И. И. Сильванович аппаратные и программные средства икт курс лекций

И.И. Сильванович
АППАРАТНЫЕ И ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА ИКТ
Курс лекций

1. Информация
Наука Информатика изучает информацию, способы ее представления, передачи, хранения и обработки. Информация - это сведения об окружающем нас мире, предназначенные для передачи другому лицу или для восприятия.

Информация передается с помощью языков. Языки бывают человеческими (русский, немецкий, английский, и другие), языки мимики и жеста, языки живописи, музыки, компьютерных языки.

Раньше главным средством хранения информации были книги. Сейчас основным средством хранения информации является компьютер. Компьютер - устройство, предназначенное для хранения и обработки информации. Информация в компьютерном виде занимает гораздо меньше места, по сравнению с книгами. Искать информацию на компьютере гораздо удобнее, чем в книгах. С помощью современных компьютеров можно производить сложные математические расчеты, писать разные тексты, создавать рисунки и чертежи, управлять различными процессами, слушать музыку и смотреть фильмы, играть в игры.

Важнейшим свойством информации является ее количество. Отсутствие информации о предмете называется неопределенностью. Когда мы ничего не знаем о предмете, то неопределенность равна 100%. Когда мы начинаем узнавать о предмете, неопределенность уменьшается.

2. Двоичный код
Информация представлена в компьютере в двоичном коде, то есть в виде нулей и единиц. Например, число 13 будет записано в память компьютера в виде кода 1101. Применение в компьютере такой системы обусловлено исключительно соображениями экономии: ведь числа в компьютере - это электрические сигналы. В двоичной системе - два знака, следовательно требуется только два разных электрических сигнала. Обычно двоичный ноль заменяют электрическим сигналом в 2,5 Вольта, а двоичную единицу – электрическим сигналом в 5 Вольт. В случае использования десятичной системы потребовалось бы десять различных электрических сигналов, что в конечном итоге привело бы к сильному усложнению конструкции компьютера и к его удорожанию.

Любой двоичный знак - 0 или 1 - содержит в себе 1 Бит информации (Bit - Binary Digit). Последовательность из 8-ми любых двоичных знаков, т.е. 8 Бит называют словом Байт (Byte). Применительно к вычислительной технике обычно подразумевают большие объемы данных. 2¹⁰ Байт или, что то же самое, 1024 Байт называют 1 кБайт (читается как «КИЛОБАЙТ»). Следует сразу заметить, что приставка “кило”, заимствованная из системы СИ, обозначает здесь вовсе не 10³=1000, а 2¹⁰=1024. Эта приставка была использована просто в силу схожести своего значения в СИ с числом 1024. Аналогично 1024 Кбайт - это 1 Мбайт, хотя приставка “мега”, вновь имеет значение не 10³, а 2¹⁰.

Итак:

любой двоичные знак (0 или 1) содержит 1 Бит информации.
8 Бит = 1 Байт.
1024 Байт = 1 кБайт.
1024 кБайт = 1 мБайт.
1024 мБайт = 1 гБайт.

Запомните, что один (любой) символ текста (буква, знак или пробел) всегда содержит в себе 8 бит или 1 Байт информации.
Попробуем оценить объём информации на нескольких примерах…

Задача 1: Сколько информации содержит двоичный код 1001111010100?

Правильный ответ: 13 бит

Задача 2: Сколько информации содержит слово ИНФОРМАТИКА? Ответ: 11 Байт или 88 бит.

Задача 3: Какое количество информации содержит одна страница книги, в которой 60 строк по 50 знаков в каждой? Поскольку на нашей странице книги 60*50=3000 знаков, то информационный объём страницы составит 3000*8=24000 бит.

А сколько это будет в Байтах? 24000/8=3000 Байт

А сколько это будет в кБайтах? 3000/1024=2,93 кБайт
Попробуйте решить следующие задачи самостоятельно:

1. Сколько бит информации в слове ТЕХНО?

2. Сколько информации (бит, байт, кБайт) содержит страница книги на которой 40 строк по 50 знаков в каждой?

3. Сколько целых страниц из предыдущей задачи можно записать на одну дискету, если её информационный объём составляет 1, 4 мБайт?

3. История развития компьютеров
Эра компьютеров (или ЭВМ - Электронно-Вычислительных Машин, как их раньше называли) началась в 1946 году, когда в США заработал первый компьютер ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer), созданный исключительно для военных целей, а точнее – для расчетов траектории полёта снаряда. Он содержал 18 000 электронных ламп, потреблял 150 кВт энергии и занимал собой целый зал. Уже в этом компьютере были заложены все основные принципы, используемые и в современной компьютерной технике: двоичная система счисления, логические элементы, программный принцип работы.

Историю компьютеров принято делить на поколения. Главным фактором отличающим одно поколение от другого являлась элементная база, используемая в компьютерах (то есть то техническое новшество, которое применялось в данном поколении, но которого не было в предыдущем). А элементная база, в свою очередь, определялась уровнем научно-технического развития тех лет. Всего можно выделить четыре основных поколения вычислительных машин.

Основным элементом компьютеров первого поколения (1946 - 1960) являлась электронная лампа, остальные элементы электронной аппаратуры - это обычные резисторы, конденсаторы, трансформаторы. Машины первого поколения имели значительные размеры, потребляли большую мощность, имели малый объем оперативной памяти. Однако в них были заложены основы логического построения машин и продемонстрированы возможности цифровой вычислительной техники. В первых машинах ввод данных производился путём соединения проводами нужных контактов. В более поздних моделях, в качестве устройств ввода и вывода информации использовались перфокарты и перфоленты. (Не надо забывать, что тогда компьютеры использовались ТОЛЬКО для расчетов!)

На смену ламп в машинах второго поколения (1960 - 1964) пришли транзисторы - миниатюрные электронные приборы, выполняющие функции сохранения и преобразования информации. Транзисторные машины обладали бόльшим быстродействием и оперативной памятью по сравнению со своими предшественниками, имели меньшие размеры. Особенностью компьютеров этого поколения - конструктивное разнообразие в зависимости от их применения. В период развития машин этого поколения появились мультипрограммные компьютеры. В них была реализована возможность одновременного выполнения нескольких программ за счет параллельной работы основных устройств машины. В качестве устройств ввода - вывода данных использовались магнитные ленты.

Третье поколение (1964 - 1970) характеризуется широким применением интегральных схем (чипов) и многослойного печатного монтажа. Чип - это крошечная пластина, на которой выполнены и транзисторы, и все необходимые соединения между ними. Для ввода - вывода и хранения информации впервые стали применяться жесткие диски.

Для машин четвертого поколения (1970 - настоящее время) характерно применение больших интегральных схем (БИС). Одна такая схема заменяла теперь целую плату из машин предыдущего поколения. В этих машинах отчетливо проявилась тенденция к созданию компьютеров в соответствии с единым стандартом. Ярким выражением такой тенденции явилось производство и развитие ЕС ЭВМ - Единой Системы Электронно-Вычислительных Машин. В производстве ЕС ЭВМ приняли участи все развитые страны Европы и Америка. Первые модели ЕС ЭВМ сошли с конвейера в 1972 году.

4. Типы современных компьютеров
Все компьютеры, о которых шла речь выше, представляли собой очень мощные, но весьма крупногабаритные устройства. Как правило, процессоры, память и устройства для сохранения информации находились в отдельном помещении, а в другом помещении был оборудован так называемый дисплейный класс (несколько мониторов с клавиатурами) и сразу несколько пользователей могли одновременно вводить и выполнять свои программы. Ясно, что такие «крупные» компьютеры могли себе позволить только различные научные институты, военные ведомства или учебные заведения. Но не рядовые пользователи…

С появлением в начале 70-х годов микропроцессоров (интегральных схем, аналогичных по своим функциям процессору большого компьютера, но имевшим меньшую скорость работы) начал развиваться новый класс вычислительных машин - микрокомпьютеры. По функциональному назначению выделяют три типа микрокомпьютеров:

встраиваемые микрокомпьютеры - блоки для применения в различных бытовых приборах (например, в стиральных машинах и печках СВЧ), в системах контроля и управления производством, в станках и приборах (например, в станках с числовым программным управлением);
программируемые микрокалькуляторы, ориентированные для выполнения научных и инженерных расчетов (в таких калькуляторах можно ввести программу на одном из языков программирования и выполнить ее);
персональные компьютеры - малогабаритные компьютеры, в которых конструкция, состав внешних устройств и программное обеспечение ориентированны на работу с одним пользователем.

Первый персональный компьютер появился в 1975 году. Он был выпущен фирмой MITS, назывался “Altair 8800” и стоил 500 $. Компьютер был создан на базе микропроцессора Intel 8080, произведенного фирмой Intel, дальше всех продвинувшейся в это время в производстве чипов процессоров и памяти.

Все возрастающая популярность персональных компьютеров (напрямую связанная с их относительной дешевизной) постепенно привела к падению спроса на большие компьютеры. Сейчас их можно увидеть только на некоторых крупных предприятиях и в специализированных центрах, где требуются компьютерные станции, более мощные, чем персональный компьютер. Ярким примером таких больших компьютеров служат серверы Интернета, большинство из которых находится в учебных заведениях на территории США.

Первопроходцами в производстве персональных компьютеров стали американские фирмы IBM - International Business Machines Corporation (компьютеры IBM) и Apple (компьютеры Macintosh). Они и по сей день остаются главными конкурентами: все зависит от вкусов жителей той или иной страны – если у нас более популярны компьютеры IBM, то в Японии, например, бόльшая часть населения предпочитает компьютеры Macintosh.

Первый компьютер IBM PC на базе процессора Intel 8086 появился в 1981 году. Операционную систему под названием MS-DOS для этого компьютера разработала малоизвестная в то время фирма Microsoft. Фирме IBM в партнерстве с Microsoft удалось в борьбе за покупателя намного опередить своих соперников. В результате вскоре бόльшая часть различных прикладных программ, выпускаемых фирмами-производителями программного обеспечения, была переориентирована именно на этот тип машин. Другие фирмы, производящие компьютеры, были вынуждены создавать машины, идентичные по архитектуре с IBM-компьютерами (они получили название IBM-совместимые), чтобы и на них можно было использовать то же самое программное обеспечение. А сделать это было нетрудно, ведь фирма IBM секретов устройства своей техники не скрывала: при производстве IBM-компьютеров изначально был использован принцип открытой архитектуры, то есть свободного доступа к документации по устройству компьютеров. В итоге любая фирма, специализирующаяся на производстве периферийных устройств, могла создавать принтеры, мыши и прочее оборудование, подключаемое к IBM-компьютерам. Принцип открытой архитектуры стал главным шагом к успеху IBM-компьютеров на потребительском рынке.

В течении 80-х годов прошлого века компьютер превратился из вычислителя (каким он был первоначально задуман) в многофункциональное устройство. В 80-е и 90-е годы были разработаны текстовые и графические редакторы, электронные таблицы, базы данных и другие программы, облегчающие подготовку и создание документов, проведение расчетов, обработку графических изображений. Все это обеспечило повсеместный успех персональных компьютеров среди пользователей всего мира.
5. Внутренняя архитектура компьютера и двоичные коды
Несмотря на то, что существует много разных типов компьютеров, все они построены на основе единой принципиальной схемы. Мы будем изучать внутреннее устройство (архитектуру) компьютера на примере IBM-компьютеров (компьютеров, производимых фирмой IBM).

Компьютер состоит из следующих основных блоков: процессора, основной памяти и периферийных устройств (клавиатура, монитор, дисковод, принтер и другие). Все блоки связаны между собой системной магистралью (шиной).

6. Основная память компьютера
Основную память компьютера обычно называют памятью с произвольным доступом (Random Access Memory - RAM). Основная память состоит из отдельных ячеек. Процессор может записывать в ячейки данные или считывать данные из них. Для того, чтобы при обращении к ячейкам памяти можно было отличить одну ячейку от другой, каждая из них имеет собственное имя-адрес, представляющее собой целое число. Нумерация ячеек памяти всегда начинается с нуля.

Ячейка памяти состоит из одного или нескольких регистров. Регистр - это устройство для временного запоминания информации в двоичном виде. Запоминающим элементом в регистре является триггер - устройство, которое может находиться в одном из двух состояний, одно из которых соответствует запоминанию двоичного нуля, другое - запоминанию двоичной единицы. Триггер представляет собой крошечный конденсатор-батарейку, который можно заряжать множество раз. Если такой конденсатор заряжен - он как бы запомнил значение “1”, если заряд отсутствует - значение “0”. Регистр содержит несколько связанных друг с другом триггеров. Число триггеров в регистре называется разрядностью компьютера. Быстродействие (скорость работы) компьютера напрямую связана с разрядностью, которая, в зависимости от типа компьютера, бывает 8, 16, 32 и 64.

В основную память с диска или дискет загружаются (копируются) программы, которые выполняются в данный момент. Это значит, что когда Вы запускаете какую-либо компьютерную программу, находящуюся на диске, она копируется в основную память, после чего процессор начинает последовательно выполнять команды, из которых состоит эта программа. При отключении питания компьютера все загруженные в основную память программы стираются, поэтому основная память считается энергозависимой памятью. В первых моделях персональных компьютеров оперативная память составляла всего 1 мБайт. Современные компьютерные программы часто требуют для своего выполнения не менее 32 мБайт в основной памяти; в противном случае они просто не запускаются.

Часть основной памяти содержит блок, называемый «ПЗУ – постоянное запоминающее устройство» или «Базовая система ввода-вывода» (ROM BIOS – Read Only Memory Basic Input-Output System). В этом блоке постоянно хранится информация, которая записывается туда при изготовлении компьютера; изменить или стереть эти данные нельзя. В ПЗУ находятся:

тестовые программы, проверяющие при каждом включении компьютера правильность работы его блоков; если какой-либо блок, например клавиатура или дисковод, отключены или не работают, то при загрузке на экран будет выведена соответствующая информация.
программы для управления основными периферийными устройствами - клавиатурой, дисководами для дискет и жестких дисков, монитором. Такие программы называются драйверы. При включении компьютера они считываются из ПЗУ и загружаются в основную память, где и находятся постоянно, пока компьютер работает.
информация о том, где на диске расположена операционная система, которую следует при включении компьютера прочитать с диска и загрузить в основную память. Операционная система - это программа, управляющая работой компьютера и позволяющая человеку совершать различные действия с данными на дисках - удалять их, копировать с диска на диск, запускать на выполнение различные программы и т.п. Операционная система находится, как правило, на жестком диске. При включении компьютера операционная система загружается (копируется) с диска в основную память и находится там в течении всего времени работы. Для IBM-компьютеров наиболее популярными являются операционные системы MS-DOS (Microsoft Disc Operating System) и Windows. Существуют и другие операционные системы, например UNIX, OS/2, Linux.

7. Устройство процессора
Основная работа процессора заключается в выполнении программы, которая загружена в данный момент в основную память. Сама программа состоит из отдельных команд. Для каждой отдельной команды процессор выполняет следующие действия::

считывание этой команды из памяти;
выполнение действий, указанных в этой команде (такими действиями могут быть выполнение арифметических и логических операций над данными, вывод информации на экран и другие).

Совокупность этих двух действий называется машинным циклом.

Процессор состоит из следующих блоков:

Устройство управления (УУ) управляет работой различных устройств компьютера, в зависимости от тех действий, которые указанны в выполняемой программе. Например, если выполняется команда вывода информации на экран, то УУ посылает сигналы на монитор; если выполняется команда по сложению данных, то УУ посылает сигнал в арифметическо - логическое устройство.
Арифметическо - логическое устройство (АЛУ) осуществляет арифметические вычисления поступающих данных в соответствии с выполняемой командой.
Несколько регистров, имеющихся в процессоре, используются как временная память для хранения обрабатываемых в АЛУ данных и для хранения результата их обработки и как временная память при пересылки данных из одного блока процессора в другой;

Главной характеристикой процессора является его тактовая частота - количество машинных циклов, выполняемых им за 1 секунду (1/с=Гц). Первый процессор i8086, произведённый фирмой Intel для IBM-компьютеров, мог выполнять не более 10 млн. операций в секунду, то есть его тактовая частота была равна 10 мГц. Тактовая частота процессора i80386 составляла уже 33 мГц, а процессора i486 - 50 мГц. Различные модели процессора Pentium I производили от 75 до 200 млн. операций в секунду, а современные процессоры работают со частотой более 1 гГц.
8. Материнская плата и системная магистраль
Процессор и основная память находятся на большой плате, которая называется материнская плата. Для подключения к материнской плате различных дополнительных периферийных устройств (дисководы, мышь, принтер, сканер и другие) на ней находятся специальные дополнительные платы - контроллеры. Причем для каждого периферийного устройства служит свой собственный контроллер. Эти контроллеры вставляются в слоты (разъемы, гнёзда) на материнской плате, а к другому их концу - порту, выходящему наружу компьютера, подключается само периферийное устройство. Большинство портов сосредоточено на задней стенке компьютера.

Все блоки компьютера соединяются системной магистралью (шиной) - набором проводов, передающих электрические сигналы от одного блока компьютера к другому. Шина (Bus) состоит из шины данных, шины адресов и шины управления. Шина адресов служит для передачи адреса конкретной ячейки памяти или адреса периферийного устройства (все устройства компьютера, будь то принтер или дисковод, имеют свой собственный адрес, так же, как и ячейки памяти). Шина данных служит для передачи данных (содержание ячеек памяти, информация от или для внешнего устройства). Шина управления передает специальные управляющие сигналы, которые указывают ЧТО надо делать с передаваемыми данными – записывать в ячейку или устройство или наоборот - считывать.

9. Периферийные устройства
Периферийные устройства - это устройства, с помощью которых информация или вводится в компьютер, или выводится из него. Их так же называют внешними устройствами или устройствами ввода - вывода данных. Условно их можно разделить на основные, без которых работа компьютера практически не возможна, и прочие, которые подключаются при необходимости. К основным относятся клавиатура, монитор и дисковод. По отношению к обрабатываемой информации периферийные устройства бывают устройствами ввода (клавиатура, мышь, сканер и другие), устройствами вывода (монитор, принтер и другие) и комбинированными ввода-вывода (дисководы).
10. Клавиатура
Клавиатура служит для ввода текстовой информации. Внутри нее имеется специальный блок - шифратор, который преобразует сигнал от нажатой клавиши в соответствующий данному знаку двоичный код, который затем поступает в компьютер.
11. Монитор и видеосистема компьютера
Видеосистема состоит из монитора (дисплея) и специальной платы под названием видеоконтроллер (видеоадаптер; видеокарта), к которой монитор и подключается.

Основной частью монитора является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ). Любое текстовое или графическое изображение на экране формируется следующим образом: из электронной пушки формируются лучи трех цветов (красный, зелёный и синий) которые, смешиваясь, окрашивают точки внутренней поверхности экрана в определенные цвета (изнутри экран покрыт специальным веществом – люминофором, которое светится при попадании на него луча). Изображение, появляющееся на экране, периодически обновляется (частота смены кадра в современных моделях обычно составляет не менее 72 Гц). Мониторы работают в текстовом и графическом режимах. В текстовом режиме на экран выводятся символы теста. В графическом режиме изображение формируется из отдельных “точек” - пикселов. Количество пикселов по вертикали и горизонтали экрана называется разрешающей способностью монитора (например, 1024 х 786). Количество цветов, которые может показать видеосистема, называется палитрой. За размер монитора принимают длину диагонали его экрана.

При работе мониторов возникает вредное для человека высоко и низко - частотное излучение (максимально направленное от задней стенки монитора). Это излучение отсутствует в моделях мониторов на основе жидких кристаллов (LCD-мониторы). В этих мониторах изображение не обновляется, а «висит» на экране постоянно. Под стеклянным экраном находится тончайший слой жидких кристаллов, а сзади них – белый экран с яркой лампой. Под воздействием электрических сигналов, кристаллы меняют своё положение и преломляют свет, направленный на них изнутри монитора, тем самым окрашивая белый луч света в другие цвета.
12. Внутренние устройства сохранения информации
Для сохранения информации в компьютере ее записывают на жесткие и гибкие магнитные диски. Запись основана на способности некоторых материалов, содержащих в своей основе железо, сохранять остаточную намагниченность после кратковременного воздействия на них магнитного поля. Запись информации на дискету или магнитный диск производит дисковод (накопитель на магнитных дисках), который состоит из мотора, служащего для вращения диска, и специальной читающей и записывающей магнитной головки.

Магнитные диски устроены следующим образом. На обеих сторонах диска имеются отдельные дорожки, каждая из которых замкнута в кольцо. Каждая дорожка имеет свой порядковый номер: нулевая дорожка находится у самого края диска. Дорожки разбиты на отдельные части - сектора по 512 Байт каждый. Например, стандартная 3-х дюймовая дискета имеет с каждой стороны по 80 дорожек с 18 секторами на каждой; значит ее информационный объем может составлять не более 1,44 мБайта. Двоичные нули и единицы записываются на дорожки в виде двух по разному намагниченных участков. Отличие жесткого диска от гибкого заключается, помимо прочего в том, что отдельные сектора на его дорожках объединены в кластеры (обычно, по 8 секторов в каждом). Когда какой-либо файл записывается на жесткий диск, то ему всегда отводится ЦЕЛОЕ число кластеров.

следующая страница>