Технические средства реализации информационных процессов Лекция 2

Технические средства реализации информационных процессов Лекция 2

План Поколения ЭВМ Классификация ЭВМ Основные принципы функционирования ПК Литература

Литература Романова Ю. Д. Информатика и информационные технологии : учеб. пособие / Ю. Д. Романова, П. А. Музычкин, И. Г. Лесничая, В. И. Шестаков, И. В. Миссинг; под ред. Ю. Д. Романовой. – 4 -е изд. , перераб. и доп. – М. : Эксмо, 2010. – с. 44 -95. Акулов О. А. , Медведев Н. В. Информатика: базовый курс / О. А. Акулов, Н. В. Медведев. 2 -е изд. , испр. и доп. – М. : Омега-Л, 2005. – с. 232 -236, 289 -294. Статья «Классификация ЭВМ» в проекте «Информатика» // http: //high-info. ru/Klassif_EVM. htm Статья «Компьютер» в свободной энциклопедии «Википедия» // http: //ru. wikipedia. org/ План

Поколения ЭВМ Первое поколение ЭВМ Период времени – 1946 – 1959. Элементная база – электронные лампы. Основные устройства ввода – пульт, перфокарточный, перфоленточный ввод. Основные устройства вывода – алфавитно-цифровое печатающее устройство (АЦПУ), перфоленточный вывод. Внешняя память – магнитные ленты, барабаны, перфоленты, перфокарты. Режим работы ЭВМ – однопрограммный. Цель использования ЭВМ – научно-технические расчеты.

Поколения ЭВМ первого поколения обладали небольшим быстродействием в несколько десятков тыс. оп. /сек. В качестве внутренней памяти применялись ферритовые сердечники. Существенным функциональным ограничением ЭВМ первого поколения являлась ориентация на выполнение арифметических операций. При попытках приспособления для задач анализа они оказывались неэффективными.

Поколения ЭВМ Языков программирования как таковых еще не было, и для кодирования своих алгоритмов программисты использовали машинные команды или ассемблеры. Программы выполнялись позадачно, т. е. оператору ЭВМ надо было следить за ходом решения задачи и при достижении конца самому инициировать выполнение следующей задачи.

Поколения ЭВМ Начало современной эры использования ЭВМ в нашей стране относят к 1950 году, когда в институте электротехники АН УССР под руководством С. А. Лебедева была создана первая отечественная ЭВМ под названием МЭСМ – Малая Электронная Счетная Машина. В течение первого этапа развития средств вычислительной техники в нашей стране создан ряд ЭВМ: БЭСМ, Стрела, Урал, М-2.

Поколения ЭВМ Второе поколение ЭВМ Период времени – 1960 – 1969. Элементная база – полупроводники (транзисторы). Основные устройства ввода – добавилась клавиатура. Основные устройства вывода – добавился алфавитноцифровой дисплей. Внешняя память – добавился магнитный диск. Ключевые решения в ПО – пакетные операционные системы, универсальные языки программирования, трансляторы. Режим работы ЭВМ – пакетный. Цель использования ЭВМ – технические и экономические расчеты.

Поколения ЭВМ Второе поколение ЭВМ – это переход к транзисторной элементной базе. Получает развитие принцип автономии – он реализуется на уровне отдельных устройств, что выражается в их модульной структуре. Устройства ввода-вывода снабжаются собственными устройствами управления, называемыми контроллерами, что позволило освободить центральное устройство управления от управления операциями ввода-вывода.

Поколения ЭВМ Совершенствование и удешевление ЭВМ привели к снижению удельной стоимости машинного времени и вычислительных ресурсов в общей стоимости автоматизированного решения задачи обработки данных, в то же время расходы на разработку программ (т. е. программирование) почти не снижались, а в ряде случаев имели тенденции к росту. Таким образом, намечалась тенденция к эффективному программированию, которая начала реализовываться во втором поколении ЭВМ и получает развитие до настоящего времени. Используются языки программирования высокого уровня. Начинается разработка программ, обладающих свойством переносимости, т. е. функционирования на ЭВМ разных марок. Наиболее часто используемые программные средства выделяются в ППП для решения задач определенного класса.

Поколения ЭВМ Совершенствуется технология выполнения программ на ЭВМ: создаются специальные программные средства – системное ПО. Цель создания системного ПО – ускорение и упрощение перехода процессором от одной задачи к другой. Появились первые системы пакетной обработки, которые просто автоматизировали запуск одной программ за другой и тем самым увеличивали коэффициент загрузки процессора. Системы пакетной обработки явились прообразом современных операционных систем, они стали первыми системными программами, предназначенными для управления вычислительным процессом. В ходе реализации систем пакетной обработки был разработан формализованный язык управления заданиями, с помощью которого программист сообщал системе и оператору ЭВМ, какую работу он хочет выполнить на вычислительной машине. Совокупность нескольких заданий, как правило, в виде колоды перфокарт, получила название пакета заданий.

Поколения ЭВМ К отечественным ЭВМ второго поколения относятся Минск, Раздан, Мир.

Поколения ЭВМ Третье поколение ЭВМ Период времени – 1970 – 1979. Элементная база – интегральные схемы. Основные устройства вывода – добавился графопостроитель и принтер. Ключевые решения в ПО – интерактивные операционные системы, структурированные языки программирования. Режим работы ЭВМ – разделение времени. Цель использования ЭВМ – управление, технические и экономические расчеты.

Поколения ЭВМ В 70 -х годах возникают и развиваются ЭВМ третьего поколения. В нашей стране это ЕС ЭВМ, АСВТ, СМ ЭВМ. Данный этап – переход к интегральной элементной базе и создание многомашинных систем, поскольку значительного увеличения быстродействия на базе одной ЭВМ достичь уже не удавалось. Поэтому ЭВМ этого поколения создавались на основе принципа унификации, что позволило создавать вычислительные комплексы для различных сфер деятельности.

Поколения ЭВМ Расширение функциональных возможностей ЭВМ увеличило сферу их применения, что вызвало рост объема обрабатываемой информации и поставило задачу хранения данных в специальных базах данных и их ведения. Так появились первые системы управления базами данных – СУБД.

Поколения ЭВМ Обеспечить режим разделения времени позволил новый вид ОС, поддерживающих мультипрограммирование. Мультипрограммирование – это способ организации вычислительного процесса, при котором на одном процессоре попеременно выполняются несколько программ. Пока одна программа выполняет операцию ввода-вывода, процессор не простаивает, как это происходило при последовательном выполнении программ (однопрограммный режим), а выполняет другую программу (многопрограммный режим). При этом каждая программа загружается в свой участок внутренней памяти, называемый разделом. Мультипрограммирование нацелено на создание для каждого отдельного пользователя иллюзии единоличного использования вычислительной машины, поэтому эти ОС носили интерактивный характер, когда в процессе диалога с ЭВМ пользователь решал свои задачи.

Поколения ЭВМ Изменились формы использования ЭВМ: введение удаленных терминалов (дисплеев) позволило широко и эффективно внедрить режим разделения времени и за счет этого приблизить ЭВМ к пользователю и расширить круг решаемых задач.

Поколения ЭВМ Четвертое поколение ЭВМ Период времени – с 1980. Элементная база – большие интегральные схемы. Устройства ввода – добавились сканер, мышь. Устройства вывода – добавился цветной графический дисплей. Внешняя память – добавились оптические диски. Ключевые решения в ПО – дружественность ПО, сетевые операционные системы. Режим работы ЭВМ – персональная работа и сетевая обработка данных. Цель использования ЭВМ – телекоммуникации, информационное обслуживание.

Поколения ЭВМ С 1980 года начался современный четвертый этап, для которого характерны переход к большим интегральным схемам, создание серий недорогих микро-ЭВМ, разработка супер. ЭВМ для высокопроизводительных вычислений. Наиболее значительным стало появление персональных ЭВМ, что позволило приблизить ЭВМ к своему конечному пользователю. Компьютеры стали широко использоваться неспециалистами, что потребовало разработки «дружественного» программного обеспечения. Создаются ОС, поддерживающие графический интерфейс, операционные оболочки, многочисленные пакеты прикладных программ. В связи с возросшим спросом на ПО совершенствуются технологии его разработки – появляются развитые системы программирования, инструментальные среды пользователя.

Поколения ЭВМ В середине 80 -х стали бурно развиваться сети персональных компьютеров, работающие под управлением сетевых ОС. В сетевых ОС развиваются средства защиты информации от несанкционированного доступа. План

Классификация ЭВМ Компьютер (электронная вычислительная машина, ЭВМ) – это комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач. Рассмотрим классификацию ЭВМ:

Суперкомпьютеры Традиционной сферой применения суперкомпьютеров всегда были научные исследования: Физика плазмы и статическая механика, молекулярная и атомная физика, теория элементарных частиц, теория турбулентности, астрофизика и др. Вычислительная химия: квантовая химия, химия твердого тела, создание новых лекарственных препаратов и др. Метеорология: изучение атмосферных явлений для долгосрочного прогноза погоды. Техника: аэрокосмическая и автомобильная промышленности, ядерная энергетика, разведка и разработка месторождений полезных ископаемых, нефтедобывающая и газовая промышленность, конструирование новых микропроцессоров и компьютеров. Военные цели: конструирование самолетов, ракет, подводных лодок и др.

Суперкомпьютеры характеризуются многопроцессорной параллельной обработкой данных, быстродействием до квадриллиона операций в секунду (1 c 15 нулями), многопользовательским режимом работы. Доминирующее положение в выпуске компьютеров такого класса занимают компании Cray и IBM. Мощнейшими суперкомпьютерами в мире являются: Cray XT Jaguar (США, 1, 75 петафлопс), IBM Roadrunner (1, 04 петафлопс), Cray XT 5 Kraken (832 терафлопс), IBM JUGENE (825 терафлопс), Ломоносов (Россия, 350 терафлопс). Терафлопс — величина, используемая для измерения производительности компьютеров, показывающая, сколько операций с плавающей запятой в секунду выполняет данная вычислительная система. 1 терафлопс = 1 триллион операций в секунду = 1 000 миллиардов операций в секунду.

Ломоносов Пиковая производительность (теоретический предел производительности) суперкомпьютера «Ломоносов» достигает 420 терафлопс, а реальная – 350 терафлопс. Суперкомпьютер занимает 12 место в мировом рейтинге Top 500. В МГУ новая система займется вычислениями, для которых недостает мощности других суперкомпьютеров университета. Компьютер состоит из 4 446 вычислительных узлов, 8 892 процессоров и 35 778 процессорных ядер. В основном типе вычислительных узлов используются процессоры Intel Xeon X 5570. Оперативная память компьютера составляет 56 576 гигабайт. Общий объем дисковой памяти вычислителя – 166, 4 терабайта, а системы хранения данных – 350 терабайт. Суперкомпьютер занимает площадь в 252 квадратных метра.

Суперкомпьютеры На базе суперкомпьютеров создаются вычислительные центры, включающие несколько отделов или групп. Большим ЭВМ присуща высокая стоимость оборудования и обслуживания, поэтому работа организована по принципу непрерывного цикла.

Большие ЭВМ за рубежом часто называют мэйнфреймами (Mainframe). К мэйнфреймам относят компьютеры с многопроцессорной параллельной обработкой данных, быстродействием в миллиарды операций в секунду, многопользовательским режимом работы. Основные направления эффективного применения мэйнфреймов – это решение научно-технических задач, работа в вычислительных системах с пакетной обработкой информации, работа с большими базами данных, управление вычислительными сетями и их ресурсами.

Большие ЭВМ Родоначальником современных больших ЭВМ, по стандартам которой в последние несколько десятилетий развивались ЭВМ этого класса в большинстве стран мира, является фирма IBM. Ее модели IBM 360 и IBM 370, их архитектура и программное обеспечение взяты за основу и при создании отечественной системы больших машин ЕС ЭВМ. Среди лучших современных разработок мэйнфреймов следует отметить: американские IBM 390, IBM 4300, IBM ES /9000, а также японские компьютеры М 1800 фирмы Fujitsu.

Мини-ЭВМ Мини-ЭВМ (малые ЭВМ) – надежные, недорогие и удобные в эксплуатации компьютеры, обладающие несколько более низкими по сравнению с мэйнфреймами возможностями. Используются для управления производственными процессами, а также успешно применяются для вычислений в многопользовательских вычислительных системах, в системах автоматизированного проектирования, в системах моделирования несложных объектов, в системах искусственного интеллекта. К достоинствам мини-ЭВМ можно отнести: архитектуру с большой модульностью, лучшее, чем у мэйнфреймов, соотношение производительность/цена, повышенную точность вычислений.

Мини-ЭВМ Родоначальником современных мини-ЭВМ можно считать компьютеры PDP-11 (Program Driven Processor – программноуправляемый процессор) фирмы DEC (Digital Equipment Corporation Корпорация дискретного оборудования, США), они явились прообразом и наших отечественных мини-ЭВМ – Системы Малых ЭВМ (СМ ЭВМ): СМ 1, 2, 3, 4, 1400, 1700 и др. В настоящее время семейство мини-ЭВМ PDP-11 включает большое число моделей – от VAX-11 до VAX-3600; мощные модели мини-ЭВМ класса 8000 (VAX-8250, 8820); супермини. ЭВМ класса 9000 (VAX-9410, 9430) и др.

Микро-ЭВМ классифицируют следующим образом: 1. Универсальные. Многопользовательские микро-ЭВМ, оборудованные несколькими видеотерминалами и функционирующие в режиме разделения времени. 2. Серверы. Многопользовательские мощные микро-ЭВМ в вычислительных сетях, выделенные для обработки запросов от всех станций сети, предоставляющих доступ к общим системным ресурсам (вычислительным, базам данных, библиотекам программ, принтерам, факсам и др. ).

Микро-ЭВМ 3. 4. Специализированные. Рабочие станции представляют собой однопользовательские мощные микро-ЭВМ, специализированные для выполнения определенного вида работ (графических, инженерных, издательских и др. ). ПК. Однопользовательские микро-ЭВМ, удовлетворяющие требованиям общедоступности и универсальности применения.

Микро-ЭВМ ПК в свою очередь делят следующим образом: стационарные (настольные, Desktop), ноутбук (Notebook), нетбук (Netbook), планшетный ПК (Tablet PC), карманный ПК (Personal Digital Assistant, PDA). План

Основные принципы функционирования ПК Одним из основных достоинств ПК является принцип открытой архитектуры, заключающийся в том, что при проектировании ПК регламентируются и стандартизируются только принцип действия компьютера и его конфигурация (определяется совокупность аппаратных средств и соединение между ними). Построение ПК на основе принципа открытой архитектуры (модульности построения), обеспечивает возможность их сборки из отдельных узлов и деталей, разработанных и изготовленных независимыми фирмамиизготовителями. Такой компьютер легко расширяется и модернизируется за счет наличия внутренних расширительных разъемов, позволяющих пользователю добавлять разнообразные устройства, удовлетворяющие заданному стандарту, и тем самым устанавливать конфигурацию своего ПК в соответствии со своими личными предпочтениями.

Основные принципы функционирования ПК Рассмотрим схему, отражающую основные функциональные компоненты ПК в их взаимосвязи.

Основные принципы функционирования ПК Конструктивно современный ПК состоит из трех основных компонентов: Системного блока, в котором размещаются устройства обработки и хранения информации; Монитора – устройства отображения информации; Клавиатуры – основного устройства ввода информации в ПК. Для упрощения взаимодействия пользователя с ПК используются различные манипуляторы (мышь, трекбол, джойстик и др. ).

Основные принципы функционирования ПК Корпус системного блока может иметь горизонтальную (Desktop) или вертикальную (Tower - башня) компоновку. В системном блоке размещаются основные элементы компьютера, необходимые для выполнения программ

Микропроцессор (МП) – основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера.

Микропроцессор МП включает в себя: арифметико-логическое устройство (АЛУ), предназначенное для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией; устройство управления (УУ) – формирует и подает во все блоки ПК определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполняемых операций и результатами предыдущих операций, формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией и передает эти адреса в соответствующие блоки ПК; микропроцессорная память (МПП) используется для хранения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в вычислениях или операциях ввода-вывода, и состоит из специализированных ячеек памяти, называемых регистрами.

Микропроцессор Основные характеристики МП: Быстродействие – количество операций, производимых в 1 сек, измеряется в бит/сек. Тактовая частота – количество тактов, производимых процессором за 1 секунду (операции, производимые процессором, не являются непрерывными, они разделены на такты, эта характеристика определяет скорость выполнения операций и непосредственно влияет на производительность процессора). Разрядность – количество двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт (обычно 32 или 64). Кэш-память – служит для хранения копий информации, используемых в текущих операциях обмена. Это очень быстрое ЗУ небольшого объема, являющееся буфером между устройствами с различным быстродействием. Число вычислительных ядер – в настоящее время широко используются двух, четырех и шести ядерные МП. Например: Intel Core i 7 980 X Extreme Edition, разрядность – 64, тактовая частота – 3. 33 ГГц, количество ядер – 6, кэш-память.

Память (внутренняя – системная, включающая ОЗУ и ПЗУ и внешняя дисковая). Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) служит для хранения неизменяемой (постоянной) программной и справочной информации.

Память Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ, оперативная память) предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом ПК в текущий период времени. Оперативная память является энергозависимой, т. е. хранит информацию, пока ПК включен. Изготовляется в виде модулей памяти. Основными характеристиками оперативной памяти являются: объем – максимальное количество информации, которая может быть помещена в эту память, и выражается в Мбайтах, Гбайтах (1 Гбайт, 2 Гбайта, 4 Гбайта, 6 Гбайт, 8 Гбайт); частота считывания или записи информации в ячейки памяти (800 МГц, 1066 МГц, 1333 МГц, 1600 МГц, 1800 МГц, 2000 МГц, 2133 МГц).

Память Дисковая память относится к внешним устройствам ПК и используется для долговременного хранения любой информации, которая может когда-либо потребоваться для решения задач, в ней, в частности, хранится все программное обеспечение компьютера. Процессор не имеет непосредственного доступа к данным, находящимся во внешней памяти. Для обработки этих данных процессором они должны быть загружены в оперативную память (считаны в ОЗУ с внешнего носителя данных). В качестве устройств внешней памяти, размещаемых в системном блоке, используются накопители на жестких дисках (НЖМД – винчестеры), накопители на гибких магнитных дисках (НГМД), накопители на оптических дисках (НОД); при помощи USB портов к компьютеру подключаются Flash-накопители и др.

Память Основными характеристиками винчестеров являются: объем (80 Гбайт, 150 Гбайт, 160 Гбайт, 250 Гбайт, 320 Гбайт, 500 Гбайт, 800 Гбайт, 1 Тбайт, 2 Тбайта и др. ), скорость вращения дисков (5400, 7200 об/мин), размер-кэш памяти (2 Мбайта, 16 Мбайт, 32 Мбайта, 64 Мбайта и др. ). В настоящее время используются оптические диски форматов CD (700 Мбайт), DVD (4 Гбайта), BD (Blu-Ray, 33, 66, 100, 200 Гбайт).

Память Flash-накопитель — носитель информации, использующий Флэш-память для хранения данных и подключаемый к компьютеру или иному считывающему устройству через стандартный разъем USB. Флэш-память (англ. Flash-Memory) — разновидность полупроводниковой перезаписываемой памяти. Она может быть прочитана сколько угодно раз, но писать в такую память можно лишь ограниченное число раз (обычно около 10 тысяч раз). Но 10 тысяч циклов перезаписи — это намного больше, чем способна выдержать дискета или оптический диск. Флэш-память является более надежной, компактной и дешевой по сравнению с винчестерами. Недостатком, по сравнению с винчестером, является относительно малый объем. Объем распространенных флэш-накопителей составляет 4, 8, 16, 32, 64 Гб.

Контроллеры (адаптеры) служат для подключения периферийных (внешних по отношению к процессору) устройств к шинам МП, обеспечивая совместимость их интерфейсов. Они осуществляют непосредственное управление периферийными устройствами по запросам МП. Контроллеры реализуются, как правило, на отдельных печатных платах, часто называемых адаптерами устройств (от лат. adapto - преобразовываю).

Системная шина – основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой. Системна шина включает в себя: шину данных (ШД), предназначенную для передачи числового кода операнда; шину адреса (ША), предназначенную для передачи кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода-вывода внешнего устройства; шину управления (ШУ), предназначенную для передачи инструкций во все блоки компьютера; шину питания, предназначенную для подключения блоков ПК к системе энергопитания.

Системная шина обеспечивает три направления передачи информации: между МП и внутренней (основной) памятью, между МП и портами ввода-вывода внешних устройств, между внутренней памятью и портами ввода-вывода внешних устройств (в режиме прямого доступа к памяти).

Чипсет Устройства, непосредственно осуществляющие процесс обработки информации (вычисления), в том числе МП, оперативная память и шина, размещаются на системной (материнской) плате, на ней же располагается и контроллер клавиатуры. Схемы, управляющие другими внешними устройствами ПК, как правило, находятся на отдельных платах, вставляемых в унифицированные разъемы (слоты) на материнской плате. Через эти разъемы контроллеры устройств подключаются непосредственно к системной магистрали передачи данных в компьютере – шине. Иногда эти контроллеры могут располагаться на системной плате. Наборы микросхем, на основе которых исполняются системные платы, называются чипсетами.

Блок питания, аккумулятор, таймер В системном блоке располагается блок питания (БП), преобразующий переменное напряжение электросети в постоянное напряжение различной полярности и величины, необходимое для питания системной платы и других устройств ПК, размещенных в системном блоке. Блок питания содержит вентилятор для охлаждения системного блока. В ПК также имеется автономный источник питания – аккумулятор. К аккумулятору подключен таймер – внутримашинные электронные часы, поэтому таймер продолжает работу и при отключении компьютера от электрической сети.

Прерывание Важнейшую роль в работе ЭВМ играет контроллер прерываний. Прерывание – временный останов выполнения одной программы в целях оперативного выполнения другой, в данный момент более важной (приоритетной) программы. Контроллер прерываний обслуживает процедуры прерывания, принимает запрос на прерывание от внешних устройств, определяет приоритет данного запроса и выдает сигнал прерывания процессору. Процессор, получив данный сигнал, приостанавливает выполнение текущей программы и переходит к выполнению специальной программы обслуживания данного прерывания. После завершения программы обслуживания прерывания восстанавливается выполнение прерванной программы. План

Контрольные вопросы Какие поколения ЭВМ вы знаете? План Приведите классификацию ЭВМ. Приведите классификацию ПК. Что такое «микропроцессор» ? Какие функции выполняет системная шина? Для каких целей используется основная память? Перечислите основные характеристики винчестеров. Что такое «прерывание» ? Какие технические средства обеспечивают ввод информации? Какие технические средства обеспечивают обработку информации? Какие технические средств обеспечивают вывод информации? Какие аппаратные средства ПК обеспечивают хранение данных?