Алешин Л.И., Максимов Н.В. Информационные технологии

Подождите немного. Документ загружается.

101

5*10 + 3*100. Следовательно, основанием данной системы счисления

является число 10.

Для представления информации в вычислительной технике ис-

пользуется двоичная система счисления, основанием которой является

цифра 2. Эта система состоит из двух цифр «0» и «1», что весьма удобно

для любых электронных устройств. Ноль и единица восприниматься

системой как наличие или отсутствие сигнала, как логически ложное

или верное утверждение и так далее, а затем легко преобразовываться в

электрические сигналы для их дальнейшей обработки.

Любое число, представленное в двоичной форме, состоит из сум-

мы чисел, имеющих значения 2 в степени «n2. Так, 20 =1, 21 =2, 22 =4,

23 =8, 24 =16, 25 =32, 26 =64, 27 =128, 28 =256 и т.д.

В качестве примера представим число 153 десятичной системы

счисления в виде двоичного числа: 1*27+1*24+1*23+1*20. Если произ-

вести соответствующие вычисления, то получим 128+16+8+1 = 153.

В вычислительной технике принято считать минимальной едини-

цей информации бит (англ. «binary digit» – двоичная цифра), т.е. цифры

«1» или «0» или команды «Включено» – наличие сигнала и «Выключе-

но» – отсутствие сигнала. Общепринятой единицей информации являет-

ся байт.

1 байт = 8 битам, т.е. он представляет последовательность из вось-

ми единиц и нулей. Байт соответствует одному символу, знаку или

цифре.

Для кодировки двоичных символов в США была разработана спе-

циальная таблица (American Standard Code for Information Interchange,

ASCII), которой пользуются во всём мире. Каждому символу, цифре или

знаку в ней присваивается десятичный код от 0 до 255 (28).

Первые 32 символа и символ с кодом 127 являются служебными.

Символы с кодами от 32 до 127 определены как стандартные для всех

IBM-совместимых компьютеров, включают латинский алфавит и утвер-

ждены ISO (международная организация по стандартизации в различ-

ных областях жизнедеятельности человека). Символы от 128 до 255 ис-

пользуются для реализации национальных алфавитов – расширенная

часть кодовой таблицы. Например, некоторые буквы русского алфавита

имеют следующую десятичную кодировку: заглавная «А» соответствует

коду 128, строчная «а» – 160, строчная «м» – 172 и заглавная «М» – 140.

В двоичной информации десятичный код 140 можно представить, как

следующую последовательность бит 10001100 = 128+8+4 = 140.

Электронная (машинная) память компьютера делится на внутрен-

нюю и внешнюю. «Внутренняя память» состоит из оперативной, по-

стоянной памяти и Кеш-памяти.

Её производительность (скорость, частота) равна производитель-

ности центрального процессора. При этом обеспечивается согласование

во времени работы этих двух основных устройств компьютера и дости-

102

гается высокая производительность компьютера.

Оперативная память (третье устройство на схеме) или оператив-

ное запоминающее устройство (ОЗУ) – специальная внутренняя память,

позволяющая быстро записывать в неё и считывать из неё необходимую

информацию – массив кристаллических ячеек, способных хранить дан-

ные.

Информация в этой памяти хранится лишь до любого (кратковре-

менного или долговременного) отключения электропитания компьюте-

ра, поэтому её называют энергозависимой, временной памятью или по-

английски «RAM» (Random Access Memory – память произвольного

доступа). Обычно в компьютерах используется «DRAM» – динамиче-

ская память, состоящая из ячеек в виде микроконденсаторов, способных

накапливать заряд на своих обкладках.

Во время работы компьютера информация в оперативной памяти

постоянно обновляется. В ней находятся все выполняемые в данный

конкретный момент времени программы. Они – элементы текстов, дан-

ных, программы и т.д., располагаются в специальных ячейках памяти.

В настоящее время достаточно широко используется кэш-память

(Cache Memory). Она бывает внутренняя (встроенная, например, в про-

цессор) и внешняя. Внешняя кэш-память – сверхоперативная (сверхбы-

страя) память, расположенная как буфер между процессором и ОЗУ, в

накопителях на жёстких магнитных дисках и т.д. для хранения проме-

жуточных результатов. Она способствует повышению производительно-

сти работы компьютера. Она служит для уменьшения количества

тактов ожидания процессора при обращения к более медленной

«RAM».

В IBM-совместимых ПК оперативная память распределя-

ется следующим образом:

640 Кб – основная память ПК (Conventional Base Memory –

стандартная базовая память)

384 Кб – верхняя память до 1 Мб (UMA – Upper Memory Area),

зарезервированная область для системных нужд. В ней:

128 Кб этой памяти отведено под видеопамять

(обычно используется не полностью).

128 Кб – резерв для адаптеров с собственной «ROM BIOS».

128 Кб – «System BIOS», «ROM» на системной плате.

Выше 1 Мб – Расширенная память (Extended Memory)

Не занятые области UMA драйверов, с помощью драйвер DOS –

EMM386, могут использоваться как блоки верхней памяти UMB (Upper

Memory Block) для размещения в них резидентных программ.

Расширенная память, в свою очередь, состоит из:

● программной спецификации (EMS – Expanded Memory

Specification), использующей 4 страницы верхней памяти по 16 Кб;

● программной спецификации (XMS – eXtended Memory

103

Specification), использующей защищённый режим с помощью драйвера

DOS – HIMEM.SYS;

● высокой памяти (HMA – High Memory Area).

Четвертым из представленных на схеме устройств является энер-

гонезависимое постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) или, по-

английски, «ROM» («Read-Only-Memory»). ПЗУ предназначено для

хранения системных программ, управляющих работой внешних уст-

ройств компьютера, служебных программ диагностики, контроля и др.

Оно используется для «BIOS» (Basic Input/Output System – базовая сис-

тема ввода-вывода), отвечающей за процедуру самопроверки компьюте-

ра, т.е. запускает находящийся в ней тест «POST» (Power-On Self-Test);

за выполнение программы самозагрузки компьютера (boot-strapping); а

также содержит низкоуровневые интерфейсы и язык программирования

BASIC. Эта микросхема устанавливается на материнской плате и хранит

в себе основные (базовые) настройки компьютера.

Процессор и внутренние запоминающие устройства являются

главными модулями любого вычислительного устройства. Их достаточ-

но для того, чтобы компьютер начал работать. Но для обеспечения диа-

лога с человеком этого мало, так как невозможно передавать соответст-

вующие задания и сообщать пользователю результаты их решения и др.

Все остальные устройства компьютера обычно называются внеш-

ними. Связь их с вышеназванными основными модулями осуществляет-

ся с помощью специального внутреннего устройства или модуля, кото-

рый называется «шина».

Шина или магистраль (пятое устройство на схеме) обеспечивает

взаимодействие процессора и внутренних запоминающих устройств со

всеми внешними устройствами через платы расширения (карты), ус-

танавливаемые в специальные разъемы (слоты).

Термин «слот» означает один из разъёмов расширения, располо-

женных на материнской плате компьютера и предназначенных для под-

ключения к ним различных контроллеров и адаптеров (видеомониторов,

сетей, накопителей и др.).

По шине осуществляется копирование данных из оперативной па-

мяти в регистры процессора и обратно. Системную шину (bus) называ-

ют также каналом объединения микропроцессора, оперативной памяти

компьютера и периферийных (внешних) устройств. Основной характе-

ристикой шины является скорость (частота) обмена данными, соизмери-

мая с частотой процессора.

Все рассмотренные выше устройства и некоторые другие распо-

ложены непосредственно на главной, системной плате, которая называ-

ется «System board» или «Mother board» – системная (материнская)

плата.

Для подключения различных внешних устройств в слоты вставля-

ются контролеры или адаптеры (шестое устройство на схеме). Под-

104

ключаемые внешние устройства обеспечивают не только собственно ра-

боту компьютера (контролеры дисплея, накопителей на магнитных но-

сителях и др.), но предоставляют пользователям различные дополни-

тельные возможности, например, сетевой адаптер, карты мультимедиа

(«Multimedia») и др.

Устройства ввода/вывода и долговременного хранения информации

Внешние устройства хранения информации называют внешней

памятью. Они представляют несъёмные и съёмные (переносные) уст-

ройства долговременного или временного хранения информации. Более

подробно о них речь идёт в теме 5. Здесь рассматриваются лишь основ-

ные сведения, касающиеся данной темы.

Внешняя память подобно библиотеке является хранилищем лю-

бой полезной информации, объём которой значительно превышает объ-

ём внутренней памяти компьютера. К устройствам и носителям внешней

памяти относят: диски, дискеты и другие запоминающие устройства

прямого доступа на магнитных, оптических, магнитооптических и иных

носителях.

Внешняя долговременная память – место длительного хранения

данных, не используемых в конкретный момент времени пользователем

и оперативной памятью компьютера.

Хранение информации осуществляется на различных её носите-

лях. Если информация с носителя может только считываться, то такой

носитель или устройство его содержащее можно назвать устройством

вывода и хранения информации. Если носитель позволяет записывать,

считывать, модернизировать, уничтожать и хранить информацию, то та-

кой носитель и (или) устройство с таким носителем называют устрой-

ством ввода/вывода и хранения информации.

Основными представителями устройств внешней памяти являются

накопители на гибких и жёстких магнитных дисках. Кроме того, суще-

ствуют запоминающие устройства в виде оптических лазерных дисков

(только для чтения – CD-ROM, для записи – CD-R, для перезаписи – CD-

RW), различные модификации DVD, магнитооптические носители ин-

формации: гибкие (Floptical drivers) и жесткие (MOD – Magneto-Optical

Drivers), магнитные ленты (стримеры) и микросхемы (флеш-карты). Их

параметры, материалы носителей и особенности, в том числе хранения,

рассмотрены в теме 5.

Первыми, с точки зрения появления, являются гибкие магнитные

диски или дискеты (англ. «Floppy diskettes»). Они используются с 1980

года. Современные дискеты имеют размер 3,5” (89 мм) и являются пере-

носными носителями, позволяющими осуществлять процедуры вво-

да/вывода и хранения информации. Устройство для работы с ними на-

зывается накопитель на гибких магнитных дисках (НГМД) или флоп-

пи драйвер (англ. «floppy driver»). Это внешнее устройство устанавлива-

105

ется внутрь системного блока. Ныне гибкие носители не отвечают тре-

бованиям современных пользователей и всё менее используются ими.

Тому свидетельство их высокая стоимость (примерно 15 рублей), нена-

дёжность хранения записанных на них данных и небольшой объём мак-

симально хранимой информации (1, 44 Мб).

Система записи на дискеты несколько похожа на систему записи

на пластинки, в отличие от которых запись осуществляется не по спира-

ли, а на концентрические окружности – дорожки (англ. – «траки»

/traks/), расположенные на двух сторонах дискеты и образующие как бы

цилиндры. Окружности, в свою очередь, делятся на сектора (Рис. 6-3).

Каждый сектор, не зависимо от размеров дорожки, имеет одинаковый

размер, равный 512 байт, что дости-

гается различной плотностью запи-

си: меньшей на периферии и боль-

шей ближе к центру дискеты.

Ёмкость дискеты определя-

ется достаточно просто. Необходи-

мо умножить количество окружно-

стей (дорожек) на количество сек-

торов. Например, умножив 80 до-

рожек на 18 секторов и на две сто-

роны дискеты получим

80*18*(512б*2) = 1474560 байт или 1, 47 Мб – ёмкость современной

дискеты.

Приобретенная дискета отформатирована заводским методом для

работы с IBM-совместимыми компьютерами, то есть размечена таким

образом, чтобы сразу можно было производить на неё запись, и считы-

вание записанной машиночитаемой информации. В случае необходимо-

сти её можно отформатировать (инициализировать). Для выполнения

операции форматирование дискет

можно воспользоваться специальной

программой «Format». В ОС Windows

эта процедура осуществляется сле-

дующим образом. В папке «Мой ком-

пьютер» надо выбрать пиктограмму

«Диск 3,5” (А)» и, став на неё курсо-

ром мыши, нажать её правую клавишу.

При этом откроется выпадающее меню

пиктограммы «Диск 3,5” (А)», в кото-

ром есть пункт «Форматировать». Его

надо активизировать и выполнить

процедуры, предлагаемые в открыв-

шемся окне «Формат Диск 3,5 (А)»

(Рис. 6-4).

Дискеты всё более заменяются

Рис. 6-3.

Рис. 6-4.

106

компакт-дисками, объём которых достигает 700 Мб, а стоимость соиз-

мерима со стоимостью гибких дискет.

Следующим устройств внешней памяти является жёсткий магнит-

ный диск.

Жёсткий диск (англ. «Hard disks») представляет набор располо-

женных друг над другом, как полки этажерки, и жёстко скреплённых

между собой дискет (дисков). К каждой такой дискете подходит своя го-

ловка чтения/записи. Вместе эти го-

ловки жёстко укреплены на одной

оси (Рис. 6-5.). Набор этих дисков

устанавливается в специальный гер-

метизированный корпус, и всё

вместе называется накопителем на

жестком магнитном диске

(НЖМД) или HDD (Hard disk

drives).

Это несъёмное внешнее уст-

ройство устанавливают внутрь сис-

темного блока. НЖМД является

устройством ввода/вывода и хране-

ния информации. Его не рекомендуют переносить так же, как дискеты

(«Non removable Disks»). Несмотря на свое название, жёсткий диск

весьма хрупкое устройство, чувствительное к перегрузкам, ударам и

толчкам.

Когда дисковод работает, между каждой головкой и поверхностью

диска образуется аэродинамическая подушка. Головка парит над маг-

нитной поверхностью на высоте в несколько тысячных долей миллимет-

ра. Работой НЖМД управляет специальное аппаратно-логическое уст-

ройство — контроллер жёсткого диска. Такое техническое решение по-

зволяет значительно увеличивать плотность записи и долговременно

(несколько лет) хранить на дисках большое количество информации

(миллионы дискет).

Основными параметрами HDD являются ёмкость и производи-

тельность и быстродействие. Ёмкость современных устройств достигает

нескольких сотен Гб.

Производительность определяется внутренней скоростью переда-

чи данных и измеряется в Мбайт/с (от нескольких до десятков и сотни

Мбайт/с). Она в большей степени зависит от характеристик интерфей-

сов, связывающих НЖМД с материнской платой. Подключение НЖМД

в компьютере осуществляется к разъёмам, расположенным на материн-

ской плате, специальными интерфейсными кабелями (шлейфами).

Быстродействие – время доступа к данным. Обычно обращают

внимание на среднее время доступа – интервал времени, необходимый

для поиска нужных данных. Оно зависит от скорости вращения диска.

Для дисков с частотой вращения 5400 об/мин среднее время доступа со-

Рис. 6-5.

107

ставляет 9–10 мкс, для дисков с частотой 7200 об/мин – 7–8 мкс. Более

высокоуровневые устройства обеспечивают среднее время доступа к

данным 5–6 мкс.

Магнитооптические диски (МО-диски) используют как внешние

высоконадёжные устройства переноса и хранения информации. Устрой-

ство для работы с МО-дисками, как и устройства работы с гибкими маг-

нитными дисками, устанавливается внутрь системного блока. Они, как и

НЖМД, являются устройствами ввода/вывода, актуализации, удаления и

хранения информации. Максимальная ёмкость – для дисков диаметром

3.5" – 1,3 Гб, а диаметром 5.25" – 9,1 Гб. Скорость вращения диска –

2000 об/мин.

Запись данных на магнитный слой осуществляется лазерным лу-

чом. При этом используется двухпроходной процесс записи. Магнитные

изменения в диске могут происходить только при одновременном воз-

действии двух условий: магнитного поля и определённой температуры,

создаваемой лазером, при этом вероятность потери информации очень

мала.

К оптическим устройствам внешней памяти относятся лазерные

компактные диски.

Лазерный компакт-диски

(англ. «Compact Disk», CD)

Считается, что первые CD появились в 1982 году в результате со-

вместной разработки фирм Sony (Япония) и Philips (Нидерланды) ком-

пакт-дисков для записи звука. Акио Морита (исполнительный директор

фирмы Сони) предложил использовать компакт-диски для записи клас-

сической музыки. В то время самым популярным классическим произ-

ведением в Японии была 9-я симфония Бетховена, продолжительностью

до 73 минуты. В результате аудио компакт-диски стали выпускаться со

временем звучания 74 минуты и 33 секунды, что в пересчёте в байты со-

ставило 640 Мбайт.

Информация в

цифровой форме

«прожигается» на

диске лазером и со-

храняется в виде

«пит» – чёрточек ши-

риной менее одного

мкм и длиной при-

мерно 0,9–3,3 мкм.

Длина «пит» зависит

от количества

последовательных

двоичных чисел

Рис. 6-6. Считывание лазером данных с ком-

пакт-диска

108

ных чисел (нулей) записанного цифрового сигнала. Ямка соответствует

двоичному нулю – луч лазера, попадая в неё, поглощается (Рис. 6-6).

Гладкая поверхность диска воспринимается как двоичная единица так,

как попадающий на неё луч лазера отражается, преломляется через

призму и фиксируется фотодетектором.

CD имеет толщину, равную 1,2 мм и диаметр 120 и менее мм. Он

состоит из трёх слоёв: несущей информацию пластмассовой прозрачной

подложки; нанесенной на подложку алюминиевой отражающей пленки

и прозрачного защитного лакового слоя.

Кроме дисков, специально предназначенных для записи звука

(CD-Audio), широко используется три варианта таких носителей (CD-

ROM, CD-R, CD-RW).

CD-ROM (Compact Disk-Read Only Memory) предназначены толь-

ко для считывания информации и является носителями, позволяющим

осуществлять вывод, и долговременное хранение информации.

Они обладают большой емкостью 650, 700 Мб, имеют надёжную

защиту от потери данных при электромагнитных и других воздействиях,

гарантированную стойкость до 30–50 лет и более. На таких компакт-

дисках можно хранить тексты, базы данных, программы мультимедиа и

др. Важным параметром оптических дисков является скорость передачи

данных, характеризующаяся временем доступа.

Первые устройства для CD-ROM были односкоростными (150

Кбит в секунду). Современные устройства считывания компакт-дисков

обладают высокой скоростью. Она определяется значением (коэффици-

ентом), определяющим отношение к скорости первых компакт-дисков,

то есть указанное на диске число, например, «х52» (скорость современ-

ных компакт-дисков) нужно умножить на 150 и получится 7800 Кб/с.

CD-R (Recordable compact disc) – компакт-диски, на которые мож-

но один раз записать данные или несколько раз дозаписать. Они являют-

ся носителями, позволяющим осуществлять, как правило, однократный

ввод, многократный вывод и продолжительное хранение информации.

Их целесообразно применять для архивации проверенных, подго-

товленных данных и программ. Особенностью таких дисков является то,

что их можно записывать секциями (порциями) до полного заполнения

ёмкости диска.

CD-RW (Rewritable compact disc) – перезаписываемые компакт-

диски. Характеризуются числом циклов записи/стирания, исчисляемым

тысячами. Они являются носителями, позволяющими осуществлять

ввод/вывод и хранение информации. При перезаписи на них информа-

ции, предыдущие данные уничтожаются.

Ёмкость CD-R, и CD-RW такая же, как и у CD-ROM.

Для работы с такими носителями используются устройства считы-

вания и устройства считывания/записи компакт-дисков, называемые CD-

драйверами.

Эти устройства и CD-RW характеризуются следующими парамет-

109

рами, например, 12/10/32, означающими, что можно записать диск с 12-

ти кратной, писать перезаписываемые диски с 10-ти кратной, а читать с

32-х кратной скоростью. При этом за единицу скорости принята ско-

рость работы первых дисководов для аудио CD (150 Кб/с).

Существуют и другие типы лазерных дисков. Например, DVD.

Они появились в начале 1997 года. Первоначально DVD предна-

значался для записи высококачественных видеопрограмм (Digital Video

Disc)., как носитель, обеспечивающий более высокое качество изобра-

жения, чем CD.

Затем аббревиатура DVD получила значение – «Digital Versatile

Disc» (универсальный цифровой диск), как более полно отвечающее

возможностям этих дисков для работы (кроме видео) со звуковой, тек-

стовой и иной информацией, для записи программного обеспечения ПК

и др.

Они имеют больше разновидностей, чем CD, но практически ис-

пользуют те же три варианта накопителей.

Для записи информации в нём также используется лазерный луч,

но с меньшей длиной волны. Кроме того, запись может осуществляться

с двух сторон, а один диск может представлять жёстко соединённые ме-

жду собой два диска. Всё это позволяет значительно увеличить ёмкость

хранимой на нём информации. Ёмкость одностороннего однослойного

диска –4,7 Гб, а двухстороннего двухслойного –17 Гб.

К внешним устройствам ввода/вывода и долговременного хране-

ния информации относятся магнитооптические диски CD-MO (Magneto

Optical), позволяющие записывать, читать, стирать и снова записывать

данные. Их применяют для резервирования и хранения редко исполь-

зуемых данных. Это высоконадежные сменные, но несколько более мед-

ленные «жёсткие» диски. В ряде случаев они удобнее кассет стримера.

Если такое устройство используется отдельно, соединяясь с системным

блоком специальными внешними кабелями, то его называют перифе-

рийным.

Стример также является внешним магнитным устройствам вво-

да/вывода и долговременного хранения информации и называется

стример (англ. «stream» – длинная лента) – магнитофон, с большой ско-

ростью записывающий информацию. Его носитель представляет маг-

нитную ленту, помещённую в специальный картридж, напоминающий

типовую кассету аудио магнитофонной записи. Устройство встраивается

в системный блок, аналогично устройству для гибких магнитных дис-

ков. Если такое устройство используется отдельно, соединяясь с систем-

ным блоком специальными внешними кабелями, то его называют пери-

ферийным.

В компьютерах используются специальные USB Flash Drive,

представляющие подключаемые к USB-порту внешние мобильные ма-

логабаритные устройства хранения данных, не имеющие подвижных и

вращающихся механических частей. Условно их относят к разряду не-

110

подвижных флэш-дисков (Solid State). В основном они имеют длину до 8

см, ширину до 3 см и толщину около полутора см, а вес – менее 20

грамм. Подключение к USB-порту не только удобно, но позволяет огра-

ничить несанкционированный доступ к ПК.

Считается, что в 1988 году компания Intel «изобрела» «флэш-

вариант» микросхем. Ныне используются несколько стандартов флэш-

памяти.

Комплекс внешних устройств образуют устройства мультиме-

диа.

К ним относятся аудио- и видеоадаптеры (Sound Blaster, Video

Blaster), микрофоны, наушники, звуковые колонки, веб-камеры и другие

средства.

Наибольшее распространение в настоящее время получили звуко-

вые карты, позволяющие записывать и даже создавать различные звуки,

например, с помощью электронной клавиатуры, включаемой в специ-

альный MIDI-вход; воспроизводить их на внешние динамики (колонки);

копировать на магнитофоны и другие устройства записи звука. Еще од-

ной важной особенностью этих адаптеров является возможность работы

с лазерными дисками.

Во время работы компьютера в его памяти накапливается выход-

ная информация, поступающая в различные устройства вывода инфор-

мации: дисплей, принтер, накопители и др.

Периферийные устройства компьютеров

Периферийные устройства подразделяются на устройства вво-

да/вывода, хранения информации, манипуляторы и другие. Рассмотрим

их несколько подробнее.

Периферийные устройства ввода

Седьмое устройство на схеме –

клавиатура (англ. «Keyboard») являет-

ся устройством ввода информации. Под-

ключается кабелем к разъёму клавиату-

ры на системном блоке ПК. С помощью

буквенных, цифровых и других специальных клавиш она позволяет вво-

дить в компьютер различную информацию. Клавиатура содержит 83/84-,

101/102-клавиши и более. Обычно они используют стандартное распо-

ложение клавиш («QWERTY» или «ЙЦУКЕН»). Для перевода алфавит-

но-цифровой информации с клавиш в компьютер используется кодовая

таблица ASCII (подробнее – тема 1).

Адаптер клавиатуры встроен в материнскую плату и подключа-

ется к клавиатуре специальным разъёмом. В этот же разъём можно под-

ключить считыватель штрих-кодов, к которому, в свою очередь, клавиа-

туру.