитных лентах и пр., тоже может быть организована на различных материальных носителях: на дискетах, на жестких дисках, на магнитных лентах, на лазерных дисках (компакт-дисках).
Классификация видов компьютерной памяти по назначению показана на рисунке 18.1.
Рассмотрим общие для всех видов памяти характеристики и понятия.
Существует две распространенные операции с памятью — считывание (чтение) информации из памяти и запись ее в память для хранения. Для обращения к областям памяти используются адреса.
При считывании порции информации из памяти осуществляется передача ее копии в другое устройство, где с ней производятся определенные действия: числа участвуют в вычислениях, слова используются при создании текста, из звуков создается мелодия и т. д. После считывания информация не исчезает и хранится в той же области памяти до тех пор, пока на ее место не будет записана другая информация.
Тема 18. Устройства памяти
283
( Внутренняя ч>
' ' Оперативная S ^ г г Постоянная ✓ ч Кэш- память
Жесткие магнитные диски
1 • f
Гибкие
магнитные диски
Магнитные ленты
Внешняя
Оптическая
Компакт-диски
(CD-ROM)
Рис. 18.1. Виды памяти компьютера
При записи (сохранении) порции информации предыдущие данные, хранящиеся на этом месте, стираются. Вновь записанная информация хранится до тех пор, пока на ее место не будет записана другая.
Операции чтения и записи можно сравнить с известными вам в быту процедурами воспроизведения и записи, выполняемыми с обычным кассетным магнитофоном. Когда вы просл)чпиваете музыку, то считываете информацию, хранящуюся на ленте. При этом информация на ленте не исчезает. Но после записи нового альбома любимой рок-группы ранее хранившаяся на ленте информация будет затерта и утрачена навсегда.
Чтение (считывание) информации из памяти — процесс получения информации из области памяти по заданному адресу.
Запись (сохранение) информации в памяти — процесс размещения информации в памяти по заданному адресу для хранения.
Способ обращения к устройству памяти для чтения или записи информации получил название доступа. С этим понятием связан такой параметр памяти, как время доступа^ или быстродействие памяти — время, необходимое для чтения из памяти
284
Раздел 3. Техническое обеспечение информационных технологий
либо записи в нее минимальной порции информации. Очевидно, что для числового выражения этого параметра используются единицы измерения времени: миллисекунда, микросекунда, наносекунда.
«Время доступа, или быстродействие, памяти — время, необходимое для чтения из памяти либо записи в нее минимальной порции ин-^ формации.
Важной характеристикой памяти любого вида является ее объем, называемый также емкостью. Этот параметр показывает, какой максимальный объем информации можно хранить в памяти. Для измерения объема памяти используются следующие единицы: байты, килобайты (Кбайт), мегабайты (Мбайт), гигабайты (Гбайт).
I
Объем (емкость) памяти — максимальное количество хранимой в ней информации.
18.2. Внутренняя память
Характерными особенностями внутренней памяти по сравнению с внешней являются высокое быстродействие и ограниченный объем. Физически внутренняя память компьютера представляет собой интегральные микросхемы (чипы), которые размещаются в специальных подставках (гнездах) на плате. Чем больше размер внутренней памяти, тем более сложную задачу и с большей скоростью может решить компьютер.
Постоянная память хранит очень важнзчо для нормальной работы компьютера информацию. В частности, в ней содержатся программы, необходимые для проверки основных устройств компьютера, а также для загрузки операционной системы. Очевидно, что изменять эти программы нельзя, так как при любом вмешательстве сразу станет невозможным последующее использование компьютера. Поэтому разрешено только чтение хранимой там постоянно информации. Это свойство постоянной памяти объясняет часто используемое ее английское название Read Only Memory (ROM) — память только для чтения.
Тема 18. Устройства памяти
Вся записанная в постоянную память информация сохрг1няется и после выключения компьютера, так как микросхемы являются энергонезависимыми. Запись ^информации в постоянную память происходит обычно только один раз — при производстве соответствующих чипов фирмой-изготовителем.
I
Постоянная память — устройство для долговременного хранения программ и данных.
Существует две основные разновидности микросхем постоянной памяти: однократно программируемые (после записи содержимое памяти не может быть изменено) и многократно программируемые. Изменение содержимого многократно программируемой памяти производится путем электронного воздействия.
Оперативная память хранит информацию, необходимую для выполнения программ в текущем сеансе работы: исходные данные, команды, промежуточные и конечные результаты. Эта память работает только при включенном электропитании компьютера. После его выключения содержимое оперативной памяти стирается, так как микросхемы являются энергозависимыми устройствами.
Оперативная память — устройство для хранения программ и данных, которые обрабатываются процессором в текущем сеансе работы.
Устройство оперативной памяти обеспечивает режимы записи, считывания и хранения информации, причем в любой момент времени возможен доступ к любой ячейке памяти. Часто оперативную память называют RAM (англ. Random Access Memory — память с произвольным доступом).
Если необходимо хранить результаты обработки длительное время, то следует воспользоваться каким-нибудь внешним запоминающим устройством.
ОБРАТИТЕ При выключении компьютера вся находящаяся в опера-ВНИМАНИЕ тивной памяти информация стирается.
286
Раздел 3. Техническое обеспечение информационных технологий
Оперативная память характеризуется высоким быстродействием и относительно малой емкостью.
Микросхемы оперативной памяти монтируются на печатной плате. Каждая так£1я плата снабжена контактами, расположенными вдоль нижнего края, число которых может быть 30, 72 или 168 (рисунок 18.2). Для подключения к другим устройствам компьютера такая плата вставляется своими контактами в специальный разъем (слот) на системной плате, расположенной внутри системного блока. Системная плата имеет несколько разъемов для модулей памяти, суммарный объем которых может принимать ряд фиксированных значений, например 64, 128, 256 Мбайт и более.
Рис. 18.2. Микросхемы (чипы) оперативной памяти
Кэш-память (англ, cache — тайник, склад) служит для увеличения производительности компьютера.
Кэш-память используется при обмене данными между микропроцессором и оперативной памятью. Алгоритм ее работы позволяет сократить частоту обращений микропроцессора к оперативной памяти и, следовательно, повысить производительность компьютера.
Существует два типа кэш-памяти: внутренняя (8-512 Кбайт), которая размещается в процессоре, и внешняя (от 256 Кбайт до 1 Мбайт), устанавливаемая на системной плате.
Тема 18. Устройства памяти
287
18.3. Внешняя память
Назначение внешней памяти.компьютера заключается в долговременном хранении информации любого вида. Выключение питания компьютера не приводит к очистке внешней памяти. Объем этой памяти в тысячи раз больше объема внутренней памяти. Кроме того, в случае необходимости ее можно «нарастить» так же, как можно купить дополнительную книжную полку для хранения новых книг. Но обращение к внешней памяти требует гораздо большего времени. Как человек затрачивает на поиск информации в справочной литературе гораздо больше времени, чем на ее поиск в собственной памяти, так и скорость обращения (доступа) к внешней памяти существенно больше, чем к оперативной.
Необходимо различать понятия носителя информации и устройства внешней памяти.
I
Носитель — материальный объект, способный хранить информацию.
Устройство внешней памяти (накопитель)—физическое приспособление, позволяющее производить считывание и запись информации на соответствующий носитель.
Носителями информации во внешней памяти современных компьютеров являются магнитные или оптические диски, магнитные ленты и некоторые другие.
По типу доступа к информации устройства внешней памяти делятся на два класса: устройства прямого (произвольного) доступа и устройства последовательного доступа.
В устройствах прямого (произвольного) доступа время обращения к информации не зависит от места ее расположения на носителе. В устройствах последовательного доступа такая зависимость существует.
Рассмотрим знакомые всем примеры. Время доступа к песне на аудиокассете зависит от местоположения записи. Для ее прослушивания необходимо предварительно перемотать кассету до того места, где записана песня. Это пример последовательного доступа к информации. Время же доступа к песне на грампла-
288
Раздел 3. Техническое обеспечение информационных технологий
стинке не зависит от того, первая эта песня на диске или последняя. Чтобы прослушать любимое произведение, достаточно установить звукосниматель проигрывателя в определенное место на диске, где записана песня, или на музыкальном центре указать ее номер. Это пример прямого доступа к информации.
Дополнительно к введенным ранее общим характеристикам памяти для внешней памяти используют понятия плотности записи и скорости обмена информацией.
Плотность записи определяется объемом информации, записанным на единице длины дорожки. Единицей измерения плотности записи служат биты на миллиметр (бит/мм). Плотность записи зависит от плотности нанесения дорожек на поверхность, то есть числа дорожек на поверхности диска.
I
Плотность записи — объем информации, записанной на единице длины дорожки.
Скорость обмена информации зависит от скорости ее считывания или записи на носитель, что, в свою очередь, определяется скоростью вращения или перемещения этого носителя в устройстве. По способу записи и чтения устройства внешней памяти (накопители) подразделяются в зависимости от вида носителя на магнитные, оптические и электронные (флэш-память). Рассмотрим основные виды внешних носителей информации.
Гибкие магнитные диски
Одним из наиболее распространенных носителей информации являются гибкие магнитные диски (дискеты) или флоппи-диски
(от англ, floppy disk). В настоящее время широко используются гибкие диски с внешним диаметром 3,5” (дюйма), или 89 мм, называемые обычно 3-дюймовыми. Диски называются гибкими потому, что их рабочая поверхность изготовлена из эластичного материала и помещена в твердый защитный конверт. Для доступа к магнитной поверхности диска в защитном конверте имеется закрытое шторкой окно.
Тема 18. Устройства памяти
289
Поверхность диска покрывается специальным магнитным слоем. Именно этот слой обеспечивает хранение данных, представленных двоичным кодом. Наличие намагниченного участка поверхности кодируется как 1, отсутствие — как 0. Информация записывается с двух сторон диска на дорожках, которые представляют собой концентрические окружности (рису-
Дорожка
Сектор
Рис. 18.3. Разметка поверхности гибкого диска
нок 18.3). Каждая дорожка разделяется на секторы. Дорожки и секторы представляют собой намагниченные участки поверхности диска.
Работа с дискетой (запись и чтение) возможна только при наличии на ней магнитной разметки на дорожки и секторы. Процедура предварительной подготовки (разметки) магнитного диска называется форматированием. Для этого в состав системного программного обеспечения включена специальная программа, с помощью которой и производится форматирование диска.
I
Форматирование диска — процесс магнитной разметки диска на дорожки и секторы.
Для работы с гибкими магнитными дисками предназначено устройство, называемое дисководом, или накопителем на гибких магнитных дисках (НГМД). Дисковод для гибких дисков относится к группе накопителей прямого доступа и устанавливается внутри системного блока.
Гибкий диск вставляется в щель дисковода, после чего автоматически открывается шторка и происходит вращение диска вокруг своей оси. При обращении к нему соответствующей программы магнитная головка записи/чтения устанавливается над тем сектором диска, куда надо записать или откуда требуется считать информацию. Для этого дисковод снабжен двумя шаговыми электродвигателями. Один двигатель обеспечивает враще-
290
Раздел 3. Техническое обеспечение информационных технологий
ние диска внутри защитного конверта. Чем выше скорость вращения, тем быстрее считывается информация, а значит, увеличивается скорость обмена информацией. Второй двигатель перемещает головку записи/чтения вдоль радиуса поверхности диска, что и определяет другую характеристику внешней памяти — время доступа к информации.
В защитном конверте имеется специальное окно защиты записи. Это окно может быть открыто или закрыто с помощью бегунка. Для предохргшения информации на диске от изменения или удаления это окно открывают. При этом запись на гибкий диск становится невозможна и доступным остается только чтение с диска.
Для обращения к диску, установленному в дисководе, используются специальные имена в виде латинской буквы с двоеточием. Наличие после буквы двоеточия позволяет компьютеру отличить имя дисковода от буквы, поскольку это общее правило. Дисководу для считывания информации с 3-дюймового диска присваивается имя А: или иногда В:.
Згшомните правила работы с гибкими дисками.
1. Не дотрагивайтесь до рабочей поверхности диска руками.
2. Не держите диски вблизи источника сильного магнитного поля, например около магнита.
3. Не подвергайте диски нгггреванию.
4. Рекомендуется делать копии содержимого гибких дисков на случай их повреждения и выхода из строя.
Существенно увеличить хргшимый на магнитном диске объем позволяют технологии, которые при записи дополнительно используют сжатие информации (ZIP-диск).
Жесткие магнитные диски
Одним из обязательных компонентов персонального компьютера
являются жесткие магнитные диски. Они представляют собой
«
набор металлических либо кера1!1ических дисков (пгпсет дисков), покрытых магнитным слоем. Диски вместе с блоком магнитных головок установлены внутри герметичного корпуса накопителя, обычно называемого винчестером. Накопитель на жестких маг-
Тема 18. Устройства памяти
291
нитных дисках (винчестер) относится к накопителям с прямым доступом.
Термин «винчестер» возник из жаргонного назвгшия первой модели жесткого диска емкостью 16 Кб (IBM, 1973 г.), имевшего 30 дорожек по 30 секторов, что случайно совпало с калибром 30"/30" известного охотничьего ружья «Винчестер*.
Основные особенности жестких дисков:
ф жесткий диск относится к классу носителей с произвольным доступом к информации;
ф для хранения информации жесткий диск размечается на дорожки и секторы;
♦ для доступа к информгщии один двигатель дисковода вращает пакет дисков, другой устанавливает головки в место считывания/запи-си информации;
Ф наиболее распространенные размеры жесткого диска — 5,25 и 3,5 дюйма в наружном дигшетре.
Жесткий магнитный диск представляет собой очень сложное устройство с высокоточной механикой чтения/записи и электронной платой, управляющей работой диска. Чтобы сохранить информацию и работоспособность жестких дисков, необходимо оберегать их от ударов, резких толчков.
Производители винчестеров сосредоточили свои усилия на создании жестких дисков большей емкости, надежности, скорости обмена данными и меньшей шумности. Можно выделить следующие основные тенденции развития жестких магнитных дисков:
# развитие винчестеров для мобильных приложений (нгшри-мер однодюймовые, двухдюймовые винчестеры для ноутбуков);
Ф развитие областей применения, не связгшных с персональными компьютерами (в телевизорах, видеомагнитофонах, гштомобилях).
292
Раздел 3. Техническое обеспечение информационных технологий
Для обращения к жесткому диску используется имя, задаваемое любой латинской буквой, начиная с С:. В случае если установлен второй жесткий диск, ему присваивается следующая буква латинского алфавита D: и т. д. Для удобства работы в операционной системе предусмотрена возможность с помощью специальной системной программы условно разбивать один физический диск на несколько независимых частей, называемых логическими дисками, В этом слзгчае каждой части одного физического диска присваивается свое логическое имя, что позволяет независимо обращаться к ним: С:, D: и т. д.
Оптические диски
Оптические, или лазерные носители — это диски, на поверхности которых информация записана с помощью лазерного луча. Эти диски изготовлены из органических материалов с напылением на поверхность тонкого алюминиевого слоя. Такие диски часто называют компакт-дисками, или CD (англ. Compact Disk — компакт -диск). Лазерные диски в настоящее время являются наиболее популярными носителями информации. При габаритах (диаметр — 120 мм), сопоставимых с флоппи-дисками (диаметр — 89 мм), емкость современного компакт-диска примерно в 500 раз больше, чем у дискеты. Емкость лазерного диска составляет примерно 650 Мбайт, что эквивалентно хранению текстовой информации объемом около 450 книг или звукового файла длительностью 74 минуты.
В отличие от магнитных дисков, лазерный диск имеет одну дорожку в виде спирали. Информация на дорожке-спирали записывается мощным лазерным лучом, выжигающим на поверхности диска углубления, и предстгшляет собой чередование впадин и выпуклостей. При считывании информации выступы от-рг1жают свет слабого лазерного луча и воспринимаются как единица (1), впадины поглощают луч и, соответственно, воспри-нимгпотся как ноль (0).
Тема 18. Устройства памяти
293
Бесконтактный способ считывания информации с помощью лазерного луча определяет долговечность и надежность компакт-дисков. Как и магнитные, оптические диски относятся к устройствам с произвольным доступом к информации. Оптическому диску присваивается имя — первая свободная буква латинского алфавита, не использованная для имен жестких дисков.
Различают два типа накопителей (оптических дисководов) для работы с лазерными дисками:
^ устройство для чтения с компакт-дисков, которое позволяет только читать информацию, ранее записанную на диск. Этим обусловлено название оптического дисковода CD-ROM (от англ. Compact Disk Read Only Memory — компакт-диск только для чтения). Невозможность записи информации в этом устройстве объясняется тем, что в нем установлен источник слабого лазерного излучения, мощности которого хватает только для считывания информгщии;
4 оптический дисковод, который позволяет не только считывать, но и выполнять запись информации на компакт-диск. Он называется CD-RW (Rewritable). Устройства CD-RW обладают достаточно мощным лазером, позволяющим менять отражгпощую способность участков поверхности в процессе записи диска и прожигать микроскопические углубления на поверхности диска под защитным слоем, производя тем самым запись непосредственно в дисководе компьютера.
Диски DVD, также кгис и CD, хранят данные за счет расположенных выпуклостей (насечек) вдоль спиральных дорожек на отражающей металлической поверхности, покрытой пластиком. Используемый в устройствах записи/чтения DVD дисков лазер создает насечки более мелкого размера, что позволяет увеличить плотность записи данных.
294
Раздел 3. Техническое обеспечение информационных технологий
Внедрение полупрозрачного слоя, который прозрачен для света с одной длиной волны и отражает свет другой длины волны, позволяет создавать двухслойные и двухсторонние диски и следовательно увеличить емкость диска при прежних размерах. При этом геометрические размеры DVD и CD одинаковые, что позволило создать устройства, способные воспроизводить и записывать данные как на CD, так и на DVD. Но оказалось, что это не предел. Для записи видео и звука на DVD применяется сложная технология сжатия данных, обеспечивающая возможность разместить еще большие объемы информа1щи в меньшем пространстве
Магнитные ленты
Магнитные ленты представляют собой носитель, аналогичный используемому в аудиокассетах бытовых мг1гнитофонов. Устройство, которое обеспечивает запись и считывание информации с магнитных лент, называется стримером (от англ, stream — поток, течение; струиться). Стример относится к устройствам с последовательным доступом к информгщии и характеризуется гораздо меньшей скоростью записи и считывания информации по сравнению с дисководами.
Основное назначение стримеров — создание архивов данных, резервное копирование, надежное хранение информации. Многие большие банки, коммерческие фирмы, торговые предприятия в конце плановых периодов переносят важные сведения на магнитные ленты и з^ирают кассеты в архивы. Кроме того, на кассеты стримеров периодически записывается информация с винчестера, чтобы воспользоваться ею в случае непредвиденного сбоя жесткого диска, когда необходимо срочно восстановить хранившуюся на нем информацию.
Флэш-память
Флэш-память относится к электронному энергонезависимому типу памяти. Принцип работы флэш-памяти аналогичен принципу работы модулей оперативной памяти компьютера. Главное
Тема 18. Устройства памяти
295
отличие состоит в том, что она энергонезависима, то есть хранит данные до тех пор, пока вы их сами не удалите. При работе с флэш-памятью используются такие же операции, что и с другими носителями: запись, чтение, стирание (удаление). Флэш-память имеет ограниченный срок службы, который зависит от объема перезаписываемой информации и от частоты ее обновления.
Сравнительные характеристики
Современные компьютеры, как прешило, имеют внешнюю память в составе: винчестер, дисковод для 3,5-дюймовых дискет, CD-ROM, флэш-память. Следует помнить, что магнитные диски и ленты чувствительны к воздействию магнитных полей. В частности, размещение поблизости с ними сильного магнита может разрушить информацию, хранимую на перечисленных носителях. Поэтому, используя магнитные носители, необходимо обеспечить их удаленность от источников магнитных полей.
В таблице 18.1 приведено сравнение объемов памяти наиболее распространенных современных устройств памяти и носителей информации, рассмотренных ранее.
*
Таблица 18.1. Сравнительная характеристика устройств памяти персонального компьютера, август 2006
Вид памяти Объем
Оперативная память 128-2048 Мбайт
Кэш-память 44-16 Мбайт
Постоянная память 128-512 Кбайт
Гибкий магнитный диск (дискета) — 3,5" 1,44 Мбайт
Винчестер (жесткий магнитный диск) 80-400 Гбайт
CD (компакт-диск) 650-700 Мбайт; 1,3 Гбайт
DVD 4,7 Гбайт (однослойный) 9,4 Гбайт (двухслойный)
Flash-память 128 Мбайт — 10 Гбайт
Кассета магнитной ленты для стримера 60-1700 Мбайт
296
Раздел 3. Техническое обеспечение информационных технологий
Контрольные вопросы и задания
1. Емкость гибкого диска размером 3,5 дюйма равна 1,44 Мбайт. Лазерный диск может содержать 650 Мбайт информации. Определите, сколько дискет потребуется, чтобы разместить информацию с одного лазерного диска.
2. Диаметр гибких дисков задается в дюймах. Вычислите размеры гибких дисков в сантиметрах (1 дюйм = 2,54 см).
3. Установлено, что для записи одного символа необходим 1 байт памяти. В тетради в клеточку, состоящей из 18 листов, мы пишем по одному символу в каждой клетке. Сколько тетрадей можно записать на один гибкий диск с объем памяти 1,44 Мбайт?
4. Определите объем памяти, необходимой для хранения 2 млн символов. Сколько дисков объемом 1,44 Мбайт понадобится для записи этой информации?
5. Ваш жесткий диск имеет объем 2,1 Гбайт. Устройство распознавания речи воспринимает информгщию с максимальной скоростью 200 букв в минуту. Сколько времени надо говорить, чтобы заполнить 90 % объема памяти жесткого диска?
6. Каково назначение устройств хранения информации в компьютере?
7. Какие виды памяти вы знаете и в чем их основное различие?
8. Для чего при работе на персональном компьютере используется внешняя память?
9. В чем суть считывания и записи информации в память?
10. Какие вы знаете характеристики, общие для всех видов памяти?
11. Чем характеризуется внутренняя память компьютера?
12. В чем особенности постоянной памяти?
13. В чем особенности оперативной памяти?
14. В чем особенности кэш-памяти?
15. Укажите отличительные особенности внутренней и внешней памяти компьютера.
16. Какие специфические характеристики внешней памяти вы знаете?
Тема 18. Устройства памяти
297
17. Перечислите известные вам носители информации с древних времен и до наших дней. Расположите их в хронологическом порядке.
18. Дайте краткую характеристику наиболее распростргшенным накопителям данных, которые используются в компьютере.
19. В чем отличие прямого и последовательного доступа к информации на носителях?
20. Укажите общие свойства и отличительные особенности гибких и жестких дисков.
21. Что такое CD, CD-ROM, CD-R?
22. Когда целесообразно использовать стример?
23. Заполните таблицу 18.1 данными для конкретной модели компьютера.
Тема 19 Устройства ввода
информации
Изучив эту тему, вы узнаете:
каковы назначение и классификация устройств ввода; для чего предназначены основные поля клавиатуры; характеристики манипуляторов;
"«♦ характеристики сенсорных устройств; характеристики устройств сканирования; характеристики устройств распознавания речи.
19.1. Классификация устройств ввода
Органы чувств человека способны воспринимать информацию в разнообразных формах, например текст в учебнике, сообщение по телефону, запах газа на кухне, вкус горького перца и пр. Эта информация может быть преобразовгша в другие формы, например в мысли и эмоции. Результаты обработки информации человеком отражаются в его решениях и действиях.
Компьютеру, как и человеку, необходимы свои «глаза и уши», с помощью которых он мог бы воспринимать информацию извне. В настоящее время имеются разнообразные устройства, выполняющие эти функции в составе компьютера. Они называются устройствами ввода, так как обеспечивают ввод в компьютер данных в различных формах: чисел, текстов, изображений, звуков. Устройства ввода преобразуют эту информацию в цифровую форму для последующей обработки и хранения в компьютере. Многообразие устройств ввода определяется разнообразием форм представления информации, которая может быть обработгша с помощью компьютера.
Устройства ввода — аппаратные средства для преобразования информации из формы, понятной человеку, в форму, воспринимаемую компьютером.
Тема 19. Устройства ввода информации
299
Аппаратное обеспечение компьютера по вводу данных включает само устройство ввода, управляющий блок, называемый контроллером (адаптером), специальные разъемы и электрические кабели. Однако для достижения правильной работы как устройства ввода, так и устройства вывода одного лишь правильного аппаратного подключения недостаточно. Требуется загрузить в оперативную память специальную управляющую программу, называемую драйвером. Причем для каждого устройства нужен свой драйвер. В комплект поставки любого устройства ввода должна входить дискета с соответствующим драйвером.
f
Драйвер устройства — программа, управляющая работой конкретного устройства ввода/вывода информации.
Устройства ввода по способу ввода информации можно подразделить на два основных класса (рисунок 19.1):
♦ с клавиатурным вводом, при котором осуществляется ручной ввод с клгшиатуры;
4 с прямым вводом, при котором данные читаются непосредственно компьютерными устройствами.
Устройства ввода
I
С прямым вводом i
Г 1
г > Г
Манипуляторы 1 1 Сенсорные
л 1 V
Устройства
с клавиатурным вводом
Рис. 19.1. Классификация устройств ввода
В свою очередь, среди устройств с прямым вводом данных выделяются подклассы устройств: манипуляторы, сенсорные устройства, сканеры, устройства распознавания речи. Рассмотрим основные характеристики этих классов технических средств.
300
Раздел 3. Техническое обеспечение информационных технологий
19.2. Клавиатура
Стандартным устройством для ввода информации в компьютер является клавиатура. С ее помощью вы можете вводить числовую и текстовую информацию, а также различные команды и данные.
Обычно вводимая с клавиатуры информация в целях контроля отображается на экране монитора. Место ввода информации на экране указывается специальным значком, который называется курсором. Вид курсора может быть различным в зависимости от используемой программы и режима работы. Это может быть мигающая черточка, прямоугольник и пр.
Как правило, используется 101-103-клавишная клавиатура американского стандарта. Кроме клавишной, клавиатура бывает мембранной и сенсорной. На клавиши алфавитно-цифрового поля дополнительно наносится разметка букв национального алфавита. Если на компьютере установлена операционная система, не настроенная на работу в режиме национального алфавита (не-локализованная версия), то необходима дополнительная специальная программа — драйвер клавиатуры. В локализованных версиях Windows драйвер клавиатуры входит в комплект поставки.
На современном компьютерном рынке большой популярностью пользуются эргономические клавиатуры и специальные прокладки для запястий, обеспечивающие наиболее комфортные условия работы. Различные модели эргономических клавиатур имеют:
♦ форму буквы V и разъединение посередине, угол между частями можно плавно изменять в зависимости от особенностей строения кистей рук человека;
♦ большие опоры для ладоней, поддерживающие кисти в прямом положении;
♦ мембранную бесшумную замену клавишам;
/
С
l'-',' ■■ Ih'W' '
I
V-
i (■ -Hi)
Тема 19. Устройства ввода информации
301
♦ сенсорную панель, движение пальцев по которой заменяет действие мыши.
■<
Работа на персональном компьютере невозможна без освоения клавиатуры.
Поле функциональных клавиш
Малая (цифровая) клавиатура
Поле управляющих клавиш
Поле клавиш управления курсором
Алфавитно-цифровое поле Рис. 19.2. Стандартная клавиатура компьютера
При всем разнообразии конструкций любая клавиатура имеет следующие группы клавиш (рисунок 19.2):
1. Алфавитно-цифровое поле клавиш — для ввода прописных и строчных букв, цифр, различных знаков и других символов. Часто это поле называют полем печати. Клавиши этого поля выделены светло-серым цветом.
2. Поле управляющих клавиш — для ввода и выполнения команд, для редактирования данных. Клавиши этого поля имеют серый цвет. Назначение основных управляющих клавиш приведено в таблице 19.1. Клавиши Shift, Ctrl, Alt расширяют возможности клавиатуры. При одновременном нажатии одной из этих клавиш и клавиши поля печати вводится команда.
3. Поле функциональных клавиш F1-F12. За каждой клавишей этого поля, как правило, закреплена та или иная функция. Назначение клавиш F1-F12 устанавливается используемой в данный момент программой. Но есть и общепринятые назначения. Например, клавише F1 обычно назначается функция отображения справки (помощи).
302
Раздел 3. Техническое обеспечение информационных технологий
4. Поле клавиш управления курсором — для перемещения курсора на экране монитора. На клавишах стрелками заказано направление перемещения (вверх, вниз, вправо, влево).
5. Поле клавиш малой (цифровой) клавиатуры позволяет работать в двух режимах в зависимости от состояния индикатора Num Lock, расположенного над этим полем. Этот индикатор переключается клавишей Num Lock:
■ при включенном индикаторе Num Lock обеспечивается быстрый и удобный ввод цифр;
■ при выключенном индикаторе Кгпп Lock дублируются функции поля управления кзфсором и поля управляющих клавиш.
Таблица 19.1. Назначение основных управляющих клавиш
Клавиша Назначение
Enter Ввод набранной команды или текста
Esc Отмена текущего действия
Tab Установка курсора в определенную позицию
Caps Lock Фиксация режима ввода прописных букв
Shift, Ctrl, Alt Самостоятельного действия не имеют, действуют только при совместном нажатии с буквенной или управляющей клавишей
Backspace Удаление символа слева от курсора
Del Удаление текущего символа
Ins Включение режима вставки или замены символа
Num Lock Переключение режимов работы малой (цифровой) клавиатуры
Print Saeen Печать экрана
19.3. Манипуляторы
в этом подразделе вы познакомитесь с устройствами, которые позволяют ускорить работу с компьютерными объектами и обеспечивают более удобное управление ими.
Тема 19. Устройства ввода информации
303
Мышь
Широкое использование графического интерфейса привело к появлению манипулятора «мышь».
По способу считывания информации их можно классифицировать на:
Ф механические;
^ оптико-механические;
^ оптические.
На нижней поверхности механической мыши имеется шарик. Перемещение мыши по ровной поверхности (столу, коврику) приводит к вр£ццению шарика. При этом он взаимодействует с датчиками внутри корпуса мыши, в результате чего вырабатывается сигнал, который заставляет перемещаться указатель мыши на экране монитора.
Оптическая мышь имет красный светодиод для подсветки и миниатюрную видеокамеру, которая делает снимки поверхности под ней (от 1500 до 6000 кадров в секунду). Специальный процессор сравнивает два последовательных кадра, чтобы вычислить величину и направление смещения.
На верхней поверхности мыши расположены 2 или 3 кнопки. Нажатие на ту или иную кнопку («щелчок») мыши компьютер воспринимает как указание на выполнение некоторого заданного действия. Использование мыши позволяет более быстро и удобно управлять работой различных программ.
Качество мыши определяется ее разрешающей способностью, которая измеряется числом точек на дюйм — dpi (dot per inch). Этой характеристикой обусловливается, насколько точно указатель мыши будет передвигаться по экрану. Для мышей среднего класса разрешение составляет 400-800 dpi.
Разные типы мыши также отличаются друг от друга способом соединения с компьютером (проводные — присоединяемые с помощью кабеля; беспроводные, или «бесхвостые» мыши — соединение с компьютером обеспечивается инфракрасным сигналом, который воспринимается специальным портом).
304
Раздел 3. Техническое обеспечение информационных технологий
'Ч
Дизайн мыши предполагает различные формы конструкций. Наиболее популярными становятся эргономические мыши, которые имеют обтекаемую поверхность и обеспечиваю^ естествен-
/
ность размещения кисти руки на ее поверхности. Установка колесика между двумя традиционными кнопками мыщи обеспечивает перемещение по документу без использования экранных полос прокрутки. Беспроводная «летучая» мышь работает в любом месте: на столе она работает как обычная мышь; если ее поднять и нажать кнопку на основании, то такук) мышь можно использовать в воздухе.
Трекбол и тачпад
Трекбол, или шаровой манипулятор, напоминает перевернутую мышь. Его не надо, как мышь, двигать по столу. В трекболе
шарик вращается рукой и вращение также преобразуется в перемещение указателя по экрану. Он очень удобен в тех случаях, когда мало места, так как не требует коврика и пространства для перемещения манипулятора по столу. Это свойство определило широкое применение трекбола в портативных компьютерах.
Тачпад служит для перемещения курсора в зависимости от движений пальца пользователя и используется для замены мыши в ноутбуках. Для перемещения курсора на весь экран лчл '
достаточно небольшого перемещения пальца по поверхности тачпада.
Джойстик
Джойстик, или ручка управления, был разработан специально для игр. Так же как мышь и трекбол, он позволяет перемещать курсор или графический объект по экрану монитора. Джойстик представляет собой рукоятку, отклоняющуюся во все .стороны, и несколько кнопок на небольшой панели — для выполнения простейших действий.
Джойстики имеют различное количество кнопок и число направлений перемещения курсора по экрану. С целью соблюдения
Тема 19. Устройства ввода информации
305
эргономических требований ручка джойстика имеет форму, повторяющую рельеф кисти руки при обхвате ручки. Современный рынок джойстиков очень разнообразен. Созданный для досуга, он совершенствуется, и работа с ним все более приближается к естественным условиям имитируемой ситуации. Среди последних моделей наиболее удачен джойстик с силовой обратной связью ца события, происходящие на экране. Например, если в ходе игры вы ведете машину по з^абистой дороге под вражескими пулями, то джойстик дрожит в руке и вы чувствуете, как пули попадают в капот автомобиля.
19.4. Сенсорные устройства ввода
Сенсорный экран
Сенсорный, или тактильный, экран представляет собой поверхность, которая покрыта специальным слоем. Прикосновение к определенному месту экрана обеспечивает выбор задгшия, которое должно быть выполнено компьютером, или команды в экранном меню. Так, например, во время проведения олимпиад сенсорные экраны помогают спортсменам, тренерам, корреспондентам быстро выбрать интересующую его информацию о результатах соревнований, составе команд и т. п. указанием пальца в соответствующем меню.
Сенсорный экран позволяет также перемещать объекты. Он удобен в использовании, особенно когда необходим быстрый доступ к информации. Такие устройства ввода можно увидеть в банковских компьютерах, аэропортах, а также в военной сфере и промышленности.
Световое перо
Световое перо похоже на обычный карандаш, на кончике которого имеется специальное устройство — светочувствительный элемент. Соприкосновение пера с экраном замыкает фотоэлектрическую цепь и определяет место ввода или коррекции дан-
306
Раздел 3. Техническое обеспечение информационных технологий
ных. Если перемещать по экрану такое перо, можно рисовать или писать на экране, как на листе бумаги.
Световое перо используется для ввода информации в самых маленьких персональных компьютерах — в карманных микрокомпьютерах. Оно также применяется в различных системах проектирования и дизайна.
Графический планшет, или дигитайзер
Графический планшет, или дигитайзер, используется для создания либо копирования рисунков или фотографий. Он позволяет
создавать рисунки так же, как на листе бумаги. Изображение преобразуется в цифровую форму, отсюда название устройства (от англ, digit — цифра). Условия создания изображения приближены к реальным, достаточно специальным пером или пальцем сделать рисзшок на специальной поверхности. Результат работы дигитайзера воспроизводится на экране монитора и в случае необходимости может быть распечатан на принтере. Дигитайзерами обычно пользуются архитекторы, дизайнеры.
19.5. Устройства сканирования
Сканер
Большое распространение в наше время прибрели устройства сканирования изображений, таких как тексты или рисунки. Термин «сканирование» происходит от английского глагола to scan, что означает «пристально всматриваться».
Сканер предназначен для ввода в компьютер графической или текстовой информации с листа бумаги, со страницы жзфнала или книги. Для работы сканера необходимо программное обеспечение, которое создает и сохраняет в памяти электронную копию изображения. Все разнообразие подобных программ можно
Тема 19. Устройства ввода информации
307
подразделить на два класса — для работы с графическим изображением и для распознавания текста.
V
Сканеры различаются по следующим параметрам:
^ глубина распознавания цвета: черно-белые, с градацией серого, цветные;
^ оптическое разрешение, или точность сканирования, измеряется в точках на дюйм (dpi) и определяет количество точек, которые сканер различает на каждом дюйме; стандартные разрешения —
200, 300, 600, 1200 точек на дюйм;
Ф программное обеспечение, входящее в комплект поставки сканеров: обзгчаемые программы, которые имеют образцы почерков для распознания текста; интеллектуальные — сами об5гчаются;
^ конструкция: ручные, страничные (листовые) и планшетные.
К важным характеристикам сканера также относятся время сканирования и максимальный размер сканируемого документа.
Сканеры находят широкое применение в издательской деятельности, системах проектирования, анимации. Эти устройства незаменимы при создании презентаций, докладов, рекламных материалов высокого качества.
Устройства распознавания символов
к таким устройствам относятся, например, терминалы, установленные в больших магазинах. Эти терминалы оснащены разнообразными устройствами считывания штрих-кодов — специальных символов и меток для определения условий приобретения товара и его цены. Считанная информация преобразуется, выводится на экран или бумажный чек и по линиям связи передается на более мощный компьютер для дальнейшей обработки.
308
Раздел 3. Техническое обеспечение информационных технологий
19.6. Устройства распознавания речи
с помощью обычного микрофона речь человека непосредственно вводится в компьютер и преобразуется в цифровой код. Большинство систем распознавания речи могут быть настроены на особенности человеческого голоса. Это реализуется путем сравнения сказанного слова с образцами, предварительно записанными в память компьютера. Некоторые системы способны определять одинаковые слова, сказанные разными людьми. Однако список этих слов ограничен. Лучшие системы распознают до 30 тысяч слов и реагируют на индивидуальные особенности голоса. Есть системы, которые не только распознают речь, но и осуществляют перевод с одного языка на другой.
Системы распознавания речи находят широкое применение в образовании, например при из)гчении иностранных языков. Фзшкции распознавания и коррекции речи незаменимы для формирования правильного произношения.
Контрольные вопросы и задания
1. Как классифицирзчотся устройства ввода?
2. Что такое драйвер? Сколько должно быть драйверов на компьютере?
3. В чем отличия эргономической клавиатуры от обычной?
4. Какие устройства образуют класс манипуляторов и как проявляется их назначение?
5. Назовите основные характеристики мышей.
6. Какой тип информации позволяет вводить сканер?
7. Перечислите характерные особенности сенсорных устройств ввода.
8. Каковы основные характеристики сканеров?
9. Как используются устройства распознавания речи?
10. Каковы перспективы устройств ввода?
Тема 20 Устройства вывода
Изучив эту тему, вы узнаете: и<Ф о классификации и назначении устройств вывода; основные характеристики мониторов; основные типы принтеров и их характеристики; основные типы плоттеров и их характеристики, каково назначение устройств звукового вывода.
20.1. Классификация устройств вывода
Введенная в компьютер информация преобразуется с помощью программ в некий конечный результат, который необходим человеку. Однако в компьютере этот результат обработки хранится в двоичном коде и совершенно непонятен человеку. Для преобразования двоичных кодов в форму, понятную человеку, необходимы специальные аппаратные средства, которые получили название устройств вывода.
I
Устройства вывода — аппаратные средства для преобразовгшия компьютерного (машинного) представления информации в форму, понятную человеку.
Для нормальной работы устройства вывода, так же как и устройства ввода, необходимы управляющий блок (контроллер, или адаптер), специальные разъемы и электрические кабели и обязательно — управляющая программа (драйвер). Только при выполнении этих условий устройство вывода обеспечивает необходимую человеку форму представления выводимых результатов в виде текста, изображения, звука и пр. Многообразие устройств вывода определяется различными физическими принципами, которые заложены в основу их работы.
Среди устройств вывода можно выделить по форме представления информации несколько классов (рисунок 20.1): мониторы, принтеры, плоттеры, устройства звукового вывода.
310
Раздел 3. Техническое обеспечение информационных технологий
Рис. 20.1. Классификация устройств вывода
20.2. Мониторы
Общая характеристика
Монитор предназначен для отображения символьной и графической информации. Мониторы могут быть выполнены на базе
электронно-лучевых трубок или в виде жидкокристаллических панелей. У портативных компьютеров мониторы выполнены в виде жидкокристаллических панелей. Компактные размеры мониторов на жидких кристаллах, представляющих собой плоские экраны, а также отсутствие вредных факторов, влияющих на здоровье человека, делают данный вид мониторов все более популярным и для стационарных компьютеров.
Основными характеристиками мониторов, реализованных на базе электронно-лучевой трубки, являются: разрешающая способность экрана, расстояние между точками на экране, длина диагонали экрана.
Разрешающая способность экрана
Любое изображение на экране представляется набором точек, которые называются пикселями (от англ. PICtiu*e's ELement — элемент картины). Число точек по горизонтали и вертикали экрана определяет разрешающую способность монитора. Стандартный режим работы современного монитора поддерживает разреше-
Тема 20. Устройства вывода
311
ние 800x600, 1024x768 точек и другие режимы. Чем выше разрешающая способность монитора, тем качественнее изображе-
/
ние.
В текстовом режиме на экран выводятся только известные компьютеру символы, а в графическом — любое изображение, состоящее из точек. Для представления любого символа в текстовом режиме используется фиксированное количество пикселей, например 8x8 или 8x14.
Мониторы бывают черно-белые (монохромные) и цветные. Цветные изображения получаются путем смешивания трех базовых цветов: красного, зеленого, синего. Базовые цвета создаются тремя электронными лучами, каждый из которых отвечает за свой цвет. Все многообразие оттенков объясняется суммированием базовых цветов в различных пропорциях.
Вспомните урок рисования, когда для получения желаемого оттенка приходилось смешивать краски. Так, для получения бирюзового цвета достаточно смешать зеленую и синюю краски, а малиновый цвет получается путем добавления синего цвета к красному.
Расстояние мемоду точками на экране
Четкость изображения на мониторе определяется расстоянием между точками на экране, или величиной шага («размером зерна»). Значение данного параметра колеблется от 0,22 до 0,43 мм. Чем меньше эта величина, тем качественнее изображение.
Длина диагонали экрана
Этот параметр измеряется в дюймах и колеблется в диапазоне от 9" до 41". Выбор размера монитора зависит от области использования персонального компьютера. Для учебных и бытовых целей наиболее популярными являются мониторы с диагональю 14 и 15 дюймов. Работа со специализированными графическими пакетами требует использования мониторов большей диагонали, например 17 дюймов. В системах автоматизированного проектирования, где необходимо одновременно отображать большой объем графической информации, для эффективной работы желательно использование мониторов с диагональю в 21 дюйм и более.
312
Раздел 3. Техническое обеспечение информационных технологий
Разрешающая способность экрана во многом определяется соотношением длины диагонали и величины шага (таблица 20.1). Например, при размере диагонали 14 дюймов и величине шага 0,28 мм оптимальный режим работы монитора обеспечивается при разрешении 800 на 600 точек.
Таблица 20.1. Соотношение между диагональю, величиной шага и разрешением экрана
Диагональ Разрешение
640x480 800x600 1024x768
14" 0,35 0,28 0,22
15" 0,38 0,30 0,24
17" 0,43 0,34 0,27
Видеокарта
Реально получаемые режимы работы монитора зависят от типа видеокарты, которая обеспечивает управление и взаимодействие монитора с персональным компьютером. Видеокарта, или видеоадаптер, устанавливается на системной плате в системном блоке компьютера и поставляется с набором программ-драйверов. Монитор, видеоадаптер и набор программ-драйверов образзчот видеосистему персонального компьютера.
Для обеспечения возможности подключения к компьютеру телевизора или видеомагнитофона компьютер комплектуется видеоконвертором. TV-конвертор позволяет выводить компьютерное изображение на экран телевизора или производить запись на видеомагнитофон. РС-конверторы выполняют обратное преобразование, при котором изображение с экрана телевизора отображается на мониторе.
Все мониторы подлежат обязательной проверке на безопасность для здоровья человека. Поэтому при их покупке нужно требовать сертификат безопасности, подтверждгпощий качество работы купленного монитора и низкий уровень излз^ения (Low Radiation).
Тема 20. Устройства вывода
313
20.3. Принтеры
Общая характеристика
Принтеры предназначены для вывода результатов на бумагу. При этом происходит преобразование машин- •• ного представления информации в символы (буквы, • •
цифры, знаки). Любой символ выводится на печать • * •
в виде множества точек. Формирование изображения ^ \
осзчцествляется головкой печатающего устройства.
Печать кг1ЖДОЙ строки производится в двух направлениях: печатающая головка двигается слева направо и справа налево. Переход к выводу следующей строки осуществляется с помощью специального механизма протягивания бумаги между валиками принтера. Функциональные возможности современных принтеров позволяют выводить различный текст, рисунки, графики не только на бумагу, но и на специальную пленку, например для создания слайдов.
К одному системному блоку можно подключить от одного до трех принтеров любых типов.
По способу формирования выводимой'информации принтеры делятся на:
^ последовательные, когда документ формируется символ за символом;
♦ строчные, когда формируется сразу вся строка;
Ф страничные, когда формируется изображение целой страницы.
По количеству цветов, используемых при печати документа, различают принтеры черно-белые и цветные.
По способу печати принтеры бывают ударные и безударные.
Важнейшими характеристиками принтеров являются:
^ ширина каретки принтера, определяющая максимально возможный формат документа: А4 или АЗ;
^ скорость печати, определяющая число знаков или количество страниц, распечатываемых принтером в секунду или минуту;
314
Раздел 3. Техническое обеспечение информационных технологий
Ф разрешающая способность принтера, определяющая качество печати как число точек на дюйм — dpi (dots per inch) при выводе символа.
По способу получения изображения на бумаге, способу нанесения красящего материала (тонера) принтеры бывают: матричные, струйные, лазерные, термические, литерные. Рассмотрим основные типы принтеров.
Матричные принтеры
Матричные принтеры относятся к ударным печатгпощим устройствам, так как изображение формируется с помощью комплекта
Печатающие / иголки
Печатающая
головка
иголок (матрицы), ударяющих по бзчлаге через красящую ленту, помещенную в специальный футляр — картридж. В результате на бумаге остается оттиск изображения выводимого символа. Управление перемещением каждой иголки для получения требуемого изображения производится с по-
мощью электромагнита, расположенного в головке матричного принтера. Чем больше иголок в головке, тем выше качество печати. Матричные принтеры бывают 9-, 18- и 24-игольчатые.
Струйные принтеры
Струйные принтеры относятся к безударным устройствам, так как головка печатающего устройства не касается бумаги. Благодаря этому их работа практически бесшумна.
Для получения изображения используют специальные чернила, а вместо печатающей головки установлен картридж, похожий на перевернзгтую чернильницу, в которой из отверстий (сопел) выбрасываются тонкие струи чернйл. Мельчайшие капельки их отклоняются под действием управляющих электромагнитов и, достигнув бумаги, создают требуемое изображение. Количество сопел колеблется от 12 до 64. Чем больше сопел, тем выше каче-
Тема 20. Устройства вывода
315
ство печати. Струйные принтеры обеспечивают получение изображения по качеству, близкому к типографскому, что определяет широкую сферу использования струйных принтеров для создания различных документов.
Скорость печати струйных принтеров значительно выше, чем матричных. К сожалению, и стоимость печати струйными принтерами также с)чцественно выше.
Работая со струйным принтером,
нельзя забывать, что чернила при соприкосновении с водой имеют свойство растекаться. Поэтому использовать данный тип принтеров можно только в сухих помещениях. По этой же причине в струйном принтере используется только высококачественная гладкая бумага.
Лазерные принтеры
в лазерных принтерах для формирования изображения используется лазерный луч. С помощью системы линз тонкий луч лазера формирует электронное изображение на светочувствительном барабане.
К заряженным участкам электронного изображения притягиваются частички порошка-красителя (тонера), который затем переносится на бумагу. .
Лазерные принтеры обеспечивают высокое качество печати и значительную скорость вывода — от нескольких страниц в минуту при цветной и до десятка с лишним страниц в минуту при черно-белой печати. Эти свойства лазерного принтера определяют его использование в качестве сетевого принтера, обеспе-чивгпощего режимы коллективного доступа. Лазерные принтеры находят широкое применение в издательской деятельности.
316
Раздел 3. Техническое обеспечение информационных технологий
20.4. Плоттеры
Плоттеры, иначе называемые графопостроителями, предназначены для вывода графической информации, создания схем, сложных архитектурных чертежей, художественной и иллюстративной
графики, карт, трехмерных изображений. Плоттеры используются для производства высококачественной цветной документации и являются незаменимыми для художников, дизайнеров, оформителей, инженеров, проектировщиков.
Размеры выходных документов на плоттере превышают размеры документов, которые можно создавать с помощью принтера. Максимальная длина печатаемого материала ограничена, как правило, длиной рулона бумаги, а не конструкцией плоттера.
Изображение на бумаге формируется с помощью печатающей головки. Точка за точкой изображение наносится на бумагу (кальку, пленку), отсюда и название графопостроителя — плоттер (от англ, to plot — вычерчивать чертеж).
К основным характеристикам плоттеров относятся:
Ф скорость вычерчивания изображения, измеряемая в миллиметрах в секунду;
Ф скорость вывода, определяемая количеством условных листов, распечатываемых в минуту;
Ф разрешающая способность, измеряемая, аналогично принтеру, в dpi (количество точек на дюйм).
По конструкции плоттеры делятся на планшетные и барабанные. В планшетных плоттерах бумага неподвижна, а печатающая головка перемещается по двум направлениям. В барабанных по одной из координат передвигается головка, а по другой — с помощью системы прижима движется бумага.
По принципу действия плоттеры делятся на перьевые, струйные, электростатические, с термопереносом, карандашные.
В перьевых плоттерах для получения изображения используются обычные перья. Для получения цветного изображения применяется несколько перьев различного цвета.
Тема 20. Устройства вывода
317
Струйные плоттеры формируют изображение подобно струйным принтерам, разбрызгивая капли чернил на бумагу. Более высокое по сравнению с перьевыми плоттерами качество цветной печати определяет широкое распространение струйных плоттеров в различных областях человеческой деятельности, включая автоматизированное проектирование, инженерный дизайн.
Электростатические плоттеры создают изображение с помощью электрического заряда в процессе протягивания бумаги. Электростатические плоттеры — очень дорогостоящие и используются, когда требуется высокое качество выходных документов.
Плоттеры с термопереносом создают двухцветное изображение, используя термочувствительную бумагу и электрически нагреваемые иголки.
Карандашные плоттеры используют для формирования изображения обычный грифель. Они самые дешевые и работают с дешевым расходным материалом.
20.5. Устройства звукового вывода
Трудно представить себе современный компьютер молчаливым, без возможности услышать различные звуки — сигналы, музыку, человеческую речь. Для этого с,
к компьютеру подсоединяют колонки или наушники, которые преобразуют данные в двоичном представлении в звук.
Устройства голосового вывода при наличии соответствующих программ в компьютере могут воспроизводить звуки, подобные
318
Раздел 3. Техническое обеспечение информационных технологий
человеческой речи. Примеры использования речевого вывода мы находим в современных супермаркетах на выходном контроле для подтверждения покупки, в телефонных устройствах, в автомобильном оборудовании. Широкое распространение эти устройства находят также в образовании при обучении иностранным языкам.
Контрольные вопросы и задания
1. Для чего нужны устройства вывода?
2. Перечислите основные характеристики монитора.
3. Как вы понимаете термин «разрешающая способность экрана»?
4. Что означает слово «пиксель»?
5. Что такое видеосистема персонального компьютера?
6. Перечислите основные технологии печати.
7. В чем состоит основной принцип работы матричного принтера?
8. В чем состоит основной принцип работы струйного принтера?
9. Дайте сравнительную оценку струйного и лазерного принтеров.
10. Опишите принцип фзшкционирования плоттеров и их типы.
11. Каково применение устройств звукового вывода?
Тема 21 Взаимодействие устройств
компьютера
Изучив эту тему, вы узнаете:
какова структурная схема компьютера;
"1^ что такое принцип программного управления;
в чем состоит назначение системной шины;
что означает принцип открытой архитектуры, используемый при построении компьютера.
21.1. Структурная схема компьютера
в предыдущих темах вы познакомились с назначением и характеристиками основных устройств компьютера. Очевидно, что все эти устройства не могут работать по отдельности, а только в составе всего компьютера. Поэтому для понимания того, как компьютер обрабатывает информацию, необходимо рассмотреть структуру компьютера и основные принципы взаимодействия его устройств.
В соответствии с назначением компьютера как инструмента обработки информации взаимодействие входящих в него устройств должно быть организовано таким образом, чтобы обеспечить основные этапы обработки данных.
Для пояснения сказанного рассмотрим приведенную на рисунке 21.1 структурную схему обработки информации компьютером, на которой в верхнем ряду указаны уже знакомые вам по разделу 1 основные этапы этого процесса. Выполнение каждого из этих этапов определяется наличием в структуре компьютера соответствующих устройств. Очевидно, что ввод и вывод информации осуществляется с помощью устройств ввода (клавиатура, мышь и др.) и вывода (монитор, принтер и др.). Для хранения информации используются внутренняя и внешняя память на различных носителях (магнитные или оптические диски, магнитные ленты и пр.).
320
Раздел 3. Техническое обеспечение информационных технологий
Сбор
информации
Кодирование и ввод информации
Хранение и обработка информации
Передача и декодирование инфор^ции
Рис. 21.1. Структурная схема компьютера
Темные стрелки обозначают обмен информацией между различными устройствами компьютера. Пунктирные линии со стрелками символизцруют управляющие сигналы, которые поступают от процессора. Светлые пустые стрелки отображают потоки входной и выходной информации соответственно.
Компьютер представляет собой систему взаимосвязанных компонентов. Конструктивно все основные компоненты компьютера объединены в системном блоке, который является важнейшей частью персонального компьютера.
21.2. Системный блок и системная плата
Внутри системного блока располагаются следующие устройства:
♦ микропроцессор;
♦ внутренняя память компьютера;
♦ дисководы — устройства внешней памяти;
♦ системная шина;
♦ электронные схемы, обеспечивающие связь различных компонентов компьютера;
♦ электромеханическая часть компьютера, включающая блок питания, системы вентиляции, индикации и защиты.
Тена 21. Взаинодействие устройств компьютера
321
Блок питания
Дисководы для гибкого и жесткого дисков
Разъем питания
Разъем
клавиатуры
Разъем мыши
Разъем
последовательного порта 1 Разъем
последовательного порта 2 Разъем параллельного порта
Разъем VGA
Модули
оперативной
памяти
Разъем расширения видеопамяти
Разъем расширения VGA
Все перечисленные устройства, входящие в состав системного блока, помещены в корпус, причем существуют различные типы корпусов. Тип корпуса системного блока зависит от вида персонального компьютера и определяет размер, размещение и количество устанавливаемых компонентов системного блока. Для стационарных персональных компьютеров наиболее распространенными корпусами являются горизонтальные или настольные (desktop) либо в виде башни (tower). В портативных компьютерах системный блок объединен с монитором и выполнен в стандарте booksize, то есть размером с книгу.
Технической (аппаратной) основой персонального компьютера является системная, или материнская, плата. Системная плата является главной платой в системном блоке компьютера. На ней расположены важнейшие микросхемы — процессор и память. Системная плата связывает в единое целое различные устройства, обеспечивает условия работы и связь основных компонентов
Раздел 3. Техническое обеспечение информационных технологий
персонального компьютера. Процессор обеспечивает не только преобразование информации, но и управление работой всех остальных устройств компьютера.
В основе работы компьютера лежит так называемый принцип программного управления. В соответствии с ним команды программы и данные хранятся в закодированном виде в оперативной памяти. При работе компьютера команды, которые необходимо выполнить, и данные, которые им требуются, считываются по очереди из памяти и поступают в процессор, где они расшифровываются, а затем выполняются. Результаты выполнения различных команд, в свою очередь, могут быть записаны в память или переданы на различные устройства вывода. Скорость выполнения процессором операций по обработке информации является решающим фактором, определяющим его производительность. Дело в том, что любая информация (числа, текст, рис)шки, музыка и т. д.) хранится и обрабатывается на компьютере только в цифровой форме. Поэтому ее обработка сводится к выполнению процессором различных арифметических и логических операций, предусмотренных его системой команд.
sSnS JtJ *
А- '1
21.3. Системная шина
Для обеспечения информационного обмена между различными устройствами компьютера в нем должна быть предусмотрена какая-то магистраль для перемещения потоков информации. Поясним эту мысль небольшим примером.
Вы знаете, что жизнь большотЧ) города — это постоянные потоки людей и транспортных средств, двигающихся в различных направлениях. Часто скорость транспортного или людского потока зависит не от скорости машины, велосипеда или пешехода.
Тема 21. Взаимодействие устройств компьютера
а от пропускной способности транспортной сети города, от его подземных и наземных магистралей.
В компьютере происходит движение не транспортных, а информационных потоков по соответствующей информационной магистрали. Роль такой информационной магистрали, связывающей друг с другом все устройства компьютера, выполняет системная шина, расположенная вщ^три системного блока. Упрощенно системную шину можно представить как группу кабелей и электрических (токопроводящих) линий на системной плате.
Все основные блоки персонального компьютера подсоединены к системной шине (рисунок 21.2). Основной ее функцией является обеспечение взаимодействия между процессором и остальными электронными компонентами компьютера. По этой шине осуществляется передача данных, адресов памяти и управляющей информации.
Процессор
Системная шина
Рис. 21.2. Назначение системной шины
От типа системной шины, так же как и от типа процессора, зависит скорость обработки информации персональным компьютером. К основным характеристикам системной шины относятся разрядность и производительность канала связи.
Разрядность шины определяет количество бит информации, передаваемых одновременно от одного устройства к другому.
Системные шины первых персональных компьютеров могли передавать только 8 бит информации, используя для этого 8 линий данных в виде 8 параллельных проводников. Дальнейшее разви-
324
Раздел 3. Техническое обеспечение информационных технологий
тие компьютеров привело к созданию 16-битной системной шины, а затем ее разрядность увеличилась до 32 и далее до 64 бит. Увеличение разрядности шины данных привело к повышению скорости обмена информацией, а увеличение разрядности адресной шины обеспечило больший объем оперативной памяти.
Производительность шины определяется объемом информации, который можно передать по ней за одну секунду.
Подобно транспортным магистралям, пропускная способность которых зависит от количества полос движения на дороге, производительность системной шины во многом определяется ее разрядностью. Чем выше разрядность шины, тем больше бит информации одновременно может передаваться по ней, например из процессора в память. Это приводит к более быстрому обмену данными и освобождению процессора для решения других задач.
Однако системная шина как основнгш информационная магистраль не может обеспечить достаточную производительность для внешних устройств. Для решения этой проблемы в компьютере стали использовать локальные шины, которые связывают микропроцессор с различными устройствами памяти, ввода и вывода. Назначение локальных шин сходно с назначением окружных или кольцевых дорог вокруг большого города, которые разгружают основные магистрали.
21.4. Порты
Связь компьютера с различными устройствами ввода и вывода осуществляется через порты. Для некоторых устройств предусмотрено внешнее подключение к портам через разъемы, которые обычно тоже называют портами. Эти разъемы расположены на тыльной стороне системного блока. Дисководы гибких, жестких и лазерных дисков устанавливаются и подключаются внутри системного блока. Различают проводные (последовательные и параллельные, USB, Fire Wire) и беспроводные (инфракрасные, Bluetooth) порты.
Тема 21. Взаимодействие устройств компьютера
Параллельный Последовательный порт порт
Параллельные порты
Этот тип портов используется для подсоединения внешних устройств, которым необходимо передавать большой объем информации на близкое расстояние.
Через параллельный порт обычно передается одновременно 8 бит данных по 8 параллельным проводникам. К параллельному порту подключаются принтер, сканер. Число параллельных портов у компьютера не превышает трех, и они имеют соответственно логические имена LPT1, LPT2, LPT3 (от англ. Line PrinTer — линия принтера).
Последовательные порты
Данный тип портов используется для подключения к системному блоку мыши, модемов и многих других устройств. Через такой порт идет последовательный поток данных по 1 биту. Это можно сопоставить с тем, как происходит движение транспорта по дороге с одной полосой. Последовательная передача данных используется на больших расстояниях. Поэтому последовательные порты часто называют коммуникационными. Количество коммуникационных портов не превышает четырех, и им присвоены имена от СОМ1 до COM4 (англ. COMmunication port — коммуникационный порт).
Кабель
USB А
USB В
Устройство
Vttt
USB-порт
USB-порт (англ. Universal Serial Bus) в настоящее время является наиболее распространенным средством подключения к компьютеру среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств.
USB-порт использует последовательный способ обмена данными. Наибольшее распространение получил высокоскоростной порт типа USB 2.0. Если в компьютере не хватает USB-портов, то этот
326
Раздел 3. Техническое обеспечение информационных технологий
недостаток можно устранить приобретением USB-концентратора, имеющего несколько таких портов.
Благодаря встроенным линиям питания USB часто позволяет применять устройства без собственного блока питания.
FireWire-порт
FireWire-порт (IEEE 1394) обычно используется для высокоскоростных устройств, например для подключения видеокамер.
Инфракрасный порт беспроводного подключения
Передача данных осуществляется по оптическому каналу в инфракрасном диапазоне. Аналогично работают пульты дистанционного управления бытовой техникой — телевизорами, видео-
магнитофонами и пр. Радиус действия инфра-красного порта составляет несколько метров, при J|jH|Hj| этом необходимо обеспечить прямую видимость ■tiUEHaJ между приемником и передатчиком. Инфракрасный порт обычно используется для соединения с мобильным телефоном, обладающим таким же портом. Это позволяет реализовать доступ в Интернет с использованием мобильного телефона, что наиболее важно для портативных ноутбуков в нестационарных условиях.
Модуль Biuetooth беспроводного подключения
Один адаптер Bluetooth позволяет осуществить беспроводное подключение порядка 100 устройств, находящихся на расстоянии до 10 м. При этом к компьютеру, оснащенному таким адаптером, можно подключать разнотипные беспроводные устройства: мобильные телефоны, принтеры, мыши, клавиатуры и пр. Передача данных осуществляется по радиоканалу в частотном диапазоне 2,2-2,4 ГГц. Главное достоинство — устойчивая связь независимо от взаиморасположения приемника и передатчика. Если в компьютере нет встроенного модуля Bluetooth, то его можно приобрести отдельно и подключить по USB-порту.
Тема 21. Взаимодействие устройств компьютера
21.5. Прочие компоненты системной платы
Системная плата, кроме перечисленных выше важнейших компонентов компьютера, содержит дополнительные микросхемы, переключатели и перемычки. Все эти устройства необходимы для обеспечения взаимодействия различных устройств компьютера, установки режимов их работы. Например, на системной плате могут быть установлены микросхемы, которые требуют различного напряжения питания. Параметры работы устройств задаются переключателями на системной плате.
В любом системном блоке нгисодятся обязательные узлы, обеспечивающие работу компьютера, — блок питания, системные часы, аккумулятор, сигнальные индикаторы передней стороны системного блока.
Системные часы определяют скорость выполнения компьютером операций, которая связана с тгпстовой частотой, измеряемой в мегагерцах (1 МГц равен 1 млн тактов в секунду). Системные часы определяют ритм работы всего компьютера, синхронизируют работу большинства компонентов его системной платы.
Платы и слоты расширения обеспечивают реализгщию так называемого принципа открытой архитектуры построения современного персонального компьютера. Слотом называется разъем, куда вставляется плата. Наличие слотов расширения на системной плате позволяет рассматривать персональный компьютер как устройство, которое можно модифицировать. Расширение возможностей компьютера осуществляется путем установки в слоте платы расширения. К разъему этой платы с помощью кабеля присоединяется некоторое устройство, расположенное вне системного блока.
Вместо термина «плата расширения» часто используют названия «карта», «адаптер». К наиболее распространенным платам расширения относятся видеокарты, звуковые карты и внутренние модемы.
328
Раздел 3. Техническое обеспечение информационных технологий
21.6. Представление об открытой архитектуре компьютера
Технология производства компьютеров быстро развивается, что обеспечивает непрерывный рост их производительности, объема памяти и как результат — возможностей решать все более сложные задачи. Стремительно совершенствуются одни устройства, создаются другие, принципиально новые. При столь бурном развитии технологии необходимо предусмотреть такой принцип построения компьютера, который позволял бы использовать уже имеющиеся в нем устройства (блоки), а также без изменения конструкции заменять их на новые, более совершенные. Как города строятся по законам архитектуры, так и устройство компьютера должно развиваться по определенным законам. Главный принцип построения современного персонального компьютера — это принцип открытой архитектуры: каждый новый блок должен быть программно и аппаратно совместим с ранее созданными. Это означает, что современный персональный компьютер упрощенно можно представить как знакомый всем детский конструктор из кубиков. В компьютере столь же легко можно заменять старые кубики (блоки) на новые, где бы они ни располагались, в результате чего работа компьютера не только не нарушается, но становится более производительной. Именно принцип открытой архитектуры позволяет не выбрасывать, а модернизировать ранее купленный компьютер, легко заменяя в нем устаревшие блоки на более совершенные и удобные, а также приобретать и устанавливать новые блоки и узлы. При этом места для их установки (разъемы) во всех компьютерах являются стандартными и не требуют никаких изменений в самой конструкции компьютера.
I
Принцип открытой архитектуры — правила построения компьютера, в соответствии с которыми каждый новый узел (блок) должен быть совместим со старым и легко устанавливаться в том же месте в компьютере.
Тема 21. Взаимодействие устройств компьютера
329
Контрольные вопросы
1. Какие основные блоки образуют структуру компьютера и как они связаны с этапами обработки информации?
2. Какова роль процессора персонального компьютера в обработке информации?
3. Что такое принцип программного управления?
4. Каковы назначение и основные компоненты системного блока?
5. Какие виды корпусов системного блока вам известны?
6. Для чего нужна системная плата?
7. Каково назначение системной шины в персональном компьютере?
8. В чем состоит аналогия между системной шиной и транспортными магистралями?
9. Какие вы знаете характеристики системной шины?
10. Что такое порт компьютера? Какие виды портов бывают и в чем их различие?
11. Зачем нужны платы расширения?
12. Для чего необходимо иметь слоты расширения?
13. В чем состоит принцип открытой архитектуры?
14. Что вам известно из художественной литературы, научно-популярных изданий, из телевизионных передач и кинофильмов о возможностях и использовании компьютеров будущего?
Тема 22 Аппаратное обеспечение
компьютерных сетей
Изучив эту тему, вы узнаете:
какие существуют разновидности сетей;
каковы основные компоненты сети;
каким образом происходит обмен информацией между компьютерами;
какие технические средства обеспечивают работу компьютерной сети;
какие каналы связи используются в компьютерных коммуникациях;
о роли модемов и сетевых адаптеров в сети.
22.1. Виды компьютерных сетей
Компьютерные сети занимают все более важное место в жизни человечества. Сети могут объединять информационные ресурсы как небольших предприятий, так и крупных организаций, занимающих удаленные друг от друга помещения, подчас расположенные даже в разных странах. Это и определяет способ соединения компьютеров между собой и соответственно вид сети: локальную, региональную, корпоративную, глобальную.
Локальные сети
Представьте себе компьютерную сеть поликлиники с центральным компьютером, содержащим информацию обо всех пациентах. В кабинете каждого врача находится компьютер, на экран которого, при необходимости, выводятся сведения о конкретном больном. Врач обновляет их, сохраняет в базе данных центрального (главного) компьютера, и они становят-
А
ся доступными другим специалистам, например физиотерапевту, невропатологу, кардиологу. Кроме того, эта же информация выводится и на компьютер регистратуры, где пациент может заказать себе направление на обследование или на при-
Тема 22. Аппаратное обеспечение компьютерных сетей
331
ем к нужному врачу. В компьютере можно также хранить информацию о расписании работы специалистов, выдаче талонов на прием к ним и т. п.
Компьютерной сетью может быть оснащено и торговое предприятие. Тут с ее помощью можно хранить сведения о товарах и их стоимости, обрабатывать информацию о продажах, вести учет качества проданного товара и пр. Вся эта информация хранится централизованно, на сервере.
Компьютерная сеть может объединять компьютеры всей ппсо-лы, установленные в самых разных рабочих местах: в кабинетах администрации, в библиотеке, в классах информатики и других кабинетах. Можно объединить с помощью сети, например, два или три домашних компьютера учащихся, живущих по соседству.
В офисе, работая в сети, разные сотрудники имеют доступ к одним и тем же внутренним источникам информации для подготовки различных отчетов, составления расписания и планирования общей деятельности предприятия. Специальные сетевые программы позволяют автоматически планировать собрания, подбирая наиболее подходящее для всех работников время, начальник может проверять, выполнены ли его поручения, которые он разослал по сети, и т. ц. Все описанные выше примеры сетей предназначены для обработки информации местного значения. Как правило, такие сети связывают компьютеры, расположенные на небольших расстояниях (порядка 50-100 метров) в пределах здания, и потому называют их локальными (местными). Около 90 % информации, циркулирующей в таких сетях, — это информация местной организации.
Локальная сеть — соединение компьютеров, расположенных на небольших расстояниях друг от друга.
Раздел 3. Техническое обеспечение информационных технологий
Региональные и корпоративные сети
Нередко в том же офисе, школе или поликлинике возникает необходимость получить информацию от других аналогичных организаций. В таких случаях между собой соединяют компьютеры, расположенные не только в одном или нескольких помещениях.
Представьте себе систему хранения информации в библиотеках. Тут необходимо по каждой книге иметь самые разные сведения: название, данные об авторах, издательстве, количество имеющихся экземпляров, аннотацию содержания и пр. Если сделать такую информацию доступной большому количеству библиотек, то можно улучшить обслуживание читателей, усовершенствовать организацию межбиблиотечного фонда для обмена книгами. Объединение библиотек в централизованную компьютерную сеть позволяет обеспечить всем библиотекам доступ к любой необходимой информации о книгах.
С центральной библиотекой может быть связана как библиотека, где имеется только один компьютер, так и библиотека, в которой установлена локальная сеть. Для связи компьютеров может быть использована телефонная линия. Такая сеть уже имеет региональное значение. В качестве примера можно привести сеть библиотек Петербурга и Ленинградской области.
I
Рвтональная сеть—объединение компьютеров и локальных сетей для решения общих проблем регионального масштаба.
Вспомним и о том, как заказываются железнодорожные билеты. По запросу любого кассира-оператора на его монитор выводится информация о наличии свободных мест в поезде, стоимости проездных билетов и т. п. По указанию пассажира кассир через сеть вводит в центральный компьютер запрос на приобре-
Тема 22. Аппаратное обеспечение компьютерных сетей
тение билета и оформляет его продажу. Причем оплаченное место сразу же изымается из дальнейшей продажи. Представьте себе, что все эти компьютеры не были бы соединены в сеть. Тогда бы совершенно утрачивался смысл их использования, так как после каждого рабочего дня приходилось бы делать общие изменения о наличии свободных мест в каждом отдельном компьютере, сообщать другим кассирам о непроданных билетах и думать, как организовывать продажу билетов на следующий день.
Централизованная сеть легко решает такие проблемы. Продажа билетов на одни и те же маршруты может вестись из нескольких городов. И такую сеть уже нельзя назвать локальной. Она служит для обработки информации одной фирмы или объединения фирм и потому называется корпоративной (от слова «корпорация» — объединение).
Корпоративная сеть — объединение локальных сетей в пределах одной корпорации.
Корпоративные сети предназначаются для обслуживания клиентов в различных удаленных друг от друга пунктах, например в гостиницах. Они могут связывать в пределах одной корпорации филиалы, находящиеся в разных странах. Информация может изменяться работниками, имеющими доступ к ней. Описанные выше сети могут иметь выход в другие внешние сети, например, для того, чтобы получить информацию из удаленных баз данных глобального значения или переслать сообщения по электронной почте в другую сеть, отправить факс.
Глобальные сети
Централизованная обработка данных не всегда надежна, так как выход из строя центрального компьютера может привести к потере важной информации или вообще парализовать на некоторое время работу сети. Поэтому возникла необходимость децентрализованной обработки информации в сети. Разработка средств и методов передачи информации на большие расстояния сделала возможным появление глобальных сетей. Идея их построения заключается в том, что мощные компьютеры связаны
334
Раздел 3. Техническое обеспечение информационных технологий
между собой и могут обмениваться информацией в трансконтинентальных масштабах.
Серверы глобальных сетей предоставляют другим компьютерам, зарегистрированным на них, доступ не только к своим ресурсам (информационным и программным, электронной почте, компьютерным конференциям), но и к ресурсам других серверов сети и обеспечивают их пользователям возможность работы с информацией за пределами своего компьютера, открывая доступ к ресурсам удаленных машин.
За последние годы глобальные сети объединились между собой, и такое объединение носит название Интернет (Internet). Пользователи Интернета могут найти в этой сети все, что только не пожелают. Это файлы, изображения, звуки, созданные в различных компьютерных средах и хранящиеся в файловых архивах серверов. Их можно копировать на свой компьютер и открывать с помощью приложений, в которых они созданы. Из Интернета можно получать ежедневно меняющуюся информацию: прогнозы погоды, курсы валют, статистические сводки,, реперту-
А
ар театров и меню ресторанов, любые программы и т. д.
Удаленный доступ (доступ к информации с большого расстояния по сети) позволяет организовать обучение на любом расстоянии (дистгшционное обз^ение). Например, можно проводить зфок
Тема 22. Аппаратное обеспечение компьютерных сетей
одновременно в разных школах мира, общаясь непосредственно с каждым присутствующим на таком уроке, или организовать лекции Известных профессоров для широкого круга слушателей из разных стран мира. Связь на расстоянии делает реальными консультации крупных специалистов при проведении хирургических операций, консилиумов, демонстраций этих операций для обучения медицинского персонала.
Особенно привлекательным стало использование глобальных сетей в связи с развитием мультимедийных средств, то есть графики, видео и звукового сопровождения. Документы, содержащие такие компоненты, стали наиболее популярными среди доступной информации в Интернете.
Чтобы не запутаться в огромных потоках информации, на серверах сети существуют специальные поисковые системы. Они осуществляют поиск информации, ее анализ и предоставление пользователю по его запросу адресов местонахождения нужной информахщи.
Глобальная сеть обеспечивает эффективный доступ к информации в мировых масштабах.
I
Глобальная сеть — объединения компьютеров, расположенных на удаленном расстоянии, для общего использования мировых информационных ресурсов.
22.2. Каналы связи для обмена информацией между компьютерами
Основная цель создания любой компьютерной сети (локальной или глобальной) состоит в обеспечении обмена информацией между объектами (серверами и клиентами) сети. Очевидно, что для этого необходимо осуществить связь компьютеров между собой. Поэтому обязательными компонентами любой сети являются всевозможные каналы связи (проводные и беспроводные), для которых используют различные физические среды. В соответствии с этим в сетях различают такие каналы связи, как телефонные и оптоволоконные линии, радиосвязь, космическая связь и др.
336
Раздел 3. Техническое обеспечение информационных технологий
Назначение каналов связи в компьютерной сети легко понять, если сравнить их с транспортными каналами системы грузовых или пассажирских перевозок. Транспортировка пассажиров может происходить по воздуху, с помощью железных дорог или водных (морских или речных) путей. В зависимости от среды транспортировки выбирают средство передвижения. Через компьютерные сети транспортируется информация. Среды, в которых происходит связь компьютеров сети, определяют средства соединения компьютеров. Если это среда, требующая телефонной связи, то соединение осуществляется через телефонный кабель. Широко применяются соединения компьютеров с помощью электрических кабелей, радиоволн, оптоволоконных кабелей и т. д.
Все это различные каналы связи. Эффективность связи в компьютерных сетях существенно зависит от следующих основных характеристик (параметров) каналов связи:
^ пропускной способности (скорости передачи данных), измеряемой количеством бит информации, переданных по сети в секунду;
^ надежности — способности передавать информацию без искажений и потерь;
♦ стоимости;
^ возможности расширения (подключения новых компьютеров и устройств).
Сравните характеристики каналов связи, приведенные в таблице 22.1.
Таблица 22.1. Характеристики каналов связи
Тип связи Пропускная способность, Мбит/с Надежность Возможность расширения
Электрические кабели: витая пара коаксиальный кабель 10-500 До 10 , Низкая Высокая Простая Проблематичная
Телефонная линия 1-2 Низкая Без проблем
Оптоволоконный кабель 100-2000 Абсолютная Без проблем
Тема 22. Аппаратное обеспечение компьютерных сетей
337
Из этой таблицы видно, что электрическая кабельная связь имеет большую пропускную способность, чем телефонная. В таблице приведены два вида электрических кабелей. Двужильный кабель (или витая пара) дешевле и имеет более высокую скорость передачи данных, однако не обладает защищенностью от помех.
Коаксиальный (экранированный) кабель имеет лучшую помехозащищенность, и это одна из его важнейших характеристик. Защита от помех требует затрат, поэтому стоимость таких кабелей выше.
Использование электрических кабелей обходится гораздо дороже, чем обычных телефонных каналов. Поэтому электрические кабели применяются в качестве каналов связи на небольших расстояниях, то есть в локальных сетях. В глобальных же сетях наиболее дешевым является телефонный канал. Однако к его основным недостаткам относится низкая помехозащищенность. Из таблицы видно, что наш лучшим каналом связи является оптоволоконный кабель, но его стоимость очень высока.
22.3. Назначение сетевых адаптеров
Для передачи информации по каналам связи необходимо преобразовывать компьютерные сигналы в сигналы физических сред, то есть сделать возможным их передачу по электрическим, оптическим, телефонным путям. Например, при передаче информации по оптоволоконному кабелю компьютерные данные будут преобразованы в оптические сигналы. Для этого используют специальные технические устройства — сетевые адаптеры.
I
Сетевые адаптеры (сетевые карты) — технические устройства, выполняющие функции сопряжения компьютеров с каналами связи.
Сетевые адаптеры должны соответствовать каналам связи. Для каждого вида канала связи нужен свой тип сетевого адаптера.
338
Раздел 3. Техническое обеспечение информационных технологий
Адаптер вставляют в свободное гнездо материнской платы компьютера и соединяют кабелем с сетевым адаптером другого компьютера. На сетевых картах выставляются адреса компьютеров в сети, без чего невозможна передача. Когда информация циркулирует по сети, каждый сетевой компьютер отбирает из общего потока лишь те данные, которые предназначены для него. Этот отбор производится в соответствии с адресом компьютера.
Существуют также и программные средства, которые выставляют сетевые адреса компьютеров. Разработано большое количество специальных сетевых системных оболочек. Эти надстройки позволяют назначать адреса компьютеров, заказывать нужное количество пользователей сети, если сеть ограничена по количеству клиентов, разрешать либо запрещать доступ к каталогам или аппаратным ресурсам для различных компьютеров-клиентов в сети, предоставляя им определенные права, и пр. В этих программах также предусмотрена возможность защиты информации. Одни каталоги можно делать доступными только для чтения, другие — для чтения и записи информации, а какие-то — вообще скрыть, сделав недоступными. В последнем случае пользователям видна лишь часть информации сервера. Сетевые программы позволяют предоставлять разным пользователям разные права доступа. Эта мера необходима для обеспечения сохранности информации и соблюдения ее конфиденциальности.
22.4. Назначение модема
Отличительной особенностью глобальной сети является значительное удгшение компьютеров друг от друга. Для их связи широко используются телефонные линии и модемы. Телефонная сеть передает звуки человеческих голосов (в виде аналоговых сигналов). Цифровые сигналы от компьютера модем преобразовывает (модулирует) в сигналы, которые могут передаваться по телефонной сети, и на другом конце соединения они принимаются другим модемом и преобразуются (демодулируютпся) из аналоговых в цифровые сигналы компьютера.
Тема 22. Аппаратное обеспечение компьютерных сетей
339
«Модем — устройство, производящее модуляцию (преобразование цифровых сигналов в аналоговые) и демодуляцию (преобразова-^ ние аналоговых сигналов в цифровые).
Модем соединяет компьютер с телефонной линией. Для работы с ним в оперативную память должна быть загружена специальная управляющая программа — драйвер модема.
С ее помощью производится настройка соответствующих параметров модема (установка модема), без чего работа с ним, а значит, и связь с сетью невозможна.
На другом конце телефонной линии должен быть также подключен модем, присоединенный к другому компьютеру. Тогда компьютер-приемник сможет принимать сигналы из сети, то есть модем используется в глобальной сети вместо сетевого адаптера. Если компьютер является клиентом сети, то у него должен быть определен адрес компьютера, к которому он обращается как к серверу. Эти установки выполняются при настройках протокола и программного обеспечения.
Модемы бывают внешние (выполненные в виде отдельного блока и подключаемые к системному блоку через последовательный порт) и внутренние (в виде платы, устанавливаемой в гнездо материнской платы). Различаются они максимальной скоростью передачи данных.
Распространенные сейчас среди пользователей модемы имеют скорости 28 800, 33 600, 56 000 бит в секунду. Выпускаются также и модемы с более высокими скоростями обмена.
Поскольку модемы используются вместо сетевых адаптеров в сетях, где каналами связи служат телефонные линии, их можно применять на таких участках сети, которые охватывают большие расстояния. Если модем использовать для длительной работы в сети, то придется занимать телефонный канал. Связь по телефонным каналам ненадежна, и, кроме того, скорость передачи по ней не так высока, как по кабелям. Поэтому в локальных сетях для соединений принято использовать электрические кабели.
340
Раздел 3. Техническое обеспечение информационных технологий
22.5. Роль протоколов при обмене информацией в сетях
Для того чтобы информация, переданная одним компьютером, была понята другим компьютером после ее получения, необходимо было разработать единые правила передачи данных в сети, называемых протоколами. При их разработке учитывались все проблемы связи и вырабатывались стандартные алгоритмы доставки информации.
При любой транспортировке необходимо строго соблюдать правила. Какие правила, например, должны быть выполнены при перевозке пассажиров на поездах? Пассажиры покзшают билеты и занимают указанные в них места. Иначе в вгп'онах начнется беспорядочное перемещение пассажиров, желающих занять места получше. Пассажир не имеет права провозить с собой тигров, медведей и прочих диких животных. Для перевозки домашних животных существуют свои правила. Проводник обязан следить за санитарным состоянием вагона и санузла, наличием воды, иначе пассажиры могут приехать на свою станцию больными. Поезд следует согласно расписанию, делая необходимые остановки. При переезде в европейские страны у вагонов заменяются колеса для проезда по узкоколейным путям (иначе поезд сойдет с рельсов). Видите, как много всего нужно предусмотреть при транспортировках. То же самое и при передаче информации.
В самом деле, передача данных — сложный процесс, и его можно рассматривать на разных уровнях. Мы не будем обсуждать их все подробно. Однако коснемся некоторых вопросов.
Протокол передачи устанавливает соглашение между взаимодействующими компьютерами. Для того чтобы связь между компьютерами была установлена, необходимо задать их адреса. Эти адреса определяются сетевыми адаптерами, номерами телефонов и программами связи. Правила образования адресов компьютеров в глобгшьной сети должны быть абсолютно одинаковыми, несмотря на то что компьютеры в сети могут быть разнородными и использовать различные операционные системы.
Передача данных одним сплошным потоком может привести к их потере или искажению. Поэтому они разделяются на блоки
Тема 22. Аппаратное обеспечение компьютерных сетей
341
_ГНЙ32 _
(пакеты) информации строго определенной длины. Каждый такой блок сопровождается служебной информацией, включая опознавательные знаки его начала и конца. Протоколы передачи содержат механизм распознавания начала и конца блока. Они управляют потоками данных, распределяют их, выстраивают в очереди. На другом конце приемник информации должен работать по тем же правилам (протоколам). Только тогда компьютеры поймут, что передают друг другу.
Каждый пакет получает номер, чтобы распознать ошибочно переданную или потерянную во время связи информацию, а также чтобы запросить заново именно тот пакет, с пересылкой которого возникли проблемы. Можно сравнить передачу этих пакетов с доставкЗй посылок по почте в одинаковых ящиках и со стандартным оформлением адреса. Ведь каждая посылка тоже сопровождается служебной информацией. Если вам присылают несколько посылок и одна из них не дошла, вы ее, конечно, можете запросить.
В связи с многочисленными задачами, которые должны решаться стандартным образом, различают разного вида протоколы передачи данных, коррекции и исправления ошибок и пр.
В сети Интернет действует международный протокол TCP/IP, созданный в 70-е годы. Управление сетью — децентрализованное. Это значит, что при выходе из строя любого узла (компьютера) сети сохраняется функционирование всех остальных компьютеров. Пакеты данных перемещаются по сети к компьютеру с нужным адресом и при возникновении аварии одного из компьютеров автоматически направляются по другому маршруту. Для получателя совершенно не важно, по какому маршруту тот или иной пакет дойдет до него. На месте назначения они соединятся в одно целое. Так что пакеты могут достичь адресата и обходными путями.
И2И2||2|||Ш21||К111
342
Раздел 3. Техническое обеспечение информационных технологий
Контрольные вопросы и задания
1. Какие виды сетей существуют?
2. Каково назначение каждого вида сетей?
3. Чем отличаются сети с терминалами и центральной машиной от компьютерных сетей?
4. Что называют клиентом, а что сервером?
5. Придумайте примеры использования локальной сети.
6. Придумайте примеры использования корпоративной сети.
7. Придумайте примеры использования глобальной сети.
8. Назовите основные виды каналов связи.
9. Что учитывается при организации сети?
10. Как соединять компьютеры в одном помещении?
11. Определите время, за которое будет передан файл размером 6 Мбайт по коаксиальному кабелю, по телефонной сети и по оптоволоконному кабелю.
12. Почему в компьютерных сетях используются телефонные линии?
13. Что такое сетевая карта?
14. Что такое модем? Какие модемы бывают?
15. Для чего нужны сетевые адаптеры и модемы?
16. Опишите функции и характеристики модемов.
17. Почему пользователи стремятся купить модемы с большей скоростью передачи?
18. Где лучше использовать модем, а где сетевой адаптер для организации сети?
19. Что называется протоколом? Расскажите о функциях протоколов передачи.
Тема 23 Логические основы
построения компьютера
Изучив эту тему, вы узнаете: что изучает алгебра логики; какие операции возможны над высказываниями; как составляется таблица истинности; каким законам подчиняются логические выражения;
"1^ что такое логические элементы компьютера.
23.1. Основные понятия алгебры логики
в предыдущих темах вы познакомились с устройством компьютера и узнали, что процессор выполняет арифметические и логические операции над двоичными кодами. Поэтому для получения представления об устройстве компьютера необходимо познакомиться с основными логическими элементами, лежащими в основе его построения. Для понимания принципа работы таких элементов начнем это знакомство с основных начальных понятий алгебры логики. Прежде всего, начнем с разбора названия самого предмета, а именно выясним, каково назначение алгебры, логики, а затем алгебры логики.
Алгебра — это раздел математики, предназначенный для описания действий над переменными величинами, которые принято обозначать строчными латинскими буквами, например а, Ъ, х, у и т. д. Действия над переменными величинами записываются в виде математических выражений. Обобщенное представление о сути содержания алгебры, изучаемой в школе, с позиций объектного подхода представим в виде таблицы 23.1.
Термин *логика* происходит от древнегреческого logos, означающего «слово, мысль, понятие, рассуждение, закон».
Алгеброй логики называется аппарат, который позволяет выполнять действия над высказываниями.
• Высказывание — это предложение, относительно которого имеет смысл говорить истинно оно или ложно.
344
Раздел 3. Техническое обеспечение информационных технологий
Таблица 23.1. Что изучает школьная алгебра
Предмет Объекты изучения Действия над объектами Законы, регламеитируюпцю действия
Алгебра Константы, переменные, математические выражения Арифметические действия (+; ж; /), возведение в степень, извлечение корня и др. Леммы, теоремы, аксиомы
В естественных языках высказывания выражаются повествовательными предложениями. Высказывания могут быть представлены с помощью математических, химических и прочих знаков. Следующие предложения, например, являются высказываниями:
Все кошки- серы (ложь)
Париж — столица Франции (истина)
5 X б - 25 (истина)
Н -1- О - НгО (ложь)
Но не все выражения можно назвать высказываниями. В таблице 23.2 приведены примеры выражений, которые не являются высказываниями.
Алгебру логики называют также алгеброй Буля, или булевой алгеброй, по имени английского математика Джорджа Буля, разработавшего в XIX веке ее основные положения. В булевой алгебре высказывания принято обозначать прописными латинскими буквами: А, В, X, У. В алгебре Буля введены три основные логические операции с высказываниями: сложение, умножение, отрицание. Определены аксиомы (законы) алгебры логики для выполнения этих операций. Действия, которые производятся над высказываниями, записываются в виде логических выражений.
Обобщенное содержание предмета «алгебра логики» приведено в таблице 23.3.
Тема 23. Логические основы построения компьютера
345
Таблица 23.2. Выражения, не являющиеся высказываниями
Выражение Почему оно не является высказыванием
Программное обеспечение компьютера — это комплекс используемых в компьютере программ Это выражение является определением термина «программное обеспечение». Определения не могут быть истинными или ложными, так как они лишь фиксируют принятое использование терминов
бл: + 8 = 4 В выражении не указано, для какого X определяется истинность или ложность этого выражения
Она красива В выражении не указано, о каком конкретно человеке идет речь, и не определены критерии красоты, поэтому нельзя установить истинность
Существуют внеземные цивилизации Истинность или ложность этого выражения еще не установлена
На улице идет дождь В выражении не определены названия города и улицы, не указано время. Поэтому нельзя устсшовить истинность этого выражения
Таблица 23.3. Что изучает алгебра логики
Предмет Объекты изучения Действия над объектами Законы для действий
Алгебра логики Высказывания, логические выражения Логические операции: сложение, умножение, отрицание и др. Теоремы, аксиомы
Алгебра логики рассматривает высказывания не с точки зрения их содержания, а с точки зрения их истинности или ложности. И в этом смысле можно сказать, что высказывание может принимать только два значения — ИСТИНА (обозначим 1) и ЛОЖЬ (обозначим 0).
346
Раздел 3. Техническое обеспечение информационных технологий
23.2. Логические выражения и логические операции
Общее представление
Логические выражения могут быть простыми и сложными.
Простое логическое выражение состоит из одного высказывания и не содержит логические операции. В простом логическом выражении возможно только два результата — либо «истина», либо «ложь».
Сложное логическое выражение содержит высказывания, объединенные логическими операциями. По аналогии с понятием функции в алгебре сложное логическое выражение содержит аргументы, которыми являются высказывания.
В качестве основных логических операций в сложных логических выражениях используются следующие:
Ф НЕ (логическое отрицание, инверсия);
Ф ИЛИ (логическое сложение, дизъюнкция);
Ф И (логическое умножение, конъюнкция).
Логическое отрицание является одноместной операцией, так как в ней участвует одно высказывание. Логическое сложение и умножение — двуместные операции, в них участвует два высказывания. Существуют и другие операции, например операции следования и эквивалентности, правило работы которых можно вывести на основании основных операций.
Все операции алгебры логики определяются таблицами истинности значений. Таблица истинности определяет результат выполнения операции для всех возможных логических значений исходных высказываний. Количество вариантов, отражающих результат применения операций, будет зависеть от количества высказываний в логическом выражении, например:
Ф таблица истинности одноместной логической операции состоит из двух строк: два различных значения аргумента — «истина» (1) и «ложь» (0) и два соответствующих Им значения функции;
Ф в таблице истинности двуместной логической операции — четыре строки: 4 различных сочетания значений аргумен-
Тема 23. Логические основы построения компьютера
347
тов — 00. 01. 10 и 11 и 4 соответствующих им значения функции;
^ если число высказываний в логическом выражении N. то таблица истинности будет содержать 2^ строк, так как существует 2^ различных комбинаций возможных значений аргументов.
Операция НЕ — логическое отрицание (инверсия)
Логическая операция НЕ применяется к одному аргументу, в качестве которого может быть и простое, и сложное логическое выражение. Результатом операции НЕ является следующее:
Ф если исходное выражение истинно, то результат его отрицания будет ложным;
Ф если исходное выражение ложно, то результат его отрицания будет истинным.
Для операции отрицания НЕ приняты следующие условные обозначения: 1А; А; not А. Результат операции отрицания НЕ определяется следующей таблицей истинности:
А А
истина ЛОЖЬ
ложь истина
или
Результат операции отрицания истинен, когда исходное высказывание ложно, и наоборот.
Приведем примеры отрицания.
1. Высказывание «Земля вращается вокруг Солнца» истинно. Высказывание «Земля не вращается вокруг Солнца» ложно.
2. Высказывание «Пушкин — гениальный русский поэт» истинно. Высказывание «Пушкин — не гениальный русский поэт» ложно.
3. Высказывание «Уравнение у 4х -f 3 в промежутке -2 ^ х ^ 2 не имеет корня» ложно. Высказывание «Уравнение у = 4х + 3 в промежутке -2 ^ х ^ 2 имеет корень» истинно.
348
Раздел 3. Техническое обеспечение информационных технологий
4. Высказывание «4 — простое число» ложно. Высказывание «4 — не простое число» истинно.
5. Принцип работы переключателя настольной лампы таков: если лампа горела, переключатель выключает ее, если лампа не горела — включает ее. Такой переключатель можно считать электрическим аналогом операции отрицания.
Операция ИЛИ — логическое сложение (дизъюнкция, объединение)
Логическая операция ИЛИ выполняет функцию объединения двз^ высказываний, в качестве которых может быть и простое, и сложное логическое выражение. Высказывания, являющиеся исходными для логической операции, называют аргументами.
Результатом операции ИЛИ является выражение, которое будет истинным тогда и только тогда, когда истинно будет хотя бы одно из исходных выражений. Результат операции ИЛИ определяется следующей таблицей истинности:
А В А V в
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1
Применяемые обозначения: А или В; А v В; А or В. При выполнении сложных логических преобразований для наглядности
>•
условимся пользоваться обозначением А + В, где А, В — аргументы (исходные высказывания). О том, что это логическое сложение, говорят прописные буквы в обозначении высказываний.
Тема 23. Логические основы построения компьютера
349
А Результат операции ИЛИ истинен, когда истинно А, либо истинно В, щ! либо истинно и А и В одновременно, и ложен тогда, когда аргумен-ты А и В — ложны.
Приведем примеры логического сложения.
1. Рассмотрим высказывание «В библиотеке можно взять книгу или вст1>етить знакомого». Это высказывание формально можно представить так: С = А v В, где высказывание А — «В библиотеке можно взять книгу», а В — «В библиотеке можно встретить знакомого». Объединение этих высказываний при помощи операции логического сложения означает, что события могут произойти как отдельно, так и одновременно.
2. Рассмотрим высказывание «Знания или везение — залог сдачи экзаменов». Успешно сдать экзамен может тот, кто все знает, или тот, кому повезло (например, вытянут единственный выученный билет), или тот, кто все знает и при этом выбрал «хороший» билет.
3. Кто хоть однажды использовал елочную гирлянду с параллельным соединением лампочек, знает, что гирлянда будет светить до тех пор, пока цела хотя бы одна лампочка. Логическая операция ИЛИ чрезвычайно схожа с работой подобной гирлянды, ведь результат операции ложь только в одном случае — когда все аргументы ложны.
Операция И — логическое умножение (конъюнкция)
Логическая операция И выполняет функцию пересечения двух высказываний (аргументов), в качестве которых может быть и простое, и сложное логическое выражение.
Результатом операции И является выражение, которое будет истинным тогда и только тогда, когда истинны оба исходных
350
Раздел 3. Техническое обеспечение информационных технологий
выражения. Результат операции И определяется следующей таблицей истинности:
А В Ал в
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1
Применяемые обозначения: А и В; А л В; А & В; А and В.
Условимся пользоваться при выполнении сложных логических преобразований обозначением А-В, где А, В — аргументы (исходные высказывания). О том, что это логическое умножение, говорят прописные буквы в обозначении высказываний.
I
Результат операции И истинен тогда и только тогда, когда истинны одновременно высказывания А и В, и ложен во всех остальных случаях.
Приведем примеры логического умножения.
1. Рассмотрим высказывание «Учитель должен быть умным и справедливым». Это высказывание формально можно представить так: С = А л В, где высказывание А — «Учитель должен быть умным», а В — «Учитель должен быть справедливым». Объединение этих высказываний при помощи операции логического умножения означает, что учитель должен быть одновременно и умным, и справедливым.
2. Рассмотрим высказывание «Умение и настойчивость приводят к достижению цели». Достижение цели возможно только при одновременной истинности двух предпосылок — умения и настойчивости.
3. Логическую операцию И можно сравнить с последовательным соединением лампочек в гирлянде. При наличии хотя бы одной неработающей лампочки электрическая цепь оказывается разомкнутой, то есть гирлянда не работает. Ток протекает только при одном условии — все составляющие цепи должны быть исправны.
Тема 23. Логические основы построения компьютера
351
Операция «ЕСЛИ-ТО» — логическое следование (импликация)
Эта операция связывает два простых логических выражения, из которых первое является условием, а второе — следствием из этого условия.
Применяемые обозначения:
если А, то В; А влечет В; if А then В; А—>В.
Таблица истинности:
А В Если Ау то в
0 0 1
0 1 1
1 0 0
1 1 1
«Результат операции следования (импликации) ложен только тогда, когда предпосылка А истинна, а заключение В (следствие) ложно.
Приведем примеры операции следования.
1. Рассмотрим высказывание «Если идет дождь, то на улице сыро». Здесь исходные высказывания «Идет дождь» и «На улице сыро». Если не идет дождь и не сыро на улице, результат операции следования — истина. На улице может быть сыро и без дождя, например, когда прошла поливочная машина или дождь прошел накануне. Результат операции ложен только тогда, когда дождь идет, а на улице не сыро.
2. Рассмотрим два высказывания: А {х делится на 9}, В {х делится на 3}. Операция А -> В означает следующее: «Если число делится на 9, то оно делится и на 3». Рассмотрим возможные варианты:
Раздел 3. Техническое обеспечение информационных технологий
■ А — ложно, В — ложно (1-я строка таблицы истинности). Можно нгшти такие числа, для которых истиной является высказывание «если А — ложно, то и В — ложно». Например, X = 4, 17, 22.
■ А — ложно, В — истинно (2-я строка таблицы истинности). Можно найти такие числа, для которых истиной является высказывание «если А — ложно, то В — истинно». Например, X = 6, 12, 21.
■ А — истинно, В — ложно (3-я строка таблицы истинности). Невозможно найти такие числа, которые делились бы на 9, но не делились на 3. Истинная предпосылка не может приводить к ложному результату импликации.
■ А — истинно, В — истинно (4-я строка таблицы истинности). Можно найти такие числа, для которых истиной является высказывание «если А — истинно, то и В — истинно». Например, х = 9, 18, 27.
Операция «А тогда и только тогда, когда В» (эквивалентность, равнозначность)
Применяемое обозначение: А - В.
Таблица истинности:
А В А-В
0 0 1
0 1 0
1 0 0
1 1 1
Результат операции эквивалентность истинен только тогда, когда А ^ и В одновременно истинны или одновременно ложны.
Приведем примеры операции эквивалентности.
1. «День сменяет ночь тогда и только тогда, когда солнце скрывается за горизонтом»;
2. «Добиться результата в спорте можно тогда и только тогда, когда приложено максимум усилий».
Тема 23. Логические основы построения компьютера
23.3. Составление таблиц истинности по логической формуле
Из простых высказываний могут быть составлены более сложные высказывания. Эти высказывания подобны математическим формулам. В них, кроме высказываний, обозначаемых прописными латинскими буквами, и знаков логических операций могут присутствовать и скобки. Как и в алгебре, скобки ставятся тогда, когда нужно изменить приоритет выполнения логических операций и изменить порядок действий. Приоритет выполнения логических операций следующий: инверсия, конъюнкция, дизъюнкция.
С помощью таблиц истинности можно проверить истинность любых сложных высказываний.
При составлении таблиц истинности можно, как и в математике, применять простые правила-подсказки:
1) дизъюнкция — это логическое сложение. Значит, если среди слагаемых есть хотя бы одно истина (1), то результат не может быть ложным, то есть результат истина (1):
А +1 = 1.
2) конъюнкция — логическое умножение. Значит, если среди сомножителей есть хотя бы один ложный (0), то результат ложь (Оу.
АО =0.
Рассмотрим примеры.
1. Дано логическое выражение А • В. Требуется построить таблицу истинности. Выражение содержит две операции: отрицание и конъюнкцию.
По правилам приоритетного выполнения операций сначала следует определить отрицание для всех возможных значений, которые может принимать В. Затем можно применить операцию конъюнкции для полученных значений с высказыванием А.
Построим таблицу истинности (таблица 23.4). Сначала заполним столбцы значениями для аргументов А и В. Затем
354
Раздел 3. Техническое обеспечение информационных технологий
заполним столбец значениями В. Результат заданного логического выражения отражен в последнем столбце.
Таблица 23.4. Таблица истинности для примера 1
А В в А в
0 0 1 0
0 1 0 0
1 0 1 1
1 1 0 0
2. Дано логическое выражение (А + В) • С. Требуется построить таблицу истинности.
Логическое выражение содержит три высказывания А, В, С. Значит, таблица истинности будет содержать 2® = 8 строк возможных сочетаний значений исходных высказываний (аргументов) А, В и С. Первые три столбца таблицы истинности бу-
д)гг заполнены различными сочетаниями значений аргументов. Далее будут располагаться результаты промежуточных вычислений и конечный результат (см. таблицу 23.5).
Таблица 23.5. Таблица истинности для примера 2
А в с в А + В (А+В) с
0 0 0 1 1 0
0 0 1 1 1 1
0 1 0 0 0 0
0 1 1 0 0 0
1 0 0 1 1 0
1 0 1 1 1 1
1 1 0 0 1 0
1 1 1 0 1 1
23.4. Некоторые законы булевой алгебры
Существуют законы (аксиомы), позволяющие преобразовывать сложные логические выражения с целью их упрощения. Некоторые из них приведены в таблице 23.6.
Таблица 23.6. Основные законы булевой алгебры
Закон Пояснение Для дизъюнкции Для конъюнкции
1. Ассоциативность Независимость от порядка выполнения однотипных действий А + (В + С) = (А + В) + С = =А+В+С А (В С) = (А В) с = =А в с
2. Коммутативность Независимость от перестановки А+В=В+А А В=В А
3. Дистрибутивность (распределение) Правила раскрытия скобок и вынесение за скобки А + (ВС) = = (А + В)(А + С) (А + В) (В + С) = = (АС) + В л (А + В)С = = АС + В с А В+ВС= = В(А + С)
4. Идемпотентность Отсутствие степеней и коэффициентов А + А = А А-А = А
5. Инволюция Двойная инверсия 1 = А
6. Действия с абсолютно-истинными высказываниями А + 1 = 1 А1 = А
ч
(Ь
Z
Q)
NJ
Ы
Г.
(Ь
п
:к.
S
о
о
п
X
о
ш
т
о
q
■О
о
<ь
X
:к.
о
Z
D
O'
5
ч
<ь
■о
О)
UI
U1
U1
Таблица 23.6. Продолжение
ы
U1
с\
Закон Пояснение Для дизъюнкции Для конъюнкции
7. Действия с абсолютно-ложными высказываниями А + 0 = А А 0 = 0
8. Законы де Моргана Отрицание одновременной истинности Отрицание вариантов А+В=АВ А В=А+В
9. Закон исключенного третьего и закон противоречия А + А = 1 А А = 0
10. Поглощение А + А В = А А(А + В) = А
11. Поглощение отрицания А + А*В = А + В А(А + В) = АВ
“О
QJ
U
а>
ь
UJ
fD
Ж
I
S
X
а>
п
ж
о
П)
0
о>
fD
П
и
fD
X
fD
1 S fD
S
I
-0-
o
T3
z
QJ
JZ
s
о
z
z
g;
ж
H
fD
Ж
z
о
b
о
Тема 23. Логические основы построения компьютера
Упрощение логического выражения состоит в преобразовании
его к более простому (по числу исходных высказываний, опера-
/
ций), но равносильному выражению. Логические функции равносильны, если совпадают их таблицы истинности при всех одинаковых наборах значений.
Для проверки правильности приведенных в таблице 23.6 законов следует установить равносильность их левой и правой части на множестве значений всех переменных, входящих в данную формулу. Это можно сделать одним из следующих способов:
♦ воспользоваться простыми правилами-подсказками;
^ сравнить таблицы истинности для правой и левой части равенства;
^ привести правую часть равенства к левой части (или наоборот), применив уже известные или доказанные законы;
Ф привести обе части равенства к одному выражению.
Приведем примеры доказательств некоторых законов.
Пример 23.1
Для приведенного выше правила раскрытия скобок больше подойдет способ сравнения таблиц истинности (таблица 23.7).
Таблица 23.7. Доказательство при помощи сравнения таблиц истинности
А в с А + (В С) (А + В) (А + С)
0 0 0 0 0
0 0 1 0 0
0 1 0 0 0
0 1 1 1 1
1 0 0 1 1
1 0 1 1 1
1 1 0 1 1
1 1 1 1 1
Таким же способом можно доказать законы де Моргана. Пример 23.2
Для доказательства закона поглощения приведем левую часть к правой, используя уже проверенные нами законы: вы-
358
Раздел 3. Техническое обеспечение информационных технологий
несение за скобки и сложение с абсолютно истинными высказываниями.
А+АВ = А(1-(-В)=А1 = А.
Пример 23.3
Для доказательства закона поглощения отрицгшия приведем ле-взгю часть к правой, используя следзчощие законы: раскрытие скобок для дизъюнкции, закон исключенного третьего и конъюнкцию с абсолютно истинным выражением.
А+АВ = АВ+А=(А+А)(В + А) = 1(А+В) = А + В.
Доказательства остальных законов проведите самостоятельно.
23.5. Определение логического выражения по таблице истинности
Нахождение логической формулы
Условимся называть задачу построения таблицы истинности по формуле сложного высказывания — прямой задачей. Тогда обратная задача — построение логической формулы по таблице истинности. Полученнзоо формулу будем записывать в виде логической функции.
Рассмотрим несколько примеров.
Пример 23.4
Приведена таблица истинности для аргументов А, В, по которой надо составить логическое выражение F(A,B).
А В F(A,B)
0 0 1
0 1 0
1 0 1
1 1 0
Алгоритм нахождения искомой формулы таков:
Тема 23. Логические основы построения компьютера
359
1. Выделить в таблице истинности строки, в которых выражение истинно (1);
2. Соединить операцией И (умножением) содержимое столбцов аргументов для выбранных строк. При этом если в таблице «О», пишем входной сигнал с отрицанием, а если в таблице «1», то без отрицания:
А В F(A,B) Отмечаем Записываем
0 0 1 • А в
0 1 0
1 0 1 • А В
1 1 0
3. Соединить операцией ИЛИ полученные выражения.
F(A, В) = А В + А • В.
4. Это и есть искомая формула. Однако она громоздка и ее следует упростить. Получаем очень простой результат.
F(A,B) = А-В + А-В = В-(А-ьА) = В.
Пример 23.5
Приведена таблица истинности для аргументов А, В, С, по которой надо составить логическое выражение F(A,B,C). Дополняем таблицу столбцами, названными «Отмечаем» и «Записываем» . Выполняем действия в соответствии с алгоритмом, описанным в примере 23.1.
А в с F(A,B,C) Отмечаем Записываем
0 0 0 1 • АВС
0 0 1 0
0 1 0 0
0 1 1 0
1 0 0 0
1 0 1 0
1 1 0 0
1 1 1 1 • АВС
360
Раздел 3. Техническое обеспечение информационных технологий
Соединим полученные формулы операцией ИЛИ и получим формулу: _ _ _
F(A, В,С) = А В С +А В С.
Пример 23.6
Приведена таблица истинности для аргументов А, В, по которой надо составить логическое выражение F(A,B)> Дополняем таблицу столбцами, названными «Отмечаем» и «Записываем» и выполняем действия в соответствии с алгоритмом, описанным в примере 1.
А В F(A,B) Отмечаем Записываем
0 0 0
0 1 1 • А в
1 0 1 • А В
1 1 1 • А В
Получаем формулу:
F(A,B) = АВ+АВ+АВ.
Внимательно посмотрите на таблицу истинности. Не соответствует ли она логической операции ИЛИ?
Если это так, то полученная формула должна быть эквивалентна формуле А -I- В.
Попробуем это доказать, пользуясь правилами преобразований, которые приведены выше.
Вынесем за скобки «общий множитель» В из 1-го и 3-го «слагаемых» нашего выражения, а 2-е оставим без изменения:
F(A, В) = АВ+АВ + АВ = В(А^+А)+АВ =
= В + А • В = А + В.
Подчеркнутые выражения упрощаем по правилам 9 и 10, приведенным в таблице 23.6.
Пример 23.7
Приведена таблица истинности для аргументов А, В, С, по которой надо составить логическое выражение F(A,B,C).
Тема 23. Логические основы построения компьютера
361
А в с F(A,B,C)
0 0 0 1
0 0 1 0
0 1 0 1
0 1 1 0
1 0 0 1
1 0 1 0
1 1 0 1
1 1 1 0
Если внимательно посмотреть на таблицу истинности, становится очевидным, что результат преобразования не зависит от А и В. Результирующий столбец является отрицанием содержимого столбца С. Попробуйте самостоятельно доказать, что громоздкое логическое выражение, которое можн^о получить по приведенному выше алгоритму, упрощается до С, то есть F(A, В, С) = С.
Пример 23.8
Приведена таблица истинности для аргументов А, В, по которой надо составить логическое выражение F(A,B).
А в F(A,B)
0 0 0
0 1 0
1 0 1
1 1 1
Очевидно, что результирующий столбец повторяет 1-й, то есть искомая формула упростится до F(A,B) = А.
На приведенных примерах вы убедились, что:
♦ алгоритм, по которому пол5гчается формула, верен;
Ф полученная формула часто требует упрощения (минимизапци). С кгпсой целью следует упрощать полученную формулу? Формула определяется для того, чтобы реализовать ее в физическом устройстве в виде электронной схемы. Упрощение формулы приводит к упрощению схемы, которая будет создана для ее реализации.
362
Раздел 3. Техническое обеспечение информационных технологий
23.6. Логические элементы и основные логические устройства компьютера
Представление о логическом элементе
Любая информация при обработке на компьютере представляется в двоичной форме, то есть кодируется некоторой последовательностью, состоящей из О и 1. Упрощенно можно представить работу компьютера как некоторого устройства, производящего обработку двоичных сигналов, соответствующих О и 1. Такую обработку в компьютере выполняют логические элементы (вентили). Логический элемент — это электронное устройство, выполняющее одну из основных логических операций: И, ИЛИ, НЕ (рисунок 23.1). Условные обозначения логических элементов являются стандартными и используются при составлении логических схем компьютера.
Технически логический элемент реализуется в виде электрической схемы, которая представляет собой соединение различных деталей: диодов, транзисторов, резисторов, конденсаторов.
На вход логического элемента поступают электрические сигналы высокого и низкого уровней напряжения, которые интерпретируются в зависимости от реализуемых функций и на выход выдается один выходной сигнал также либо высокого, либо низкого уровня. Эти уровни соответствуют одному из состояний двоичной системы: 1 — 0; ИСТИНА — ЛОЖЬ.
Рис. 23.1. Логические элементы НЕ, ИЛИ, И
Из логических элементов составляются электронные логические схемы, выполняющие более сложные логические операции. Компьютер конструируют из отдельных электронных схем.
Тысячи микроскопических элект1юнных переключателей в кристалле интегральной схемы сгруппированы в системы, выполняющие логические и арифметические операции над двоичными числами. Соединенные в различные комбинации, логические
Тема 23. Логические основы построения компьютера
363
элементы дают возможность компьютеру решать сложнейшие задачи с помощью закодированных импульсов его двоичного языка.
Проектирование логических схем
Научившись составлять и упрощать логическую формулу по заданной таблице истинности, можно приступить к составление схем из логических элементов. Покажем на примере всю цепочку действий от исходной таблицы истинности до логической схемы.
Предположим, что нам надо создать электронное устройство, у которого на выходе будет сигнал тогда, когда входные сигналы не совпадают. Исходная таблица истинности будет иметь такой вид:
Рис. 23.2. Логическая схема по неупрощенной формуле
По таблице истинности можно получить логическую формулу:
F(A,B) = A В + А В.
В полученной формуле 5 операций: 2 — операции отрицания, 2 — конъюнкции и 1 — дизъюнкции.
Логическая схема будет иметь вид, представленный на рисунке 23.2.
364
Раздел 3. Техническое обеспечение информационных технологий
Схема получилась достаточно сложной, так как полученная по таблице истинности формула не была минимизирована. Применив к формуле законы логики (таблица 23.6), ее можно упростить:
А • В ч-А В = А • В (А ч-В).
Докажите эквивалентность этих формул самостоятельно.
В упрощенной формуле 4 операции: 1 операция отрицания, 2 — конъюнкции и 1 — дизъюнкции.
Логическая схема для упрощенной формулы будет иметь вид, представленный на рисунке 23.3.
Рис. 23.3. Логическая схема по минимюированной формуле
Примером проектирования логической схемы может служить построение полусумматора для сложения двух двоичных цифр. Если учесть, что все математические операции, осуществляемые компьютером — умножение, деление, возведение в степень, вычисление интегралов, решение дифференциальных уравнений и т. д., — в конечном счете, сводятся к выполнению по определенным правилам операций сложения, то станет ясно, что сумматор — один из важных узлов ЭВМ.
Полусумматор — схема соединения логических элементов, которая обеспечивает сложение двух бит. На вход полусумматора поступает два сигнала, каждый из которых может быть равен О или 1. На выходе также два сигнала — один является двоичной суммой входных сигналов, дрзч'ой — значение разряда переноса в старший разряд.
Тема 23. Логические основы построения компьютера
365
Схема полусумматора не имеет третьего входа, на который мог бы поступать бит переноса от предыдущего разряда суммы. Поэтому обычно полусумматор реализует сложение только младших разрядов двоичных слагаемых.
Итак, изобразим таблицу истинности полусумматора:
А В Двоичная сумма А+В (S) Разряд переноса (R) Отмечаем для разряда суммы Отмечаем для разряда переноса
0 0 0 0
0 1 1 0 •
1 0 1 0 •
1 1 0 1 •
По таблице истинности составим формулы для разряда суммы и разряда переноса:
S = (AB) + (A-B);
R = AB.
Для разряда сложения (по формуле S) нами уже составлена логическая схема в предыдущем примере. Значение для разряда переноса (по формуле R) можно взять как промежуточное значение из той же схемы.
В более компактном виде схема полусзгмматора представлена на рис. 23.4.
R
Рис. 23.4. Схема полусумматора
366
Раздел 3. Техническое обеспечение информационных технологий
Контрольные вопросы и задания
1. Что изучает алгебра логики?
2. Приведите примеры простых высказываний.
3. Являются ли следующие предложения высказываниями:
■ если D < О, то уравнение не имеет решения;
■ алгоритм — последовательность действий (план);
■ в гелиоцентрической системе все планеты вращаются вокруг Земли.
4. Приведите примеры сложных высказываний.
5. Сколько строк будет в таблицах истинности для сложных высказываний:
■ А -1-В; (А -1-В) С.
6. Постройте таблицу истинности для сложного высказывания
■ (А-1-В) С.
7. Упростите следующие логические выражения:
■ (А-рВ) В; А-рА В-рС В;(А-1-В) (А + В) С.
8. По заданным таблицам истинности найдите логические выражения и упростите их:
А В F(A,B)
0 0 1
0 1 0
1 0 1
1 1 0
А в F(A,B)
0 0 1
0 1 1
1 0 0
1 1 0
А в с F(A,B)
0 0 0 1
0 0 1 0
0 1 0 1
0 1 1 0
1 0 0 1
1 0 1 1
1 1 0 1
1 1 1 1
9. Постройте логические схемы по заданным логическим выражениям:
■ (А -1- В) • С; А -1- В -1- С; А -I- В.
Тема 24 История развития
4
компьютерной техники
Изучив эту тему, вы узнаете:
т как развивались счетно-решающие средства до создания ЭВМ;
111#^ что такое элементная база и как ее изменение влияло на создание новых типов ЭВМ;
|>|*^ как развивалась компьютерная техника от поколения к поколению.
24.1. Счетно-решающие средства до появления ЭВМ
История вычислений уходит своими корнями в глубь веков так же, как и история развития человечества. Накопление запасов, дележ добычи, обмен — все эти действия связаны с вычислениями. Для подсчетов люди использовали собственные пальцы, камешки, палочки, узелки и пр.
Потребность в поиске решений все более и более сложных задач и, KeiK следствие, все более сложных и длительных вычислений поставила человека перед необходимостью искать способы, изобретать приспособления, которые смогли бы ему в этом помочь. Исторически сложилось так, что в разных странах появились свои денежные единицы, меры веса, длины, объема, расстояния и т. д. Для перевода из одной системы мёр в дрзчую требовались вычисления, которые обычно могли производить лишь специально обученные люди, досконально знавшие всю последовательность действий. Их нередко приглашали даже из других стран. И совершенно естественно возникла потребность в изобретении устройств, помогающих счету. Так постепенно стали появляться механические помощники. До наших дней дошли свидетельства о многих таких изобретениях, навсегда вошедших в историю техники.
Одним из первых устройств (V-IV века до н. э.), облегчавших вычисления, можно считать специальное приспособление.
368
Раздел 3. Техническое обеспечение информационных технологий
Рис. 24.1. Абак
названное впоследствии абаком (рисунок 24.1). Первоначально это была доска, посыпанная тонким слоем мелкого песка или порошка из голубой глины. На ней заостренной палочкой можно было писать буквы, цифры. Впоследствии абак был усовершенствован и вычисления на нем уже проводились путем перемещения костей и камешков в продольных углублениях, а сами доски начали изготавливать из бронзы, камня, слоновой кости и пр. Со временем эти доски стали расчерчиваться на несколько полос и колонок. В Греции абак существовал еще в V веке до н. э., у японцев этот прибор назывался «серобян», у китайцев — «суан-пан»,
В Древней Руси при счете применялось устройство, похожее на абак, и называлось оно «русский щот». В XVII веке этот прибор уже имел вид привычных русских счетов, которые можно встретить и в наши днй.
В начале XVII столетия, когда математика стала играть ключевую роль в науке, все острее ощущалась необходимость в изобретении счетной машины. К этому времени относится создание молодым французским математиком и физиком Блезом Паскалем первой счетной машины (рисунок 24.2, а), названной Пас-калиной, которая выполняла сложение и вычитание.
а)
б)
Рис. 24.2. Счетные машины XVII века: а) Паскалина, б) машина Лейбница
Тема24. История развития компьютерной техники
369
В 1670-1680 годах немецкий математик Готфрид Лейбниц сконструировал счетную машину (рисунок 24.2, б), которая выполняла все четыре арифметических действия.
В течение следующих двухсот лет было изобретено и построено еще несколько подобных счетных устройств, которые из-за ряда недостатков не получили широкого распространения.
Лишь в 1878 году русский ученый П. Чебышев сконструировал счетную машину, выполнявшую сложение и вычитание многозначных чисел. Наиболее широкое распространение в то время получил арифмометр, сконструированный петербургским инженером Однером в 1874 году. Конструкция прибора оказалась весьма удачной, так как позволяла довольно быстро выполнить все четыре арифметических действия.
В 30-е годы XX столетия в нашей стране был разработан более совершенный арифмометр — «Феликс» (рисунок 24.3). Эти счетные устройства применялись несколько десятилетий и были основным техническим средством, облегчающим труд людей, связанных с обработкой больших объемов числовой информации.
Важным событием XIX века было изобретение английского математика Чарлза Беббиджа, который вошел в историю как изобретатель первой вычислительной машины — прообраза современных компьютеров. В 1812 году он начал работать над так называемой «разностной» машиной. Предшествующие вычислительные машины Паскаля и Лейбница выполняли только арифметические действия. Беббидж же стремился сконструировать машину, которая выполняла бы определенную программу, проводила бы расчет числового значения заданной функции. В качестве основного элемента разностной машины Беббидж использовал зубчатое колесо для запоминания одного разряда десятичного числа. В результате он смог оперировать 18-разрядными числами. К 1822 году он построил небольшую действующую модель и рассчитал на ней таблицу квадратов.
Рис 24.3. Арифмометр «Феликс»
370
Раздел 3. Техническое обеспечение информационных технологий
Рис. 24.4. Аналитическая машина Беббиджа
Совершенствуя разностную машину, Беббидж приступил в 1833 году к разработке аналитической машины (рисунок 24,4), Она должна была отличаться от разностной машины большей скоростью и более простой конструкцией. Согласно проекту, новую машину предполагалось приводить в действие силой пара.
Аналитическая машина была задумана как чисто механический аппарат с тремя основными блоками.
Первый блок — устройство для хранения чисел на регистрах из зубчатых колес и система, которая передает эти числа от одного узла к другому (в современной терминологии — это память). Второй блок — устройство, позволяющее выполнять арифметические операции, Беббидж назвал его «мельницей». Третий блок предназначался для управления последовательностью действий машины, В конструкцию аналитической машины входило также устройство для ввода исходных данных и печати полученных результатов.
Предполагалось, что машина будет действовать по программе, которая задавала бы последовательность выполнения операций и передачи чисел из памяти в мельницу и обратно. Программы, в свою очередь, должны были кодироваться и переноситься на перфокарты, В то время подобные карты уже использовались для автоматического управления ткацкими станками. Тогда же математик леди Ада Лавлейс — дочь английского поэта лорда Байрона — разрабатывает первые программы для машины Беббиджа, Она заложила многие идеи и ввела ряд понятий и терминов, которые используются и по сей день,
К сожалению, из-за недостаточного развития технологии проект Беббиджа не был реализован. Тем не менее его работы имели важное значение; многие последующие изобретатели воспользовались идеями, заложенными в основу придуманных им устройств.
Тема24. История развития компьютерной техники
371
auaunuaaau
ufiiiiaaauiiua
uaanaauaaa
aauuuuuuuu
Необходимость автоматизировать вычисления при переписи населения в США подтолкнула Генриха Холлерита к созданию в 1888 году устройства, названного табулятором (рисунок 24.5), в котором информация, нанесенная на перфокарты, расшифровывалась с помощью электрического тока. Это устройство позволило обработать данные переписи населения всего за 3 года вместо затрачиваемых ранее восьми лет. В 1924 году Холлерит основал фирму Рис. 24.5. Табулятор ШМ для серийного выпуска табуляторов.
Огромное влияние на развитие вычислительной техники оказали теоретические разработки математиков: англичанина А. Тьюринга и работавшего независимо от него американца Э. Поста. «Машина Тьюринга (Поста)» — прообраз программируемого компьютера. Эти ученые показали принципиальную возможность решения автоматами любой проблемы при условии, что ее можно представить в виде алгоритма, ориентированного на выполняемые машиной операции.
С момента возникновения идеи Беббиджа о создании аналитической машины до ее реального внедрения в жизнь прошло более полутора столетий. Почему же столь большим оказался разрыв во времени между рождением идеи и ее техническим воплощением? Это обусловлено тем, что при создании любого устройства, в том числе и компьютера, очень важным фактором является выбор элементной базы, то есть тех деталей, из которых собирается вся система.
24.2. Первое поколение ЭВМ
Появление электронно-вакуумной лампы позволило ученым претворить в жизнь идею создания вычислительной машины. Она появилась в 1946 году в США и получила название ЭНИАК (ENIAC — Electronic Numerical Integrator and Calculator, «электронный численный интегратор и калькулятор» — рисунок 24.6). Это событие ознаменовало начало пути, по которому пошло развитие электронно-вычислительных машин (ЭВМ).
Раздел 3. Техническое обеспечение информационных технологий
Рис. 24.6. Первая ЭВМ ЭНИАК
Дальнейшее совершенствование ЭВМ определялось развитием электроники, появлением новых элементов и принципов действий, то есть улучшением и расширением элементной базы.
В настоящее время насчитывается уже несколько поколений ЭВМ. Под поколением ЭВМ понимают все типы и модели электронно-вычислительных машин, разработанные различными конструкторскими коллективами, но построенные на одних и тех же научных и технических принципах. Смена поколений обусловливалась появлением новых элементов, изготовленных с применением принципиально иных технологий.
%
Первое поколение (1946 — середина 50-х годов). Элементной базой служили электронно-вакуумные лампы, устанавливаемые на специальных шасси, а также резисторы и конденсаторы. Элементы соединяли проводами навесным монтажом. В ЭВМ ЭНИАК было 20 тыс. электронных ламп, из которых ежемесячно заменялось 2000. За одну секунду машина выполняла 300 операций умножения или же 5000 сложений многоразрядных чисел.
Выдающийся математик Джон фон Нейман и его коллеги изложили в своем отчете основные принципы логической структуры ЭВМ нового типа, которые позже были реализованы в проекте ЭДВАК (1950 г.). В отчете утверждалось, что ЭВМ должна создаваться на электронной основе и работать в двоичной системе счисления. В ее состав должны входить следующие устройства: арифметическое, центральное управляющее, запоминающее, для ввода данных и вывода результатов. Ученые также сформулировали два принципа работы: принцип программного управления с последовательным выполнением команд и принцип хранимой программы. Конструкция большинства ЭВМ последующих поколений, где были реализованы эти принципы, получила название «фон-неймановской архитектуры».
Тема24. История развития компьютерной техники
Первая отечественная ЭВМ была создана в 1951 году под руководством академика С. А. Лебедева, и называлась она МЭСМ (малг1я электронная счетная машина). Затем в эксплуатацию ввели БЭСМ-2 (большую электронную счетную машину). Самой мощной ЭВМ 50-х годов в Европе была советская электронно-вычислительная машина М-20 с быстродействием 20 тыс. оп/с и объемом оперативной памяти 4000 машинных слов.
С этого времени начался бурный расцвет отечественной вычислительной техники, и к концу 60-х годов в нашей стране успешно функционировала лучшая по производительности (1 млн оп/с) ЭВМ того времени — БЭСМ-6, в которой были реализованы многие принципы работы последующих поколений компьютеров.
С появлением новых моделей ЭВМ произошли изменения и в названии этой сферы деятельности. Ранее любую технику, используемую для вычислений, обобщенно называли «счетно-решающими приборами и устройствами». Теперь же все, что имеет отношение к ЭВМ, именуют вычислительной техникой.
Перечислим характерные черты ЭВМ первого поколения.
♦ Элементная база: электронно-вакуумные лампы, резисторы, конденсаторы. Соединение элементов: навесной монтаж проводами.
♦ Габариты: ЭВМ выполнена в виде громадных шкафов и занимает специальный машинный зал.
♦ Быстродействие: 10-20 тыс. оп/с.
♦ Эксплуатация слишком сложна из-за частого выхода из строя электронно-вакуумных ламп. Существует опасность перегрева ЭВМ.
♦ Программирование: трудоемкий процесс в машинных кодах. При этом необходимо знать все команды машины, их двоичное представление, архитектуру ЭВМ. Этим в основном были заняты математики-программисты, которые непосредственно и работали за ее пультом управления. Обслуживание ЭВМ требовало от персонала высокого профессионализма.
374
Раздел 3. Техническое обеспечение информационных технологий
24.3. Второе поколение ЭВМ
Второе поколение приходится на период от конца 50-х до конца 60-х годов.
К этому времени был изобретен транзистор, который пришел на смену электронным лампам. Это позволило заменить элементную базу ЭВМ на полупроводниковые элементы (транзисторы, диоды), а также резисторы и конденсаторы более совершенной конструкции (рисунок 24.7). Один транзистор заменял 40 электронных ламп, работал с большей скоростью, был дешевле и надежнее. Средний срок его службы в 1000 раз превосходил продолжительность работы электронных ламп.
Изменилась и технология соединения элементов. Появились первые печатные платы (см. рис. 24.7) — пластины из изоляционного материала, например гетинакса, на кото-
Рис. 24.7. Транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы и печатные платы
рые по специальной технологии фотомонтажа наносился токопроводящий материал. Для крепления элементной базы на печатной плате имелись специальные гнезда.
Такая формальная замена одного типа элементов на другой существенно повлияла на все характеристики ЭВМ: габариты, надежность, производительность, условия эксплуатации, стиль программирования и работы на машине. Изменился технологический процесс изготовления ЭВМ.
Перечислим характерные черты ЭВМ второго поколения (рисунок 24.8).
Ф Элементная база: полупроводниковые элементы. Соединение элементов: печатные платы и навесной монтаж.
Ф Габариты: ЭВМ выполнены в виде однотипных стоек, чуть выше человеческого роста. Д)1я их размещения требуется специально оборудованный машинный зал, в котором под полом прокладываются кабели, соединяющие между собой многочисленные автономные устройства.
эма24. История развития компьютерной техники
I
I
■^*1 *’;!
Рис. 24.8. ЭВМ второго поколения
4 Производительность: от сотен тысяч до 1 млн оп/с.
4 Эксплуатация: упростилась. Появились вычислительные центры с большим штатом обслуживающего персонала, где устанавливалось обычно несколько ЭВМ. Так возникло понятие централизованной обработки информации на компьютерах. При выходе из строя нескольких элементов производилась замена целиком всей платы, а не каждого элемента в отдельности, как в ЭВМ предыдущего поколения.
Ф Программирование: существенно изменилось, так как стало выполняться преимущественно на алгоритмических языках. Программисты уже не работали в зале, а отдавали свои программы на перфокартах или магнитных лентах специально обученным операторам. Решение задач производилось в пакетном (мультипрограммном) режиме, то есть все программы вводились в ЭВМ подряд друг за другом, и их обработка велась по мере освобождения соответствующих устройств. Результаты решения распечатывались на специальной перфорированной по краям бумаге.
Ф Произошли изменения как в структуре ЭВМ, так и в принципе ее организации. Жесткий принцип управления заменился микропрограммным. Для реализации принципа программируемости необходимо наличие в компьютере постоянной памяти, в ячейках которой всегда присутствуют коды, соответствующие различным комбинациям управляющих сигналов. Каждая такая комбинация позволяет выполнить элементарную операцию, то есть подключить определенные электрические схемы.
376
Раздел 3. Техническое обеспечение информационных технологий
^ Введен принцип разделения времени, который обеспечил совмещение во времени работы разных устройств, например одновременно с процессором работает устройство ввода-вывода с магнитной ленты.
/Зи } и Ш:_
24.4. Третье поколение ЭВМ
Этот период продолжается с конца 60-х до конца 70-х годов. Подобно тому как изобретение транзисторов привело к созданию компьютеров второго поколения, появление интегральных схем ознаменовало новый этап в развитии вычислительной техники — рождение машин третьего поколения.
В 1958 году Джон Килби впервые создал опытную интегральную схему. Такие схемы могут содержать десятки, сотни и даже тысячи транзисторов и других элементов, которые физически неразделимы. Интегральная схема (рисунок 24.9) выполняет те же функции, что и аналогичная ей схема на элементной базе ЭВМ второго поколения, но при этом она имеет существенно меньшие размеры и более высокую степень надежности.
Первой ЭВМ, выполненной на интегральных схемах, была IBM-360 фирмы IBM. Она положила начало большой серии моделей, название которых начиналось с IBM, а далее следовал номер, который увеличивался по мере совершенствования моделей этой серии. То есть чем больше был номер, тем большие возможности предоставлялись пользователю.
Аналогичные ЭВМ стали выпускать и в странах СЭВ (Совета экономической взаимопомощи): СССР, Болгарии, Венгрии, Чехословакии, ГДР, Польше. Это были совместные разработки, причем каждая страна специализировалась на определенных устройствах. Выпускались два семейства ЭВМ:
4 большие — ЕС ЭВМ (единая система), например ЕС-1022, ЕС-1035, ЕС-1065;
Рис 24.9. Интегральные схемы
ема24. История развития компьютерной техники
377
Ф малые — СМ ЭВМ (система малых), например СМ-2, СМ-3, СМ-4.
В то время любой вычислительный центр оснащался од-юй-двумя моделями ЕС ЭВМ (рисунок 24.10). Представителей емейства СМ ЭВМ, составляющих класс мини-ЭВМ, можно 1ыло довольно часто встретить в лабораториях, на производстве, la технологических линиях, на испытательных стендах. Особен-юсть этого класса ЭВМ состояла в том, что все они могли работать в реальном масштабе времени, то есть ориентируясь на кон-сретную задачу.
Приведем характерные черты ЭВМ третьего поколения.
Ф Элементная база: интегральные схемы, которые вставляются в специальные гнезда на печатной плате.
Ф Габариты: внешнее оформление ЕС ЭВМ схоже с ЭВМ второго поколения. Для их размещения также требуется машинный зал. А малые ЭВМ — это в основном две стойки приблизительно в полтора человеческих роста и дисплей. Они не нуждались, как ЕС ЭВМ, в специально оборудованном помещении.
^ Производительность: от сотен тысяч до миллионов операций в секунду.
Ф Эксплуатация: несколько изменилась. Более оперативно производится ремонт обычных неисправностей, но из-за большой сложности системной организации требуется штат высококвалифицированных специалистов. Большую роль играет системный программист.
Ф Технология программирования и решения задач: такая же, как на предыдущем этапе, хотя несколько изменился характер взаимодействия с ЭВМ. Во многих вычислительных центрах появились дисплейные залы, где каждый программист в определенное время мог подсоединиться
Рис. 24.10. ЭВМ третьего поколения
378
Раздел 3. Техническое обеспечение информационных технологий
к ЭВМ в режиме разделения времени. Как и прежде, основным оставался режим пакетной обработки задач.
♦ Произошли изменения в структуре ЭВМ. Наряду с микропрограммным способом управления используются принципы модульности и магистральности. Принцип модульности проявляется в построении компьютера на основе набора модулей — конструктивно и функционально законченных электронных блоков в стандартном исполнении. Под магист-ральностью понимается способ связи между модулями компьютера, то есть все входные и выходные устройства соединены одними и теми же проводами (шинами). Это прообраз современной системной шины.
♦ Увеличились объемы памяти. Магнитный барабан постепенно вытесняется магнитными дисками, выполненными в виде автономных пакетов. Появились дисплеи, графопостроители.
24.5. Четвертое поколение ЭВМ
Этот период оказался самым длительным — от конца 70-х годов по настоящее время. Он характеризуется всевозможными новациями, приводящими к существенным изменениям. Однако кардинальных, революционных перемен, позволяющих говорить о смене этого поколения ЭВМ, пока не произошло. Хотя, если сравнивать ЭВМ, например, начала 80-х годов и сегодняшние, то очевидно существенное различие.
Следует особо отметить одну из самых значительных идей, воплощенных в компьютере на данном этапе: использование для вычислений одновременно нескольких процессоров (мультипроцессорная обработка). Также претерпела изменение и структура компьютера.
Новые технологии создания интегральных схем позволили разработать в конце 70-х — начале 80-х годов ЭВМ четвертого поколения на больших интегральйых схемах (БИС), степень интеграции которых составляет десятки и сотни тысяч элементов на одном кристалле. Наиболее крупным сдвигом в электронно-вычислительной технике, связанным с применением БИС,
Тема24. История развития компьютерной техники
379
стало создание микропроцессоров. Сейчас этот период расценивается как революция в электронной промышленности. Первый микропроцессор был создан фирмой Intel в 1971 году. На одном кристалле удалось сформировать минимальный по составу аппаратуры процессор, содержащий 2250 транзисторов.
С появлением микропроцессора связано одно из важнейших событий в истории вычислительной техники — создание и применение персональных ЭВМ (рисунок 24.11), что даже повлияло на терминологию. Постепенно щючно укоренившийся термин «ЭВМ» был вытеснен ставшим уже привычным словом «компьютер», а вычислительная техника стала называться компьютерной.
Начало широкой продажи персональных ЭВМ связано с именами С. Джобса и В. Возняка, основателей фирмы «Эпл компьютер» (Apple Computer), которая с 1977 года наладила выпуск персональных компьютеров Apple. В компьютерах этого типа за основу был взят принцип создания «дружественной» обстановки работы человека на ЭВМ, когда при создании программного обеспечения одним из основных требований стало обеспечение удобной работы пользователя. ЭВМ повернулась лицом к человеку. Дальнейшее ее совершенствование шло с учетом удобства работы пользователя. Если раньше при эксплуатации ЭВМ был реализован принцип централизованной обработки информации, когда пользователи концентрировались вокруг одной ЭВМ, то с появлением персональных компьютеров произошло обратное движение — децентрализация, когда один пользователь может работать с несколькими компьютерами.
С 1982 года фирма IBM приступила к выпуску модели персонального компьютера, ставшего эталоном на долгие времена. IBM выпустила документацию по аппаратуре и программные спецификации, что позволило другим фирмам разрабатывать как аппаратное, так и программное обеспечение.
Таким образом, появились семейства (клоны) «двойников» персональных компьютеров IBM.
Рис. 24.11. Персональный компьютер
380
Раздел 3. Техническое обеспечение информационных технологий
В 1984 году фирмой IBM был разработан персональный компьютер на базе микропроцессора 80286 фирмы Intel с шиной архитектуры промышленного стандарта — ISA (Industry Standart Architecture). С этого времени началась жесткая конкуренция между несколькими корпорациями, производящими персональные компьютеры. Один тип процессора сменял другой, что зачастую тр>ебо-вало дополнительной существенной модернизации, а подчас и полной згшены компьютеров. Гонка в поиске все более и более совершенных технических характеристик всех устройств компьютера продолжается и по сей день. Каждый год требуется проводить коренную модернизацию существующего компьютера.
Общее свойство семейства IBM PC — совместимость программного обеспечения снизу вверх и принцип открытой архитектуры, предусматривающий возможность дополнения имеющихся аппаратных средств без изъятия старых или их модификацию без замены всего компьютера.
Современные ЭВМ превосходят компьютеры предыдущих поколений компактностью, огромными возможностями и доступностью для разных категорий пользователей.
Компьютеры четвертого поколения развиваются в двух направлениях, о которых будет рассказано в последующих темах этого раздела. Первое направление — создание многопроцессорных вычислительных систем. Второе — изготовление дешевых персональных компьютеров как в настольном, так и в переносном исполнении, а на их основе — компьютерных сетей.
Контрольные вопросы и задания
1. Расскажите об истории развития счетно-решающих устройств до появления ЭВМ.
2. Что такое поколение ЭВМ и чем вызывается смена поколений?
3. Расскажите о первом поколении ЭВМ.
4. Расскажите о втором поколении ЭВМ.
5. Расскажите о третьем поколении ЭВМ.
6. Расскажите о четвертом поколении ЭВМ.
7. Когда и почему название «ЭВМ» стало постепенно заменяться термином «компьютер»?
8. Чем прославился математик Джон фон Нейман?
Тема 25 Классификация
компьютеров
по функциональным
возможностям
Изучив эту тему, вы узнаете:
111#^ что лежит в основе классификации компьютеров;
111#^ какие классы компьютеров существуют;
111#^ какие основные технические параметры компьютеров используются при их классификации.
Любая классификация позволяет выявить общие для всех подходов признаки и определить тенденции развития. Можно спорить о преимзпцествах одной классификации перед другой, но общие характерные черты будут одинаковы. Динамика изменения технических параметров компьютеров столь велика, что спустя некоторое время, возможно, приводимую в учебнике классификахщю придется корректировать.
Как и при любой классификгщии, прежде всего должен быть выбран некоторый признак (параметр), по которому производится соответствующая группировка. Компьютеры могут быть класси-фицщюваны по разным признакам, например по габаритам, по областям применения, по быстродействию, по выполняемым функциям, по этапам их создания и еще по многим другим параметрам.
В этой теме мы рассмотрим классификацию по обобщенному признаку, где в разной степени учтены несколько характерных особенностей:
Ф назначение и роль компьютеров при обработке информации;
Ф условия взаимодействия человека и компьютера;
^ габариты компьютера;
Ф ресурсные возможности компьютера.
Анализируя тенденции развития компьютерной техники, мы предлагаем классификацию современных компьютеров, которая представлена в виде схемы на рисунке 25.1.
382
Раздел 3. Техническое обеспечение информационных технологий
Рис. 25.1. Классификация компьютеров
Что понимается под характеристиками, которые выбраны для классификации? Рассмотрим их.
Представим себе наше общество, в котором всюду, где необходимо получать, хранить, обрабатывать и представлять информацию в требуемом человеку виде, используются компьютеры. В этом случае некоторые компьютеры должны обладать значительными возможностями по всем техническим параметрам и быть ориентированы на одновременное обслуживание нескольких пользователей. Такие компьютеры, как правило, очень дороги, занимают гораздо большую площадь, нежели привычные нам модели, отличаются повышенной надежностью. При работе на них требуются знания системного программиста. Подобные компьютеры составляют класс больших компьютеров.
Для оказания помощи человеку в повседневной работе с текущей информацией нужны другие компьютеры. В них не столь существенны требования по техническим параметрам и ресурсным возможностям, но более важно, как в них организовано взаимодействие с человеком, как подобный компьютер помогает воспринимать и осмысливать разного рода информацию, как он облегчает жизнь человека в быту и на производстве. По сравнению с большими компьютерами они более компакты, значительно дешевле, удобнее в эксплуатации, их программное обеспечение в большей степени ориентировано на пользователя. Хотя они иногда и менее надежны, зато не требуют специальных знаний компьютерной техники. Подобные компьютеры составляют класс малых компьютеров.
Тема 25. Классификация компьютеров по функциональным возможностям 383
При характеристике каждого класса необходимо сравнивать различные модели по таким основным техническим параметрам, как быстродействие (произврдительность, тактовая частота) и объем оперативной памяти.
С момента появления первого компьютера для оценки скорости его работы используется параметр «быстродействие* («производительность»). Напомним, что под быстродействием понимается количество элементарных операций, выполняемых компьютером за одну секунду. Введено условное обозначение единицы измерения быстродействия — оп/с (операций в секунду). Для более крупных единиц измерения быстродействия используются следующие обозначения:
♦ МИПС — миллион операций над числами с фиксированной запятой;
♦ МФЛОПС (мегафлопс) — миллион операций над числами с плавающей запятой;
♦ ГФЛОПС (гигафлопс) — миллиард операций над числами с плавающей запятой.
Оценка быстродействия (производительности) всегда приблизительна, особенно если учесть тот факт, что теперь широко используются многопроцессорные компьютеры. Поэтому в последнее время скорость работы компьютера оценивается значением тактовой частоты, например 133 МГц, 200 МГц. Эта характеристика определяется генератором тактовой частоты компьютера. Поскольку для выполнения каждой операции требуется определенное количество тактов в зависимости от модели процессора, то в компьютере с тактовой частотой, например, 600 МГц обеспечивается быстродействие до 300 млн оп/с, или 300 МИПС.
Другая важная характеристика любого компьютера — объем (емкость) оперативной памяти, иными словами, максимальное количество хранимой в ней информации. Единицами измерения, как вы знаете, служат Кбайт, Мбайт, Гбайт, Тбайт (терабайт).
Помимо указанных характеристик, возможности компьютера описываются рядом параметров (часть из них приведена в таблице 25.1):
♦ разрядность и формы представления чисел;
♦ емкость внешней памяти;
384
Раздел 3. Техническое обеспечение информационных технологий
Ф характеристики внешних устройств хранения, обмена и ввода-вывода информации;
Ф пропускная способность устройств связи;
Ф способность компьютера одновременно работать с несколькими пользователями и выполнять одновременно несколько программ;
Ф типы операционных систем, используемых в компьютере;
^ способность выполнять программы, написанные для других типов компьютеров (программная совместимость с другими типами компьютеров);
♦ возможность подключения к компьютерной сети;
♦ надежность.
Таблица 25.1. Основные параметры компьютеров
Параметры Большие компьютеры Малые компьютеры
2001 2005 2001 2005
Производительность,' МИПС 100-100 000 1000-1 000 000 1-300 100-1000
Объем оперативной памяти, Мбайт 512-10 000 2000-10 000 8-128 128-2048
Объем постоянной памяти. Мбайт 100-1000 500-50 000 128-256 20-512
Разрядность, бит 64; 128 64; 128; 256 16; 32; 64 32; 64; 128
Контрольные вопросы и задания
1. Что вы понимаете под классификацией?
2. Какие параметры в качестве признака классификации компьютеров предлагаются в учебнике?
3. Придумайте свою, отличную от предлагаемой в з^ебнике, классификацию компьютеров и обоснуйте ее.
4. Какой технический параметр определяет скорость обработки информации в компьютере?
5. Почему параметр «тактовая'частота» наиболее прюдпочтите-лен по сравнению с параметром «быстродействие»?
6. Почему объем оперативной памяти — одна из важнейших характеристик компьютера?
Тема 26 Класс больших
компьютеров
Изучив эту тему, вы узнаете:
о группе серверов и их назначении;
т- о группе суперкомпьютеров и их назначении.
История развития компьютерной техники началась с создания большой ЭВМ. Элементная база больших ЭВМ прошла большой путь от электронно-вакуумных ламп до сверхбольших интегральных схем (СБИС). В этом классе выполнить четкое разделение на подклассы в настоящее время несколько затруднительно. И вот почему.
В связи с развитием и внедрением во все сферы нашей жизни компьютерных сетей происходит смещение акцентов по приоритетам и назначению в классе больших компьютеров. Особенно явно наметилась тенденция использования больших компьютеров в сетях, что в недалеком будзпцем, скорее всего, несколько изменит представление о сфере использования сверхмощных ЭВМ.
На сегодняшний день в данном классе можно выделить две группы — серверы и суперкомпьютеры.
26.1. Серверы
Сервер (server) представляет собой мощный компьютер, используемый в вычислительных сетях, который обеспечивает обслуживание подключенных к нему компьютеров и выход в другие сети. На сервере хранятся большие объемы информации, которыми пользуются подключенные к нему компьютеры. В наши дни это направление компьютерной техники интенсивно развивается.
Группа серверов насчитывает множество моделей разного )фов-ня мощности. Некоторые из них можно отнести к классу малых машин, другие настолько мощны, что представляют собой суперкомпьютеры. Сервером может быть любой компьютер, оснащен-
386
Раздел 3. Техническое обеспечение информационных технологий
tw—г
ный необходимыми программами и устройствами. Например, сервер средней производительности можно создать из компонентов персональных компьютеров. При этом его цена окжется вполне приемлемой и места он займет не больше, чем обычный компьютер.
К серверу предъявляются повышенные требования по быстродействию и надежности работы. В нем должна быть предусмотрена возможность резервирования всей хранимой информации. Профилактические и ремонтные работы должны проводиться без его остановки и отключения дрзч'их компьютеров.
Нередко серверы специализируются на обслуживании рабочих станций в какой-то определенной области. Например, одни из них выделяются для создания и управления базами и архивами данных, дрзчпе — для поддержки факсимильной связи и электронной почты, третьи — для управления многопользовательскими принтерами, плоттерами и др.
В зависимости от назначения выделяют такие типы серверов: сервер приложений, файл-сервер, архивационный сервер, факс-сервер, почтовый сервер, сервер печати, сервер телеконференций.
Сервер приложений обрабатывает запросы от всех станций вычислительной сети и предоставляет им доступ к общим системным ресурсам (базам данных, библиотекам программ, принтерам, факсам и др.).
Файл-сервер (File Server, Data Server) — для работы с базами данных, для использования хранящейся на нем информации. Он имеет надежные отказоустойчивые дисковые накопители с большими объемами (до терабайта).
Архивационный сервер (Storage Express System) — для резервного копирования информации в крупных многосерверных сетях. Он использует накопители на магнитной ленте (стримеры) со сменными картриджами емкостью до 5 Гбайт. Обычно выпол-
Тема 26. Класс больших компьютеров
387
няет ежедневное автоматическое архивирювание информации от подключенных серверов и рабочих станций.
Факс-сервер (Net SatisFaxion)— для организации эффективной многоадресной факсимильной связи, с несколькими фак-смодемными платами, со специальной защитой информации от несанкционированного доступа в процессе передачи, с системой хранения электронных факсов.
Почтовый сервер (Mail Server) — то же, что и факс-сервер, но для организации электронной почты, с электронными почтовыми ящиками.
Сервер печати (Print Server, Net Port) — для эффективного использования системных принтеров.
Сервер телеконференций — компьютер, имеющий программу обслуживания пользователей телеконференциями и новостями, он также может иметь систему автоматической обработки видеоизображений и др.
Как вы знаете, назначение всякого компьютера определяется программным обеспечением. Поэтому любой компьютер, если установить на нем соответствующее сетевое программное обеспечение, может стать сервером. Кроме того, один компьютер способен одновременно выполнять несколько функций — быть, к примеру, почтовым сервером, сервером новостей, сервером приложений и т. д.
В этой группе компьютеров можно выделить суперсерверы. Они нужны, когда данные требуется хранить централизованно, но в то же время информация должна быть доступна большому числу пользователей. Суперсерверы по своим характеристикам приближаются к суперкомпьютерам.
26.2. Суперкомпьютеры
Первые суперкомпьютеры (модели Cray) стала выпускать компания Cray Research в середине 70-х годов (рисзчюк 26.1). Их быстродействие составляло порядка нескольких десятков или сотен миллионов операций в секунду, что по тем временам воспринималось как чудо. Это стало новой вехой на пути развития вычислительной техники, так как была предложена иная, по
388
Раздел 3. Техническое обеспечение информационных технологий
сравнению с сзпцествующей фон-неймановской, архитектура и организация работы всех устройств.
Идея построения суперкомпьютера базировалась на том, что надо уменьшить расстояние между всеми электронными компонентами, а также организовать работу не на одном процессоре, а сразу на нескольких — параллельно. В компьютерах фон-ней-мановской архитектуры каждая операция, необходимая для решения задачи, находится в ожидании своей очереди занять процессор. Вспомните, что такое последовательный (линейный) алгоритм, и вам станет понятна сзггь такой организации работы.
В суперкомпьютерах используется иной мультипроцессорный (многопроцессорный) принцип обработки информации.
Основная идея создания мультипроцессорной обработки — разделение решаемой задачи на несколько параллельных подзадач или частей. Каждая часть решается на своем процессоре. За счет такого разделения существенно увеличивается производительность. Параллельное вычисление особенно эффективно в тех задачах, где применяется большое количество операций с таблицами. Так, например, при суммировании чисел в таблице скорость расчетов может возрасти более чем в десять раз по сравнению с однопроцессорным компьютером.
В том случае, когда мультипроцессорную систему используют для решения задач, которые не удается разделить на части, возможен другой принцип организации структуры — конвейерный.
Поясним этот принцип на понятном каждому примере. Представим себе работу обычного конвейера на сборке, скажем, автомобиля. Технология сборки состоит из выполнения определенных операций каждым рабочим на своем месте. Кто-то прикру-
Рис 26.1. Суперкомпьютер Cray
Тема 26. Класс больших компьютеров
389
чивает колеса, кто-то навешивает двери, кто-то устанавливает двигатель и т. д. Чем проще операции, на которые разбит процесс, тем больше надо рабочих мест, тем выше скорость работы и больше объем выпуска продукции.
Аналогично осзчцествляется конвейерный принцип и в мультипроцессорной системе. Общая задача разбивается на ряд элементарных участков, каждый из которых будет решаться на своем процессоре. Участков программы столько, сколько процессоров. Каждый из них приступает к действию после окончания работы предыдущего и выполняет только определенную функцию. Управляющая программа определяет, какие и сколько процессоров надо выделить для решения очередной задачи, по какой программе будет работать каждый процессор. В результате для каждой задачи выделяется свой набор процессоров, причем любой из них настроен на выполнение какого-то одного участка работы. Из этого следует, что каждая задача образует свою структуру компьютера. Так возникло понятие виртуальной {условной) машины (VM — virtual machine), архитектура которой определяется структ5фой задачи.
В ближайшие годы ожидается появление суперкомпьютера с такими характеристиками:
♦ быстродействие порядка 100 000 МФЛОПС;
Ф объем оперативной памяти — 10 Гбайт;
♦ объем дисковой памяти — от 1 до 10 Тбайт;
♦ разрядность — 64; 128 бит.
По прогнозам аналитиков, потребность в сзшеркомпьютерах со временем будет сокращаться. Все меньше и меньше находится желающих тратить миллионы долларов на приобретение таких компьютеров. Более дешевые малые компьютеры из года в год постоянно наращивают свои вычислительные мощности и уже во многом не уступают ранним моделям суперкомпьютеров. Это связано с тем, что идеи мультипроцессорной обработки успешно реализуются и в компьютерах других классов. Следует ожидать, что постепенно суперкомпьютеры станут выполнять роль суперсерверов.
390
Раздел 3. Техническое обеспечение информационных технологий
Контрольные вопросы и задания
1. По какому признаку из класса больших компьютеров можно выделить две группы?
2. Что такое сервер?
3. Назовите основные типы серверов и их назначение.
4. Может ли один компьютер одновременно выполнять функции нескольких серверов?
5. Что такое суперкомпьютер?
6. Назовите основные идеи, заложенные в основу архитектуры суперкомпьютера.
7. Как вы понимаете принцип конвейерной обработки информации?
8. Как вы понимаете принцип параллельной обработки информации?
9. Что такое виртуальный компьютер?
10. Какие существуют прогнозы относительно направлений развития суперкомпьютеров и серверов?
Тема 27 Класс малых компьютеров
4
Изучив эту тему, вы узнаете:
'11#^ каковы характеристики и назначение персональных компьютеров;
>11#^ каковы характеристики и назначение портативных компьютеров;
для чего предназначены промышленные компьютеры.
Малые компьютеры появились в 70-х годах. Их появление было связано, с одной стороны, с тем, что для решения многих задач не требовались мощности больших ЭВМ, а с другой — с необходимостью использования возможностей компьютеров для управления технологическими процессами и проведения исследований при натурных испытаниях. Такая потребность во многом определялась тем, что в этот период повсеместно стали внедряться автоматизированные системы управления, где требовалось устройство, оперативно и надежно перерабатывающее информацию.
В настоящее время из семейства малых компьютеров можно выделить три подкласса, отражающие различные направления их развития: персональные, портативные и промышленные. Такая классификация учитывает назначение компьютера и условия взаимодействия с ним пользователя.
27.1. Персональные компьютеры
Создание персонального компьютера можно отнести к одному из самых значительных изобретений века. Это событие по уровню значимости не уступает изобретению первой вычислительной машины, а возможно, даже превосходит его. Персональный компьютер существенно изменил роль и значение вычислительной техники в жизни человека.
Определение «персональный» не обязательно означает принадлежность компьютера человеку на правах личной собственности, хотя сейчас он нередко оказывается и в индивидуальном пользовании. Этот термин возник потому, что человек получил
392
Раздел 3. Техническое обеспечение информационных технологий
й я
1
• ••
возможность общаться с ЭВМ сешостоятель-но (персонально) без посредничества профессио-нала-программиста. При этом не требуются специальные знания, которыми владеет программист. Программное обеспечение осуществляет «дружественную» форму диалога человека с компьютером.
В настоящее время персональные компьютеры используются повсеместно. Их основное назначение — выполнение рутинной работы: поиск информации, составление типовых форм документа-1ЩИ, фиксация результатов исследования, подготовка реизнород-ных текстов от простейпгах документов до издательской верстки.
Общедоступность и универсальность персонального компьютера обеспечивается за счет следующих характеристик:
^ «дружественность» интерфейса взаимодействия человека с компьютером, что позволяет работать на нем без специальной подготовки в области компьютерной техники;
^ малая стоимость, ориентированная на покупательную способность населения;
Ф небольшие габариты и отсутствие специальных требований к условиям окружающей среды (может устанавливаться в любом месте);
Ф открытость архитектуры, благодаря чему каждая новая деталь совместима со старыми и легко устанавливается в компьютере (простота модернизации);
^ большое количество программных средств для различных областей применения, во многих случаях упрощающих принятие человеком решений;
^ совместимость на программном и аппаратном уровне новых версий и моделей;
Ф высокая надежность работы.
Наибольшей популярностью в настоящее время пользуются модели клона (архитектуры определенного направления) персональных компьютеров фирмы IBM. Второе место по распространенности занимают модели Macintosh фирмы Apple.
Тема 27. Класс малых компьютеров
393
в таблице 27.1 приведены некоторые характеристики персональных компьютеров среднего уровня.
Таблица 27.1. Обобщенные характеристики персональных компьютеров
Параметры Тип процессора
AMD Intel
Процессор AMD Sempron 2800-1-AMD Athlon 64 FX-57-1- Intel Pentium 4 531/530J/530 Intel Pentium 4 Extreme Edition 3,73
Чипсет системной платы NVIDIA nForce4 SU NVIDIA nForce4 Ultra NVIDIA nForce4 Intel 955X Express NVIDIA nForce4 SLI Intel Edition
Тип оперативной памяти DDR PC3200 DDR2 533, DDR2 800
Объем оперативной памяти, Гбайт 1-2
Объем жесткого диска, Гбайт 100-200
Разрядность 32-64
В настоящее время персональный компьютер стал «мультимедийным», то есть не только обрабатывает текстовую и числовую информацию, но и эффективно работает со звзгком и изображением. Это стало возможным как из-за появления новых моделей микропроцессоров, так и благодаря:
♦ новым звуковым платам, обеспечивающим цифровую обработку аудиосигналов;
♦ дешевым графическим платам, с помощью которых на экран выводятся качественные изображения с несколькими миллионами оттенков цветов;
♦ дешевым и качественным сканерам и принтерам.
Существенное удешевление персонального компьютера за последние два года сделало его доступным предметом обихода. Наряду с этим, оснастив некоторые модели соответствующими программами и устройствами, компьютер можно превратить или в рабочую станцию, или в многопользовательскую ЭВМ, или
394
Раздел 3. Техническое обеспечение информационных технологий
в сервер. Гибкость архитектзфы персональных компьютеров обеспечивает ее адаптивность к разнообразным применениям в сфере управления, науки, образования, а также в быту.
27.2. Портативные компьютеры
Класс портативных компьютеров в настоящее время является самым престижным в мире. Название этого типа компьютеров происходит от латинского слова «porto» — «ношу» и означает, что их несложно переносить с места на место. Их вес колеблется в пределах от 0,2 до 6 кг. Обычно они оформлены в виде чемоданчиков или папок и, в свою очередь, подразделяются на несколько типов. Самый распространенный и привычный из них — это ноутбук (англ, note book — блокнотный).
Каковы должны быть его основные характеристики? Ответ на этот вопрос следует из соответствия решаемой задаче. Если ноутбук предполагается использовать как настольный персональный компьютер, он должен иметь: высокое быстродействие; большой, четкий и яркий экран дисплея; малое энергопотребление, так как источником его питания является батарея. Если же портативный компьютер предназначен только для работы в дороге и является дополнением к стационарному, то он должен иметь хороший модем, более длительное время работы от батареи, значительно меньший вес. Ни в какой другой компьютерной технике не достигается больше компромиссов, чем в ноутбуках!
Современные блокнотные компьютеры производят очень хорошее впечатление. Они снабжены жесткими дисками большой емкости — от 20 до 100 Гбайт, диагональ экрана составляет 12-16 дюймов, продолжительность работы от аккумулятора — в течение 3-4,5 часа, приемлемый вес — от 1,5 до 3,5 кг, имеют встроенный оптический привод CD-ROM или DVD. Однако, как и у любого товара широкого потребления, у этих компьютеров должна быть доступная цена. В настоящий момент она приближается к среднему уровню цен, йа который ориентируются потребители, хотя и несколько выше.
Существует множество типов портативных компьютеров. Каждый из них имеет свои особенности. Например, в качестве ма-
Тема 27. Класс малых компьютеров
нипулятора используют не мышь, а другие устройства. Иногда эти функции выполняет сенсорный экран, где команда вводится в соответствии с местом прикосновения к дисплею.
Наименьшими (по размеру и весу) из портативных компьютеров являются карманные персональные компьютеры (КПК). Это название класса портативных электронных вычислительных устройств, изначально предложенных к использованию в качестве электронных органайзеров.
Для обозначения всего класса устройств в английском языке используется словосочетание Personal Digital Assistant (PDA), что можно перевести как «личный цифровой секретарь».
Для чего же можно использовать КПК? Во-первых, КПК — это настоящий компьютер (чаще всего с операционной системой Windows Mobile), на котором можно использовать такие программы, как текстовый редактор, электронные таблицы, почта и проигрыватель аудиофайлов. Во-вторых, КПК — мобильное устройство небольших размеров, которое действительно умещается в кармане. С его помощью можно читать книги, набирать небольшие тексты, заметки, подключаться к Интернету, играть в игры, смотреть видеофильмы, фотографировать и- многое другое.
К КПК можно напрямую подключать различные USB-устрой-ства, в том числе клавиатуру, мышь, жесткие диски и флэш-на-копители.
В последнее время получили большое распространение коммуникаторы (или смартфоны), которые совмещают в себе функции КПК с функциями мобильного телефона. Эти устройства имеют практически идентичные обычным КПК операционные системы с незначительными отличиями — дополнительным программным обеспечением для работы с мобильной связью.
27.3. Промышленные компьютеры
Эти компьютеры предназначены для использования в производственных условиях. Они встраиваются в технологический процесс производства какой-нибудь продукции, осуществляют управление технологическими линиями и станками. С их помощью управляют самолетами и поездами, проводят исследования
396
Раздел 3. Техническое обеспечение информационных технологий
и испытания новых приборов, механизмов, устройств. Это неотъемлемая часть производственного цикла.
Учитывая их важную роль в производстве, к ним предъявляются повышенные требования по надежности работы, устойчивости к различным колебаниям параметров окружающей среды (температуре, вибрации, пыли и пр.). Поэтому обычные персональные компьютеры не могзлг использоваться как промышленные.
При их изготовлении придерживаются стандарта, называемого евромеханикой, в котором учитываются все необходимые требования. Например, микропроцессор изготавливается по особой технологии в специальном корпусе. Промышленный компьютер, собранный по этому стандарту, так же как и персональный компьютер, может использовать платы различных производителей.
Контрольные вопросы и задания
1. Охарактеризуйте класс персональных компьютеров.
2. Приведите основные характеристики персонального компьютера.
3. Почему персональный компьютер можно считать «мультимедийным»?
4. Какие характеристики портативного компьютера являются существенными для пользователя и почему?
5. Что более всего влияет на цену компьютера?
6. Какие характеристики портативных компьютеров вы знаете?
7. Расскажите о назначении органайзеров и ноутбуков.
8. Как вы представляете себе промышленный компьютер?
Тема 28 Перспективы развития
компьютерных систем
Изучив эту тему, вы узнаете:
каковы основные тенденции развития компьютеров; каковы причины, обусловливающие эти тенденции.
Зная функциональные возможности компьютеров, можно поразмышлять над перспективами их развития. Это не слишком благодарное занятие, особенно в отношении компьютерной техники, так как ни в какой другой области не происходит таких существенных изменений в столь короткие отрезки времени. Тем не менее сзгть развития компьютерной техники состоит в следующем: сначала перед людьми открывается некая сравнительно новая область использования компьютеров, но для реализации этих идей нужны некоторые новые, технологически обеспеченные возможности компьютеров. Как только необходимые технологии разработаны и внедрены, сразу становятся очевидными иные перспективные области применения компьютеров и т. д.
Например, компания Fujitsu разработала универсального робо-та-носильщика. В фойе отеля робот приветствует гостей хриплым баритоном. Уточнив номер комнаты, робот берет тяжелые чемоданы в обе «руки» или выкатывает тележку и начинает движение в сторону лифта, затем нажимает кнопку вызова лифта, поднимается на этаж и провожает гостей в номер. Электронная карта отеля, восемь камер и ультразвуковые сенсоры позволяют роботу преодолевать лю-бые препятствия. Правое и левое колеса вращаются независимо, поэтому движение по наклонным и неровным поверхностям дается легко. Используя систему обработки трехмерных изображений, робот может брать предметы и протягивать
398
Раздел 3. Техническое обеспечение информационных технологий
их гостям. Робот чутко воспринимает голосовые инструкции, подключен к Интернету. Справки об отеле можно получить на его цветном сенсорном экране. Ночью робот патрулирует коридоры отеля.
Так, например, в Массачусетсском технологическом институте (США) демонстрировались модели одежды со встроенными в них
компьютерами и электронными устройствами. Сегодня новое поветрие названо «кибер-модой». Кибер-брошь, украшающая платье на этой иллюстрации, не просто аксессуар — это электронное устройство, вспыхивающее в такт сердцебиению его обладателя.
Можно предполагать, что в будущем появятся сотни активных компьютерных устройств, отслеживающих наше состояние и
местоположение, легко воспринимающих на-
*
шу информацию и управляющих бытовыми приборами. Они не будут находиться в одной общей «оболочке». Они будзгг повсюду. Перспективы развития в отношении подобных компьютерных устройств: они станут намного более миниатюрными и будут иметь низкую стоимость.
Рассмотрим перспективы и тенденции развития компьютерной техники, обеспечивающей информационное обслуживание и управление. Каждый компьютер не только умеет безошибочно и быстро считать, но и представляет собой вместительное хранилище информации. В настоящее время все шире используется наиболее специфическая функция компьютеров — информационная, и именно это является одной из причин наступающей «всеобщей информатизации». Обычно информацию подготавливают на компьютере, затем печатают и уже в тспсом виде распространяют.
Однако уже в начале XXI века ожидается смена основной информационной среды — большую часть информации люди станут получать не по традиционным каналам связи — радио, теле-
f
видение, печать, а через компьютерные сети.
Изменение цели использования компьютеров наблюдается уже сегодня. Прежде компьютеры служили исключительно для выполнения различных научно-технических и экономических расче-
Тема 28. Перспективы развития компьютерных систем
399
тов, и работали на них пользователи с общей компьютерной подготовкой и программисты. Благодаря появлению телекоммзшика-ций кардинально изменяется область применения компьютеров пользователями. Потребность в компьютерных телекоммуникациях постоянно рас-ппфяется. Вое больше людей обращается к Интернету, что-
бы узнать расшюание движе- О io.o
Телекоммуникации
Традиционные каналы (радио, телевидение,
печать)
1980
2005
2030
ния поездов или последние новости из Дзчяы, познакомиться с научной статьей коллеги, сделать выбор, где провести свободный вечер, и т. п. Информация подобного рода нужна каждому в любой момент и в любом месте.
В настоящее время разрабатывается новая концепция развития сети Интернет — это создание семантической паутины (англ. Semantic web). Она является надстройкой над существующей Всемирной паутиной и призвана сделать размещенную в сети информацию более понятной для компьютеров. С 1999 года проект семантической паутины развивается под эгидой Консор-циз^ма Всемирной паутины.
В настоящее время компьютеры принимают довольно ограниченное участие в формировании и обработке информации в Интернете. Функции компьютеров в основном сводятся к хранению, отображению и поиску информации. Это обусловлено тем, что большая часть информации в Интернете находится в текстовой форме, а компьютеры не могут воспринять и осмыслить смысловую информацию. Создание информации, ее оценку, классифика-1ЩЮ и актуализацию — все это по-прежнему выполняет человек.
Встает вопрос — как же заставить компьютеры понимать смысл размещенной в сети информации и научить компьютеры пользоваться ею? Если компьютер пока нельзя научить понимать человеческий язык, то нужно создать язык, который был бы понятен компьютеру. В идеальном варианте вся информация в Интернете должна размещаться на двух языках: на языке, понятном человеку, и на языке, понятном компьютеру. Для создания
400
Раздел 3. Техническое обеспечение информационных технологий
понятного компьютеру описания сетевого ресурса в семантической паутине создан формат RDF (англ. Resource Description Framework). Он предназначен для хранения метаданных (метаданные — это данные о дешных) и не предназначен для прочтения и использования человеком. Описания в формате RDF должны прикрепляться к каждому сетевому ресурсу и обрабатываться компьютером автоматически.
Семантическая паутина открывает доступ к четко структурированной информации для любых приложений, независимо от платформы и языков программировешия. Программы смогут сами находить нужные ресзфсы, обрабатывать информацию, обобщать данные, выявлять логические связи, делать выводы и даже принимать решения на основе этих выводов. При широком распространении и грамотном внедрении семантическая паутина может вызвать революцию в Интернете.
СемЕштическая паутина — это концепция сети, в которой каждый информационный ресурс на человеческом языке должен быть снабжен описЕшием, понятным компьютеру.
Компьютер должен быть полностью мобильным и снабжен радиомодемом для входа в компьютерную сеть. В перспективе портативные компьютеры должны стать более миниатюрными при быстродействии, срЕшнимом с производительностью современных суперЭВМ. Они должны иметь плоский дисплей с хорошей раз-решЕпощей способностью. Их внешние запоминЕпощие устройства — магнитные диски — при небольших размерах будут иметь емкость более 100 Г6е1йт. Чтобы с компьютером можно было общаться на естественном языке, он будет широко оснащен средствами мультимедиа, в первую очередь, аудио- и видеосредствЕши.
Для обеспечения качественного и повсеместного обмена ин-формЕщией между компьютерами будут использоваться принципиально новые способы связи:
♦ инфрЕпсрасные каналы в пределЕос прямой видимости;
♦ телевизионные КЕшалы;
♦ беспроводнЕш технология высокоскоростной цифровой связи.
Это позволит строить системы сверхскоростных информационных магистрЕ1лей, связывепощих воедино все существующие системы.
Тема 28. Перспективы развития компьютерных систем
401
Сферы применения ЭВМ все расширяются, и каждая из них обусловливает новую тенденцию развития компьютерной техники. В перспективе все вычислительные комплексы и системы от с)шерЭВМ до персонального компьютера станут составляющими единой компьютерной сети. А при такой сложной распределенной структуре должна быть обеспечена практически неограниченная пропускная способность и скорость передачи информации.
Современные полупроводниковые компьютеры скоро исчерпают свой потенциал, и даже при условии перехода к трехмерной архитектуре микросхем их быстродействие будет ограничено значением 10^^ операций в секунду. Поиски новых путей совершенствования компьютеров ведутся во многих направлениях. Существует несколько возможных альтернатив замены современных компьютеров — квантовые компьютеры, нейрокомпьютеры и оптические компьютеры. При разработке «компьютеров будущего» используется широкий спектр научных дисциплин: молекулярная электроника, молекулярная биология, робототехника, квантовая механика, органическая химия и др. Рассмотрим основные особенности этих компьютеров.
Оптический компьютер. В оптических компьютерах носителем информации является световой поток. Применение оптического излучения в качестве носителя информации имеет ряд преимуществ по сравнению с электрическими сигналами:
♦ скорость распространения светового сигнала выше скорости электрического;
♦ световые потоки, в отличие от электрических, могут пересекаться друг с другом;
Ф световые потоки могут передаваться по свободному пространству;
♦ возможность создания параллельных архитектур.
Создание большего количества параллельных архитектур, по сравнению с традиционными электронными компьютерами, является основным достоинством оптических компьютеров, оно позволяет преодолеть ограничения по быстродействию и параллельной обработке информации.
402
Раздел 3. Техническое обеспечение информационных технологий
Оптические технологии важны не только для создания оптических компьютеров, но также и для оптических коммуникаций и сети Интернет.
Нейрокомпьютер. Для решения некоторых задач требуется создание эффективной системы искусственного интеллекта, которая могла бы обрабатывать информацию, не затрачивая много вычислительных ресурсов. И прекрасным аналогом для решения такой проблемы может стать мозг и нервная система живых организмов, которые позволяют эффективно обрабатывать сенсорную информацию. Мозг человека состоит из 10 миллиардов нервных клеток — нейронов. Аналогично должен быть построен и нейрокомпьютер, который моделирует функции нейронов.
Появление нейрокомпьютеров, часто называемых биоком-пьютерами, во многом связывают с развитием нанотехнологий, которыми активно занимаются ученые многих стран. Нейрокомпьютеры предполагается строить на базе нейрочипов (искусственных нейронах) и нейроноподобных связях, которые функционально ориентированы на конкретный алгоритм, на решение конкретной задачи. Поэтому для решения задач разного типа требуется нейронная сеть разной топологии (разновидностей соединения нейрочипов). Один искусственный нейрон может использоваться в работе нескольких алгоритмов обработки информации в сети, и каждый алгоритм реализуется при помощи некоторого количества искусственных нейронов. Нейронная сеть (перцептрон) может обучаться распознаванию образов.
Перспективность создания нейрокомпьютеров состоит в том, что искусственные структуры, имеющие свойства мозга и нервной системы, имеют ряд важных особенностей: параллельность обработки информации, способность к обучению, способность к автоматической классификации, высокая надежность, ассоциативность.
Квантовый компьютер. В основе работы квантового компьютера лежат законы квантовой механики. Квантовая механика позволяет установить способ описания и законы движения микрочастиц (атомов, молекул, атомных ядер) и их систем. Законы квантовой механики составляют фундамент иззгчения строения
Тема 28. Перспективы развития компьютерных систем
403
вещества. Они позволили выяснить строение атомов, установить природу химической связи, объяснить периодическую систему элементов, понять строение атомных ядер, изз^ать свойства элементарных частиц.
Физический принцип действия квантового компьютера основан на изменении энергии атома. Она имеет дискретный ряд значений Eq, Ei,... Е^, называемый энергетическим спектром атома. Излучение и поглощение атомом электромагнитной энергии происходит отдельными порциями — квантами, или фотонами. При поглощении фотона энергия атома згвеличивается и осуществляется переход с нижнего на верхний уровень, при излучении фотона совершается обратный переход вниз.
Поэтому в качестве основной единицы квантового компьютера введено понятие «кубит» (qubit. Quantum Bit) по аналогии с традиционным компьютером, где используется понятие «бит». Известно, что бит имеет лишь два состояния — О и 1, тогда как состояний кубита значительно больше. Поэтому для описания состояния квантовой системы было введено понятие волновой функции в виде вектора с большим числом значений.
Для квантовых компьютеров так же, как и для классических, введены элементарные квантовые логические операции: дизъюнкция, конъюнкция и отрицание, с помощью которых будет организована вся логика квантового компьютера. При создании квантового компьютера основное внимание уделяется вопросам управления кубитами при помощи вынужденного излучения и недопущении спонтанного излучения, которое нарушит работу всей квантовой системы.
Можно предположить, что объединение квантовых, оптических и нейронных компьютеров даст миру мощную гибридную вычислительную систему. Такую систему от обычной будут отличать огромная производительность (ориентировочно 10^^), за счет параллелизма выполнения операций, а также возможности эффективной обработки и управления сенсорной информацией. Для производства «компьютеров будущего» будут необходимы значительные экономические затраты, в несколько десятки раз превышающие затраты на производство современных полупроводниковых компьютеров.
404
Раздел 3. Техническое обеспечение информационных технологий
В таблице 28.1 представлены общие тенденции изменения характеристик компьютерной техники с учетом основных областей использования как современных компьютеров, так и перспективных.
Таблица 28.1. Тенденции изменения характеристик компьютеров
Область использования и круг решаемых задач Определи-юпще характеристики Требования к основным характеристикам ЭВМ на ближайшие 5—7 лет
Произ- води- тель- ность Емкость опера- тивной памяти Емкост ь внешней памяти Надеж- ность
Вычисления: • научные; • проектно-конструкторские Упрсшление объектами Упрсшление процессами Управление производствами Производи- тельность От 1 до 100 млрд оп/с Сотни Мбайт Сотни Гбайт Тысячи часов
Информа- ционное обслуживание центров обработки информации Производи- тельность, надежность работы Сотни млн оп/с Тысячи Мбайт Сотни Гбайт Десятки тысяч часов
Автоматизированные рабочие станции различного назначения Дешевизна, удобство в использовании, надежность работы Десятки млн оп/с 9- Десятки Гбайт Сотни Гбайт Десятки тысяч часов
Тема 28. Перспективы развития компьютерных систем
405
Контрольные вопросы и задания
1. Какова зависимость между целью использования ЭВМ и развитием компьютерной техники?
2. Приведите примеры перспективного использования компьютеров.
3. На что ориентированы перспективные компьютерные системы?
4. Как вы представляете будущее компьютерной техники?
5. На какие значения технических параметхюв компьютеров можно ориентироваться в недалеком будущем?
6. Каково назначение семантической паутины?
7. Почему ведутся разработки компьютеров на различных принципах действий?
8. В чем состоит основная идея создания оптического компьютера?
9. В чем состоит основная идея создания нейрокомпьютера?
10. В чем состоит основная идея создания квантового компьютера?
Словарь терминов
Алгоритм — описание последовательности действий (план), строгое исполнение которых приводит к решению поставленной задачи за конечное число шагов.
Алгоритмизация — процесс разработки гшгоритма (плана действий) для решения задачи.
Аппаратное обеспечение персонального компьютера — система взаимосвязанных технических устройств, выполняющих ввод, хранение, обработку и вывод информации.
Бит — наименьшая единица измерения объема информации.
Буфер обмена — область памяти, которая служит для временного хранения данных, предназначенных для обмена.
В
Время доступа, или быстродействие, памяти — время, необходимое для чтения из памяти либо записи в нее минимгшьной порции информации.
Вспомогательный алгоритм — алгоритм, который можно использовать в других алгоритмах, указав его имя и если имеются значения параметров.
Входная информация — информация, которую получает человек или устройство.
Выходная информация — информация, которая получается после обработки человеком или устройством.
Глобальная сеть — объединения компьютеров, расположенных на удаленном расстоянии, для общего использования мировых информационных ресурсов.
Словарь терминов
407
Графический интерфейс — пользовательский интерфейс, в котором для взаимодействия человека и компьютера применяются графические средства. .
Д
Документ — объект, созданный в приложении.
Драйвер устройства — программа, управляющая работой конкретного устройства ввода-вывода информации.
3
Задача — приложение, которое использует или ожидает использования ресурсов компьютера: оперативной памяти, процессора, внешних устройств.
Запись (сохранение) информации в памяти — процесс размещения информации по заданному адресу для хранения.
И
Инструменты прикладной среды — совокупность средств прикладной среды для работы с документом и его объектами.
Интерфейс — совокупность средств и правил, которые обеспечивают взаимодействие устройств, программ и человека.
Информационная модель — целенаправленно отобранная информация об объекте, представленная в некоторой форме.
Информационная технология — информационный процесс, в результате которого создается информационный продукт.
Исполнитель — объект, который выполняет алгоритм.
К
Класс — группа объектов с одинаковым набором характеристик.
Классификация — распределение объектов на классы и подклассы на основании общих признаков.
Код — набор символов (условных обозначений) для представления информации.
Кодирование — процесс представления информации в виде кода.
408
Словарь терминов
Коммуникационная среда — это совокупность условий обмена информацией.
Компьютерная модель — модель, реализованная средствами программной среды.
Корпоративная сеть — объединение локальных сетей в пределах одной корпорации.
Л
Линейный (последовательный) алгоритм — алгоритм, в котором действия выполняются последовательно одно за другим.
Логика — наука о законах и формах мышления.
Локальная сеть — соединение компьютеров, расположенных на небольших расстояниях друг от друга.
м
Моделирование — исследование объектов путем построения и изучения их моделей.
Модель — ангиюг (заместитель) оригинала, отражающий некоторые его характеристики.
Модем — устройство, производящее модуляцию (преобразование цифровых сигналов в аналоговые) и демодуляцию (преобразование аналоговых сигналов в цифровые).
н
Носитель — материальный объект, способный хранить информацию.
Носитель информации — материальный объект, предназначенный для хранения и передачи информации.
О
Объект — некоторая часть окружающего мира, рассматриваемая человеком как единое целое.
Объем (емкость) памяти — максимальное количество хранимой в ней информации.
Окно — обрамленная часть экрана, в которой отображается приложение, документ или сообщение.
Словарь терминов
409
Оперативная память — устройство для хранения программ и данных, которые обрабатываются процессором в текущем сеансе работы.
п
Память компьютера — совокупность устройств для хранения информации.
Папка — объект Windows, предназначенный для объединения файлов и других папок в группы.
Параметр — признак или величина, характеризующая какое-либо свойство объекта и принимающая различные значения.
Плотность записи — объем информации, записанной на единице длины дорожки.
Пользовательский интерфейс — комплекс программ, обеспечивающих взаимодействие пользователя и компьютера.
Постоянная память — устройство для долговременного хранения программ и данных.
Прикладная среда — компьютерная среда, формируемая прикладными программами.
Приложение — одна или несколько взаимосвязанных программ, которые используются для создания компьютерных объектов: текстов, рисунков, программ и т. п.
Принцип открытой архитектуры — правила построения компьютера, в соответствии с которыми каждый новый узел (блок) должен быть совместим со старым и легко устанавливаться в том же месте в компьютере.
Программа — упорядоченная последовательность команд (инструкций), необходимых компьютеру для решения поставленной задачи.
Программирование (кодирование) — процесс составления программы для компьютера.
Программное обеспечение компьютера — совокупность всех используемых в компьютере программ.
410
Словарь терминов
Производительность компьютера — характеристика, показывающая скорость выполнения компьютером операций обработки информации.
Процедура — вспомогательная программа, которая вызывается из другой программы.
Процессор — устройство, обеспечивающее преобразование информации и управление другими устройствами компьютера.
Р
Разветвляющийся алгоритм — алгоритм, содержащий структуру ветвления.
Региональная сеть — объединение компьютеров и локальных сетей для решения общих проблем регионального масштаба.
Редактирование — процесс внесения изменений в документ.
С
Связь — отношение между объектами, когда изменение параметров одного объекта приводит к изменению параметров другого объекта.
Сетевые адаптеры (сетевые карты) — технические устройства, выполняющие функции сопряжения компьютеров с кгшалами связи.
Система — совокупность взаимосвязанных объектов, воспринимаемая как единое целое.
Система счисления — совокупность приемов и правил записи чисел с помощью определенного набора символов.
Составной документ — документ, в котором объединены данные, созданные в разных приложениях.
Среда — условия существования объекта.
Тест — набор исходных данных, позволяющий определить правильность построения модели.
Тестирование — процесс проверки правильности построения модели.
Тело цикла — описание действий, повторяющихся в цикле.
Словарь терминов
411
Условие — выражение, находящееся между словом «если» и словом «то» и принимающее значение «истина» или «ложь».
Устройства ввода — аппаратные средства для преобразования информации из формы, понятной человеку, в форму, воспринимаемую компьютером.
Устройства вывода — аппаратные средства для преобразования компьютерного (машинного) представления информахщи в форму, понятную человеку.
Устройство внешней памяти (накопитель) — физическое приспособление, позволяющее производить считывание и запись информации на соответствующий носитель.
Ф
Файл — объект в виде совокупности данных, хранящихся во внешней памяти компьютера.
Форматирование — процесс представления внешнего вида документа или отдельных его объектов в требуемой форме.
Форматирование диска — процесс магнитной разметки диска на дорожки и секторы.
Ц
Циклический алгоритм — алгоритм, содержащий типовую конструкцию «цикл».
ч
Чтение (считывание) информации из памяти — процесс получения информации из ячеек памяти, расположенных по заданному адресу.
Содержание
Введение.......................................................3
Раздел 1. Информационная картина мира..........................5
Тема 1. Понятие об информации..................................8
1.1. Что такое информация..................................8
1.2. Восприятие информации.................................9
1.3. Свойства информации..................................12
Тема 2. Представление информации..............................16
2.1. Форма и язык представления информации................16
2.2. Кодирование информации...............................18
2.3. Представление информации в компьютере................21
Тема 3. Информационная деятельность человека..................28
3.1. Сбор информации......................................28
3.2. Обработка информации.................................29
3.3. Передача информации..................................32
3.4. Хранение информации..................................34
3.5. Поиск информации.....................................35
3.6. Защита информации....................................36
Тема 4. Информационные процессы...............................40
4.1. Понятие о процессе...................................40
4.2. Информационные процессы в обществе...................41
4.3. Информационные процессы в живой природе..............43
4.4. Информационные процессы в технике....................44
4.5. Информационные технологии............................45
4.6. Персональный компьютер — основное техническое средство
информационной технологии.................................47
Содержание
413
Тема 5. Информационные основы процессов управления.................50
Тема б. Представление об объектах окружающего мира.................56
6.1. Что такое объект........................................ 56
6.2. Свойства и параметры объекта.............................58
6.3. Действие как характеристика объекта......................62
6.4. Среда существования объекта..............................66
Тема 7. Представление о модели объекта.............................71
7.1. Понятие модели...........................................71
7.2. Информационная модель объекта............................75
7.3. Примеры информационных моделей объектов..................77
Тема 8. Представление о системе объектов...........................81
8.1. Отношения объектов.......................................81
8.2. Связи объектов...........................................86
8.3. Понятие о системе........................................89
8.4. Информационная модель системы............................93
Тема 9. Основы классификации (объектов)...........................102
9.1. Классы и классификация..................................102
9.2. Основание классификации.................................104
9.3. Наследование свойств....................................107
9.4. Примеры классификации различных объектов................108
9.5. Классификация компьютерных документов...................111
Тема 10. Классификация моделей....................................116
10.1. Виды классификации моделей.............................116
10.2. Классификация моделей по способу представления.........119
10.3. Инструменты моделирования..............................126
Тема 11. Основные этапы моделирования.............................129
11.1. Место моделирования в деятельности человека............129
11.2. Постановка задачи......................................134
11.3. Разработка модели......................................142
11.4. Компьютерный эксперимент...............................150
11.5. Анализ результатов моделирования.......................152
414
Содержание
Раздел 2. Программное обеспечение
информационных технологий.........................
Тема 12. Алгоритмы...............................................157
12.1. Понятие алгоритма.....................................157
12.2. Свойства алгоритмов...................................160
12.3. Формы представления алгоритма.........................166
12.4. Линейный алгоритм.....................................172
12.5. Разветвляющийся алгоритм..............................174
12.6. Циклический алгоритм..................................178
12.7. Вспомогательный алгоритм..............................186
12.8. Стадии создания алгоритма.............................189
Тема 13. Представление о программе. Классификация программ. . . 195
13.1. Исполнитель алгоритма.................................195
13.2. Понятие программы.....................................197
13.3. Подходы к созданию программы........................ . 199
13.4. Классификация программного обеспечения................203
Тема 14. Системная среда Windows.................................210
14.1. Назначение системной среды Windows....................210
14.2. Представление о файле.................................211
14.3. Представление о папке.................................216
14.4. Программа Проводник...................................219
14.5. Графический интерфейс и его объекты...................222
14.6. Приложение и документ.................................230
14.7. Организация обмена данными............................233
Тема 15. Общая характеристика прикладной среды...................242
15.1. Роль и назначение прикладной среды....................242
15.2. Особенности прикладных сред Windows...................247
15.3. Структура интерфейса прикладной среды.................252
15.4. Редактирование документа..............................256
15.5. Форматирование документа..............................259
15.6. Общая характеристика инструментов прикладной среды....265
Содержание
415
Раздел 3. Техническое обеспечение
информационных технологий...........................271
Тема 16. Компьютер как средство обработки информации............273
Тема 17. Микропроцессор.........................................276
Тема 18. Устройства памяти......................................280
18.1. Назначение и основные характеристики памяти..........280
18.2. Внутренняя память....................................284
18.3. Внешняя память.......................................287
Тема 19. Устройства ввода информации............................298
19.1. Классификация устройств ввода........................298
19.2. Клавиатура...........................................300
19.3. Манипуляторы.........................................302
19.4. Сенсорные устройства ввода...........................305
19.5. Устройства сканирования..............................306
19.6. Устройства распознавания речи........................308
Тема 20. Устройства вывода......................................309
20.1. Классификация устройств вывода...................... 309
20.2. Мониторы.............................................310
20.3. Принтеры.............................................313
20.4. Плоттеры.............................................316
20.5. Устройства звукового вывода..........................317
Тема 21. Взаимодействие устройств компьютера....................319
21.1. Структурная схема компьютера.........................319
21.2. Системный блок и системная плата.....................320
21.3. Системная шина.......................................322
21.4. Порты................................................324
21.5. Прочие компоненты системной платы....................327
21.6. Представление об открытой архитектуре компьютера.....328
Тема 22. Аппаратное обеспечение компьютерных сетей............330
22.1. Виды компьютерных сетей..............................330
22.2. Каналы связи для обмена информацией между компьютерами . . . 335
416
Содержание
22.3. Назначение сетевых адаптеров........................337
22.4. Назначение модема...................................338
22.5. Роль протоколов при обмене информацией в сетях......340
Тема 23. Логические основы построения компьютера...............343
23.1. Основные понятия алгебры логики.....................343
23.2. Логические выражения и логические операции..........346
23.3. Составление таблиц истинности по логической формуле.353
23.4. Некоторые законы булевой алгебры....................354
23.5. Определение логического выражения по таблице истинности . . . 358
23.6. Логические элементы и основные логические устройства
компьютера.............................................. 362
Тема 24. История развития компьютерной техники.................367
24.1. Счетно-решающие средства до появления ЭВМ...........367
24.2. Первое поколение ЭВМ................................371
24.3. Второе поколение ЭВМ................................374
24.4. Третье поколение ЭВМ................................376
24.5. Четвертое поколение ЭВМ.............................378
Тема 25. Классификация компьютеров по функциональным
возможностям............................................381
Тема 26. Класс больших компьютеров.............................385
26.1. Серверы.............................................385
26.2. Суперкомпьютеры.....................................387
Тема 27. Класс малых компьютеров...............................391
27.1. Персональные компьютеры.............................391
27.2. Портативные компьютеры..............................394
27.3. Промышленные компьютеры.............................395
Тема 28. Перспективы развития компьютерных систем..............397
Словарь терминов............................................. 406
ИНФОРМАТИКА и ИКТ
УЧЕБНИК
8-9
Спрашивайте в магазинах вашего города
учебники по информатике и ИКТ
под редакцией профессора Н. В. Макаровой
ИНФОРМАТИКА' N ИКТ
г
ИНФОРМАШКА
иИКТ
УЧЕБНИК
8-9
Щ
10
{»1
{Бавовын 1 урЬкенк 1
У ■ .ь J
ПРОГРАММА
по кч»ор«||А7М'а
мИКТ
5-11
класс
КОМПЬЮТЕРНОЕ
дЕлолРоизесмъство
: 1ЧЕ» \ ■
Г;ь
W/»/- -
v'y) J
am
ЦрЯИНВ Наталья Владимировна
Макарова — заслуженный Ш работник высшей школы РФ,
^ профессор, доктор педагогических наук,
J*"ml ' кандидат технических наук,
^ - академик Международной академии наук высшей школы. Руководитель авторского коллектива преподавателей Санкт-Петербурга, которые постоянно работают над совершенствованием учебно-методического комплекта по информатике с 1997 г.
Имеет большой опыт преподавания для различных категорий учащихся.
Автор более 250 печатных работ, из них порядка 35 книг. Область научных интересов — информационные системы и технологии в экономике и образовании, информатика и методика преподавания информатики, компьютерное моделирование, управление проектами.
В 2009 г. вышло бесплатное DVD-приложение к комплекту
с дополнительными методическими материалами, видеоуроками и полезными программами.
Всю информацию о комплекте можно узнать на сайте https://makarova.piter.eom
С^ППТЕР
Заказ книг:
ISBN 978-5-91180-198-4
785911
801984
197198, Санкт-Петербург, а/я 619, тел.: (812) 703-73-74, [email protected] 61093, Харьков-93, а/я 9130, тел.: (057) 758-41-45, 751-10-02, piter@Kharkov
www.piter.com — вся информация о книгах и веб-магазин