Основная память
Основная или оперативная память используется для
кратковременного хранения обрабатываемых данных и программ, используемых для
этой обработки. Этот вид памяти не используется для долговременного хранения
программ и данных. Другими словами, данные, которые требуется обработать, должны
находиться в основной памяти, вместе с необходимыми программами.
Физические принципы, на которых основана эта память, приводят
к тому, что способность памяти хранить информацию зависит от наличия
электропитания. При отключении питания вся находившаяся в памяти информация
исчезает. Это необходимо понимать пользователю, чтобы в процессе работы не
потерять важную информацию.
Основная память организована как последовательность байтов. Каждый
байт имеет свой адрес в виде целого числа. Вся память разбивается на отдельные
области, в которых находятся обрабатываемые данные и программы обработки.
Основная характеристика памяти — это ее объем или емкость, т.е.
общее число доступных байтов. Современные компьютеры имеют объем основной
памяти, измеряемый миллионами байтов. Для удобства введены более крупные
единицы измерения объемов памяти:
1 Килобайт (Кб) = 1024 байт (т.е. 2 в степени 10)
1 Мегабайт (Мб) = 1024 Кб ( чуть больше миллиона байт )
1 Гигабайт (Гб) = 1024 Мб ( чуть больше миллиарда байт )
Современные программы требуют все большего объема памяти, поэтому
трудно дать неизменную оценку достаточного уровня основной памяти. Можно лишь
сказать, что в конце 1999 года хороший массовый ПК должен иметь как минимум 16
Мб памяти, лучше — 32 Мб.
Конструктивно основная память выполнена в виде отдельных
микросхем площадью в несколько квадратных сантиметров. Все такие микросхемы
собраны на отдельной плате и легко могут быть заменены на более емкие.
Внешняя память
В отличие от основной памяти, внешняя память предназначена
для долговременного хранения и только хранения информации. Способность этой
памяти хранить информацию не зависит от наличия питания. Вся хранимая во
внешней памяти информация разбивается на так называемые файлы. Другими словами,
файл — это единица хранения информации во внешней памяти.
Все файлы разбиваются на несколько основных типов в
зависимости от хранимой в них информации:
• текстовые
файлы содержат текстовую информацию как набор кодов символов;
• графические
файлы содержат закодированную информацию о всех точках изображения;
• программные
файлы содержат закодированное представление программ в виде, понятном
процессору компьютера;
• звуковые
файлы содержат закодированное представление звуковой информации.
Независимо от типа файла, все они в конечном счете содержат
только наборы нулей и единиц, которые объединены в байты. Отсюда следует, что
основной характеристикой файла является его размер в байтах. Этот размер может
изменяться в очень широких пределах — от нескольких байт до нескольких мегабайт.
Для сравнения, стандартная страница печатного текста занимает около 2 Кб, а
солидная книга в 500 страниц потребует для своего хранения файла объемом в 1 Мб.
Большое значение для работы компьютера имеет взаимодействие
основной и внешней памяти. Каждая из них используется в своих целях и не может
заменять другую. Перед началом непосредственной обработки данных, эти данные
вместе с необходимыми программами должны быть помещены из внешней памяти в
основную. Этот процесс называют загрузкой или чтением информации. Часто сначала
загружается необходимая программа, а потом уже с ее помощью загружаются
соответствующие данные. Необходимо понимать, что загрузка в основную память не
приводит к исчезновению загружаемой информации из внешней памяти. Эта
информация остается в соответствующих файлах, а в основной памяти создается ее
копия.
Только когда программы и данные попадут в основную память, процессор
сможет выполнить их обработку. После окончания обработки измененные данные
можно поместить обратно во внешнюю память. Этот процесс называют сохранением
или записью данных. Программы обратно во внешнюю память не записываются, т.к. в
процессе их использования программы обычно не изменяются.
Загрузка и сохранение данных выполняются специальными
программами, входящими в состав так называемой операционной системы, назначение
и функции которой будут рассмотрены позже.
Современные компьютеры могут использовать разные типы
внешней памяти, каждый из которых имеет свои особенности. Общим для всех типов
внешней памяти является их основная характеристика — объем или емкость, измеряемая
в байтах.
Основным типом внешней памяти являются жесткие магнитные
диски ( Hard Disk, HD, винчестер ). Их основные особенности:
• большой
объем хранимой информации ( 2 — 4 Гб, т.е.
около тысячи книг среднего объема);
• двустороннее
использование, т.е. возможность как чтения, так и записи информации;
• высокая
скорость чтения и записи;
• в основном
жесткие диски постоянно находятся в компьютере и снимаются только в крайнем
случае.
Вторым по распространенности типом внешней памяти являются
дискеты или гибкие магнитные диски ( Floppy Disk, FD ). Их особенности:
• небольшой
объем (стандартно — 1.44 Мб)
• возможность
чтения и записи
• невысокая
скорость работы
• съемность, т.е.
возможность переноса информации между компьютерами
В последнее время все большую популярность приобретают
компакт-диски ( CD, Compact Disk ). Массовые компакт-диски имеют следующие
особенности:
• высокая
емкость, сопоставимая с жесткими дисками (до 1 Гбайта)
• одностороннее
использование только для чтения ( ROM — Read Only Memory )
• высокая
скорость работы
• возможность
переноса неизменяемой информации между компьютерами (большие программы, энциклопедии,
путеводители, учебники)
Надо отметить, что устройства работы с жесткими и гибкими
дисками (называемые дисковыми накопителями) обычно являются стандартными, тогда
как устройства для работы с компакт-дисками (привод CD-ROM) имеют далеко не все
ПК.
Дальнейшее развитие компакт-дисков идет по двум направлениям:
• повышение
емкости дисков; в частности, технология цифровых видеодисков (DVD) позволяет
хранить на одном диске до 17 Гбайт информации
• предоставление
пользователям возможности записи информации на компакт-диски (перезаписываемые
диски — CD RW)
Более редкими являются устройства резервного копирования, которые
позволяют сохранять информацию с жестких дисков либо на магнитной ленте (стримеры),
либо на специальных магнитооптических дисках.
Процессор
Процессор компьютера — это устройство, которое выполняет
обработку данных, хранящихся в основной памяти, в соответствии с программой, также
находящейся в основной памяти. Любые действия, выполняемые компьютером, определяются
соответствующими программами. Любая программа состоит из отдельных команд ( инструкций
), реализующих набор основных элементарных операций, таких как сложение двух
чисел, выбор необходимого числа из памяти, запись числа в память, сравнение
двух чисел и т.д. Все команды закодированы и понятны процессору. Процессор
выполняет одну команду за одной и тем самым реализует необходимую обработку
данных.
Основной характеристикой процессора является его
быстродействие, т.е. количество выполняемых в секунду операций. Процессоры, используемые
в ПК семейства IBM, обеспечивают выполнение нескольких миллионов операций в
секунду, причем этот показатель постоянно растет. Довольно часто быстродействие
оценивается с помощью косвенного показателя — так называемой тактовой частоты
процессора. Она измеряется в мегагерцах и в настоящее время имеет для массовых
ПК значение в диапазоне 200 — 300 Мгерц.
Значение процессора как важнейшего компонента компьютера
привело к тому, что тип компьютера определяется типом лежащего в его основе
процессора.
В частности, IBM-совместимые ПК используют процессоры фирмы
Intel, которая является крупнейшим производителем процессоров в мире. Эти
процессоры образуют целое семейство со все большей производительностью. Последними
типами процессоров в этом семействе являются
Intel Pentium (с модификациями Pentium MMX, Pentium II и
Pentium III).
Компьютеры Maсintosh фирмы Apple основаны на процессорах
фирмы Motorola.
В последнее время на рынке успешно продвигаются компьютеры
на базе процессоров PowerPC, производимых совместно фирмами IBM, Apple и
Motorola.
Многие компьютеры кроме основного имеют дополнительные
процессоры, выполняющие специальные функции. Например — математический
сопроцессор для обработки вещественных чисел, графический сопроцессор для
повышения эффективности обработки изображений, особенно реалистичных трехмерных.
Мощные суперкомпьютеры включают в себя сотни и тысячи
взаимодействующих процессоров, что позволяет им решать невероятно сложные
задачи.
Устройства ввода
Основные устройства — клавиатура, манипулятор «мышь»
и сканер.
Клавиатура используется для ввода текстовой информации и
управления работой программ. Стандартная клавиатура для машин фирмы имеет 102
клавиши, которые можно разбить на несколько групп: клавиши для ввода
изображаемых символов; функциональные клавиши; управляющие клавиши.
Клавиши первой группы используются для ввода символьной
информации (буквы, цифры, знаки пунктуации, скобки, знаки арифметических
операций, специальные символы ).
Клавиши второй группы используются для управления вводом
информации или управления работой программы. Они включают в себя следующие
основные клавиши:
• Enter
используется для завершения ввода строки или фиксации выбора элемента меню;
• BackSpace
используется для удаления символа слева от курсора;
• Delete
используется для удаления символа, отмеченного кур сором;
• F1, F2, …,
F12 используются для выбора одного из возможных в данный момент действий;
• Home, End, PageUp,
PageDown, стрелки вверх-вниз-влево-вправо используются для перемещения курсора;
• Esc часто
используется для отмены какого-либо действия.
Клавиши третьей группы предназначены для совместного
использования с другими клавишами. К ним относятся клавиши Ctrl, Alt, Shift. Нажатие
одной из этих клавиш вместе с какой-либо клавишей из первой или второй группы
изменяет стандартное действие последней.
Манипулятор ‘мышь’ используется для быстрого
позиционирования курсора на экране дисплея. Перемещение ‘мыши’ по какой-либо
ровной поверхности приводит к изменению положения курсора на экране. ‘Мышь’ имеет
2 или 3 кнопки, нажатие которых приводит к выполнению некоторого действия.
Манипулятор ‘мышь’ часто используется для организации
диалога с пользователем в прикладных программах. Типичная последовательность
действий при этом включает в себя :
• вывод на
экран управляющих элементов (меню, световые кнопки), определяющих набор
возможных действий;
• перемещение
курсора с помощью ‘мыши’ к необходимому элементу меню;
• выбор
указанного элемента меню путем нажатия кнопки ‘мыши’.
Большинство современных прикладных программ ориентировано на
совместное использование клавиатуры и ‘мыши’ для организации диалога с
пользователем.
Сканер — устройство для автоматического ввода текстовой и
графической информации. Сканеры позволяют в несколько раз ускорить ввод в
компьютер различных документов по сравнению с использованием клавиатуры. При
этом сканируемый документ разбивается на множество мелких точек, т.е. представляется
фактически в графическом виде. Число таких точек на 1 дюйм изображения
определяет основную характеристику сканера — разрешающую способность. Современные
сканеры среднего разрешения обеспечивают 400-600 точек на дюйм. Кроме
разрешающей способности, сканеры различаются по формату вводимых документов и
способности обрабатывать цветные изображения.
Необходимо отметить, что обработанный сканером текстовый документ
требует дальнейшей обработки специальными программами, которые переводят
полученное точечное изображение в текстовое представление.
Кроме отмеченных устройств, есть и другие, более «экзотические»,
такие как устройства речевого ввода, планшеты для рукописного ввода, устройства
для ввода изображений из цифровых фотокамер и видеокамер.
Устройства вывода
Основными типами устройств вывода являются монитор, принтер
и звуковые колонки.
Монитор является основным устройством для вывода информации
в процессе использования ПК для решения задач. В мониторах ПК используется
растровый способ вывода, когда любое изображение представляется в виде
отдельных маленьких точек — пикселов. Количество пикселов определяет
разрешающую способность экрана, а в итоге — качество получаемого изображения.
Мониторы могут быть черно-белыми, монохромными (с
несколькими оттенками одного цвета) или цветными.
В текстовом режиме весь экран разбивается на отдельные
участки — так называемые знакоместа. В каждом знакоместе можно вывести один
символ — букву, цифру, знак пунктуации, скобку и т.д. Набор выводимых символов
определяется специальными кодировочными таблицами и не может быть больше 256. Количество
строк на экране обычно равно 25 ( может быть 43 или 50 ). Количество символов в
одной строке обычно равно 80. Следовательно, на экран можно одновременно
вывести 2000 символов.
В графическом режиме можно выводить любые сколь угодно
сложные изображения — рисунки, чертежи, схемы, слайды, графики и т.д. Однако, графический
режим по сравнению с текстовым требует гораздо более мощной аппаратной
поддержки и поэтому качественно может функционировать на ПК, имеющих процессор
с высоким быстродействием, достаточно большую оперативную память и специальные
электронные схемы управления.
В настоящее время наиболее распространенными являются
мониторы, имеющие разрешающую способность 800 на 600 или 1024 на 768 точек, соответственно
по горизонтали и вертикали, и поддерживающие 256 или 65536 цветовых оттенков (стандарт
SVGA).
Принтеры используются для вывода текстовой и графической
информации на бумагу и различаются по способу получения оттиска.
Наиболее дешевыми являются матричные принтеры, в которых
каждый символ формируется как набор отдельных точек. Точки выводятся с помощью
иголок печатающей головки. Иголки расположены вертикально и их число определяет
качество печати. Число иголок может изменяться от 9 до 24. Скорость печати
матричных принтеров — от 10 до 60 секунд на страницу.
Струйные принтеры обеспечивают получение более качественного
изображения за меньшее время по сравнению с матричными, но являются более
дорогими. В них изображение создается за счет напыления на бумагу мельчайших
капелек чернил. Струйные принтеры позволяют создавать цветные изображения
весьма высокого качества и работают по сравнению с матричными практически
бесшумно.
Наиболее дорогими и качественными являются лазерные принтеры.
В них изображение создается нанесением порошка на нагретую бумагу. Качество
получаемого изображения может превосходить типографское. Лазерные принтеры
работают очень быстро и бесшумно.
Вывод звуковой информации требует наличия специальной так
называемой звуковой электронной платы, а также — выносных или встроенных
звуковых колонок. Их наличие позволяет выводить высококачественную речь и
музыку и широко используется в обучающих программах.
Коммуникационные устройства
Коммуникационные устройства необходимы для связи компьютеров
между собой. При этом выделяются два основных способа взаимодействия
компьютеров — в рамках локальной сети и с помощью существующих телефонных линий.
Локальная сеть связывает компьютеры в пределах одной
организации и предоставляет следующие преимущества:
• возможность
обмена информацией (файлами) без использования дискет;
• возможность
хранить файлы на общем сетевом диске и обращаться к ним с любого компьютера
сети;
• возможность
использования общих внешних устройств (принтеры, сканеры), подключенных к сети.
Сети компьютеров можно классифицировать следующим образом.
• Простейшие
одноуровневые объединяют небольшое число компьютеров, причем все они имеют
одинаковые возможности использования;
• Двухуровневые
сети могут объединять большее число компьютеров, среди которых выделяется один
центральный компьютер, который организует работу всей сети. Такие компьютеры
принято называть сетевыми серверами. К ним предъявляются повышенные требования
по технической оснащенности: мощный процессор класса Pentium 266-300 Мгерц, большая
основная память (32-64 Мб), два или три дисковых накопителя большой емкости (2
Гб), наличие устройств работы с компакт-дисками, наличие источников
бесперебойного питания и устройств резервного хранения информации. На дисках
сервера хранятся основные файлы, необходимые для управления работой всей сети и
отдельных компьютеров, а также файлы пользователей.
• Многоуровневые
сети могут объединять между собой отдельные локальные сети со своими серверами.
Особенность таких сетей состоит в том, что серверы могут быть компьютерами
разных типов ( IBM-совместимые ПК, компьютеры Macintosh, рабочие станции). Это
требует использования специальных программ управления такими сетями. Подобные
сети иногда называют корпоративными.
• Региональные
сети объединяют компьютеры в рамках некоторого региона (Татарстан, Поволжье, Россия)
и используют для передачи информации телефонные линии или специальные
высокоскоростные каналы. Наиболее известной сетью в России является сеть Relcom.
• Глобальные (мировые)
сети объединяют миллионы компьютеров по всему миру. Наиболее известная мировая
сеть — Internet.
Для связи компьютеров друг с другом в пределах одной сети
необходимы два основных типа устройств:
• специальные
электронные схемы (сетевые платы), вставляемые в каждый компьютер;
• провода (кабели),
необходимые для физического соединения компьютеров.
Для организации взаимодействия компьютеров через телефонные
линии необходимы специальные устройства — модемы. Они служат посредниками между
компьютером и телефонной линией и необходимы для преобразования цифрового
представления информации в непрерывный сигнал и обратно. Отсюда происходит и
название этих устройств: модем — это сокращение от модулятор/демодулятор. Основная
характеристика модема — пропускная способность, т.е. количество битов, передаваемых
за 1 секунду. Современные модемы обеспечивают пропускную способность около 30
тысяч бит/секунду.
Операционные системы
Операционная система — это комплекс взаимосвязанных
системных программ, назначение которого — организовать взаимодействие
пользователя с компьютером и выполнение всех других программ.
Операционная система выполняет роль связующего звена между
аппаратурой компьютера, с одной стороны, и выполняемыми программами, а также
пользователем, с другой стороны.
Операционная система обычно хранится во внешней памяти
компьютера — на диске. При включении компьютера она считывается с дисковой памяти
и размещается в ОЗУ.
Этот процесс называется загрузкой операционной системы.
В функции операционной системы входит:
• осуществление
диалога с пользователем;
• ввод-вывод и
управление данными;
• планирование
и организация процесса обработки программ;
• распределение
ресурсов (оперативной памяти и кэша, процессора, внешних устройств);
• запуск
программ на выполнение;
• всевозможные
вспомогательные операции обслуживания;
• передача
информации между различными внутренними устройствами;
• программная
поддержка работы периферийных устройств (дисплея, клавиатуры, дисковых
накопителей, принтера и др.).
Операционную систему можно назвать программным продолжением
устройства управления компьютера. Операционная система скрывает от пользователя
сложные ненужные подробности взаимодействия с аппаратурой, образуя прослойку
между ними. В результате этого люди освобождаются от очень трудоёмкой работы по
организации взаимодействия с аппаратурой компьютера.
В зависимости от количества одновременно обрабатываемых
задач и числа пользователей, которых могут обслуживать ОС, различают четыре
основных класса операционных систем:
1. однопользовательские
однозадачные, которые поддерживают одну клавиатуру и могут работать только с
одной (в данный момент) задачей;
2. однопользовательские
однозадачные с фоновой печатью, которые позволяют помимо основной задачи
запускать одну дополнительную задачу, ориентированную, как правило, на вывод
информации на печать. Это ускоряет работу при выдаче больших объёмов информации
на печать;
3. однопользовательские
многозадачные, которые обеспечивают одному пользователю параллельную обработку
нескольких задач. Например, к одному компьютеру можно подключить несколько
принтеров, каждый из которых будет работать на «свою» задачу;
4. многопользовательские
многозадачные, позволяющие на одном компьютере запускать несколько задач
нескольким пользователям. Эти ОС очень сложны и требуют значительных машинных
ресурсов.
В различных моделях компьютеров используют операционные
системы с разной архитектурой и возможностями. Для их работы требуются разные
ресурсы. Они предоставляют разную степень сервиса для программирования и работы
с готовыми программами.
Операционная система для персонального компьютера, ориентированного
на профессиональное применение, должна содержать следующие основные компоненты:
• программы
управления вводом/выводом;
• программы, управляющие
файловой системой и планирующие задания для компьютера;
• процессор
командного языка, который принимает, анализирует и выполняет команды, адресованные
операционной системе.
Каждая операционная система имеет свой командный язык, который
позволяет пользователю выполнять те или иные действия:
• обращаться к
каталогу;
• выполнять
разметку внешних носителей;
• запускать
программы;
• … другие
действия.
Анализ и исполнение команд пользователя, включая загрузку
готовых программ из файлов в оперативную память и их запуск, осуществляет
командный процессор операционной системы.
Для управления внешними устройствами компьютера используются
специальные системные программы — драйверы. Драйверы стандартных устройств
образуют в совокупности базовую систему ввода-вывода (BIOS), которая обычно
заносится в постоянное ЗУ компьютера.