Скачать презентацию Базовые элементы компьютера n n n Все
Базовые элементы компьютера.ppt
- Количество слайдов: 37
Скачать презентацию Базовые элементы компьютера n n n Все
Скачать презентацию Базовые элементы компьютера n n n Все
Базовые элементы компьютера
n n n Все многообразие устройств ЭВМ базируется на ограниченном наборе типовых электронных элементов. Поэтому принцип действия даже сверхсложного компьютера легко понять, если предварительно разобраться в структуре и принципе работы базовых электронных элементов, к которым относятся инвертор (ключ), вентиль и триггер. Инвертор. На рис. 3, а представлена схема электронного ключа на биполярном транзисторе, реализующая логическую функцию «НЕ» (отрицание), а на рис. 3, б - его условное обозначение. При подаче на вход схемы сигнала низкого уровня (логического « 0» ) транзистор будет заперт, т. е. ток через него проходить не будет, и на выходе будет сигнал высокого уровня (напряжение источника питания Еп, логическая « 1» ). Если же на вход схемы подать сигнал высокого уровня (логическую « 1» ), то транзистор «откроется» , начнет пропускать электрический ток. На его выходе за счет падения напряжения на сопротивлении нагрузки Rн установится напряжение низкого уровня (логический « 0» ). Таким образом, схема преобразует (инвертирует) сигналы одного уровня в другой, тем самым выполняя логическую функцию «НЕ» . Вентиль. На рис. 4, а изображена схема вентиля на биполярных транзисторах, реализующего логическую функцию «И» , а на рис. 4, б – его условное обозначение. Функция «И» - логическое умножение, ее результат С равен единице, когда оба аргумента, и А, и В, равны единице.
§ § § Если на входы Вх1 и Вх2 поданы сигналы низкого уровня (логические « 0» ), то оба транзистора закрыты, ток через них не проходит, выходное напряжение на Rн близко к 0. Пусть на один из входов подано напряжение высокого уровня (логическая « 1» ). Тогда соответствующий транзистор откроется, однако другой останется закрытым, и ток через транзисторы и сопротивление нагрузки Rн по-прежнему не будет проходить. Следовательно, при подаче напряжения высокого уровня лишь на один из транзисторов схема не переключается и на выходе остается напряжение низкого уровня. И лишь при одновременной подаче на входы сигналов высокого уровня (логических « 1» ) на выходе мы также получим сигнал высокого уровня: открытые транзисторы практически не оказывают сопротивление току, все напряжение падает на сопротивлении нагрузки, потенциал вывода Вых становится высоким. На рис. 5, а приведена схема вентиля на биполярных транзисторах, реализующего логическую функцию «ИЛИ» , а на рис. 5, б дано его условное обозначение. Функция «ИЛИ» - логическое сложение, ее результат С равен единице, если хотя бы один из аргументов равен единице. Здесь транзисторы включены параллельно другу. Если оба закрыты, то их общее сопротивление велико и на выходе будет сигнал низкого уровня (логический « 0» ). Достаточно подать сигнал высокого уровня (логическую « 1» ) на один из транзисторов, как схема начнет пропускать ток и на сопротивлении нагрузки установится также сигнал высокого уровня (логическая « 1» ).
n n n Доказано, что любая логическая функция может быть разложена на комбинацию функций «НЕ» , «И-НЕ» и «ИЛИ-НЕ» , так что из инвертора и соответствующих вентилей можно построить электронную логическую схему, выполняющую любое запланированное действие. Для получения вентилей «И -НЕ» и «ИЛИ-НЕ» из «И» и «ИЛИ» достаточно перенести сопротивление нагрузки Rн из эмиттерной цепи в коллекторную (как в схеме инвертора). Триггером называется электронное устройство с двумя устойчивыми состояниями, одно из которых характеризуется высоким (логическая « 1» ), а второе низким (логический « 0» ) уровнем выходного сигнала. Триггер состоит из двух вентилей. На рис. 6, а показан триггер, составленный из двух вентилей «ИЛИ-НЕ» (точно так же для этой цели используются и вентили «И-НЕ» ), а на рис 6, б – его условное обозначение. Рассмотрим работу этой схемы. Пусть в начальный момент времени входы R, S и выход Q имеют низкий логический уровень. Для
n n переключения триггера в состояние Q=1 необходимо на вход S подать « 1» . На входе соответствующего вентиля будут действовать входные логические сигналы: « 0» (с выхода Q) и « 1» (со входа S). На его выходе возникает инвертированная « 1» , т. е. « 0» . Следовательно, через некоторое время Dt, в течение которого входной сигнал S=1 достигнет выхода вентиля, состояние выхода `Q изменится с « 1» на « 0» . Теперь на входы второго вентиля будет действовать новая пара сигналов: « 0» на вход R и « 0» с выхода `Q. Следовательно, еще через Dt на выходе этого вентиля возникнет инвертированный сигнал « 0» , т. е. « 1» . Таким образом, через время 2 Dt после подачи входного сигнала S=1 на выходе Q триггера логический « 0» изменится на логическую « 1» . Следующее переключение триггера произойдет, если на вход R подать сигнал высокого уровня, и т. д. Триггер может работать бесперебойно лишь с периодом, не меньшим 4 Dt. В современных транзисторных вентилях Dt составляет единицы наносекунд (10 -9 с), поэтому быстродействие электронных элементов вычислительных устройств очень большое, достигающее сотен миллионов переключений в секунду. Регистр. Из триггеров (они бывают и других типов, отличных от рассмотренного) строятся многие элементы ЭВМ, например регистры. Они предназначены для приема, временного хранения и передачи информации в двоичном коде. Каждый триггер регистра используется для ввода, хранения и вывода одного разряда двоичного числа. Регистр, предназначенный для хранения информации, называют накопительным. Существуют также сдвигающие регистры, в которых двоичную информацию можно перемещать поразрядно влево и вправо, а также счетные регистры, предназначенные для преобразования десятичных чисел в двоичные и обратно. На основе базовых элементов строятся различные микросхемы ЭВМ, например, процессор, память, сумматор, дешифратор, мультиплексор и др.
Хранение информации в живой природе, технике, обществе l l l l Человек в своей памяти хранит информацию об окружающей действительности в виде различных образов: зрительных, звуковых, вкусовых и т. д. Для долговременного хранения информации, ее накопления и передачи из поколения в поколение используются материальные носители информации. Материальная природа носителей информации может быть различной: молекулы ДНК, которые хранят генетическую информацию; бумага, на которой хранятся тексты и изображения; магнитная лента, на которой хранится звуковая информация; микросхемы памяти, магнитные и лазерные диски, на которых хранятся программы и данные в компьютере и т. д. Носители информации характеризуются информационной емкостью, т. е. количеством информации, которое они могут хранить. Наиболее информационно емкими являются молекулы ДНК, которые имеют очень малый размер и плотно упакованы. Это позволяет хранить огромное количество информации (до 1021 бит в 1 см 3), что позволяет организму развиваться из одной единственной клетки, содержащей всю необходимую генетическую информацию.
n n n n n Современные микросхемы памяти позволяют хранить в 1 см 3 до 1010 бит информации, однако это в 100 миллиардов раз меньше, чем в ДНК. Можно сказать, что современные технологии пока существенно проигрывают биологической эволюции. Однако, если сравнивать информационную емкость традиционных носителей информации (книг) и современных компьютерных носителей, то прогресс очевиден. На каждом гибком магнитном диске может храниться книга объемом около 600 страниц, а на жестком магнитном диске целая библиотека, включающая десятки тысяч книг. Носитель информации - материальный объект, предназначенный для хранения информации. - Носители информации можно различать не только по материалу, из которого они изготовлены, но и по способу их изготовления (например, рукописные, машинописные и т. д. ), по специфике предназначения (микрофотокопии; чертежи; книги для слепых, напечатанные шрифтом Брайля). Носители информации для компьютера делятся на электронные, магнитные и оптические. Как и человек, компьютер должен запоминать всю информацию, подлежащую обработке, промежуточные данные, результат, а так же команды, которые определяют последовательность его действий. Эту задачу в компьютере решает устройство памяти, называемое так же память или запоминающее устройство.
Память компьютера устройство для хранения информации § Внешняя память компьютера предназначена для долговременного хранения любого вида информации. Выключение питания компьютера не приводит к потере данных во внешней памяти. Эта память не ограничена, в случае необходимости ее можно нарастить так же, как можно купить новую книжную полку для хранения новых книг. Но обращение к ней требует большего времени - как человек затрачивает гораздо больше времени для поиска информации в справочной литературе, чем, если бы она хранилась в его собственной памяти. Например, существует целая процедура поиска книг в библиотеке с помощью каталогов, а в книгах отыскивается нужная рубрика, страница, абзац.
n n n Наиболее распространенными видами внешней памяти являются жесткие, гибкие, лазерные диски. Внешняя память компьютера. Основные виды внешней памяти. Основное назначение внешней памяти компьютера – долговременное хранение большого количества различных файлов (программ, данных и т. д. ). Устройство, которое обеспечивает запись/считывание информации, называется накопителем, а хранится информация на носителях. Наиболее распространенными являются накопители следующих типов: Накопители на гибких магнитных дисках (НГМД) двух различных типов, рассчитанные на диски диаметром 5, 25” (емкость 1, 2 Мб) и диски диаметром 3, 5“(емкость 1, 44 Мб); Накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД) информационной емкостью от 1 до десятков Гб; Накопители CD-ROM емкостью 640 Мб; Накопители DVD-ROM емкостью до 17 Гб.
• Для пользователя имеют существенное значение некоторые показатели: информационная емкость, скорость обмена информацией, надежность ее хранения и т. д. (см. таблицу). Тип накопителя Емкость носителя Скорость обмена Опасные воздействия • НГМД • 5, 25” 1, 2 Мб Низкая Магнитные поля, нагревание • НГМД • 3, 5” 1, 44 Мб Низкая • НЖМД Десятки Гб От 3 до 8 Мб/с Удары • CD-ROM 640 Мб До 3, 6 Мб/с Загрязнение
В основу записи, хранения и считывания информации положены два физических принципа, магнитный и оптический. В НГМД и НЖМД используется магнитный принцип. При магнитном способе запись информации производится на магнитный носитель (диск, покрытый ферромагнитным лаком) с помощью магнитных головок. В процессе записи головка с сердечником из магнитомягкого материала (малая остаточная намагниченность) перемещается вдоль магнитного слоя магнитожесткого носителя (большая остаточная намагниченность). Электрические импульсы создают в головке магнитное поле, которое последовательно намагничивает (1) или не намагничивает (0) элементы носителя. При считывании информации намагниченные участки носителя вызывают в магнитной головке импульс тока (явление электромагнитной индукции).
n n n Носители информации имеют форму диска и помещаются в конверт из плотной бумаги (5, 25”) или пластмассовый корпус (3, 5”). В центре диска имеется отверстие (или приспособление для захвата) для обеспечения вращения диска в дисководе, которое производится с постоянной угловой скоростью 300 об/с. В защитном конверте (корпусе) имеется продолговатое отверстие, через которое производится запись / считывание информации. На боковой кромке дискет (5, 25”) находится маленький вырез, позволяющий производить запись, если вырез заклеить непрозрачной наклейкой, запись становится невозможной (диск защищен). В дискетах 3, 5” защиту от записи обеспечивает предохранительная защелка в левом нижнем углу пластмассового корпуса. Диск должен быть форматирован, т. е. должна быть создана физическая и логическая структура диска. В процессе форматирования на диске образуются концентрические дорожки, которые делятся на сектора, для этого головка дисковода расставляет в определенных местах диска метки дорожек и секторов.
n n Жесткие магнитные диски состоят из нескольких дисков, размещенных на одной оси и вращающихся с большой угловой скоростью (несколько тысяч оборотов в минуту), заключенных в металлический корпус. Большая информационная емкость жестких дисков достигается за счет увеличения количества дорожек на каждом диске до нескольких тысяч, а количества секторов на дорожке – до нескольких десятков. Большая угловая скорость вращения дисков позволяет достигать высокой скорости считывания / записи информации (более 5 Мб/с). CD-ROM накопители используют оптический принцип чтения информации. Информация на CD-ROM диске записана на одну спиралевидную дорожку (как на грампластинке), содержащую чередующиеся участки с различной отражающей способностью. Лазерный луч падает на поверхность вращающегося CD-ROMдиска, интенсивность отраженного луча соответствует значениям 0 или 1. C помощью фотопреобразователя они преобразуются в последовательности электрических импульсов.
l l Скорость считывания информации в CD-ROM накопителе зависит от скорости вращения диска. Первые CD-ROM накопители были односкоростными и обеспечивали скорость считывания информации 150 Кб/с, в настоящее время все большее распространение получают 24 -скоростные CD-ROM накопители, которые обеспечивают скорость считывания информации до 3, 6 Мб/с. Информационная емкость CD-ROM диска может достигать 640 Мб. Производятся CD-ROM диски либо путем штамповки (диски белого цвета), либо записываются (диски желтого цвета) на специальных устройствах, которые называются CD-recorder. DVD-ROM диски (цифровые видео диски) имеют гораздо большую информационную емкость (до 17 Гбайт), т. к. информация может быть записана на двух сторонах, в два слоя на одной стороне, а сами дорожки имеют меньшую толщину. 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.
• Существуют CD-R и DVD-R диски (R — recordable, записываемый), которые имеют золотистый цвет. Специальные CD-R и DVD-R дисководы обладают достаточно мощным лазером, который в процессе записи информации меняют отражающую способность участков поверхности записываемого диска. Информация на таких дисках может быть записана только один раз. • Существуют также CD-RW и DVD-RW диски (RW — Rewritable, перезаписываемый), которые имеют «платиновый» оттенок. Специальные CD-RW и DVD-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.
Вычислительная техника - информатика информационные технологии Родословное дерево l l l Стремительное развитие цифровой вычислительной техники (ВТ) и становление науки о принципах ее построения и проектирования началось в 40 -х годах нашего века, когда технической базой ВТ стала электроника, затем микроэлектроника, а основой для развития архитектуры компьютеров (электронных вычислительных машин ЭВМ) - достижения в области искусственного интеллекта. До этого времени в течение почти 500 лет цифровая вычислительная техника сводилась к простейшим устройствам для выполнения арифметических операций над числами. Основой практически всех изобретенных за 5 столетий устройств было зубчатое колесо, рассчитанное на фиксацию 10 цифр десятичной системы счисления. Первый в мире эскизный рисунок тринадцатиразрядного десятичного суммирующего устройства на основе колес с десятью зубцами принадлежит Леонардо да Винчи. Он был сделан в одном из его дневников (ученый начал вести дневник еще до открытия Америки в 1492 г. ). В 1623 г. через 100 с лишним лет после смерти Леонардо да Винчи немецкий ученый Вильгельм Шиккард предложил свое решение той же задачи на базе шестиразрядного десятичного вычислителя, состоявшего также из зубчатых колес, рассчитанного на выполнение сложения, вычитания, а также табличного умножения и деления. Оба изобретения были обнаружены только в наше время и оба остались только на бумаге. .
Оно стало основным устройством современных компьютеров. Таким образом, два гения XVII века, установили первые вехи в истории развития цифровой вычислительной техники. Заслуги В. Лейбница, однако, не ограничиваются созданием "арифметического прибора". Начиная со студенческих лет и до конца жизни он занимался исследованием свойств двоичной системы счисления, ставшей в дальнейшем, основной при создании компьютеров. Он придавал ей некий мистический смысл и считал, что на ее базе можно создать универсальный язык для обьяснения явлений мира и использования во всех науках, в том числе в философии. Сохранилось изображение медали, нарисованное В. Лейбницем в 1697 г. , поясняющее соотношение между двоичной и десятичной системами исчисления. Прошло еще более ста лет и лишь в конце XVIII века во Франции были осуществлены следующие шаги, имеющие принципиальное значение для дальнейшего развития цифровой вычислительной техники - "программное" с помощью перфокарт управление ткацким станком, созданным Жозефом Жакардом, и технология вычислений, при ручном счете, предложенная Гаспаром де Прони, разделившего численные вычисления на три этапа: разработка численного метода, составление программы последовательности арифметических действий, проведение собственно вычислений путем арифметических операций над числами в соответствии с составленной программой. Эти два новшества были использованы англичанином Чарльзом Беббиджем, осуществившим, качественно новый шаг в развитии средств цифровой вычислительной техники - переход от ручного к автоматическому выполнению вычислений по составленной программе. Им был разработан проект Аналитической машины - механической универсальной цифровой вычислительной машины с программным управлением (1830 -1846 гг. ). Машина включала пять устройств - арифметическое (АУ), запоминающее (ЗУ), управления, ввода, вывода (как и первые ЭВМ появившиеся 100 лет спустя). АУ строилось на основе зубчатых колес, на них же предлагалось реализовать ЗУ (на 1000 50 -разрядных чисел!). Для ввода данных и программы использовались
Человек-компьютер
n n Мозг работает как поисковая система Ученым из университета Пенсильвании удалось установить, что человеческая память работает так же, как поисковые системы Сети, и этот процесс можно наблюдать с помощью магнитнорезонансного сканирования головного мозга. Чтобы выяснить, как работает память, ученые провели следующий эксперимент: участникам эксперимента показывали на экране монитора ряд картинок - фотографии знаменитостей, снимки исторических мест и изображения повседневных предметов, сообщает Live Science. Во время просмотра проводилось непрерывное сканирование мозга испытуемых. После сеанса просмотра участников эксперимента просили вспомнить как можно больше картинок, при этом продолжалось наблюдение за процессами в коре их головного мозга.
§ Ученые обнаружили, что механизм поиска конкретной картинки в памяти активизировался за несколько секунд до того, как пациенты озвучивали названия картинок, которые им удалось вспомнить. В среднем, от момента активизации процесса поиска информации в памяти до момента озвучивания воспоминаний проходило около 5, 4 с. § Доктор Шон Полин (Sean Polyn), возглавлявший исследования, полагает, что система памяти, расположенная в области мозга, называемой гиппокампом, формирует краткое представление всех событий, которые фиксируются в коре головного мозга. § Процесс работы памяти можно сравнить с механизмом поиска информации в интернете. В Сети специальные программы создают копии всех веб-страниц, а поисковые системы, такие, как Google, находят и индексируют эти страницы
n n n Примерно то же самое происходит, когда человек вспоминает, к примеру, чье-то лицо: сначала он думает о лицах вообще, затем сужает поиск, добавляя другие детали - новые ключевые слова в «поисковой строке» памяти, - пока не вспомнит то, что хотел. Ученым удалось «прочесть» мысли участников эксперимента, наблюдая процесс поиска информации в памяти в действии. Сравнивая сканированные изображения мозга участников эксперимента в процессе вспоминания с полученными ранее, во время запоминания информации, исследователи точно определяли, что именно вспоминал испытуемый - фотографию человека, местность или предмет. «Нам удалось установить, какую категорию изображений вспоминает испытуемый, и поэтому мы считаем, что наблюдали сам процесс поиска информации в памяти» , - комментирует Полин. Ученые полагают, что процесс контекстуального восстановления информации характерен только для эпизодических воспоминаний, но не исключают, что подобные процессы могут активизироваться и при других видах воспоминаний.
n n Люди добровольно становятся киборгами В США становится модным вживлять чипы-радиометки (RFID), которые во многом облегчают жизнь в эпоху цифровых технологий. Некоторые американцы согласились на добровольное вживление в их тела чипов-радиометок (RFID). Используя чип за $2, вшитый под кожу между большим и указательным пальцем, можно ввести нужный пароль одним взмахом руки на расстоянии менее 10 см от сканера стоимостью $50, подключенного к компьютеру. С помощью вживленного чипа можно открыть дверь своей квартиры или же подключиться к ПК. «Я хочу иметь гарантированный доступ к необходимым мне вещам. Чипы RFID мне очень подходят. Даже если я вдруг окажусь голым в парке, я все равно смогу попасть в свой дом.
В наш век подобного рода устройства могут заметно облегчить жизнь. Одним из главных преимуществ таких чипов является то, что они не могут быть потеряны или похищены, а при возникшей необходимости их можно удалить из тела» , рассказал в интервью Reuters Амаль Граафстра (Amal Graafstra), 29 -летний канадский предприниматель, пожелавший вживить себе микрочип. Прибыв в Нью-Йорк на мероприятие, посвященное чипам-имплантатам, он сказал, что данной технологией, как ему известно, пользуется не менее 20 человек. l «Мне этот чип нисколько не мешает, я его даже не чувствую, рассказывает 23 -летняя подруга Амаля, студентка Джениффер Томлин (Jennifer Tomblin). - Он не причиняет мне никаких неудобств. Я даже не знаю, здесь ли он» . l
• • • Житель Нью-Йорка, 28 -летний Майки Склар (Mikey Sklar) видит в RFID-чипах будущее. «В будущем подобные технологии позволят людям хранить и передавать любую закодированную личную информацию при самых разнообразных обстоятельствах» , - отметил г-н Склар. Для того чтобы информацию с чипа не смогли считать злоумышленники, Склар защищает свой чип «щитом» из ткани. Напомним, что уже в течение нескольких лет в США осуществляются операции по имплантации микрочипов в человеческий организм, успевшие вызвать большой резонанс в обществе и встретившие ярых врагов в лице некоторых религиозных и общественных организаций. Как правило, данные устройства вживляются в организмы тяжело больных людей для их идентификации в случае необходимости. Однако возможности, потенциально заложенные в подобного рода устройствах, привели к тому, что ряд вполне здоровых американских граждан решили добровольно вживить в свои тела микрочипы с паролями и другими реквизитами.
Кроме США, вживление RFID-чипов разрешено и в некоторых других странах, например, в Мексике. Еще в 2002 году компания Applied Digital Solutions (ADS) получила право продавать чипы под кодовым названием Veri. Chip. В настоящее время маркетингом и распространением подобных чипов в США занимается компания Veri. Chip - подразделение ADS. n Как отмечают разработчики чипа, процедура его вживления безболезненна и занимает всего несколько минут, а обнаружить вживленный чип невооруженным глазом невозможно. n RFID-чипы широко применяются для маркировки товаров и животных. Кроме того, они находят применение в иных областях - так, в прошлом году их использование помогало опознавать тела жертв урагана «Катрина» . Также, по мнению разработчиков устройств, микрочипы RFID оказываются просто незаменимыми в семьях, где есть больные люди. n
Скачать презентацию Базовые элементы компьютера n n n Все
Базовые элементы компьютера.ppt