Тема: Технические средства реализации информационных процессов

1.     Основные этапы развития информационной техники

2.     Поколения ЭВМ

3.     Принципы фон Неймана, функциональная схема компьютера

4.     Состав ПК:

4.1.                     Системный блок

4.2.                     Внутренняя память

4.3.                     Внешние запоминающие устройства

4.4.                     Устройства ввода

4.5.                     Устройства вывода

5.     Перспективы развития ВТ

1.       Основные этапы развития информационной техники

История возникновения информационных технологий уходит своими корнями в глубокую древность. Важным стимулом к их развитию стала задача упрощения и ускорения вычислений; для ее решения и были разработаны первые вычислительные машины.

Основными этапами развития вычислительной техники являются:

1)    Ручной – с 50-го тысячелетия до н.э.;

2)    Механический – с середины 17 века;

3)    Электромеханический – с 90-х годов 19 века;

4)    Электронный – с 40-х годов 20 века.

1) Ручной период автоматизации вычислений начался на заре человеческой цивилизации. Он базировался на использовании пальцев рук и ног. В раскопках обнаружена так называемая «вестонская кость» с зарубками, похожими на зачатки счета, используемая около 30 тыс. лет до н. э. Счет с помощью группировки и перекладывания предметов явился предшественником счета на абаке – наиболее развитом четном приборе древности. Аналогом абака на Руси являются дошедшие до наших дней счеты. Использование абака предполагает выполнение вычислений по разрядам, т.е. наличие некоторой позиционной системы счисления.

Слева вы видите греко-римский абак, справа – русские счеты и аналоги этих приборов в Японии (серобян) и Китае (суань-пан)

Первые попытки создания машин для проведения арифметических расчетов относятся к эпохе Возрождения. Леонардо да Винчи (1452-1519) в начале XVI в. создал эскиз 13-разрядного суммирующего устройства с десятью зубчатыми кольцами. Хотя работающее устройство на базе этих чертежей было построено только в XX в. Специалисты известной американской фирмы IBM воспроизвели машину в металле, реальность проекта Леонардо полностью подтвердилась. Его суммирующую машину можно считать изначальной вехой в истории цифровой вычислительной техники. Это был первый цифровой сумматор, своеобразный зародыш будущего электронного сумматора – важнейшего элемента современных ЭВМ.

В начале 17 век шотландский математик Джон Непер (1550-1617) ввел таблицы логарифмов, что оказало революционное влияние на счет. Принцип их заключается в том, что каждому числу соответствует свое специальное число — логарифм. Логарифмы очень упрощают деление и умножение. Например, для умножения двух чисел достаточно сложить их логарифмы. Результат находят в таблице логарифмов. Изобретенная на основе изысканий Непера  логарифмическая линейка, успешно использовалась еще лет 20 назад, более 360 лет прослужив инженерам. Она, несомненно, является венцом вычислительных инструментов ручного периода автоматизации.

Джон Непер (1550-1617) - лорд, потомок старинного воинственного шотландского рода. Изучал логику, теологию, право, физику, математику, этику. Увлекался алхимией и астрологией. В 1614 году опубликовал свой знаменитый труд «Описание удивительных таблиц логарифмов». В 1617 году, незадолго до своей смерти, Непер изобрел математический прибор (бруски Непера), призванный облегчить арифметические вычисления. Помимо умножения, бруски Непера позволяли выполнять деление и извлечение квадратного корня.

2) Развитие механики в 17 веке стало предпосылкой создания вычислительных устройств и приборов, использующих механический способ вычислений. С XVII в. появляются уже реально работающие вычислительные машины; их главная особенность состояла в том, что алгоритм вы­полнения арифметических операций закладывался в само устройство. Вот наиболее значимые результаты, достигнутые на этом пути.

В 1623 г. немецкий ученый Вильгельм Шиккард создал 6-разрядное механическое устройство, с помощью которого можно было складывать и вычитать числа.

Вильгельм Шиккард (1592-1636) - профессор университета немецкого города Тюбинген построил первую "суммирующую машину". Причиной, побудившей Шиккарда разработать счетную машину для суммирования и умножения шестиразрядных десятичных чисел, было его знакомство с польским астрономом И. Кеплером. Ознакомившись с работой великого астронома, связанной в основном с вычислениями, Шиккард загорелся идеей оказать ему помощь в нелегком труде. В письме на его имя, отправленном в 1623 году, он приводит рисунок машины и рассказывает, как она устроена. К сожалению, данных о дальнейшей судьбе машины история не сохранила.

В 1642 г. французский философ и математик Блез Паскаль построил механическую 8-разрядную цифровую машину «паскалину», способную суммировать числа с соответствующим увеличением разрядов. Она должна была об­легчить работу отца Паскаля - налогового инспектора. Проводить на такой машине вычисления с многозначными числами было достаточно сложно, но изобретенный Паскалем принцип связанных колес стал основой для конструирования вычислительных устройств на протяжении трех столетий.

Блез Паскаль (1623-1662) - французский математик, физик, литератор и философ. Паскаль был первоклассным математиком. В 1654 году он переписывался с Пьером де Ферма по теории вероятностей, что впоследствии оказало принципиальное влияние на развитие современной экономики и социологии. В историю физики Паскаль вошел, установив основной закон гидростатики и подтвердил предположение Торичелли о существовании атмосферного давления. В честь Паскаля называется единица измерения давления системы СИ. Кроме того его имя носит один из языков программирования Pascal, а также способ расположения биномиальных коэффициентов в таблицу - треугольник Паскаля.

В 1673 г. известный немецкий философ и математик Лейбниц изобрел механический калькулятор - более совершенную счетную машину, спо­собную выполнять все основные арифметические действия. Работающая на базе двоичной системы счисления машина могла складывать, вычитать, умножать, делить и извлекать квадратные корни.

Готфрид Вильгельм фон Лейбниц (1646-1716) - немецкий (саксонский) философ и математик. Врождённый талант позволил молодому Лейбницу уже к 12 годам самостоятельно изучить латынь и взяться за изучение греческого языка. В 15-летнем возрасте Готфрид поступил в Лейпцигский университет. В 1666 году он защитил диссертацию по праву. В 1673 Лейбниц создал механический калькулятор, выполняющий сложение, вычитание, умножение и деление чисел.
     По предложению Лейбница в 1700 году основана Берлинская академия наук, в которой ему предоставили почётное место первого президента. Лейбниц, наряду с Ньютоном, создатель математического анализа - дифференциального и интегрального исчисления. Лейбниц также ввёл бинарную систему счисления с цифрами 0 и 1, на которой базируется современная компьютерная техника

В 1820 г. была выпущена первая промышленная партия цифровых счетных машин — арифмометров. В 1874 г. инженер из Петербурга В. Однер значительно усовершенствовал их конструкцию, предложив исполь­зовать для ввода чисел колеса с выдвижными зубьями (колеса «Однера»). Такой арифмометр позволял производить вычислительные операции со скоростью до 250 действий с четырехзначными цифрами в час.

Вильгодт Теофил Однер (1845-1903) - талантливый и разносторонний инженер-механик, родился в Швеции. В 1870 году переехал в Россию, в Санкт-Петербург, где руководил отделом Экспедиции заготовления государственных бумаг. В 1874 году Однер разработал надежную и удобную в эксплуатации счётную машину. Особенность конструкции арифмометра заключалась в применении зубчатых колес с переменным числом зубцов - "колес Однера".
     В 1890 году в С.-Петербурге на механическом заводе "Однер и Гиль" началось серийное производство арифмометров. Они широко применялись не только в России, но и за рубежом. В России арифмометры В.Т. Однера были популярны на протяжении многих лет и выпускались до конца 1960-х годов под марками "Оригинал Однер", "Союз", "Оригинал Динамо", "Москва", "Феликс".

Вполне возможно, что развитие цифровой техники вычислений ограничилось уровнем малых машин, если бы не открытие француза Жозефа Мари Жаккара, который в 1804 г. применил для управления ткацким станком для выработки крупноузорчатых тканей специальную карту с пробитыми в ней отверстиями (перфокарту). Машина Жаккара программировалась при помощи целой колоды перфокарт, каждая из ко­торых управляла одним ходом челнока; при переходе к новому рисунку оператор должен был заменять одну колоду перфокарт другой. Вскоре это открытие попытались использовать для создания принципиально новой счетной машины, выполняющей вычислительные операции без вмешательства человека.

Чарльз Бэббидж (1792-1871) был сыном богатого банкира из Девона (Англия) и очень талантливым математиком. Он обнаружил погрешности в таблицах логарифмов Непера и в 1821 г приступил к разработке своей вычислительной (разностной) машины. В эту машину вводилась информация на картах. Для выполнения ряда математических операций в машине применялись цифровые колеса с зубьями. Это было очень сложное, большое устройство. Оно предназначалось для автоматического вычисления логарифмов. Особенно трудно, оказалось, добиться точных расчетов. Британское правительство десять лет финансировало работы Бэббиджа, но затем потеряло к нему доверие и прекратило давать деньги.

Следующей работой Бэббиджа  как раз и стало создание аналитической машины, которая должна была стать первой универсальной вычислительной машиной выполняющей вычисления без участия человека.

В 1830 г. Чарльз Бэббидж разработал проект аналитической машины для выполнения разнообразных научных и технических расчетов. В этом проекте были предугаданы все основные устройства современной ЭВМ: запоминающее устройство, вычислительное устройство, устройство ввода с перфокарт и печатающее устройство. В качестве носителей информации при ее вводе и выводе Бэббидж предлагал исполь­зовать перфокарты. Управление машиной должно было осуществляться программным путем, поэтому впервые для написания таких программ потребовался программист. Первым программистом была англичанки Ада Ловлейс, в честь которой уже в наше время был назван язык программирования Ада.

Все устройства машины Бэббиджа, включая память, были механическими и содержали тысячи шестеренок, при изготовлении которых требовалась точность, недоступная в 19 в. Последние 37 лет жизни Бэббидж посвятил усовершенствованию аналитической машины. Он вкладывал в ее создание большие деньги и тяжело переносил полное отсутствие интереса со стороны общественности к своим работам. Умер Бэббидж в 1871 г, так и не закончив свой труд.

Ада Августа Лавлейс (1815-1842) - дочь английского поэта лорда Джорджа Гордона Байрона. Она с юных лет увлекалась музыкой, языками и точными науками. Одним из её учителей был выдающийся британский логик Август де Морган (1806-1871). Лавлейс помогала Чарльзу Бэббиджу в создании программ для его аналитической машины. Работая с Бэббиджем леди Ада Лавлейс разработала все основные принципы программирования, применяемые до сих пор. Впоследствии её именем назвали один из компьютерных языков - "Ада".

В 1985 г. сотрудники Музея науки в Лондоне решили выяснить наконец, возможно ли на самом деле построить вычислительную машину Бэббиджа. После нескольких лет напряженной работы старания увенчались успехом. В ноябре 1991 г. незадолго  до двухсотлетия со дня рождения знаменитого изобретателя, разностная машина впервые произвела серьезные вычисления. В октябре 1995 года одна из копий была продана на лондонском аукционе австралийскому музею электричества в Сиднее за $200,000.

В середине XIX в. английский математик Джордж Буль в своей работе «Законы мышления» (1854 г.) заложил основы современной математиче­ской логики. Ее формальный аппарат (логика высказываний), известный теперь как алгебра Буля, лежит в основе любой системы автоматической обработки данных, прежде всего в использующих двоичный код ком­пьютерах.

3) Электромеханический этап развития ВТ явился наименее продолжительным и охватывает около 60 лет – о первого табулятора Г. Холлерита до первой ЭВМ «ENIAC».

В XIX в. в США перепись населения проводилась каждые 10 лет. С ростом населения это стало весьма сложным процессом. Так, в 1887 г чиновники все еще подводили итоги переписи 1880 г. Многие разрабатывали методы более быстрого подсчета итогов.

В 1888 г. сотрудник национального бюро переписи населения США инженер Герман Холлерит сконструировал первую электромеханическую счетную машину. Эта машина, названная табулятором, могла считывать и обрабатывать записи, закодированные в виде пробивок на перфокартах. Два года спустя это изобретение было использовано во время 11-й аме­риканской переписи населения. Успех новой вычислительной машины оказался феноменальным. То, чем за 10 лет до этого 500 сотрудников занимались в течение 7 лет, Холлерит на 43 вычислительных машинах, каждую из которых обслуживал всего один человек, сделал за 4 недели. Это изобретение вскоре получило широкое распространение в Европе; перфорационная техника стала систематически использоваться для ста­тистических исследований.

Герман Холлерит (1860-1929) - разработал в 1884-1887 годы электрическую табулирующую машину, использованную в переписи населения США (1890-м и 1900-м годах) и России в 1897.     В 1896 году, окрыленный успехом, Холлерит зарегистрировал собственную фирму Tabulating Machine. Впоследствии эта фирма стала одной из тех, которые образовали компанию IBM.

В 1930 г. американский ученый Ванневар Буш разработал большой электромеханический аналог компьютера - дифференциальный анализа­тор. Машина, способная манипулировать 18 независимыми переменными, стала предвестником бурного развития электронной вычислительной техники. Это была первая машина, способная решать сложные дифференциальные уравнения, которые позволяли предсказывать поведение таких движущихся объектов, как самолет, или действие силовых полей, например, гравитационного поля. Роль Буша в истории компьютерных технологий очень велика, но наиболее часто его имя всплывает в связи с пророческой статьей "Пока мы мыслим" (1945), в которой он описывает концепцию гипертекста.

1936 г. Английский математик Алан Тьюринг и независимо от него Э. Пост выдвинули и разработали концепцию абстрактной вычислительной машины. Они доказали принципиальную возможность решения автоматами любой проблемы при условии возможности её алгоритмизации.

В 1937 г. Джордж Стибиц (США) впервые создал электромеханическое вычисляющее устройство, выполняющее операцию двоичного сложения — двоичный сумматор. Работа устройства базировалась на положениях ло­гики Буля, а роль логических вентилей играли электромеханические реле. Двоичный сумматор Стибица является в настоящее время неотъемлемой частью любой цифровой ЭВМ. В 1939 г. он же впервые организовал обмен информацией между вычислительным устройством и пользователями при помощи телетайпа.

В 1942 г. американский физик болгарского происхождения Джон Атанасофф и его коллега Клиф­форд Берри закончили работу над вычислительным устройством, рабо­тавшим на электронных лампах (для решения систем линейных уравнений), которое получило название машины Атанасоффа-Берри или АВС (Atanasoff Berry Computer). Это первая вычислительная машина, предназначенная для решения больших систем линейных уравнений. Она обеспечивала точность вычислений, в тысячу раз превышающую точность дифференциального анализатора Буша, счи­тавшегося в ту пору самым передовым вычислительным прибором. Не­которые идеи Атанасоффа не потеряли своей актуальности и по сей день (например, использование конденсаторов в запоминающих устройствах с произвольной выборкой, в том числе в оперативной памяти; регенерация конденсаторов; разделение памяти и вычислительного устройства).

Основываясь на идеях и изобретениях Беббиджа и Холлерита, группой американских инженеров во главе с Говардом Эйкеном в 1937—1943 гг. была спроектирована, а в 1944 г. представлена вычислительная машина под названием «Марк-1». Машина была основана на электромеханиче­ских реле и оперировала десятичными числами, закодированными на перфоленте. Она могла выполнять любую заданную последовательность из четырех арифметических действий (сложение, вычитание, умножение, деление), а также ссылаться на предыдущий результат без вмешательства человека. Для умножения двух 23-разрядных чисел ей было необходимо 4 секунды. Компьютер содержал около 750 тыс. деталей, 3304 реле и более 800 км проводов. В 1944 году готовая машина была официально передана Гарвардскому университету.

Программа обработки вводилась с перфоленты, так что машина могла управляться человеком с минимальной подготовкой. «Марк-1» в дальнейшем использовался Военно-морскими силами США для реше­ния различных задач оборонного характера.

4) Электронный этап, начало которого связывают с созданием в США в 1946 г электронной вычислительной машины ENIAC.

В этот период появились теоретические предпосылки и технические возможности для создания гораздо более совершенной машины, работающей на электронных лампах. В 1943 г. к ее разработке приступили сотрудники университета Пенсильвании (США) под руковод­ством Джона Мокли и Преспера Эккерта, с участием математика Джона фон Неймана. Результатом их совместных усилий стала первая универ­сальная вычислительная машина на электронных лампах, получившая на­звание ENIAC (1946 г.). В работе над проектом ЭВМ ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer - электронный числовой интегратор и калькулятор) под руководством Джона Мокли и  Джона Эккерта участвовало 200 человек. Машина работала в двоичной системе счисления и производила 5000 операций сложения или 300 операций умножения в секунду. Ввод данных осуществлялся с помощью перфокарт. Весной 1945 года ЭВМ была построена, а в феврале 1946 года рассекречена. ENIAC, содержащий 178468 электронных ламп шести различных типов, 7200 кристалических диодов, 4100 магнитных элементов, занимавшая площадь в 300 кв.м., в 1000 раз превосходил по быстродействию релейные вычислительные машины. Компьютер проживет девять лет и последний раз будет включен в 1955 году.

В 1945 г. фон Нейман опубликовал «Предварительный доклад о машине ENIAC», в котором описывалась ее инженерная и логическая конструкция; это было первое изложение знаменитой «архитектуры фон Неймана», которая была положена в основу всех последующих моделей компьютеров.

1948 г. В американской фирме Bell Laboratories физики Уильям Шокли, Уолтер Браттейн и Джон Бардин создали транзистор. За это достижение им была присуждена Нобелевская премия.

В 1949 г. в Кембриджском университете (Англия) была создана первая ЭВМ с хранимой в памяти программой, получившая название EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator - электронное вычисли­тельное устройство с памятью на линиях задержки). Все последующие ЭВМ работали по этому принципу. Конструктор - Морис Уилкис из Кембриджского университета. ЭВМ EDSAC содержала 3000 электронных ламп и была в шесть раз производительнее своих предшественниц. Морис Уилкс ввел систему мнемонических обозначений для машинных команд, названную языком  ассемблера.

В том же году Джей Форрестер изо­брел магнитное запоминающее устройство; оно заменило гораздо более медленные, ненадежные системы хранения информации, применявшиеся в ранних компьютерах. Оперативная память на магнитных сердечниках существенно удешевила компьютеры и увеличила их быстродействие. Она широко использовалась до начала 70-х годов. На смену ей пришла память на полупроводниковых элементах.

В 1951 г. Джон Мокли и Преспер Эккерт создали машину UNIVAC, предназначенную для коммерческих расчетов; первый ее экземпляр был передан в Бюро переписи населения США. Затем появились различные ее модификации, использовавшиеся во многих сферах деятельности. Можно сказать, что эта машина стала первым в мире серийным компьютером. В этой машине впервые была использована магнитная лента для записи и хранения информации.

Офицер ВМФ США и руководитель группы программистов, в то время капитан (единственная женщина в ВМФ - адмирал)  Грейс Хоппер   разработала первую транслирующую программу, которую она назвала компилятором. Эта программа производила трансляцию на машинный язык всей программы, записанной в удобной для обработки алгебраической форме.

В России разработка современных компьютеров началась в 1947 г., и уже в 1951 г. в Киеве под руководством академика С.А. Лебедева была создана первая советская ЭВМ, получившая название МЭСМ - малая электронная счетная машина, имевшая 600 электронных ламп. Это был первый в континентальной Европе компьютер.

В 1952 г. в Москве под руководством Лебедева построена БЭСМ-1 - быстродействующая электронная счетная машина - на то время самая производительная машина в Европе и одна из лучших в мире. Параллельно с ними создавались Стрела, Урал, Минск, Раздан, Наири.

1951-1955 гг. Благодаря деятельности российских ученых С.А. Лебедева, М.В. Келдыша, М.А. Лаврентьева, И.С. Брука, М.А. Карцева, Б.И. Рамеева, В.С. Антонова, А.Н. Невского, Б.И. Буркова и руководимых ими коллективов Советский Союз вырвался в число лидеров вычислительной техники, что позволило в короткие сроки решить важные научно-технические задачи овладения ядерной энергией и исследования Космоса.

1955—1959 гг. Российские ученые А.А. Ляпунов, С.С. Камынин, Э.З. Любимский, А.П. Ершов, Л.Н. Королев, В.М. Курочкин, М.Р. Шура-Бура и др. создали "программирующие программы" — прообразы трансляторов. В.В. Мартынюк создал систему символьного кодирования — средство ускорения разработки и отладки программ.

1955—1959 гг. Заложен фундамент теории программирования (А.А. Ляпунов, Ю.И. Янов, А.А. Марков, Л.А. Калужин) и численных методов (В.М. Глушков, А.А. Самарский, А.Н. Тихонов). Моделируются схемы механизма мышления и процессов генетики, алгоритмы диагностики медицинских заболеваний (А.А. Ляпунов, Б.В. Гнеденко, Н.М. Амосов, А.Г. Ивахненко, В.А. Ковалевский и др.).

1958 г. Джек Килби создал первую интегральную схему.

1964 г. Сотрудник Стэнфордского исследовательского центра Дуглас Энгельбарт продемонстрировал работу первой мыши. Она была сделана из дерева и вместо шарика имела металлические диски

1974 г.  Эдвард Робертс молодой офицер ВВС США, инженер-электронщик из фирмы MITS построил первый персональный компьютер Altair,  на базе процессора Intel 8080. Он продавался по почте, комплект представлял из себя просто кучу деталей и ящик для корпуса. Пользователям приходилось самостоятельно паять и тестировать собранные узлы, а если сборка завершалась успешно, они становились программистами и создавали программы на машинном языке. Робертс был оптимистом и надеялся продать 200 комплектов Альтаира в течение года. Заказ на 200 комплектов был получен по телефону в течение дня. В конце концов, Робертса просто завалили заказам.

Альтаир назван по имени звезды, к которой был запущен межпланетный корабль "Энтерпрайз" из телесериала "Космическая одиссея". Компьютер имел огромный коммерческий успех и широко использовался для домашнего применения.

2.       Поколения ЭВМ

Вскоре после появления первых ЭВМ стало очевидным, что новая вычислительная техника открывает огромные перспективы в самых раз­личных областях. Отрасль стала развиваться очень быстро и динамично, хотя и здесь наблюдалась некоторая периодичность, связанная с необ­ходимостью накопления определенного багажа знаний для очередного прорыва. До середины 80-х годов процесс эволюции вычислительной техники четко делится на ряд поколений; в основе этого деления лежат различия в элементной базе.

1-е поколение – электронные лампы (1945—1954 гг.) — это время становления машин с архи­тектурой фон Неймана; их главной элементной базой были радиолампы. В этот период формируется типовой набор структурных элементов, входящих в состав ЭВМ. У всех разработчиков сложилось примерно одинаковое представление о том, из каких компонентов должна состоять типичная ЭВМ: центральный процессор, оперативная память, устройства ввода-вывода.

Машины первого поколения были огромными, неудобными, ненадежными и слишком дорогими машинами, которые могли приобрести только крупные корпорации и правительства. Лампы потребляли огромное количество электроэнергии и выделяли много тепла. Набор внешних запоминающих устройств был очень ограниченным, а систе­мы ввода-вывода — неразвитыми: перфокарты, перфоленты, магнитные ленты Быстродействие тогдашних ЭВМ со­ставляло порядка 10-20 тыс. операций в секунду. Для их структуры был характерен жесткий цикл выполнения операций — следующая команда могла выполняться только после окончания предыдущей. Во время ввода и вывода данных центральный процессор простаивал, его АЛУ было за­нято передачей информации между ВЗУ и оперативной памятью.

В ЭВМ первого поколения программирование осуществлялось на машинном языке конкретной ЭВМ. Пользователь сам осуществлял ввод и отладку программ, обеспечивал управление вычислительным процес­сом при возникновении непредвиденных или недопустимых ситуаций. В результате время, затрачиваемое на разработку программ, намного превышало время счета.

Тем не менее, несмотря на указанные недостатки, машины первого поколения позволили добиться значительных успехов в автоматизации вычислительных работ. Эти машины позволили выполнить сложнейшие расчёты, необходимые для прогнозирования погоды, решения задач атомной энергетики и др.

К первому поколению отечественных ЭВМ относятся БЭСМ-1, БЭСМ-2, «Урал-1», «Урал-2», «Стрела», М-2, М-3, «Минск-1», М-20 и др., ориентированные в основном на решение научно-технических задач.

2-е поколение - транзисторы (1955-1964 гг.). Полупроводниковые приборы – транзисторы - отличались от электронных ламп малыми размерами, низким напряжением питания и малой потребляемой мощностью. 1 транзистор способен был заменить ~ 40 электронных ламп и работал с большей скоростью. Это позволило существенно повысить производительность и надежность машин при одновременном уменьшении их габаритных размеров, массы и потребляемой мощности. Их оперативная память была построена на магнитных сердечниках.

Предпринимались попытки изготавливать и настольные варианты. Появились крупные фирмы по производству компьютеров широкого назначения: IBM, CDC, DEC.

Программисты стали использовать алгоритмические языки высокого уровня (Algol, Fortran, Cobol и др.); это создавало предпосылки для появления перено­симого программного обеспечения, не зависящего от типа ЭВМ. Вскоре появились компиляторы для этих языков, библиотеки стандартных под­программ и т.д. Важным новшеством стали процессоры ввода-вывода; эти специализированные устройства позволяли разгрузить центральный процессор и осуществлять операции ввода-вывода параллельно с про­цессом вычислений. Для эффективного управления ресурсами машины впервые стали использоваться операционные системы (ОС).

Благодаря развитию средств программирования значительно рас­ширилась сфера применения вычислительной техники; появились ЭВМ не только для научно-технических расчетов, но и для решения планово-экономических задач, управления производственно-технологическими процессами и др.

В СССР в этот период были созданы различные по назначению и возможностям полупроводниковые ЭВМ- БЭСМ-4, «Урал-16», «Минск-32», М-222, «Мир», «Наири». Их производительность не превышала 50-100 тыс. операций в секунду, а емкость основной памяти — 32 тыс. машинных слов.

Машинам второго поколения была свойственна программная несовместимость, которая затрудняла организацию крупных информационных систем. Поэтому в середине 60-х годов наметился переход к созданию компьютеров, программно совместимых и построенных на микроэлектронной технологической базе.

3-е поколение – интегральные схемы (микросхемы) (1965-1970 гг.) характеризуется новым радикальным обновлением элементной базы - вместо транзисторов в различных узлах ЭВМ стали использоваться интегральные микросхемы (в одном полупроводниковом кристалле помещаются все компоненты одного функционального узла).

ИС - это кремниевый кристалл, площадь которого примерно 10 мм². 1 ИС способна заменить десятки тысяч транзисторов. 1 кристалл выполняет такую же работу, как и 30-ти тонный “Эниак”. А компьютер с использованием ИС достигает производительности в 10 млн. операций в секунду. Это позволило не только заметно повысить производительность машин, но также умень­шить их габариты и стоимость. Производительность ЭВМ третьего поколения достигала нескольких миллионов операций в секунду, емкость основной памяти измерялась сотнями килобайт.

Появились сравнительно недорогие мини-ЭВМ; они все шире использовались для управления технологическими процессами на производстве, в системах сбора и обработки информации.

Машины третьего поколения — это семейства машин с единой архитектурой, т.е. программно совместимых, с развитыми ОС.

Одновременно с новыми аппаратными и архитектурными решениями интенсивно развиваются технологии программирования.

Отличительной особенностью ЭВМ третьего поколения стала воз­можность работы в мультипрограммном режиме (одновременное выполнение нескольких программ), при котором за счет параллельной работы основных устройств обеспечивается одновременное выполнение программ различных пользователей, повышается эффектив­ность использования дорогостоящего оборудования, уменьшается время его простоя.

Тогда же в широких масштабах началась работа по унифи­кации и стандартизации технических и программных средств, создаются семейства ЭВМ, образующие единую систему. Для этой цели в 1969 г. СССР заключил соглашение о сотрудничестве с рядом европейских стран в области вычислительной техники, которое обеспечило разработку и производство Единой системы ЭВМ (ЕС ЭВМ) и системы малых ЭВМ (СМ ЭВМ). Примерами таких семейств могут служить IBM System 360 и их отечественный аналог - ЕС ЭВМ.

4-е поколение – сверхбольшие интегральные схемы (1970-1984 гг.). Благодаря новой отрасли промышленности — микроэлектроники, ко­торая относится к области высоких технологий, добились размещения на одном кристалле размером несколько квад­ратных миллиметров сначала сотен, затем тысяч и, наконец, миллионов транзисторов и других электронных компонентов. Теперь полупроводниковая схема содержала уже не набор нескольких логи­ческих элементов, из которых строились затем функциональные узлы компьютера, а целиком функциональные узлы и, в первую очередь процессор, который, учитывая его размеры, получил название микро­процессор, устройства управления внешними устройствами — контрол­леры внешних устройств. Такие интегральные схемы получили назва­ние сначала больших интегральных схем (БИС), а затем и сверхбольших интегральных схем (СБИС).

Производительность машин достигла десятков и сотен миллионов операций в секунду, объем основной памяти – десятков мегабайт.

Итогом такого бурного развития микроэлектроники стало появ­ление одноплатных ЭВМ, где на одной плате, размером несколько десятков квадратных сантиметров, размещались несколько СБИС, содержащих все функциональные блоки компьютера. Одноплатные компьютеры встраивались в различные промышленные, медицинские и бытовые приборы для оперативной обработки информации и управ­ления. Стоимость одноплатных компьютеров так упала, что появилась возможность их приобретения отдельными людьми.

В 1974-75 г. на основе процессора Intel 8080 был создан первый массовый ПК Альтаир. Одну из первых моделей ПК придумали в 1979 г. английские инженеры Стивен Джобс и Стив Возняк, устроив мастерскую в гараже, положив начало корпорации Apple.

Персональными компьютерами, которые получили большое рас­пространение на компьютерном рынке, заинтересовалась крупная компания, занимавшаяся выпуском мощных вычислительных систем — IBM, и решила наладить выпуск своей модели персонального ком­пьютера. Совместно с фирмой Intel, разработавшей микропроцессор­ный комплект, и фирмой Microsoft, которая оснастила компьютер операционной системой MS DOS, IBM создала персональный ком­пьютер IBM PC. Значительный потенциал фирмы IBM позволил в ко­роткие сроки произвести огромное количество таких компьютеров. Их привлекательная для покупателей цена и некоторые новшества, например, больший, по сравнению с выпускавшимися в то время персональными компьютерами других фирм, объем оперативной па­мяти, позволили компьютеру IBM PC стать самой популярной «пер­соналкой» в мире.

5-ое поколение ЭВМ, работы по созданию которых начались в ряде стран примерно с 1982 г., было связано с рядом принципиально новых идей. В отличие от предыдущих поколений, его возникновение не имело прямого отношения к аппаратным новшествам. С самого начала эти ЭВМ были ориентированы на обработку не данных, а знаний. Такой подход, связанный с созданием самообучающихся машин, владеющих методами логического мышления, обеспечит возможность ассоциативной обработ­ки информации и решение задач без четко сформулированных условий. Взаимодействие человека и ЭВМ станет простым и естественным, по­явится возможность общаться с машиной на неформальном уровне.

Разработка последующих поколений компьютеров производится на основе больших интегральных схем повышенной степени интеграции, использования оптоэлектронных принципов (лазеры, голография).

Ставятся совершенно другие задачи, нежели при разработки всех прежних ЭВМ. Если перед разработчиками ЭВМ с I по IV поколение стояли такие задачи, как увеличение производительности в области числовых расчётов, достижение большой ёмкости памяти, то основной задачей разработчиков ЭВМ V поколения является создание искусственного интеллекта машины (возможность делать логические выводы из представленных фактов), развитие "интеллектуализации" компьютеров - устранения барьера между человеком и компьютером. Компьютеры будут способны воспринимать информацию с рукописного или печатного текста, с бланков, с человеческого голоса, узнавать пользователя по голосу, осуществлять перевод с одного языка на другой. Это позволит общаться с ЭВМ всем пользователям, даже тем, кто не обладает специальных знаний в этой области. ЭВМ будет помощником человеку во всех областях.

Основные требования к компьютерам 5-го поколения:

§        Создание развитого человеко-машинного интерфейса (распознавание речи, образов);

§        Развитие логического программирования для создания баз знаний и систем искусственного интеллекта;

§        Создание новых технологий в производстве вычислительной техники;

§        Создание новых архитектур компьютеров и вычислительных комплексов.

Новые технические возможности вычислительной техники должны были расширить круг решаемых задач и позволить перейти к задачам создания искусственного интеллекта. В качестве одной из необходимых для создания искусственного интеллекта составляющих являются базы знаний (базы данных) по различным направлениям науки и техники. Для создания и использования баз данных требуется высокое быстродействие вычислительной системы и большой объем памяти.

Современная классификация компьютеров

Классифицируют ЭВМ по разным признакам. Следует заметить, что любая классификация является в некоторой мере условной, поскольку развитие компьютерной науки и техники настолько бурное, что, например, сегодняшняя микроЭВМ не уступает по мощности миниЭВМ пятилетней давности и даже суперкомпьютерам недавнего прошлого.

Классификация по назначению

·         большие ЭВМ (суперЭВМ, мэйнфреймы);

·         миниЭВМ;

·         микроЭВМ;

·         персональные компьютеры.

Большие ЭВМ (Main Frame)

Применяют для обслуживания крупных областей народного хозяйства. Они характеризуются 64-разрядными параллельно работающими процессорами (количество которых достигает до 100), интегральным быстродействием до десятков миллиардов операций в секунду, многопользовательским режимом работы. Доминирующее положение в выпуске компьютеров такого класса занимает фирма IBM (США). Наиболее известными моделями суперЭВМ являются: IBM 360, IBM 370, IBM ES/9000, Cray 3, Cray 4, VAX-100, Hitachi, Fujitsu VP2000.

На базе больших ЭВМ создают вычислительный центр, который содержит несколько отделов или групп. Штат обслуживания - десятки людей. Большим ЭВМ присуща высокая стоимость оборудования и обслуживания, поэтому работа организована непрерывным циклом.

Центральный процессор - основной блок ЭВМ, в котором происходит обработка данных и вычисление результатов. Представляет собой несколько системных блоков в отдельной комнате, где поддерживается постоянная температура и влажность воздуха.

Группа системного программирования - занимается разработкой, отладкой и внедрением программного обеспечения, необходимого для функционирования вычислительной системы. Системные программы обеспечивают взаимодействие программ с оборудованием, то есть программно-аппаратный интерфейс вычислительной системы.

Группа прикладного программирования - занимается созданием программ для выполнения конкретных действий с данными, то есть обеспечение пользовательского интерфейса вычислительной системы.

Группа подготовки данных - занимается подготовкой данных, которые будут обработаны на прикладных программах, созданных прикладными программистами. В частности, это набор текста, сканирование изображений, заполнение баз данных.

Группа технического обеспечения - занимается техническим обслуживанием всей вычислительной системы, ремонтом и отладкой аппаратуры, подсоединением новых устройств.

Группа информационного обеспечения - обеспечивает технической информацией все подразделения вычислительного центра, создает и сохраняет архивы разработанных программ (библиотеки программ) и накопленных данных (банки данных).

Отдел выдачи данных - получает данные от центрального процессора и превращает их в форму, удобную для заказчика (распечатка).

МиниЭВМ

Похожа на большие ЭВМ, но меньших размеров. Используют на крупных предприятиях, научных учреждениях и организациях. Часто используют для управления производственными процессами. Характеризуются мультипроцессорной архитектурой, подключением до 200 терминалов, дисковыми запоминающими устройствами, которые наращиваются до сотен гигабайт, разветвленной периферией. Для организации работы с миниЭВМ, нужен вычислительный центр, но меньший чем для больших ЭВМ.

МикроЭВМ

Доступны многим учреждениям. Для обслуживания достаточно вычислительной лаборатории в составе нескольких человек, с наличием прикладных программистов. Необходимые системные программы покупаются вместе с микроЭВМ, разработку прикладных программ заказывают в больших вычислительных центрах или специализированных организациях.

Программисты вычислительной лаборатории занимаются внедрением приобретенного или заказанного программного обеспечения, выполняют его настройку и согласовывают его работу с другими программами и устройствами компьютера. Могут вносить изменения в отдельные фрагменты программного и системного обеспечения.

Персональные компьютеры

Бурное развитие приобрели в последние 20 лет. Персональный компьютер (ПК) предназначен для обслуживания одного рабочего места и способен удовлетворить потребности малых предприятий и отдельных лиц. С появлением Интернета популярность ПК значительно возросла, поскольку с помощью персонального компьютера можно пользоваться научной, справочной, учебной и развлекательной информацией.

Персональные компьютеры условно можно поделить на профессиональные и бытовые, но в связи с удешевлением аппаратного обеспечения, грань между ними размывается. С 1999 года введен международный сертификационный стандарт - спецификация РС99:

·   массовый персональный компьютер (Consumer PC)

·   деловой персональный компьютер (Office PC)

·   портативный персональный компьютер (Mobile PC)

·   рабочая станция (WorkStation)

·   развлекательный персональный компьютер (Entertaiment PC)

Большинство персональных компьютеров на рынке подпадают до категории массовых ПК. Деловые ПК - имеют минимум средств воспроизведения графики и звука. Портативные ПК отличаются наличием средств коммуникации отдаленного доступа (компьютерная связь). Рабочие станции - увеличенные требования к устройствам хранения данных. Развлекательные ПК - основной акцент на средствах воспроизведения графики и звука.

Классификация по уровню специализации

·   универсальные;

·   специализированные.

На базе универсальных ПК можно создать любую конфигурацию для работы с графикой, текстом, музыкой, видео и т.п. Специализированные ПК созданы для решения конкретных задач, в частности, бортовые компьютеры в самолетах и автомобилях. Специализированные миниЭВМ для работы с графикой (кино- видеофильмы, реклама) называются графическими станциями. Специализированные компьютеры, объединяющие компьютеры в единую сеть, называются файловыми серверами. Компьютеры, обеспечивающие передачу информации через Интернет, называются сетевыми серверами.

Классификация по размеру

·   настольные (desktop);

·   портативные (notebook);

·   карманные (palmtop).

Наиболее распространенными являются настольные ПК, которые позволяют легко изменять конфигурацию. Портативные удобны для пользования, имеют средства компьютерной связи. Карманные модели можно назвать "интеллектуальными" записными книжками, разрешают хранить оперативные данные и получать к ним быстрый доступ.

Классификация по совместимости

Существует великое множество типов компьютеров, которые собираются из деталей, изготовленных разными производителями. Важным является совместимость обеспечения компьютера:

·    аппаратная совместимость (платформа IBM PC и Apple Macintosh)

·    совместимость на уровне операционной системы;

·    программная совместимость;

·    совместимость на уровне данных.

Среди специализированных компьютеров в особые группы выделяют суперкомпьютеры и кластерные системы.

Высокий уровень вычислительной мощности суперкомпьютеров связан с принципиально новой концепцией их архитектуры, а также с достижениями современной микроэлектроники. Они находят примене­ние в метеорологии, аэродинамике, сейсмологии, военных исследованиях, атомной и ядерной физике, физике плазмы, математическом моделиро­вании сплошных сред. Во всех этих областях приходится осуществлять моделирование сложных процессов в реальном времени, что приводит к стремительному увеличению объемов вычислений. Производительность суперкомпьютеров измеряется в миллионах операций с плавающей точкой в секунду, так называемых «мегафлопах» (каждая такая операция требует выполнения множества операций с двоичными числами).

Кластерная система представляет собой объединение нескольких компьютеров, но для операционной системы, системного программного обеспечения, прикладных программ и пользователей они выглядят как одна машина. Такие системы в последнее время получили широкое распространение, так как обеспечивают высокую степень отказоу­стойчивости; при необходимости исполняемые программы мгновенно переключаются с вышедшего из строя узла на работающий. Наиболее широко кластеры применяются при управлении сложными базами данных (например, в банковском деле). В такой системе множество процессоров разделяет доступ к единой базе данных, что позволяет достичь высокой скорости обработки запросов и поддерживать работу в реальном времени большого числа одновременно подключенных пользователей.

3.       Принципы фон Неймана

Несмотря на большое разнообразие типов ЭВМ, все они построены на основе принципов фон Неймана, сформулированных им в 40-х годах XX в.:

1)принцип двоичного кодирования. Машина должна работать не в десятичной системе счисления (как механические арифмометры), а в двоичной. Это означает, что как программа, так и данные должны быть
записаны в кодах двоичной системы, где каждое число или символ представляется определенной комбинацией нулей и единиц;

2)принцип программного управления. Это означает, что программа должна состоять из набора команд, которые выполняются процессором автоматически в определенной последовательности;

3)принцип однородности памяти. Как программы, так и данные хранятся в одних и тех же ячейках памяти. ЭВМ не различает, что хранится в конкретной ячейке - число, текст или команда. С командами можно
производить такие же действия, что и с данными;

4)принцип иерархии памяти. Чтобы работать достаточно быстро, память компьютера должна быть организована по иерархическому прин­ципу, то есть состоять по крайней мере из двух частей: быстрой памяти небольшой емкости (оперативной) и более емкой (а потому и более медленной) внешней;

5)принцип адресности. Структурно основная память машины должна состоять из пронумерованных ячеек, причем процессору в произвольный момент времени должна быть доступна любая ячейка.

Согласно фон Нейману, любая ЭВМ должна включать четыре основ­ных блока — процессор, оперативную память, внешнюю память и ком­плекс устройств ввода-вывода:

Процессор — это устройство, обеспечивающее обработку данных по заданной программе; в его функции также входит обмен данными и ко­мандами между различными устройствами, входящими в ЭВМ.

Процессор может обрабатывать только программы и данные, нахо­дящиеся непосредственно во внутренней памяти машины, реализован­ной в виде набора запоминающих устройств (ЗУ), то есть устройств, способных записывать данные и сохранять их для последующего счи­тывания. Внутренняя память обычно состоит из оперативной памяти (оперативного запоминающего устройства, ОЗУ) и постоянной памяти (постоянного запоминающего устройства, ПЗУ).

Оперативная память предназначена для хранения программ и данных и последующей передачи их другим устройствам ЭВМ в процессе обра­ботки. ОЗУ обеспечивает чтение находящихся в нем программ и данных и запись в него новой информации. ПЗУ же позволяет выполнять только чтение находящихся в нем программ и данных.

Внешняя память предназначена для долговременного хранения про­грамм и данных.

Устройства ввода-вывода обеспечивают ввод, корректировку и вы­вод программ и данных, представленных в различной (не обязательно двоичной) форме.

Совершенствование элементно-технологической базы привело к определенным изменениям в принципах проектирования вычислитель­ной техники. Появились ЭВМ, основанные на идеях параллельной и конвейерной обработки информации.

Функциональная схема компьютера

Несмотря на огромное разнообразие ВТ и ее необычайно быстрое совершенствование, фундаментальные принципы устройства машин во многом остаются неизменными. Наибольшее распространение по­лучил вариант обмена информацией между устройствами через общую магистраль (так называемую «шину»); структура таких ЭВМ получила название шинной.

В состав таких машин входят те же функциональные устройства: про­цессор (включающий арифметически-логическое устройство и устрой­ство управления), память, устройства ввода-вывода. Все они связаны между собой с помощью шины данных (используемой для передачи данных), шины адреса (для передачи адресов при обращении к различным устройствам) и шины управления (для передачи команд).

Для связи основных устройств компьютера между собой используется специальная информационная магистраль, обычно называемая инженерами шиной. Системная шина состоит из трех частей:

·         шина адреса, на которой устанавливается адрес требуемой ячейки памяти или устройства, с которым будет происходить обмен информацией;

• шина данных, по которой собственно и будет передана необходимая информация; и, наконец,
• шина управления, регулирующей этот процесс (например, один из сигналов на этой шине позволяет компьютеру различать между собой адреса памяти и устройств ввода/вывода).

Рассмотрим в качестве примера, как процессор читает содержимое ячейки памяти. Убедившись, что шина в данный момент свободна, процессор помещает на шину адреса требуемый адрес и устанавливает необходимую служебную информацию (операция – чтение, устройство – ОЗУ и т.п.) на шину управления. Теперь ему остается только ожидать ответа от ОЗУ. Последнее, “увидев” на шине обращенный к нему запрос на чтение информации, извлекает содержимое необходимой ячейки и помещает его на шину данных. Разумеется, реальный процесс значительно подробнее, но нас сейчас не интересуют технические детали. Особо отметим, что обмен по шине при определенных условиях и при наличии определенного вспомогательного оборудования может происходить и без непосредственного участия процессора, например, между устройством ввода и внутренней памятью.

Подчеркнем также, что описанная нами функциональная схема на практике может быть значительно сложнее. Современный компьютер может содержать несколько согласованно работающих процессоров, прямые информационные каналы между отдельными устройствами, несколько взаимодействующих магистралей и т.д. Тем не менее, если понимать наиболее общую схему, то разобраться в конкретной компьютерной системе будет уже легче.

Магистральная структура позволяет легко подсоединять к компьютеру именно те внешние устройства, которые нужны для данного пользователя. Благодаря ней удается скомпоновать из стандартных блоков любую индивидуальную конфигурацию компьютера. Такой подход назван «принципом открытой архитектуры».

Рассмотрим более подробно назначение каждого из устройств.

1) Процессор является главным устройством компьютера, в котором собственно и происходит обработка всех видов информации. Другой важной функцией процессора является обеспечение согласованного действия всех узлов, входящих в состав компьютера. Соответственно наиболее важными частями процессора являются АЛУ и УУ.

Конструктивно процессор состоит из ячеек, похожих на ячейки опе­ративной памяти, но в этих ячейках данные могут не только храниться, но и изме­няться. Внутренние ячейки процессора называют регистрами.

Каждый процессор способен выполнять вполне определенный набор универсальных инструкций, называемых чаще всего машинными командами. Каков именно этот набор, определяется устройством конкретного процессора, но он не очень велик и в основном аналогичен для различных процессоров. Работа ЭВМ состоит в выполнении последовательности таких команд, подготовленных в виде программы. Процессор способен организовать считывание очередной команды, ее анализ и выполнение, а также при необходимости принять данные или отправить результаты их обработки на требуемое устройство. Выбрать, какую инструкцию программы исполнять следующей, также должен сам процессор, причем результат этого выбора часто может зависеть от обрабатываемой в данный момент информации.

Центральный процессор (ЦП) — функционально-законченное про­граммно-управляемое устройство обработки информации, выполнен­ное на одной или нескольких СБИС. В современных персональных компьютерах разных фирм применяются процессоры двух основных архитектур:

•   полная система команд переменной длины — Complex Instruction Set

Computer (CISC);

•   сокращенный набор команд фиксированной длины — Reduced Instruction Set Computer (RISC).

Весь ряд процессоров фирмы Intel, устанавливаемых в персо­нальные компьютеры IBM, имеют архитектуру CISC, а процессоры Motorola, используемые фирмой Apple для своих персональных ком­пьютеров, имеют архитектуру RISC. Обе архитектуры имеют свои преимущества и недостатки. Так CISC-процессоры имеют обширный набор команд (до 400), из которых программист может выбрать ко­манду, наиболее подходящую ему в данном случае. Недостатком этой архитектуры является то, что большой набор команд усложняет внут­реннее устройство управления процессором, увеличивает время ис­полнения команды на микропрограммном уровне. Команды имеют различную длину и время исполнения.

RISC-архитектура имеет ограниченный набор команд и каждая команда выполняется за один такт работы процессора. Небольшое число команд упрощает устройство управления процессора. К недо­статкам RISC-архитектуры можно отнести то, что если требуемой ко­манды в наборе нет, программист вынужден реализовать ее с помо­щью нескольких команд из имеющегося набора, увеличивая размер программного кода.

-    Процессоры для ПК типа IBM PC выпускают многие фирмы, но законодателем моды здесь является фирма Intel. Ее известной разработкой является процессор Pentium 4, выпуск которых начат в конце 2001 г. Процессор работает на частотах 1500—3000 МГц и содержит око­ло 42 млн. транзисторов; имеется специальный внутренний кэш, размером 256 Кбайт,
который работает на тактовой частоте процессора, и имеет соб­ственную шину связи с процессором, обеспечивающую скорость обмена 48 Гбайт/С.

Фирма Intel поставляет упрощенные варианты процессоров Pentium 4 под названием Celeron, который в два раза дешевле базово­го варианта процессора. Однако следует отметить, что последние модели процессора Celeron ни в чем не уступают «старшему брату» и даже в некоторых случаях превосходят его.

Фирма AMD (Advanced Micro Devices) выпускает процессоры, со­вместимые по системе команд с Intel Pentium 4 — Athlon (K7). Тести­рование процессора К 7 и его сравнение с Pentium 4 показывает, что К7 не уступает ему и даже превосходит его в некоторых случаях. Сто­имость процессора Athlon на 20-30 % дешевле процессора Intel. Про­цессор К7 требует для своей работы собственной общей шины, стан­дарт которой отличается от стандарта шины PCI, которая является основной для процессора Pentium 4. Поэтому замена одного типа процессора другим требует и замены системной платы, на которой расположен набор микросхем основных функциональных устройств ПК.

2) Хотя внутри процессора всегда имеются специальные ячейки (регистры) для оперативного хранения обрабатываемых данных и некоторой служебной информации, в нем сознательно не предусмотрено место для хранения программы. Для этой важной цели в компьютере служит другое устройство – память. Мы рассмотрим лишь наиболее важные виды компьютерной памяти, поскольку ее ассортимент непрерывно расширяется и пополняется все новыми и новыми типами.

Память в целом предназначена для хранения как данных, так и программ их обработки: согласно фундаментальному принципу фон Неймана, для обоих типов информации используется единое устройство.

Начиная с самых первых ЭВМ, память сразу стали делить на внутреннюю и внешнюю. Исторически это действительно было связано с размещением внутри или вне процессорного шкафа. Однако с уменьшением размеров машин внутрь основного процессорного корпуса удавалось поместить все большее количество устройств, и первоначальный непосредственный смысл данного деления постепенно утратился. Тем не мене терминология сохранилась.

Под внутренней памятью современного компьютера принято понимать быстродействующую электронную память, расположенную на его системной плате. Сейчас такая память изготавливается на базе самых современных полупроводниковых технологий (раньше использовались магнитные устройства на основе ферритовых сердечников – лишнее свидетельство тому, что конкретные физические принципы значения не имеют).

Наиболее существенная часть внутренней памяти называется оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). Его главное назначение состоит в том, чтобы хранить данные и программы для решаемых в текущий момент задач. Наверное, каждому пользователю известно,  что при выключении питания содержимое ОЗУ полностью теряется. В состав внутренней памяти современного компьютера, помимо ОЗУ, также входят и некоторые другие разновидности памяти, которые при первом знакомстве можно пропустить. Здесь упомянем только о постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ), в котором, в частности, хранится информация, необходимая для первоначальной загрузки компьютера в момент включения питания. Как очевидно из названия, информация в ПЗУ не зависит от состояния компьютера (как врожденные безусловные рефлексы у живых существ). Раньше содержимое ПЗУ раз и навсегда формировалось на заводе, теперь же современные технологии позволяют в случае необходимости обновлять его, даже не извлекая из компьютерной платы.

Внешняя память реализуется в виде довольно разнообразных устройств хранения информации и обычно конструктивно оформляется в виде самостоятельных блоков. Сюда прежде всего следует отнести накопители на гибких и жестких магнитных дисках (винчестеры), а также оптические дисководы (устройства для работы  CD-ROM. В конструкции устройств внешней памяти имеются механически движущиеся части, поэтому скорость их работы существенно ниже, чем у полностью электронной внутренней памяти. Тем не менее внешняя память позволяет сохранить огромные объемы информации с целью последующего использования. Подчеркнем, что информация во внешней памяти прежде всего предназначена для самого компьютера и поэтому хранится в удобной ему форме; человек без использования машины не в состоянии, например, даже отдаленно представить содержимое немаркированной дискеты или диска CD-ROM.

Современные программные системы способны объединять внутреннюю и внешнюю память в единое целое, причем так, чтобы наиболее редко используемая информация попадала в более медленно работающую внешнюю память. Такой метод дает возможность очень существенно расширить объем обрабатываемой с помощью компьютера информации.

Если процессор дополнить памятью, то такая система уже может быть работоспособной. Ее существенным недостатком является невозможность узнать что-либо о происходящем внутри такой системы. Для получения информации о результатах, необходимо дополнить компьютер устройствами вывода, которые позволяют представить их в доступной человеческому восприятию форме. Наиболее распространенным устройством вывода является дисплей, способный быстро и оперативно отображать на своем экране как текстовую, так и графическую информацию. Для того чтобы получить копию результатов на бумаге, используют печатающее устройство, или принтер.

Наконец, поскольку пользователю часто требуется вводить в компьютерную систему новую информацию, необходимы еще и устройства ввода. Простейшим устройством ввода является клавиатура. Широкое распространение программ с графическим интерфейсом способствовало популярности другого устройства ввода – манипулятора мышь. Наконец, очень эффективным современным устройством для автоматического ввода информации в компьютер является сканнер, позволяющий не просто преобразовать картинку с листа бумаги в графический компьютерный файл, но и с помощью специального программного обеспечения распознать в прочитанном изображении текст и сохранить его в виде, пригодном для редактирования в обычном текстовом редакторе.

4.     Состав ПК

Персональные компьютеры настольного исполнения конструктивно оформлены в виде системного блока, к которому подключают внешние устройства, такие как монитор, клавиатура, мышь и др. В некоторых моделях системный блок и монитор объединяют в единое целое (моноблок).

Основная (базовая) конфигурация компьютера: системный блок, клавиатура, монитор, мышь. Прочие подключаемые устройства – периферийные.

4.1. Системный блок

В корпусе системного блока настольного персонального компьютера располагаются блок (источник) питания, материнская (системная) плата с платами расширения, приводы накопителей.

Блок питания обычно поставляется вместе с корпусом системного блока, для которого он предназначен. Мощность источника питания ком­пьютера должна полностью (лучше с некоторым запасом) обеспечивать энергопотребление всех устройств, расположенных внутри системного блока. По вырабатываемым номиналам напряжения и конструктивным особенностям выделяют блоки питания для АТ-корпусов и блоки для АТХ-корпусов. АТ-блоки вырабатывают +5В, -5В, +12В и -12В по­стоянного тока и подключаются к материнской плате при помощи двух одинаковых 6-контактных разъемов. АТХ-блоки, помимо перечисленных выше номиналов, вырабатывают также напряжение 3,3В и подключаются к материнской плате через один 20-контактный разъем.

Монтажные места (отсеки для накопителей) могут быть двух типов — с внешним и внутренним доступом. В первом случае доступ к ним осуществляется с внешней стороны корпуса, во втором - только при от­крытой крышке системного блока. В настоящее время используются два типоразмера накопителей: 5,25 и 3,5 дюйма.

Рабочее положение корпуса может быть разным — как горизонталь­ным, так и вертикальным. К горизонтальным относятся корпуса типа desktop (настольный), small-footprint (низкопрофильный), slimline (тон­кий) и superslimline (сверхкомпактный). Системная плата в этих корпусах также располагается горизонтально.

Корпуса с вертикальным расположением напоминают по внешнему виду башню и представлены тремя основными разновидностями: mini­-tower, midi-tower и big-tower, отличающимися друг от друга количеством отсеков с внешним доступом (2, 3, 4 и более), габаритами и мощностью установленного блока питания (а следовательно, возможностями уста­новки дополнительных плат расширения и приводов накопителей).

Основным узлом, определяющим состав и возможности компьюте­ра, является системная, или материнская плата (motherboard). На ней обычно размещаются:

─     процессор;

─     оперативная память;

─     ПЗУ с базовой системой ввода/вывода (BIOS);

─     набор управляющих микросхем (chipset);

─     CMOS (память для хранения данных об аппаратных настройках) и аккумулятор для ее питания;

─     разъемы или слоты (slot) расширения;

─     разъемы для подключения интерфейсных кабелей дисковых нако­пителей, последовательного и параллельного портов, инфракрасного порта (IrDa), универсальной последовательной шины (USB), мыши, клавиатуры;

─     разъемы питания.

Процессор является сердцем компьютера. От его производительности, в основном, зависит мощность компьютера. Конструктивно современный процессор выполнен в виде керамической пластины, в центре которого находится кремниевый кристалл, часто закрываемый металлической крышкой. Для соединения с системной платой процессор снабжен снизу короткими позолоченными выводами – ножками, которых насчитывается несколько сотен штук.

На системной плате для установки процессора предназначен разъем, который называется сокетом (socet). Правда, существуют процессоры, корпус которых выполнен в виде картриджа, напоминающего картридж от игровой приставки Денди. Для таких процессоров на системной плате устанавливается разъем, называемый слотом (slot).

Современные процессоры, работающие на весьма высоких частотах, необычайно сильно греются. Для охлаждения корпуса процессора используют кулер (cooler – холодильник, теплосъемник)

Основными характеристиками процессора являются: тактовая часто­та, разрядность процессора, поддерживаемая частота системной шины.

Скорость работы процессора характеризуется тактовой частотой и выражается в мегагерцах или гигагерцах (1 млн и 1 млрд тактов в секун­ду соответственно). Современные процессоры имеют тактовую частоту порядка 2-4 Ггц.

Разрядность процессора показывает, сколько бит информации он может принять или передать за один такт, что во многом определяет его производительность. Современные процессоры имеют разрядность 64; готовятся к выпуску 128-разрядные.

В настоящее время выпускаются процессоры, поддерживающие ча­стоту системной шины 100, 133, 166, 200, 266, 400, 533 и 800 МГц.

Повышение производительности процессора может осуществляться разными способами. Первый - увеличение его тактовой частоты, в ре­зультате чего уменьшается время выполнения каждой микрокоманды. Но этот рост не может быть бесконечным; его жестко лимитирует технология изготовления кристалла. Кроме того, производительность процессора не увеличивается прямо пропорционально тактовой частоте; существует порог насыщения, когда дальнейший ее рост теряет смысл.

Другой способ повышения производительности заключается в увели­чении числа исполнительных блоков (АЛУ) внутри процессора, что по­зволяет выполнять несколько инструкций одновременно (так называемый параллелизм на уровне инструкций - Instruction Level Parallelism, ILP).

Крупнейшим в мире производителем процессоров является фирма Intel. Первая серийная модель (Intel 8088) была выпущена ею в 1978 г. Процессоры Pentium 4, поставляемые на рынок с конца 2000 г., предна­значаются для использования в высокопроизводительных настольных ПК, обеспечивают реализацию новейших технологий цифровой обработки видео, игр, а также Web-технологий.

Тактовая частота Pentium 4 составляет 1,3—3,4 ГГц, он работает с 64-битной системной шиной на частоте до 800 МГц. В результате скорость обмена данными между контроллером памяти и процессором достигает 3,2 Гбайт/с. Для установки процессора используется разъем Socket-478 или Socket-775.

Широкую известность получили также продукты компании AMD. Процессор Athlon, появившийся в июне 2000 г., имеет тактовую ча­стоту от 650 МГц до 3 ГГц и выше, оснащен высокопроизводительной кэш-памятью первого уровня (128 Кбайт) и размещенной на кристалле кэш-памятью второго уровня (512 Кбайт), работает со 100- или 133-ме-гагерцевой системной шиной на удвоенной частоте. Athlon обеспечива­ет расширенную поддержку технологии 3Dnow!; в нем использованы 24 новые инструкции, улучшающие его возможности при проведении целочисленных вычислений. Процессор устанавливается в разъем Socket A (Socket-462) или Socket-754 на материнской плате.

Набор микросхем (чипсет) предназначен для организации взаимодей­ствия всех подсистем персонального компьютера. Современные чипсеты, обладающие высокой степенью интеграции, чаще всего со­стоят из двух микросхем (так называемого северного и южного моста), в которых реализованы все необходимые контроллеры (управляющие микросхемы).

Северный мост обеспечивает работу с наиболее скоростными под­системами компьютера. Он содержит контроллеры системной шины, памяти, графической шины AGP, а также шины связи с южным мостом (PCI-шины в традиционном понимании).

Южный мост предназначен для работы с более медленными компо­нентами системы и периферийными устройствами и включает в себя:

─     двухканальный IDE-контроллер, обеспечивающий взаимодействие с накопителями (в частности, с жесткими дисками и оптическими дис­ководами);

─     USB-контроллер для связи с устройствами, подключаемыми к уни­версальной последовательной шине;

─     контроллер ввода-вывода, поддерживающий работу внешних портов: последовательного (СОМ), параллельного (LPT), инфракрасного, а также контроллера флоппи-дисковода.

В большинстве современных чипсетов в состав южного моста входит также аудиоконтроллер АС 97 (Audio Codec).

Для повышения производительности ПК, наряду с системной шиной (о которой говорили в предыдущем пункте), используются локальные шины, связывающие между собой процессор и внешние устройства. Последние подключают к системной или локаль­ной шине через слоты (разъемы) расширения, имеющие специфический внешний вид для каждой из них.

Системная шина ISA (Industry Standard Architecture) была предна­значена для одновременной передачи 8 бит информации и 20 разрядов адреса. Объем адресуемой памяти, таким образом, составлял 1 Мбайт. Для подключения плат расширения использовались специальные 62-контактные разъемы. Теоретически скорость передачи данных была ограничена 4,5 Мбайт/с, а реальная пропускная способность шины до­стигала 1,2 Мбайт/с.

Системная шина EISA (Extended Industry Standard Architecture) по­явилась в сентябре 1988 г. как 32-разрядное расширение шины ISA с полной обратной совместимостью. В ней впервые была реализована автонастройка плат расширения (Plug-n-play). EISA обеспечивала 32-разрядную адресацию памяти и передачу данных, в том числе в режиме DMA (Direct Memory Access - прямой доступ к оперативной памяти без загрузки центрального процессора). Теоретическая скорость передачи достигала 33 Мбайт/с. EISA работала с тактовой частотой 8-10 МГц.

Появление локальной шины VLB было первым шагом к формированию архитектуры ПК с несколькими шинами, имеющими разную пропускную способность. Локальная шина не заменяла собой ISA или EISA, а допол­няла их за счет нескольких (не более трех) разъемов локальной шины. Первоначально эти шины использовались для взаимодействия процессора с видеоадаптером, которому уже тогда не хватало скорости работы ISA (отсюда и термин — локальная шина). Шина VLB представляла собой двунаправленную 32-разрядную шину данных с теоретической пропуск­ной способностью 160 Мбайт/с при частоте 50 МГц или 107 Мбайт/с при частоте 33 МГц; она позволяла таким периферийным устройствам, как видеоадаптеры и контроллеры накопителей, работать с тактовой частотой до 66 МГц.

Спецификация локальной шины PCI была представлена компанией Intel в июне 1992 г.; она позиционировалась как процессорно-независимая шина. Передачей данных по ней управлял не центральный процессор, а включенная между ним и PCI-шиной специальная микросхема (мост). Это позволило достичь заметного роста производительности компьютера, так как процессор мог продолжать работу даже тогда, когда данные пишутся в ОЗУ или считываются из него (то же самое происходит и при обмене данными между двумя РС1-устройствами).

Шина PCI является синхронной 32- или 64-разрядной шиной, рабо­тающей на частоте 33 или 66 МГц; она поддерживает автоматическое определение и конфигурирование плат расширения (режим Plug-n-play). Максимально возможная скорость передачи данных составляет от 132 Мбайт/с (для 32-бит/ЗЗ МГц) до 528 Мбайт/с (для 64-бит/66 МГц реализации шины).

Разработчики графических адаптеров уже к середине 90-х годов столкнулись с проблемой недостаточного быстродействия шины PCI для ряда задач, возникающих при обработке трехмерной графики. В связи с этим была разработана локальная шина для обмена с видеоадаптером -AGP (Accelerated Graphic Port). Для подключения устройств к AGP-шине используется специальный разъем.

В мобильных компьютерах для подключения плат расширения памяти и периферийных устройств (модемов, сетевых карт, сменных жестких дисков и т.д.) используются 68-контактные разъемы стандарта PC-card, ранее называвшиеся PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association). Они предназначены для подсоединения малогабаритных версий указанных устройств размером 54x85,6 мм толщиной 3-3,5 или 10,5 мм.

Шина USB, появившаяся в 1996 г., предназначена для под­ключения соединенных в цепоч­ку средне- и низкоскоростных периферийных устройств (те­оретически - до 127 к одному контроллеру); при этом поддер­живается их автоопределение, а также так называемое «горячее» подключение (подключение к ра­ботающему компьютеру без его перезагрузки). Скорость пере­дачи данных по USB версии 1.0 составляет 12 Мбайт/с, версии 2.0 — 480 Мбайт/с. Длина кабеля USB может достигать 5 м

Интерфейсы передачи данных

В случае, когда обмен информацией ведется между материнской платой и периферийным устройством, соединяющая их линия передачи данных называется интерфейсом передачи данных, или просто интерфейсом. В современных ПК используются такие интерфейсы, как IDE, SCSI, Fire Wire (IEEE 1394) и др.

Интерфейс IDE (Integrated Drive Electronics) используется для под­ключения накопителей жестких дисков, приводов CD и DVD, ZIP-накопите­лей, магнитооптики, стримеров и т. п. В качестве синонима интерфейса IDE применяется также термин ATA (AT Attachment).

В IDE впервые был введен стандарт для обмена данными между контроллером устройства и системной шиной за счет использования специальных схем, предназначенных для управления как диском, так и самой шиной (отсюда и название интерфейса). Физически интерфейс IDE представляет собой пло­ский 40- или 80-жильный кабель с разъемами для подключения одного или двух устройств. Общая длина кабеля не должна превышать 45 см, а расстояние между разъемами должно быть не менее 15 см.

Интерфейс SCSI получил широкое распространение после появления в середине 80-х годов компьютеров Macintosh фирмы Apple (они не явля­ются IBM-совместимыми). Разрядность шины SCSI-1 составляла всего 8 бит, тактовая частота — 5 МГц, максимальная скорость передачи данных не превышала 5 Мбайт/с. Современные модификации данного интерфейса позволили поднять скорость передачи до 160 Мбайт/с.

Интерфейс SATA. Спецификация Serial АТА II в окончательной версии была принята в октябре 2002 г. Пропускная способность этого интерфейса составляет 300 Мбайт/с; в ближайшее время планируется ее удвоение. Стандарт предусматривает последовательную передачу данных. Максимальная длина кабеля составляет 1 м.

Интерфейс RS-232 (новое название - EIA-232D) все еще применяется для подключения низкоскоростных устройств (таких как мышь, модем и др.); постепенно он вытесняется интерфейсом USB. На компьютере может использоваться до 4 последовательных портов.

Интерфейс параллельного порта (LPT), также устаревший, чаще всего используется для подключения принтера. Персональный компьютер может работать максимум с тремя такими портами.

Интерфейс игрового порта (gameport), как правило, расположен либо на звуковой плате, либо на многофункциональной плате ввода/вывода и позволяет подключать к компьютеру различные аналоговые устройства (например джойстик). Он же может служить для подключения музы­кальных инструментов с интерфейсом MIDI (Musical Instruments Device Interface).

Для связи мобильных компьютеров с настольными, а также для подключения различных устройств довольно широко используется бес­проводный интерфейс, работающий в инфракрасном диапазоне — IrDa. Подобная связь имеет ряд преимуществ: низкую цену, невысокое энерго­потребление и отсутствие вредных высокочастотных излучений. Первый стандарт IrDa (Infrared Data Association) появился в июне 1994 г.; скорость передачи данных может составлять 1,152 или 4,0 Мбит/с.

В 1998 г. была начата разработка альтернативной технологии Blue­tooth, использующей для передачи данных высокочастотный радиоканал (2,4 -2,48 ГГц). Скорость передачи данных (в зависимости от использу­емого режима) составляет 420 или 720 Кбит/с, связь обеспечивается на расстоянии до 100 м.

4.2. Внутренняя память

Другим важным функциональным узлом компьютера является запоминающее устройство, или память. Память, в которой хранятся исполняемые программы и данные, называется оперативным запоми­нающим устройством (ОЗУ), или RAM (Random Access Memory) — па­мятью со свободным доступом. ОЗУ позволяет записывать и считы­вать информацию из ячейки, обращаясь к ней по ее номеру или адресу. Ячейка памяти имеет стандартное число двоичных разрядов. В настоящее время стандартный размер ячейки ОЗУ равняется од­ному байту. Информация в ОЗУ сохраняется все время, пока на схе­мы памяти подается питание, т.е. она является энергозависимой.

Существует два вида ОЗУ, отличающиеся техническими харак­теристиками: динамическое ОЗУ, или DRAM (Dynamic RAM), и ста­тическое ОЗУ, или SRAM (Static RAM).

Статическая ячейка памяти – это специальная полупроводниковая схема (инженеры называют ее триггер), обладающая двумя устойчивыми состояниями. Одно из них принимается за логический ноль, а другое – за единицу. Состояния эти действительно настолько устойчивы, что при отсутствии внешних воздействий (и, конечно, подключенном напряжения питания!) могут сохраняться сколь угодно долго. Динамические ячейки памяти, напротив, не обладают этим свойством. Такие ячейки фактически представляют собой конденсатор, образованный элементами полупроводниковых микросхем. С некоторым упрощением можно сказать, что логической единице соответствует заряженный конденсатор, а нулю – незаряженный. Существенным свойством динамической ячейки памяти является наличие постепенного самопроизвольного разряда конденсатора через внешние схемы, что ведет к потере информации. Чтобы этого не происходило, конденсаторы динамической памяти необходимо периодически подзаряжать (такой процесс принято называть регенерацией ОЗУ). Оба вида запоминающих микросхем успешно конкурируют между собой, поскольку ни одна из них не является идеальной. С одной стороны, статическая память значительно проще в эксплуатации, т.к. не требует регенерации, и приближается по быстродействию к процессорным микросхемам. С другой стороны, она имеет меньший информационный объем и большую стоимость (в самом деле, изготовление конденсатора значительно проще, чем триггерной схемы и требует на кремниевой пластине гораздо меньше места), сильнее нагревается при работе. На практике в данный момент выбор микросхем для построения ОЗУ всегда решается в пользу динамической памяти. И все же быстродействующая статическая память в современном компьютере тоже обязательно есть: она называется кэш-памятью (от англ. cache — запас).

Скорость работы ОЗУ ниже, чем быстродействие процессора. Время обра­щения к данным в кэш-памяти на порядок ниже, чем у ОЗУ, и срав­нимо со скоростью работы самого процессора. Процессор использует кэш исключительно самостоятельно, помещая туда извлеченные им из ОЗУ данные и команды программы и запоминая при этом в специальном каталоге адреса, откуда информация была извлечена. Если эти данные потребуются повторно, то уже не надо будет терять время на обращение к ОЗУ – их можно получить из кэш-памяти значительно быстрее. Поскольку объем кэш существенно меньше объема оперативной памяти, его контроллер (управляющая схема) тщательно следит за тем, какие данные следует сохранять в кэш, а какие заменять: удаляется та информация, которая используется реже или совсем не используется. Следует заметить, что кэш-память является очень эффективным средством повышения производительности компьютера, в чем легко убедиться на практике, если в вашем компьютере предусмотрена возможность отключения кэш.

Современные процессо­ры имеют встроенную кэш-память, которая находится внутри про­цессора, кроме этого есть кэш-память и на системной плате. Чтобы их различать, кэш-память делится на уровни. На кристалле самого процессора находится кэш-память первого уровня, она имеет объем порядка 16—128 Кбайт и самую высокую скорость обмена данными. В корпусе процессора, но на отдельном кристалле находится кэш­-память второго уровня, которая имеет объем порядка 256 Кбайт — 2 Мбайта. И, наконец, кэш-память третьего уровня расположена на системной плате, ее объем может составлять 16-1000 Мбайт.

Оперативная память в компьютере размещается на стандартнык панельках, назы­ваемых модулями. Модули оперативной памяти вставляют в соответствующие разъемы на материнской плате. Если к разъемам есть удобный доступ, то опера­цию можно выполнять своими руками. Если удобного доступа нет, может потре­боваться неполная разборка узлов системного блока, и в таких случаях операцию поручают специалистам.

Конструктивно модули памяти имеют два исполнения - однорядные (SIMM­-модули) и двухрядные (DIMM-модули). Ha компьютерах с процессорами Pentium однорядные модули можно применять только парами (количество разъемов для их установки нa материнской плате всегда четное), а DIMM-модули можно устанав­ливать по одному. Многие модели материнских плат имеют разъемы как того, так и другого типа, но комбинировать на одной плате модули разных типов нельзя.

Основными характеристиками модулей оперативной памяти являются объем памяти и время доступа. SlММ-модули поставляются объемами 4, 8, 16, 32 Мбайт, а DIММ-модули - 16, 32, 64, 128 Мбайт и более. Время доступа показывает, сколько времени необходимо для обращения к ячейкам памяти - чем оно меньше, тем лучше. Время доступа измеряется в миллиардных долях секунды (наносекундах, нс). Типич­ное время доступа к оперативной памяти для SIMM-модулей - 50-70 нс. Для совре­менных DIMM-модулей оно составляет 7-10 нс.

В одном адресном пространстве с ОЗУ находится специальная память, предназначенная для постоянного хранения таких программ, как тестирование и начальная загрузка компьютера, управление вне­шними устройствами. Она является энергонезависимой, т.е. сохра­няет записанную информацию при отсутствии напряжения питания. Такая память называется постоянным запоминающим устройством (ПЗУ) или ROM (Read Only Memory). Постоянные запоминающие устройства можно разделить по способу записи в них информации на следующие категории:

-    ПЗУ, программируемые однократно. Программируются при из­готовлении и не позволяют изменять записанную в них информацию.

-    Перепрограммируемые ПЗУ (ППЗУ). Позволяют перепрограмми­ровать их многократно. Стирание хранящейся в ППЗУ инфор­мации осуществляется или засветкой полупроводникового кри­сталла ультрафиолетовым излучением, или электрическим сигналом повышенной мощности, для этого в корпусе микросхе­мы предусматривается специальное окно, закрытое кварцевым стеклом.

Комплект программ, находящихся в ПЗУ, образует базовую систему ввода-вывода (BIOS - Basic Input Output System). Основное назначение программ этого пакета состоит в том, чтобы проверить состав и работоспособность компьютерной системы и обеспечить взаимодействие с клавиатурой, монитором, жестким диском и диско­водом гибких дисков. Программы, входящие в BIOS, позволяют нам наблюдать на экране диагностические сообщения, сопровождающие запуск компьютера, а также тестироваться в ходе запуска с помощью клавиатуры.

На материнской плате есть микросхема "энергонезависимой" памяти, по технологии изготовления называемая CMOS. От оперативной памяти она отличается тем, что ее содержимое не стирается во время выключения ком­пьютера, а от ПЗУ она отличается тем, что данные в нее можно заносить и изме­нять самостоятельно, в соответствии с тем, какое оборудование входит в состав системы. Эта микросхема постоянно подпитывается от небольшой батарейки, располо­женной на материнской плате. Заряда этой батарейки хватает на то, чтобы микро­схема не теряла данные, даже если компьютер не будут включать несколько лет.

В микросхеме CMOS хранятся данные о гибких и жестких дисках, о процессоре, о некоторых других устройствах материнской платы. Тот факт, что компьютер четко отслеживает время и календарь (даже и в выключенном состоянии), тоже связан с тем, что показания системных часов постоянно хранятся (и изменяются) в CMOS.

Т.о., программы, записанные в BIOS, считывают данные о составе оборудования компьютера из микросхемы CMOS, после чего они могут выполнить обращение к жесткому диску, а в случае необходимости и к гибкому, и передать управление тем программа, которые там записаны.

4.3. Внешние запоминающие устройства

Внешние запоминающие устройства ПК, предназначенные для долго­временного хранения программ и данных, выполняются в виде накопи­телей; в качестве носителей информации в них используются магнитные диски и ленты, оптические (лазерные) диски и др. Эти носители могут быть как сменными (извлекаемыми), так и стационарными.

По способу доступа к информации ВЗУ подразделяют на устройства прямого (произвольного) и последовательного доступа.

Дисковые накопители (disk drive) являются устройствами прямого доступа, поскольку считывающая головка может непосредственно обращаться к любому месту на диске. Напротив, накопители на магнитных лентах являются устройствами последовательного доступа: чтобы скачать нужную информацию, требуется предварительная перемотка ленты до соответствующего места. В накопителях на магнитных лентах (чаще всего в качестве таких устройств выступают стримеры) запись производится на мини-кассеты.

Основными характеристиками ВЗУ являются информационная емкость (Мбайт, Гбайт и т.д.) и время доступа (в секундах или долях секунды). Именно малое время доступа сделало накопители на магнитных дисках основным устройством внешней памяти ПК.

Накопители на магнитных дисках

Магнитные диски в качестве запоминающей среды используют магнитные материалы со специальными свойствами, позволяющими фиксировать два состояния. Информация на магнитные диски запи­сывается и считывается магнитной головкой, которая перемещается радиально с фиксированным шагом, а сам диск при этом вращается вокруг своей оси. Головка считывает или записывает информацию, расположенную на концентрической окружности, которая называется дорожкой или треком. Количество дорожек на диске определяется шагом перемещения головки и зависит от технических характерис­тик привода диска и качества самого диска. За один оборот диска может быть считана информация с одной дорожки. Общее время доступа к информации на диске складывается из времени перемеще­ния головки на нужную дорожку и времени одного оборота диска.

Дорожки (40 или 80) представляют собой узкие концентрические кольца на диске. Каждая дорожка разделена на части, называемые секторами.

Цилиндр — это общее количество дорожек, с которых можно считать информацию, не перемещая головок. Поскольку гибкий диск имеет только две стороны, а дисковод для гибких дисков — только две головки, в гибком диске на один цилиндр приходится две дорожки. В жестком диске может быть много дисковых пластин, каждая из которых имеет две (или больше) головки, поэтому одному цилиндру соответствует множество дорожек.

Кластер (или ячейка размещения данных) — наименьшая область диска, которую операционная система использует при записи файла. Обычно кластер — один или несколько секторов. Все файлы на диске хранятся в виде цепочки кластеров.

Самая первая дорожка – нулевая – считается служебной, на ней размещается загрузочный сектор и FAT-таблица.

Загрузочный сектор хранит информацию о диске – о количестве секторов, дорожек.

FAT-таблица – таблица размещения файлов – хранит информацию об адресах записанных файлов, т.е. список кластеров диска, по которому ОС находит все части необходимого файла.

Дисководы магнитных дисков делятся на дисководы для сменных носителей (дискет) и дисководы жестких дисков (винчестеры), кото­рые устанавливаются в системном блоке компьютера.

Гибкие магнитные диски поме­щаются в пластмассовый корпус. Такой носитель информа­ции называется дискетой.

В защитном пластмассовом корпусе дискеты имеется про­долговатое отверстие, через которое производится за­пись/считывание информации. Защиту от записи обеспечи­вает предохранительная защелка в левом нижнем углу кор­пуса дискеты. В центре дискеты имеется приспособление для захвата и обеспечения вращения диска внутри пластмассового корпу­са. Дискета вставляется в дисковод, который вращает диск с постоянной   угловой   скоростью.

Данные записываются на магнитном слое диска с обеих сторон по концентрическим дорожкам, которые радиальным разбиением делятся на сектора. Емкость каждого сектора фиксирована и составляет 512 байт. Всего на стандартной дискете содержится 80 дорожек по 18 секторов в каждой. Т.о., на двух сторонах носителя имеется 80×18×2=2880 секторов, в которые может быть записано максимум 2880×512=1474560 байт » 1,4 Мбайт   информации.

Все сменные носители на дисках, в том числе и рассмотренные далее оптические диски, характеризуются своим ди­аметром, или форм-фактором. Наибольшее распространение получи­ли гибкие магнитные диски с форм-фактором 3,5 дюйма. Но суще­ствуют диски с форм-фактором 5,25 дюйма и 1,8 дюйма.

На гибком диске минимальным адресуемым эле­ментом является сектор. При записи файлов на диск будет занято всегда целое ко­личество секторов, соответственно, минимальный размер файла составляет один сектор, а максимальный соответству­ет общему количеству секторов на диске.

Файл записывается в произвольные свободные сектора, которые могут находиться на различных дорожках. Для того чтобы можно было найти файл по его имени, на диске имеется каталог, представляющий собой базу данных. Запись о файле содержит имя файла, адрес первого секто­ра, с которого начинается файл, объем файла, а также дату и время его создания.

Полная информация о секторах, которые занимают фай­лы, содержится в таблице размещения файлов (FAT — File Allocation Table). Количество ячеек FAT соответствует коли­честву секторов на диске, а значениями ячеек являются це­почки размещения файлов, т.е. последовательности адресов секторов, в которых хранятся файлы.

Для размещения каталога и таблицы FAT на гибком диске отводятся сектора со 2 по 33. Первый сектор отводится для размещения загрузочной записи операционной системы. Сами файлы могут быть записаны, начиная с 34 сектора.

Т.е. существует различие между емкостью неформатированного гибкого маг­нитного диска(1,44 Мбайт для 3,5 дюйма), его информационной емкостью после форма­тирования (1,40625 Мбайт) и информационной емкостью доступной для за­писи данных (1,39 Мбайт).

Для того чтобы на диске можно было хранить информацию, диск должен быть отформатиро­ван, т.е. должна быть создана физическая и логическая структура диска.

Физическая структура диска определяется количеством дорожек и числом секторов на каждой дорожке. Она задается при формати­ровании диска, которое выполняется специальными программами и должно быть проведено перед первым использованием диска для за­писи информации. Для этого в процессе форматирования магнитная головка дисковода расставляет в определенных местах дис­ка метки дорожек и секторов.

Логическая структура магнитного диска представляет собой совокуп­ность секторов, каждый из которых имеет свой порядковый номер. Сектора нумеруются в линейной последовательности от первого сектора нулевой дорожки до последнего сектора последней дорожки.

Логическая структура определяется файловой систе­мой, которая реализована на диске и зависит от операционной сис­темы компьютера, на котором используется данный диск. Логичес­кая структура подразумевает выделение некоторого количества секторов для выполнения служебных функций размещения файлов и каталогов на диске.

Существуют два различных вида форматирования дисков: полное и быстрое. Полное форма­тирование включает в себя как физическое форматирование (проверку качества магнитного покрытия дискеты и ее раз­метку на дорожки и сектора), так и логическое форматиро­вание (создание корневого каталога и таблиц размещения файлов). После полного форматирования вся хранившаяся на диске информация будет уничтожена.

Быстрое форматирование производит лишь очистку кор­невого каталога и таблиц размещения файлов. Информация, т.е. сами файлы, сохраняется и, в принципе, возможно вос­становление файловой системы.

Кроме гибких дисков широкое распространение получили смен­ные магнитные носители типа ZIP. Использование более совершен­ной системы позиционирования головок системы привода позво­лило увеличить плотность записи, и довести его для диска с форм-фактором 3,5 дюйма до 250 Мбайт. К сожалению, диски ZIP несовместимы с обычными гибкими дисками и для их использова­ния приходится устанавливать специальный привод ZIP.

Жесткие магнитные диски пред­ставляют собой несколько десятков дисков, размещенных на одной оси, заключенных в металлический корпус и вращающихся с большой угловой скоростью.

В качестве НЖМД широкое распространение в ПК получили накопители типа «винчестер». Этот термин возник из жаргонного названия первой модели жесткого диска емкостью 16 Кбайт (IBM, 1973г), имевшего 30 дорожек по 30 секторов, что случайно совпало с калибром «30/30» известного охотничьего ружья «Винчестер».

За счет гораздо большего коли­чества дорожек на каждой стороне дисков и большого количества дисков информационная ем­кость жестких дисков может в десятки тысяч раз превы­шать информационную емкость дискет.

Основное достоинство жестких дисков – большая информационная емкость и малое время доступа к информации. К недостаткам следует отнести в первую очередь их высокую чувствительность к механическим воздействиям (вибрациям и толчкам), которые легко могут привести к повреждению головками магниточувствительного покрытия диска.

Для того чтобы получить на магнитном носителе структуру диска, включающую в себя дорожки и сектора, над ними должна быть выполнена процедура, называемая физическим, или низкоуровневым, форматированием. В ходе выполнения этой процедуры контроллер записывает на носитель служебную информацию, которая определяет разметку цилиндров диска на сектора и нумерует их. Форматирование низкого уровня предусматривает и маркировку дефектных секторов для исключения обращения к ним в процессе эксплуатации диска.

В ПК имеется обычно один, реже несколько НЖМД. Однако, программными средствами один физический диск может быть разделен на несколько «логических» дисков; тем самым имитируется несколько НМД на одном накопителе.

Современные винчестеры весьма разнообразны по своим характеристикам. Их информационная емкость колеблется от 40-60 до 200 Гб и более, а время доступа к данным варьирует в пределах 3,5 – 6 мс. Помимо винчестеров, в ПК применяются также накопители на сменных жестких дисках.

Логическая структу­ра жестких дисков несколько отличается от логической струк­туры гибких дисков. Минимальным адресуемым элементом же­сткого диска является кластер, который может включать в себя несколько секторов. Размер кластера зависит от типа испо­льзуемой таблицы FAT и от емкости жесткого диска.

Фрагменты файлов могут располагаться в различных, уда­ленных друг от друга кластерах. Так как на диске могут храниться сотни и тысячи файлов в сотнях тысяч кластеров, то фрагментированность файлов будет существенно замед­лять доступ к ним (магнитным головкам придется постоян­но перемещаться с дорожки на дорожку) и, в конечном ито­ге, приводить к преждевременному износу жесткого диска.

С течением времени в процессе удаления одних файлов и записи других, фрагментированность диска будет возрас­тать. Рекомендуется периодически проводить дефрагментацию диска, в процессе которой файлы записываются в по­следовательно идущие друг за другом кластеры.

Накопители на оптических дисках

Оптический компакт-диск (Compact Disk (CD)), который был предложен в 1982 г. фирмами Philips и Sony первоначально для запи­си звуковой информации, произвел переворот и в компьютерной тех­нике, так как идеально подходил для записи цифровой информации больших объемов на сменном носителе. Объем информации, запи­санной на компакт-диске, составляет 600—800 Мбайт. К достоин­ствам компакт-диска можно отнести и его относительную дешевиз­ну в массовом производстве, высокую надежность и долговечность, нечувствительность к загрязнению и воздействию магнитных полей.

Объем первых компакт-дисков составлял 650 Мб. А почему именно столько? Компакт-диск (CD) был задуман как средство хранения музыкальных записей, способное заменить традиционные на то время аналоговые источники аудиоинформации: магнитные ленты и виниловые пластинки. Объем диска выбирался довольно интересным образом. Исполнительный директор фирмы Sony Акио Морита предположил, что новый носитель должен отвечать требованиям в первую очередь ценителей классической музыки. А самым популярным классическим произведением тогда, согласно социологическому опросу, была Девятая симфония Бетховена продолжительностью около 64 минут. Компания Philips определила требования к качеству звука: частота дискретизации (сколько раз в секунду происходит измерение уровня звука при его записи) – 44,1 МГц и разрядность 16 бит. При пересчете на мегабайты и получился объем в 650 Мб.

В качестве носителя информации в компьютере компакт-диски стали использоваться позже – первый международный стандарт хранения данных и структуры файловой системы компакт-диска появился с 1988 году.

Информация на лазерном диске записана на одну спира­левидную дорожку (как на грампластинке), содержащую чередующиеся участки с различной отражающей способно­стью.

В целях сохранности информации лазерные диски необ­ходимо предохранять от механических повреждений (цара­пин), а также от загрязнения.

В процес­се считывания информации с лазерных дисков луч лазера, установленного в дисководе, падает на поверхность вращаю­щегося диска и отражается. Так как поверхность лазерного диска имеет участки с различными коэффициентами отра­жения, то отраженный луч также меняет свою интенсив­ность (логические 0 или 1).

В процессе записи информации на лазерные диски, для создания участков поверхности с различными коэффициен­тами отражения, применяются различные технологии: от простой штамповки до «выплавления» участков поверхно­сти диска мощным лазером.

Доступ к данным на CD-ROM осуществляется быстрее, чем к данным на дискетах, но медленнее, чем на жёстких дисках.

CD-ROM является односторонним носителем информации.

CD-ROM (CD — Compact Disk, компакт диск; Read Only Memory — только чтение) - это оптический носитель информации, предназначенный только для чтения, хранит информацию, кото­рая была записана на нем в процессе изготовления.

Скорость считывания информации в CD-ROM накопителе зависит от скорости вращения диска. Первые CD-ROM нако­пители были односкоростными и обеспечивали скорость считывания информации 150 Кбайт/с, в настоящее время все большее распространение получают 48-скоростные CD-ROM накопители, которые обеспечивают в 48 раз боль­шую скорость считывания информации (до 7,2 Мбайт/с); 52х-скоростные накопители CD-ROM (скорость считывания 7500 Кб/с).

Накопители CD-R (CD-Recordable, запи­сываемый) позволяют записывать собственные компакт-диски. Специальные CD-R дисководы обладают достаточно мощным ла­зером, который в процессе записи информации меняет отра­жающую способность участков поверхности записываемого диска. Информация на таких дисках может быть записана только один раз.

Более популярными являются накопители CD-RW, которые позволяют записывать и перезаписывать диски (RW — Rewritable, перезаписываемый). Специальные CD-RW дисководы в процессе записи информации также меняют отражающую способность отдельных участков поверхности дисков, одна­ко информация на таких дисках может быть записана мно­гократно. Перед перезаписью записанную информацию «стирают» путем нагревания участков поверхности диска с помощью лазера.

Дальнейшее развитие технологий производства компакт-дисков привело к созданию дисков с высокой плотностью записи — цифро­вой универсальный диск Digital Versatile Disk (DVD).

Имея те же габариты, что обычный компакт-диск, и весьма похожий принцип работы, он вмещает чрезвычайно много информации — от 4,7 до 17 Гбайт.

Разброс ёмкостей возникает так: в отличие от CD-ROM, диски DVD записываются с обеих сторон. Более того, с каждой стороны могут быть нанесены один или два слоя информации. Таким образом,

односторонние однослойные диски имеют объем 4,7 Гбайт (их часто называют DVD-5, т.е. диски емкостью около 5 Гбайт),

двусторонние однослойные — 9,4 Гбайт (DVD-10),

односторонние двухслойные — 8,5 Гбайт (DVD-9), а

двусторонние двухслойные — 17 Гбайт (DVD-18).

Первое поколение DVD-ROM накопителей обеспечивало скорость считывания информации примерно 1,3 Мбайт/с. В настоящее время 5-скоростные DVD-ROM достигают скоро­сти считывания до 6,8 Мбайт/с.

На сегодня реально применяется DVD-диск лишь в двух областях: для хранения оцифрованных видеофильмов (DVD-Video или просто DVD) и сверхбольших баз данных, программ (DVD-ROM, DVD-R). Для  просмотра DVD-Video выпускаются специальные проигрыватели, а диски DVD-ROM читаются специальными компьютерными DVD-приводами, подобными привычным нам CD-ROM.

Различие между DVD-Video и DVD-ROM подобно различию между аудио-CD и CD-ROM. DVD-Video содержит видеопрограммы  и проигрывается в DVD-плейере, подключенном к телевизору. DVD-ROМ содержит компьютерные данные и читается дисководом DVD-ROМ, подключенным к компьютеру. DVD также включает такие разновидности, как однократно записываемые и диски многократной записи (в настоящее время только односторонние однослойные). К сожалению, пока стандартные DVD-R и DVD-RAM-диски могут хранить лишь 3,95 Гб и 2,58 Гб данных на каждой стороне соответственно, взамен 4,7 Гб предлагаемых на одной стороне обычных дисков DVD. Имеется также DVD-Audio звуковой формат.

В зависимости от объема требующих хранения данных и выбирается тип DVD-диска. Если речь идет о фильмах, то на двусторонних дисках часто хранят две версии одной картины — одна широкоэкранная, вторая в классическом телевизионном формате.

Громадные объемы данных, умещающиеся на DVD-дисках, в очередной раз подтвердили истину о переходе количества в качество. Теперь становятся реальными самые смелые мечты о домашнем просмотре фильмов с качеством изображения и звука, соответствующем уровню профессиональной студийной аппаратуры.

Диск обеспечивает около 2 часов высококачественного цифрового видео (на двустороннем двухслойном диске – более 8 часов).

Кроме того, DVD-проигрыватели имеют дополнительные возможности, такие, как сканирование диска и поиск фрагмента, пауза и замедленное проигрывание фильма. Можно осуществлять покадровый просмотр в любом направлении, и каждый кадр будет иметь четкое изображение. Применение меню позволяет начать просмотр с любого места. Предусмотрена и специальная функция контроля, позволяющая родителям закрывать доступ детям к некоторым специфичным фрагментам видеофильма, например, к сценам с насилием. Но самым фантастичным является то, что большая емкость DVD-дисков позволяет применять многопотоковые технологии передачи данных. Так, программы на диске могут иметь аудиоперевод на 8 языков и/или 32-язычные субтитры.

Поставщики фильмов на DVD предлагают поистине потрясающий звук, записанный по стандарту Dolby Digital (AC-3 Digital Sound), который обеспечивает пять + один звуковых каналов (звук домашнего кинотеатра), т.е. обеспечивается пять различных (дискретных) каналов и один общий низкочастотный канал. В отличие от стандарта Dolby ProLogic, многоканальный стандарт записи звука АС-3 рассчитан на то, что перед зрителем расположены три колонки (левая, правая и центральная), за его спиной расположено еще два твитера (левый и правый), а в произвольном месте расположен сабвуфер (низкочастотная колонка, который, впрочем, обычно тоже располагают впереди под центральной колонкой). У зрителя создается полное ощущение реальности происходящего на экране действия (эффект объемного звучания). Звук, записанный по стандарту АС-3, может распространяться по помещению в произвольных направлениях, в результате чего и достигается эффект присутствия.

В перспективе появляется возможность выбора различных сюжетных линий одного и того же фильма и различные варианты финалов. Кроме того, поставщики фильмов на DVD могут создавать программы с параллельными видеопотоками, т.е. одни и те же сцены можно просматривать с разных углов зрения, создавая для режиссера невиданные ранее возможности для творчества. При просмотре специально созданных фильмов можно, например, выбрать любое из 9 возможных положений камеры, чтобы с разных сторон посмотреть на одну и ту же сцену.

Даже простой футбольный матч в режиме параллельных видео потоков записывается с различных точек, позволяя насладиться одним и тем же моментом со стороны трибун, со стороны вратаря или с использованием крупного плана. Естественно, все это должно быть заложено в специально сделанном интерактивном DVD-диске.

Т.о., DVD обеспечивает более четкое и качественное изображение, чем лазерный диск, и более насыщенный звук, чем аудио- и компакт-диски.

Наученные горьким опытом, разработчики DVD заранее заложили в стандарт возможность защиты авторских прав. Поэтому всю территорию Земли разработчики разделили на несколько обширных регионов, каждому из которых соответствовал свой уникальный код. Этот код закладывается в DVD-проигрыватель согласно тому региону, в котором он должен быть продан, после чего проигрыватель может воспроизводить лишь те DVD-диски, которые "разрешены" к использованию в данном регионе. Так, проигрыватель, купленный в России, может отказаться воспроизводить диски, привезенные из Америки или Японии.

Регионы распределены следующим образом:

·        территория США и Канады

·        Европа, Япония, Южная Африка и Ближний Восток

·        Юго-Восточная и Восточная Азия

·        Австралия, Новая Зеландия, Океания, Латинская Америка, страны Карибского бассейна

·        Африка, Индия, Россия и страны СНГ

·        Китай

·        специальный экстерриториальный регион (для использования на международном транспорте – самолетах и океанских лайнерах)

Разумеется, если сам DVD-диск не несет на себе регионального кода, он с легкостью работает на любом DVD-проигрывателе. С другой стороны, сами DVD-проигрыватели можно перенастроить т.о., чтобы они либо обнуляли свой региональный код, что, правда, не дает стопроцентной гарантии использования закодированного диска, либо получали возможность оперативного переключения своего кода в зависимости от диска. В одни проигрыватели эта возможность вкладывается самим производителем (с ограничением на количество таких переключений), в другие – нет, что уже привело к появлению пиратского рынка по их перенастройке.

В случае же DVD-ROM региональные коды не применяются. Компьютерный DVD-привод проверяет код лишь в том случае, если с него проигрывается видео DVD-диск. Для аудио DVD-дисков региональные коды не применяются вообще.

Флэш-память

К недостаткам дисковой памяти можно отнести наличие меха­нических движущихся компонентов, имеющих малую надежность, и большую потребляемую мощность при записи и считывании. Появ­ление большого числа цифровых устройств, таких как МРЗ-плееры, цифровые фото- и видеокамеры, карманные компьютеры, потребо­вало разработки миниатюрных устройств внешней памяти, которые обладали бы малой энергоемкостью, небольшими размерами, значи­тельной емкостью и обеспечивали бы совместимость с персональны­ми компьютерами. Первые промышленные образцы такой памяти появились в 1994 г.

Новый тип памяти получил название флэш-память (Flash-memory). Флэш-память представляет собой микросхему перепрограм­мируемого постоянного запоминающего устройства (ППЗУ) с нео­граниченным числом циклов перезаписи. В ППЗУ флэш-памяти использован новый принцип записи и считывания, отличный от того, который используется в известных схемах ППЗУ. Такой тип флэш-памяти получил название FRAM (ферроэлектрическая память с произвольным доступом).

Конструктивно флэш-память выполняется в виде отдельного блока, содержащего микросхему флэш-памяти и контроллер, для подключения к одному из стандартных входов компьютера. Размеры этого блока 40´16´7 мм. Флэш-память, используемая в других цифровых устройствах, имеет иные размеры и конструктивное оформление. В настоящее время объем флэш-памяти достигает нескольких Гбайт, скорость записи и считывания составляют десятки Мбайт/с.

4.4. Устройства ввода

Ввод информации в компьютер осуществляется с помощью целого ряда устройств; к наиболее распространенным из них относятся кла­виатура и мышь (или ее аналоги - трекбол, сенсорная панель). Кроме того, существует ряд специализированных устройств для ввода графики (сканеры, цифровые камеры, световые перья, дигитайзеры), звука, ана­логового и цифрового видеосигнала.

Клавиатура (keyboard) является стандартным устройством ввода тек­стовой информации в ЭВМ. На ней располагается 83,101—107 и более клавиш, которые по выполняемым ими функциям можно разбить на несколько групп:

§        алфавитно-цифровые;

§        функциональные (F1, F2…);

§        управления курсором (стрелки, Delete, ¬, Home, End, Insert);

§        дополнительные цифровые;

§        служебные (Tab, Shift, Alt, Ctrl, Caps Lock).

Обычно клавиатура персональных компьютеров характери­зуется раскладкой символов QWERTY / ЙЦУКЕНГ (по первым буквам верхнего ряда алфавитных клавиш), но в принципе могут использоваться и другие стандарты расположения клавиш.

Клавиатура подсоединяется к системному блоку через контроллер (порт) клавиатурного ввода с помощью кабеля и специального разъема стандарта AT или PS/2.

Каждой клавише соответствует определенный код (так называемый скэн-код), который передается в компьютер при ее нажатии. Этот код за­висит от включенного в данный момент клавиатурного режима, а также от того, нажаты ли одновременно другие клавиши (как правило, это клавиши Alt, Ctrl, Shift), которые модифицируют значение скэн-кода.

Специальные клавиатуры предназначены для повышения эффективности процесса ввода данных. Это достигается путем изменения формы клавиатуры, рас­кладки ее клавиш или метода подключения к системному блоку.

Клавиатуры, имеющие специальную форму, рассчитанную с учетом требований эргономики, называют эргономичными клавиатурами. Их целесообразно применять на рабочих местах, предназначенных для ввода большого количества знако­вой информации. Эргономичные клавиатуры не только повышают производитель­ность наборщика и снижают общее утомление в течение рабочего дня, но и снижа­ют вероятность и степень развития ряда заболеваний, например туннельного синдрома кистей рук и остеохондроза верхних отделов позвоночника.

Раскладка клавиш стандартных клавиатур далека от оптимальной. Она сохранилась со времен ранних образцов механических пишущих машин. В настоящее время существует техническая возможность изготовления клавиатур с оптимизирован­ной раскладкой, и существуют образцы таких устройств (в частности, к ним отно­сится клавиатура Дворака). Однако практическое внедрение клавиатур с нестан­дартной раскладкой находится под вопросом в связи с тем, что работе с ними надо учиться специально. На практике подобными клавиатурами оснащают только спе­циализированные рабочие места.

Дворак выяснил, что среди букв английского алфавита чаще других встречаются десять: пять гласных и пять согласных – AOEUIDHTNS. Он разместил “великолепную десятку” так, чтобы, положив ладони на край клавиатуры, человек пальцами уперся бы в ряд наиболее популярных букв. Мелочь, а при длительной работе руки устают меньше. Еще одна особенность – гласные и согласные сгруппированы под левую и правую руку соответственно.

По методу подключения к системному блоку различают проводные и беспроводные клавиатуры. Передача информации в беспроводных системах осуществляется инфракрасным лучом. Обычный радиус действия таких клавиатур составляет несколько метров. Источником сигнала является клавиатура. Такая клавиатура позволяет работать в любом удобном для пользователя месте помещения, не привязываясь к расположению системного блока.

Можно также отметить гибкую резиновую клавиатуру, которая работает бесшумно, защищена от механических и химических разрушающих воздействий, очень тонкая и может быть свернута в виде цилиндра.

Мышь (mouse) - это манипулятор, предназначенный для перемещения указателя (курсора) по экрану монитора и фиксации его в нужной точке с помощью щелчка клавишей. После того как графический интерфейс пользователя стал стандартным (это произошло в начале 90-х годов), мышь стала абсолютно необходимым устройством при работе на ПК.

Для того чтобы ввести в компьютер информацию о перемещении манипулятора по плоскости (например, по поверхности рабочего стола), в конструкции мыши используется оптико-механический или оптический принципы.

Оптико-механическая мышь долгое время была наиболее распро­страненным типом данного устройства. Ее основным рабочим органом является металлический шарик, покрытый резиной, вращение которого передается на ролики. Ролики в свою очередь приводят во вра­щение диски со щелями, благодаря чему свет, проходящий через них, периодически перекрывается. На фотоприемник попадают световые импульсы, преобразуемые в электрические сигналы, которые передаются в ПК.

Оптическая мышь, в отличие от оптико-механической, не имеет механически движущихся частей (благодаря чему работает дольше и на­дежнее). Свет отражается от поверхности, по которой она перемещается, и попадает на фотодетектор. Чередование отражений позволяет опреде­лить направление и скорость перемещения мыши и после специального преобразования передать эту информацию в ПК.

Существуют три основных способа подключения мыши к системно­му блоку: через последовательный, или СОМ-порт (интерфейс RS-232), через порт PS/2 или при помощи универсальной последовательной шины USB (в настоящее время он становится стандартным). Для управления мышью используется специальная программа (драйвер), входящая в со­став операционной системы.

Современные мыши могут иметь дополнительные программируемые кнопки, расположенные на боковой поверхности под большим пальцем, а также колесо или рычажок (scroll), обеспечивающие более удобную «прокрутку» текста или web-страниц по экрану.

Кроме обычной мыши существуют и другие типы манипуляторов, например: трекболы, пенмаусы, инфракрасные мыши.

Трекбол в отличие от мыши устанавливается стационарно, и его шарик приводится в движение ладонью руки. Трекбол, по сути - это перевернутая неподвижная мышь, шарик которой вращают пальцем. Преимущество трекбола состоит в том, что он не нужда­ется в гладкой рабочей поверхности, поэтому трекболы нашли широкое примене­ние в портативных персональных компьютерах.

Еще одним координатным устрой­ством ввода является TouchPad (тачпад). На русский язык это на­звание можно перевести как «сенсор­ная панель». Тачпад представляет собой панель прямоугольной формы, чувствитель­ную к нажатию пальцев. Тачпад играет такую же роль, что и мышь, но является более компактным, не требующим про­странственного перемещения устройством ввода и идеально подходит для портативных компьютеров. Иногда, тачпад встраивают непосредственно в клавиатуру для настольного компьютера. Прикоснувшись пальцем к поверхности тачпада и пере­мещая его, пользователь может маневрировать курсором так же, как и при использовании мыши. Нажатие на поверх­ность тачпада эквивалентно нажатию на кнопку мыши

Пенмаус представляет собой аналог шариковой авторучки, на конце которой вместо пишущего узла установлен узел, регистрирующий величину перемещения.

Инфракрасная мышь отличается от обычной наличием устройства беспроводной связи с системным блоком.

Джойстик (joystick, рычажный манипулятор) — специализированное устройство для быстрого перемещения курсора по экрану. Это рычаг, нижняя часть которого закреплена, а верхняя может свободно отклоняться от вертикального положения в любом направлении, что вызывает соот­ветствующее перемещение курсора по экрану. В игровых программах джойстик гораздо удобнее мыши или клавиш управления курсором.

Сенсорный (тактильный) экран дает возможность выбирать действие или команду, прикасаясь пальцем к экрану монитора. Это удобно, когда необходим быстрый доступ к информации. Такие устройства ввода ис­пользуются, например, в банкоматах, в аэропортах, на промышленных предприятиях и во всех моделях карманных компьютеров.

Сканером (scanner) называется устройство для ввода в компьютер рисунков, слайдов, фотографий, чертежей, отпечатанных текстов и дру­гой графической информации.

Характеристики сканеров:

- разрешающая способность – измеряется количеством различаемых точек на дюйм изображения и составляет от 75 до 1600 dpi;

- скорость сканирования – количество секунд, затрачиваемое на сканирование 1 страницы. Скорость сканирования цветных изображений ниже, чем черно-белых. Снижается скорость сканирования и при увеличении разрешающей способности сканера.

Виды сканеров:

1)    Ручные сканеры перемещаются по изображению вручную. Они выполнены в виде блока с рукояткой, который «прокатывают» по изображению.

2)    Планшетные сканеры являются наиболее распространенными. В них сканирующая головка (линейка светодиодов) движется относительно неподвижного оригинала, который помещается на прозрачное стеклянное основание. Скорость сканирования: 2-10 с на страницу формата А4.

3)    Роликовые сканеры используются для пакетной обработки листовых документов. В них подача очередного листа происходит автоматически.

4)    Штрих-сканеры. Эта разновидность ручных сканеров предназначена для ввода данных, закодированных в виде штрих-кода. Такие устройства имеют применение в розничной торговой сети

Графический планшет (digitizer, дигитайзер) — это кодирующее устройство, позволяющее вводить в компьютер двумерное (в том числе многоцветное) изображение в виде растрового образа. Их применяют художники, работающие в области компьютерной графики: с их помощью осуществляют также ввод данных в системах трехмерного моделирования и автоматизированного проектирования.

В состав графического планшета входит специальный указатель (перо) с датчиком. Контроллер, расположенный в самом устройстве, по­сылает импульсы по расположенной под поверхностью планшета сетке проводников. Получив два таких сигнала, контроллер преобразует их в координаты, передаваемые в ПК. Компьютер переводит эту информацию в координаты точки на экране монитора, соответствующие положению указателя на планшете. Дигитайзеры, предназначенные для рисования, обладают чувствительностью к силе нажатия пера, преобразуя соответ­ствующие данные в толщину или оттенок проводимой линии.

Речевой ввод информации осуществляют специализированные устройства с помощью программ распознавания речи. Из-за сложности настройки системы на характеристики голоса и манеры произношения конкретного пользователя на конкретном языке эти устройства пока не получили широкого распространения, но они могут стать одним из основных устройств ввода в машинах пятого поколения.

Цифровые камеры работают аналогично сканерам: оптиче­ская система (включающая в данном случае фотообъектив) проецирует снимаемое изображение на матрицу, состоящую из светочувствительных элементов. После этого оцифрованное изображение записывается в одном из форматов, обеспечивающих высокий уровень сжатия (JPEG, FlashPix и т.п.) и сохраняется на сменном носителе информации. Емкость такого носителя (наряду с качеством объектива) и определяет возможности ка­меры. Для передачи в ПК записанных изображений могут использоваться различные интерфейсы (LPT-порт, шина USB, адаптер PCMCIA и др.).

Разрешение определяет максимальную величину захватываемого ка­мерой изображения в пикселях. Для камер низкого и среднего класса она может составлять от 320x200 до 1024x768 пикселей. Камеры высокого разрешения (1280x960, 1280x1024 и более) называют мегапиксельными (mega-pixel), поскольку число точек формируемого ими изображения превышает 1 млн. Недорогие камеры вполне пригодны для изготовления любительских снимков, которые можно затем передавать по электронной почте. Мегапиксельные устройства позволяют получать изображения, качественные характеристики которых подходят для вывода фотографий размером 10´15 см на фотопринтере, а также для публикации в печатных изданиях. Карты флэш-памяти по сути стали стандартным носителем для цифровых камер, но при этом нужны дополнительные устройства для перекачки полученных снимков в ПК.

В отличие от цифровых, Web-камеры не имеют собственной памяти и передают в компьютер не отдельные снимки, а поток видео изображения.

В настоящее время все шире стали использоваться устройства для работы с видеоизображением. Их можно разбить на три большие группы:

- устройства для просмотра телевизионных программ и аналогового видео на компьютере (TV-тюнеры, преобразователи сигналов TV-VGA),

- устройства для оцифровки и записи аналогового видеосигнала,

- компьютерные DVD-плееры.

Используя эти устройства совместно с программами редактирования видео, можно создавать собственные цифровые видеофильмы в наиболее распространенных сейчас форматах MPEG-2 и MPEG-4 с последующей записью на диски CD и DVD.

4.5. Устройства вывода

К основным компьютерным устройствам вывода информации относятся монитор и принтер. В системах автоматизированного проектирования большую роль играют также плоттеры, а в домашних компьютерах – звуковые карты. Абсолютно необходимым из них можно считать только монитор (дисплей).  

Видеотерминалы предназначены для оперативного отображения текстовой и графической информации в целях визуального воспри­ятия ее пользователем. Видеотерминал состоит из видеомонитора (дисплея) и видеоконтроллера (видеоадаптера).

Для персональных компьютеров используются мониторы следу­ющих типов:

1)    на основе электроннолучевой трубки (ЭЛТ);

Формируемые электронной пушкой три пучка электронов, попадая на экран, покрытый люминофором основных цветов (красный, зеленый, синий), вызывают его свечение.

2)    на основе жидкокристаллических индикаторов (ЖКИ, LCD — Liquid Crystal Display);

Жидкий кристалл представляет собой особое состояние вещества, в котором оно обладает свойствами как жидкости (текучестью), так и твердых кристаллов (анизотропией). Экран состоит из двух стеклянных пластин, между которыми находится масса, содержащая жидкие кристаллы; они могут изменять свою оптическую структуру и свойства в зависимости от приложенного к ним электрического заряда. Для создания электростатического поля стеклянная пластина покры­та матрицей прозрачных проводников, а пиксель формируется на пересечении вертикального и горизонтального проводника. Иногда на пересечении проводников ставят активный управляющий элемент - транзистор. Такие экраны, которые получили название TFT-экранов (Thin Film Transistor - тонкопленочный транзистор), имеют луч­шую яркость и предоставляют возможность смотреть на экран даже с отклонением до 45° от вертикали. Этот показатель отличает TFT-экраны от экранов с пассивной матрицей, которые обеспечивали качество изображения только при фронтальном наблюдении.

3)    плазменные мониторы (PDP — Plasma Display Panels);

Конструк­тивно плазменная панель состоит из трех стеклянных пластин, на две из которых нанесены тонкие прозрачные проводники: на одну вер­тикально, на другую — горизонтально. Между ними находится тре­тья пластина, в которой в местах пересечения проводников двух пер­вых пластин имеются сквозные отверстия. Эти отверстия при сборке заполняются инертным газом: неоном или аргоном, они и образуют пиксели. Плазма газового разряда, возникающая при подаче высо­кочастотного напряжения на вертикальный и горизонтальный про­водники, излучает свет в ультрафиолетовом диапазоне, который вы­зывает свечение люминофора. Каждый пиксель представляет собой миниатюрную лампу дневного света! Высокая яркость и контраст­ность, отсутствие дрожания изображения, а также большой угол от­клонения от нормали, при котором изображение сохраняет высокое качество, являются большими преимуществами таких мониторов. К недостаткам можно отнести недостаточную пока разрешающую способность и достаточно быстрое (пять лет при офисном исполь­зовании) ухудшение качества люминофора. Пока такие мониторы ис­пользуются только для конференций и презентаций.

4)    электролюминесцентные мониторы (FED — Field Emission Display);

Состоят из двух пластин, с ор­тогонально нанесенными на них прозрачными проводниками. На одну из пластин нанесен слой люминофора, который начинает све­титься при подаче напряжения на проводники в точке их пересече­ния, образуя пиксель.

5)    самоизлучающие мониторы (LEP — Light Emission Plastics).

Используют матрицу пикселей, пост­роенную на основе полупроводникового материала, излучающего свет при подаче на него напряжения (светодиод). На сегодняшний день имеются монохромные самоизлучающие дисплеи с желтым свечени­ем, но они уступают по сроку службы LCD мониторам. Удалось со­здать органический проводник, имеющий широкий спектр излуче­ния. На основе этого материала планируется создать полноразмерный цветной самоизлучающий монитор. Достоинства таких мониторов заключаются в том, что они обеспечивают 180-градусный обзор, ра­ботают при низком напряжении питания и имеют малый вес.

Основные характеристики мониторов:

1) Размер экрана монитора - величина его диагонали в дюймах. Домашние персональные компьютеры оснащаются мониторами с размерами 15 или 17 дюймов, а для профессиональной работы, требующей отображения мелких деталей, исполь­зуются мониторы с размерами 21 и 22 дюйма.

2) Разрешающая спо­собность - число пикселей (световых точек) по горизонтали и вертикали. Стандартные значения разрешающей спо­собности современных мониторов следующие: 800x600, 1024x768, 1800x1440, 2048x1536 и др. Значение разрешающей способности оп­ределяет качество изображения на экране.

3) Рабочая частота кадровой развертки определяет скорость смены кадров изображения, она влияет на утомляемость глаз при продол­жительной работе на компьютере. Чем выше частота кадровой раз­вертки, тем меньше утомляемость глаз. Частота смены кадров во мно­гом зависит от разрешающей способности экрана: чем выше разрешающая способность, тем меньше частота смены кадров, на­пример, при разрешении 800x600 максимальная частота смены кад­ров может составить 120 Гц, а при разрешении 1600x1200 - 67 Гц.

Управление выводом на экран в компьютере осуществляет специ­альное устройство, называемое видеоадаптером (видеоконтроллером, видеокартой), располагающееся на плате расширения или непосред­ственно на системной плате. Видеоадаптер хранит и обрабатывает ин­формацию, необходимую для формирования изображения на экране, а также непосредственно подает на электронные схемы монитора сигналы строчной и кадровой развертки, яркости элементов изображения, пара­метры смешения цветов. Некоторые стандартные видеоконтроллеры: CGA – цветной графический адаптер, EGA - улучшенный, VGA - видеографический, SVGA – улучшенный видеографический, PGA – профессиональный графический адаптер.

На разрешающую способность монитора и качество изображе­ния влияет объем видеопамяти. Современные видеоконтроллеры для хранения цвета каждого пикселя расходуют до 4 байт памяти, для чего необходимо иметь объем видеопамяти от 32 до 128 Мбайт. Боль­ший объем видеопамяти позволяет устанавливать более высокий ре­жим разрешения и большее число цветов для каждого пикселя.

Устройства печати

Существует несколько типов устройств, обеспечивающих полу­чение твердой копии электронного документа на бумаге или другом материале. Наибольшее распространение получили два типа таких ус­тройств: принтеры и плоттеры.

Печатающие устройства (принтеры) — это устройства вывода данных из компьютера, формирующие поточечное изображение ко­пии документов на бумаге или ином аналогичном материале, напри­мер, прозрачной пленке, применяемой для размножения документов типографским способом.

Основной характеристикой принтера, определяющей качество получаемого бумажного документа, является разрешающая спо­собность, измеряющаяся числом элементарных точек (dots), которые помещаются на одном дюйме - dots per inch (dpi). Чем выше разре­шающая способность, тем точнее воспроизводятся детали изображе­ния. Современные принтеры обеспечивают разрешение от 200 до 2880 dpi.

Еще одной важной характеристикой является производительность принтера, которая измеряется количеством страниц, изготовляемых принтером в минуту — page per minute (ppm). Обычно производитель­ность указывается для страниц формата А4.

Матричные принтеры. Изображение в матричных принтерах фор­мируется из точек, которые получаются путем удара тонкой иглы по красящей ленте, прижимаемой в момент удара к бумаге. Иглы, чис­ло которых составляет от 9 до 24, объединены в головке и размеще­ны в ней вертикально в один ряд. Каждая игла управляется отдель­ным магнитом, а головка движется горизонтально вдоль листа. Таким образом, за один проход головки получается полоса, высота которой в точках равна числу игл в головке. Скорость матричных принтеров не высока и составляет около 2 ppm. Разрешающая способность со­ставляет 200—360 dpi. Достоинством матричных принтеров является низкая стоимость расходных материалов (красящей ленты) и возмож­ность печати одновременно нескольких копий документа. К недо­статкам относится низкая скорость печати и шум при печати.

Струйные принтеры. В нашей стране это в настоящее время наи­более распространенный тип принтера. Печатающая головка струй­ного принтера вместо иголок содержит тонкие трубочки — сопла, че­рез которые на бумагу выбрасываются мельчайшие дозированные капли красителя. Число сопел в головке составляет от 12 до 64. Струйные принтеры выполняют и цветную печать. При цветной пе­чати цветная точка получается смешением в заданных пропорциях красителей трех основных цветов: голубого, пурпурного и желтого, выстреливаемого из трех сопел. Качество цветной печати получает­ся очень высокое и практически неотличимо от типографского.

К достоинствам струйных принтеров можно отнести: высокое разрешение, которое зависит от числа сопел в головке и составляет от 300 до 1200 dpi; высокая скорость печати (до 10 ppm); бесшум­ность работы:

Основными недостатками является высокая стоимость расходных материалов и возможность засыхания красителя в сопле, что застав­ляет преждевременно заменять весь печатающий блок. Иногда, при нанесении большого объема красителя, бумага коробится.

Лазерные принтеры обеспечивают наиболее качественную печать с наивысшим разрешением и скоростью. Изоб­ражение в них формируется в несколько этапов. На первом этапе происходит засветка узким прерывистым световым лучом от лазер­ного диода барабана, на который нанесен тонкий слой материала, электролизующегося под действием света. На втором этапе барабан посыпается мелкодисперсионным красящим порошком, который налипает на барабан в точках засветки, а лишний порошок удаляет­ся. Третий этап состоит в прокатывании барабана с налипшим на него порошком по бумаге, в результате чего краситель переходит на бумагу. На последнем этапе происходит термическая обработка бу­маги. Она нагревается до 200°С, в результате порошок расплавляет­ся и, проникая в структуру бумаги, закрепляется на ней. Лазерные принтеры могут обеспечить печать цветного изображения. Оно по­лучается нанесением на барабан порошков разных цветов.

К достоинствам лазерных принтеров можно отнести высокое качество печати, высокую скорость печати (до 40 ррт), а также низ­кую себестоимость копии и бесшумность в работе.

Плоттеры, или графопостроители, используются, в основном, для вывода графической информации - чертежи, схемы, диаграммы и т.п. Основное достоинство плоттеров заключается в том, что они предназначены для получения изображения на бумаге боль­шого формата, например, А1.

Плоттеры делятся на два больших класса: векторные и растро­вые. В векторных плоттерах пишущий узел перемещается относитель­но бумаги сразу по вертикали и горизонтали, вычерчивая на бумаге непрерывные кривые в любом направлении. В растровых плоттерах пишущий узел перемещается относительно бумаги только в одном направлении, и изображение формируется строка за строкой из по­следовательности точек.

Векторные плоттеры используют для рисования узел, который называется пером. В качестве пера используются перья с чернилами, фибровые и пластиковые стержни (фломастеры), карандашные гри­фели и мелки или шариковые узлы однократного и многоразового действия. Перьевые плоттеры обеспечивают высокое качество как однотонных, так и цветных изображений, но имеют невысокую ско­рость работы. Постепенно перьевые и шариковые узлы плоттеров вытесняются струйными узлами, которые аналогичны узлам струй­ных принтеров. Для получения очень высокого качества печати элек­тростатические плоттеры используют специальную бумагу, на ко­торой создается потенциальный электростатический рельеф изображения. На бумагу наносится слой красителя, осаждающийся только на рельеф.

Растровые плоттеры могут иметь струйный или лазерный пи­шущий узел. Их основное отличие от принтеров с подобным прин­ципом работы состоит в ширине обрабатываемого изображения.

Звуковые карты используются для воспроизведения оцифрованных звуковых сигналов: речи, музыки, шумовых эффектов. Современные звуковые карты, даже недорогие, предоставляют для этого самые раз­нообразные возможности.

Одна из них (самая простая) - преобразование ранее оцифрованного сигнала снова в аналоговый. Глубина оцифровки и частота дискретизации (например, 8 или 16 бит, 22 или 44 кГц) определяет качество записи и соответственно воспроизведения. Так, 8-разрядное преобразование при частоте 22 кГц обеспечивает качество звучания кассетного магнитофона, а 16-разрядное при частоте 44 кГц — качество компакт-диска.

Другой способ воспроизведения звука заключается в его синтезе. При поступлении на синтезатор некоторой управляющей информации (упрощенно говоря — нотной последовательности) в нем формируется соответствующий выходной сигнал. В настоящее время применяются две основные формы синтеза звука: на основе частотной модуляции (FM-синтез) и с применением таблиц волн (так называемый WaveTable-синтез); последний обеспечивает более качественное звучание.

Акустические системы (динамики, или колонки) являются не­отъемлемым дополнением звуковой карты. В настоящее время массовое распространение получили две основные их разновидности: со встро­енным выходным усилителем (так называемые активные системы) и без него (пассивные системы). Пассивные колонки подключают только к соответствующему выходу звуковой карты, в то время как для активных нужен также дополнительный источник энергии — аккумуляторы или подключаемый к сети блок питания.

Устройства для соединения компьютеров в сеть

Модем. Одной из популярных областей применения персональ­ного компьютера является работа в глобальной сети Internet. К ней компьютер подключается по обычной телефонной или специальной линии с помощью устройства, которое называется модем (МОдулятор + ДЕМодулятор). Цифровые данные, поступающие в модем из ком­пьютера, преобразуются в нем путем модуляции в специальный не­прерывный сигнал, который и направляется в линию передачи. Мо­дем-приемник осуществляет обратное преобразование сигнала (демодуляцию) и пересылает восстановленные цифровые данные в свой компьютер. Скорость передачи данных современными модема­ми составляет 33 600 или 56 000 бит/с и зависит от поддерживаемо­го модемом протокола передачи. Модем конструктивно может быть выполнен как отдельное устройство, подключаемое к компьютеру че­рез один из его стандартных последовательных входов или как внут­реннее устройство, размещаемое внутри системного блока компью­тера.

Развивающиеся цифровые технологии передачи данных, требу­ющие значительно больших скоростей передачи и качества связи, требуют использования цифровых модемов. Цифровые модемы не являются действительно модуляторами-демодуляторами сигналов, так как и на входе, и на выходе имеют импульсный сигнал. Они выпус­каются разных модификаций для конкретных цифровых сетей и скорость передатчика составляет от 300 Кбит/с до 2-5 Мбит/с. Вы­пускаются также сотовые модемы для работы в системе сотовой связи и радиомодемы, которые осуществляют прием и передачу в преде­лах прямой видимости пары модемов и работают на ультракороткихволнах.

Сетевая карта. Если компьютеры объединяются в сеть, для ко­торой прокладывается специальный кабель, то используются специ­альные платы расширения, вставляемые в слот расширения систем­ной платы. Такие платы называются сетевыми адаптерами или сетевыми картами. Скорость передачи данных по сети через сетевые карты составляет 10—100 Мбит/с.

Сетевая карта имеет свой уникальный адрес, который однознач­но определяет адрес локального компьютера в сети. Она преобразу­ет данные, поступающие к ней от компьютера, в специальные паке­ты — кадры, пересылает их адресату, т.е. другой сетевой карте, и отвечает за надежную доставку указанному адресату по сети. Так как функции, которые выполняет сетевая карта, достаточно сложны, в ее состав включен специализированный процессор, обеспечивающий высокоскоростную аппаратную поддержку выполнения этих функ­ций. При выборе сетевой карты основным параметром является тип сети, в состав которой будет включен локальный компьютер. Извес­тные стандартные типы локальных сетей, такие как FDDI, Ethernet и др., несовместимы между собой, и каждая сетевая карта поддер­живает только определенный вид локальной сети.

5. Перспективы развития ВТ

Машины, не основанные на модели фон Неймана

Реализация подхода, разработанного в 40-х годах XX в. фон Нейманом, позволила сделать огромный шаг в развитии вычислительной техники. Вместе с тем всегда существовали и продолжают существовать вычис­лительные системы, предназначенные для решения одной-единственной задачи (например, в военном деле - определение траектории снаряда, выпущенного из конкретного орудия). Такие системы, очевидно, не тре­буют изменения программы расчетов, а следовательно, не нуждаются в разработке программы, ее загрузке и т.д.

Работа машины фон Неймана происходит по принципу «машины Тьюринга» — под жестким управлением программы. Вычислительная система, в которой выполнение примитивных операций инициируется наличием операндов, получила название «машина, управляемая потоком данных».

В классических машинах фон Неймана реализована концепция по­следовательного потока команд управления: операции (команды) вы­полняются последовательно, в соответствии с алгоритмом. В противопо­ложность этому, в машине, управляемой потоком данных, имеется поток значений, который направлен от операций, генерирующих эти значения, к операциям, «потребляющим» их в качестве операндов, причем опера­ция выполняется сразу, как только все ее операнды будут известны. По­скольку результат выполнения одной операции может быть операндом для многих других, а следовательно, может одновременно инициировать их выполнение, создаются условия для высокой степени параллелизма вычислений.

Машины, управляемые потоком данных, представляют большой инте­рес для исследователей, но традиционные языки программирования для них не подходят. Обычно их программируют с использованием языков с однократным присваиванием или декларативных языков.

При использовании декларативного языка в программе в явном ви­де указывается, какими свойствами должен обладать результат, но не говорится, каким способом он будет получен; подходит любой способ получения результата, обладающего требуемыми свойствами. Поскольку в основу декларативных языков заложены статические, а не динамиче­ские понятия (то есть определяется «что», а не «как»), такие понятия, как упорядочение и поток команд управления, им чужды; в них нет и каких-либо операторов присваивания. В идеальном случае программа на декларативном языке будет состоять только из неупорядоченной системы уравнений, характеризующей требуемый результат.

Система может не предусматривать последовательной передачи управления (то есть может работать без какого-либо «счетчика команд», указывающего текущую точку, которая достигнута при выполнении программы); в ней, кроме того, может не использоваться и концепция переменной (это значит, что она может обходиться без поименованных ячеек памяти для хранения какой-либо переменной, к которой можно обращаться или которую можно изменять).

Другим примером принципиально новой вычислительной архитекту­ры являются редукционная вычислительная машина. В ней вычисляются арифметические выражения путем последовательного сокращения всех составляющих их подвыражений до тех пор, пока не останутся просто значения данных. Расчеты осуществляются способом подстановки. Для каждого выражения, которое не является просто значением данного, специальное множество правил определяет, какая именно подстановка должна быть произведена при появлении этого выражения. Машина вы­полняет расчет путем выбора для каждого подвыражения в вычисляемом выражении соответствующего ему правила и выполнения подстановок, определяемых этим правилом. Все подвыражения могут анализироваться по правилам и сокращаться одновременно; таким образом и здесь откры­ваются большие возможности по обеспечению параллелизма расчетов (что и является основной целью при разработке редукционных машин).

Для обоих приведенных примеров характерны параллелизм вычис­лений, отсутствие концепции переменной, наличие постоянных связей между именами и конкретными константами. Заметим, что эти вы­числительные архитектуры принципиально отличаются от модели фон Неймана; их не следует смешивать с многопроцессорными или много­машинными системами, в рамках которых решается задача эффективного использования совокупности взаимодействующих фон неймановских машин.

Предпосылки создания новых вычислительных систем

На протяжении нескольких последних десятилетий компьютерная технология развивалась по пути все большей миниатюризации деталей. Микропроцессоры последних поколений содержат огромное число тран­зисторов (10 млн и более), имеющих размеры в десятую долю микрона (10^{-7 м). Следующий шаг в этом направлении приведет к нанометрам (10-9 м) и миллиардам транзисторов в одном чипе; это уже субатомный диапазон, где начинают сказываться законы квантовой механики. По этому поводу известный американский физик Ричард Фейнман отметил, что законы физики не будут препятствовать уменьшению размеров вы­числяющих устройств до тех пор, «пока биты не достигнут размеров атомов, и квантовое поведение не станет доминирующим».}

Другая проблема, указывающая на то, что современная технология создания компьютеров изживает себя, - это приближение к пределу быстродействия. Так, современные компьютерные носители способны вмещать миллионы записей, с которыми справляются существующие алгоритмы поиска. Следовательно, нужны компьютеры с более высо­кими скоростными характеристиками. Поэтому во всем мире начались интенсивные разработки по созданию вычислительных систем будущего. В настоящее время уже ведутся эксперименты по созданию квантового компьютера, биокомпьютера, нейрокомпьютера, оптического компьютера, вероятностного компьютера и др.

Принципы построения квантового компьютера

В 1982 г. Ричард Фейнман в статье, вызвавшей большой интерес, впервые поставил вопрос о том, какие возможности при вычислениях открывают устройства, построенные на квантовых элементах.

Основной строительной единицей квантового компьютера является кубит - квантовый бит (qubit, quantum bit; термин предложен американским физиком Беном Шумахером). Подобно классическому биту информации кубит теоретически может быть реализован на любой двухуровневой системе, например в атоме, который может находиться в двух энергети­ческих состояниях - основном и возбужденном (соответствующих нулю и единице классического бита).

Природа предлагает огромное множество таких систем, но главное препятствие на этом пути - вероятностная природа законов квантовой механики. Если классический бит имеет лишь два состояния, число со­стояний кубита значительно больше (он описывается волновой функцией, которая может принимать множество значений). Соответственно объем информации, записанной такими q-битами, во много раз превышает тот, который несут обычные биты.

Квантовый компьютер - это прежде всего огромная экономия: всего тысяча атомов вместо миллиардов транзисторов. Для квантовых компью­теров, как и для классических, были введены элементарные логические операции, при помощи которых может быть построена их логика.

Главной проблемой остается вопрос эффективного управления кубитами, поскольку любое из возбужденных состояний атома неустойчиво. Через очень короткое время атом самопроизвольно переходит в одно из состояний с меньшей энергией, излучая квант света, и момент этого перехода принципиально невозможно предсказать. Одним из решений может стать воздействие внешнего электромагнитного поля, под влиянием которого происходят вынужденные квантовые переходы.

Сейчас уже никто не сомневается, что компьютер, считающий по за­конам квантовой механики, - необходимый этап в эволюции вычислитель­ных устройств. Но для его реализации необходимо надежно изолировать атомную систему от внешней среды, точно знать число частиц в ней, иметь возможность привести ее в точно известное начальное состояние и уметь менять его нужным образом.

Выполнение всех этих требований вполне реально с помощью уже существующих квантовых технологий. Есть даже проект квантового компьютера, использующего двухуровневую систему на атомах фосфора в кремнии.

Модель квантового компьютера из двух кубитов на основе сверхпро­водимости была построена в 1997 г. на молекуле хлороформа группой исследователей из IBM, Массачусетского технологического института и Калифорнийского университета в Беркли. Эту экспериментальную маши­ну можно рассматривать как важный шаг к принципиально новому классу машин, способных к сверхбыстрым вычислениям. Впрочем, у данной тех­нологии есть существенный недостаток: построение компьютера хотя бы из десятка таких кубитов потребует охлаждения молекул до температур, всего на тысячные доли градуса отличающихся от абсолютного нуля.

Биокомпъютеры

Одним из перспективных нетрадиционных направлений в развитии вычислительной техники считаются так называемые молекулярные ком­пьютерные системы, создаваемые на базе ДНК или других биологических объектов (биокомпьютеры). В основу этих изысканий положено свой­ство некоторых органических молекул обратимо переходить из одного устойчивого состояния в другое (они могут рассматриваться как 0 и 1 в логических операциях).

К числу потенциальных достоинств молекулярных компьютеров специалисты относят их более высокую производительность, дешевизну и малые размеры (по сравнению с компьютерами на базе кремниевых элементов). Так, вычислительное устройство из молекул ДНК должно иметь размер порядка нескольких сотых микрона. Скорее всего, однако, компьютеры, реализующие молекулярные технологии, будут гибридными кремний-молекулярными.

Нейрокомпьютеры

Совершенно новый тип вычислительной техники был предложен исследователями, изучавшими кору головного мозга живых существ и деятельность составляющих ее клеток — нейронов. Еще в 1943 г. У Маккалоу и У. Питтс сформулировали основные положения соответствующей теории и разработали математическую модель нейрона. Согласно этой те­ории, мозг представляет собой ансамбль нейронов, имеющих одинаковую структуру. Каждый нейрон реализует некоторую функцию, называемую пороговой, над входными значениями. Если значение функции превышает определенную величину (порог, характеризующий суммарную значимость полученной нейроном информации), нервная клетка возбуждается и формирует выходной сигнал для передачи другим нейронам. Пройдя путь от рецепторов (слуховых, зрительных и др.) через нейронные структуры мозга до исполнительных органов, входная информация преобразуется в набор управляющих воздействий, адекватных ситуации.

В основу архитектуры нейрокомпьютера и была положена сеть, по­строенная на нейроноподобных элементах (искусственных нейронах) и нейроноподобных связях. Фактически речь шла о создании искусственно­го интеллекта, что позволило бы, не затрачивая больших вычислительных ресурсов, решать задачи управления и эффективно обрабатывать сенсор­ную информацию по образцу нервной системы живых организмов. Эта система обладает рядом заманчивых для разработчиков вычислительной техники особенностей, существенно облегчающих решение сложных за­дач. Главные из них — параллелизм обработки информации, способность к обучению, способность к автоматической классификации, высокая на­дежность и ассоциативность.

Принципы, изложенные в работах Маккалоу и Питтса, были в 1958 г. воплощены Ф. Розенблаттом в оригинальном устройстве - персептроне «Марк-1», способном достаточно точно распознавать печатные буквы и обучаться на примерах. Персентрон заинтересовал военных (в распозна­вании нуждаются не только печатные тексты, но и ракеты противника), и следующее десятилетие ознаменовалось активными разработками в об­ласти нейронных сетей и их технических воплощений. Однако довольно быстро разработчики стали замечать, что применяемая ими нейросетевая парадигма (включающая виды входных данных, пороговые функции, структуры сети и алгоритмы обучения) имеет ряд существенных огра­ничений и не позволяет добиваться приемлемого качества при решении многих практических задач. В 1969 г. вышла книга М.Минского, дока­завшего, что ограничения персептрона принципиальны и непреодолимы, после чего нейронные сети были забыты почти на двадцать лет. И только с 90-х годов, прежде всего благодаря работам Хопфилда и Хехт-Нильсена, эта концепция обрела новую жизнь.

Важнейшая особенность нейросетевого подхода к построению систем обработки информации — возможность задания определенного набора обучающих правил, определяющих изменение параметров искусственной нейронной сети в ответ на входное воздействие; именно так реализуется принцип «самообучающейся» системы.

Информация, обработанная искусственным нейроном, может быть представлена в виде выходящего вектора, который может иметь любое конечное число ответвлений. Выходящие векторы становятся входными для других искусственных нейронов. Когда несколько нейронов связыва­ются, возникает нейронная сеть, отдельные элементы которой произво­дят параллельную обработку информации и параллельные вычисления. У всех элементов есть локальная память, и они могут заниматься локаль­ной обработкой информации.

Нейронная сеть, как правило, делится на отдельные подмножества, ко­торые называют слоями или плоскостями. Искусственные нейроны могут быть связаны с нейронами как своего слоя, так и других слоев. Другими словами, возникает многомерная матрица (многомерный массив).

Информация в сети распределена по множеству межнейронных связей. Исчезновение одной или нескольких связей не приводит к уничтожению всей информации в работающей системе, что делает возможным создание распределенной сети, в которой уничтожение целых слоев не означает краха сети в целом. Таким образом, развитие нейрокомпьютерной техно­логии позволяет создавать мощные вычислительные системы, решающие сложные задачи управления и обработки информации.

В настоящее время уже существует около 40 различных моделей ис­кусственных нейронных сетей, используемых как в исследовательских работах, так и на практике. Современная элементная база позволяет реализовать аппаратуру с быстродействием до 10 млрд связей, про­сматриваемых в секунду. Финансисты используют нейрокомпьютеры и нейроплаты для предсказания колебаний курсов валют, летчики — для распознавания наземных целей, банкиры - для оценки кредитных рисков. В тех случаях, когда задача не поддается формализации, а входные дан­ные неполны, зашумлены и противоречивы, применение традиционных компьютеров становится неэффективным. Здесь и оказывается полезной способность нейрокомпьютеров самообучаться на примерах и настраи­ваться на решение определенных классов задач. Сфера их применения быстро захватывает все новые области, а объем рынка нейросетевого оборудования удваивается каждые два года.

Процесс обучения сети новому классу задач состоит из нескольких стадий.

1.Формулируется постановка задачи (например, предсказание краткосрочных колебаний курсов ценных бумаг) и выделяется набор клю­чевых параметров, характеризующих предметную область. Обычно для этого привлекаются эксперты по соответствующей проблеме, которые перечисляют набор факторов и данных, учитываемых ими при принятии решения. Заметим, что эксперт не должен описывать зависимость между входными данными и даже оценивать их сравнительную важность.

2.Выбирается схема нейронной сети, лучше всего подходящая для решения данного класса задач. Как правило, современные нейроплаты и нейрокомпьютеры позволяют реализовать несколько базовых схем. Критериям ее выбора посвящена обширная литература; специалисты уже провели первичный анализ всех мыслимых классов задач — от идентификации подписи и контроля качества питьевой воды до предсказания социальных взрывов.

3.Подготавливается возможно более широкий набор обучающих примеров, организованных в виде векторов входных параметров, ассоциированных с уже известными выходными значениями. Например, для задачи предсказания курсов валют это значения всех курсов на данной бирже за определенное время плюс набор параметров, характеризующих общую биржевую и экономическую ситуацию, плюс данные о положе­нии на других биржах на тот же момент. В качестве выходного эталона выбирается параметр, значение которого предполагается предсказывать в будущем (например, курс доллар/евро). Входные векторы, используемые при обучении, могут быть неполны и частично противоречивы; главное, что при этом требуется, — максимальная представительность. Поэтому базы данных, необходимые для настройки нейроплат на конкретную прикладную область, зачастую стоят дороже самих плат.

4.Входные векторы по очереди предъявляются нейронной сети, а полученное выходное значение сравнивается с эталоном. Далее просле­живается путь от выходов сети до ее входного слоя, и все межнейронные соединения, способствовавшие принятию правильного решения, по­ощряются — их относительные веса увеличиваются. Те же пути, которые привели к ошибкам в компонентах выходного вектора, наказываются уменьшением веса (как правило, в зависимости от величины ошибки).

5.Процесс повторяется до тех пор, пока суммарная ошибка в реакции сети во всех предъявленных примерах не станет меньше наперед за­данной величины, либо пока сеть не придет в стационарное состояние. Рассмотренный алгоритм носит название «обратного прохождения» (back-propagation) и относится к числу классических; сейчас, как правило, используют гораздо более мощные и быстрые алгоритмы обучения.

6.Настроенную и обученную сеть можно использовать, предъявляя ей реальные ситуации. Сеть может не только подсказывать решения (выход­ной вектор будет сформирован в любом случае), но и оценивать степень
их достоверности. По желанию пользователя настройку сети можно совершенствовать и в процессе ее практической эксплуатации.

В настоящее время известен уже целый ряд фирм (главным образом, в США и Японии), специализирующихся на нейросетевых продуктах. Наиболее массовым из них являются программные пакеты, моделиру­ющие нейронную сеть непосредственно на ПК, а также так называемые нейроплаты — акселераторы соответствующих расчетов для ПК и рабочих станций.

В России наибольший интерес вызвали разработки семейства Brain-Maker, распространяемые американской фирмой California Scientific Software. Отдельно поставляются специализированные базы данных для настройки сети на конкретные области (в основном из сферы банковской, биржевой, кредитной деятельности).

Важным преимуществом пакета BrainMaker является использование его совместно со специализированным аппаратным акселератором. Эта нейроплата, построенная на базе сигнальных процессоров TITMS 320C30, во много раз сокращает время решения нейросетевых задач по сравнению со стандартным ПК.