Довнарь А.И. Информатика и компьютерная техника. Учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

чтобы «прочитать» число, записанное в какой-либо позиционной системе

счисления (перевести его в десятичное), можно воспользоваться следующей

формулой:

... aPaPaPa

++++

−

где Р – основание системы счисления (количество цифр алфавита), а n –

позиция цифры в числе справа налево, начиная с 0.

Например, набор битов 01000001 представляет число 65 (2

+1).

1.3 Двоичная арифметика

Так как ПК выполняет арифметические операции только в двоичном

формате, полезно иметь представление о двоичной арифметике. Если быть

более точным, то из всех простейших арифметических операций компьютер

может выполнять только одну – сложение. Остальные операции выполняются

через сложение: вычитание производится через сложение с отрицательным

числом, умножение – через многократное суммирование, деление – через

многократное вычитание. Рассмотрим, как в ПК производится суммирование

и вычитание двоичных чисел.

Двоичный алфавит состоит из цифр 0 и 1, а правила суммирования

следующие:

0+0=0

1+0=1

1+1=(1)0

1+1+1=(1)1.

Здесь необходимо обратить внимание на перенос единичного бита в

последних двух случаях.

Например, при сложении чисел 01000001 и 00101010 (65 и 42)

получим следующий результат.

Двоичная Десятичная

01000001 65

00101010 42

01101011 107.

Представленные выше числа являются положительными, что

показывает наличие нуля в самом левом (старшем) разряде. Отрицательные

двоичные числа содержат единичный бит в старшем разряде и выражаются

двоичным дополнением.

Для получения двоичного дополнения необходимо

инвертировать все биты исходного числа и к результату прибавить 1.

Например, для получения двоичного дополнения числа 65 (01000001)

необходимо сделать инверсию всех битов (10111110) и прибавить единицу.

Полученный набор битов (10111111) представляет число –65.

Для того, чтобы «прочитать» отрицательное двоичное число,

необходимо определить его абсолютное значение и приписать знак «минус».

При получении модуля отрицательного числа необходимо повторить операции

— инвертировать все биты и прибавить 1.

Доказать правильность приведенного выше можно простым сложением:

при суммировании противоположных чисел мы должны получить ноль. В

нашем примере

01000001 (+65)

10111111 (–65)

------------------

•0000000

Все восемь бит имеют нулевое значение. Перенос единичного бита

потерян. Такой перенос является корректным, так как был перенос единицы в

знаковый (старший) бит и из него. Если же при двоичном суммировании был

перенос только в знаковый разряд, либо только из знакового, то фиксируется

ошибка сложения.

1.4 Шестнадцатиричное представление

Специалисты разработали «стенографический» метод представления

двоичных данных, по которому байт делится пополам и каждые полбайта

выражаются соответствующей шестнадцатиричной цифрой: десятичными

цифрами (0 – 9) и А (10), В (11), С (12), D (13), Е (14), F (15). Так как цифр

всего 16, система называется шестнадцатиричной.

Для индикации шестнадцатиричного числа непосредственно после

него ставится символ Н, например, 25Н (десятичное представление 37). 16-

тиричное число всегда начинается с десятичной цифры 0-9, таким

образом, число В8Н записывается как 0В8Н.

Шестнадцатиричная система счисления также является

позиционной, поэтому прочитать «десятичный» эквивалент

шестнадцатиричного числа можно с применением правила, описанного

выше.

Вопросы и задания

1.Что такое «информация»?

2.Что такое «сообщение»? В каких видах может существовать информа-

ция?

3.Как вычисляется количество информации?

4.Назовите единицы измерения информации?

5.Дайте определение «Информатики»? Какие задачи решает информати-

ка?

6.Напишите битовые представления для следующих чисел: 5, 13, 21, 27.

7.Сложите следующие двоичные числа: 00010101+00001101,

00111110+00101001, 00011111+00000001.

8.Определить двоичные дополнения для следующих двоичных чисел:

00010011, 00111100, 00111001.

9.Определите положительные значения для следующих отрицательных-

двоичных чисел: 11001000, 10111101, 10000000.

10.Определите шестнадцатиричные представления для следующих чи-

сел: 01011101, 01110111.

11.Сложить следующие шестнадцатиричные числа: 23А6+0022, 51FB+3,

7779+887, ЕАВЕ+26С4.

2 Техническое обеспечение компьютера

2.1 Основные блоки компьютера

Как правило персональные компьютеры IBM PС состоят из следующих

частей:

- системного блока;

- монитора;

- клавиатуры;

- манипуляторов.

Корпус системного блока может иметь горизонтальную (DeskTop) или

вертикальную (Tower — башня) компоновку. В системном блоке располагаются

все основные узлы компьютера:

- системная плата;

- блок питания (преобразует электропитание сети в постоянный ток

низкого напряжения)

- накопитель на жестком магнитном диске (винчестер);

- накопитель на гибких магнитных дисках (дисковод);

- накопитель DVD-ROM;

- и др.

Для управления работой устройств в IBM PC-совместимых компьютерах

используются электронные схемы – контроллеры. Различные устройства

используют разные способы подключения к контроллерам:

- некоторые устройства (дисковод, клавиатура и т.д) подключаются к

имеющимся в составе компьютера стандартным контроллерам;

- некоторые устройства (звуковые карты, многие факс-модемы и т.д)

выполнены как электронные платы, то есть смонтированы на одной плате со

своим контроллером;

- остальные устройства используют следующий способ подключения: в

системный блок компьютера вставляется электронная плата (контроллер),

управляющая работой устройства, а само устройство подсоединяется к этой

плате кабелем.

2.2 Микропроцессор

Самым главным элементом в компьютере, его «мозгом», является

микропроцессор, выполняющий все вычисления и обработку информации.

Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему — тонкую

пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего

несколько квадратных миллиметров, на которой размещены схемы,

реализующие все функции процессора. Кристалл-пластинка обычно

помещается в пластмассовый или керамический плоский корпус и соединяется

золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно было

присоединить к системной плате компьютера.

Микропроцессор может выполнять сотни различных операций и делать

это со скоростью в несколько десятков или сотен миллионов операций в

секунду.

Основной характеристикой процессора является его тактовая частота

(количество операций в секунду). Одинаковые модели процессоров могут иметь

различную тактовую частоту – чем выше тактовая частота, тем выше его

производительность и цена. Единицей измерения тактовой частоты является

мегагерц (МГц) и гигагерц (ГГц).

Лидерами в области производства микропроцессоров являются такие

фирмы как Intel (Pentium, Celeron) и AMD (Athlon, Sempron). Другие фирмы,

занимающиеся производством процессоров, значительно уступают лидерам на

мировом рынке. В зависимости от тактовой частоты процессоры делятся на

классы. Например: от 233 МГц до 450 МГц для Pentium 2, 450 – 1000 МГц

Pentium 3, от 2 до 2,4 ГГц для Pentium 4. С каждым годом производительность

компьютера возрастает, а, следовательно, увеличивается и тактовая частота

микропроцессора.

2.3 Виды запоминающих устройств

2.3.1 Оперативная память

Оперативная память (ОЗУ, англ. RAM, Random Access Memory — память

с произвольным доступом) — это быстрое запоминающее устройство не очень

большого объёма, непосредственно связанное с микропроцессором и

предназначенное для записи, считывания и хранения выполняемых программ и

данных, обрабатываемых этими программами. Именно из нее процессор берет

программы и исходные данные для обработки, в нее он записывает полученные

результаты.

Оперативная память используется только для временного хранения

данных и программ, так как, когда машина выключается, все, что находилось в

ОЗУ, пропадает. Доступ к элементам оперативной памяти прямой — это

означает, что каждый байт памяти имеет свой индивидуальный адрес.

Объем ОЗУ обычно составляет от 512 Мбайт и выше. Для несложных

административных задач бывает достаточно и 32 Мбайт ОЗУ, но сложные

задачи компьютерного дизайна могут потребовать от 512 Мбайт до 2 Гбайт

ОЗУ.

В компьютерных системах на современных процессорах используются

высокоскоростные модули DDR DRAM и Rambus DRAM (RIMM).

Модули памяти характеризуются такими параметрами, как объем (128,

256, 512 Мбайт и 1, 2 ГБайта), число микросхем, паспортная частота (100 или

133 МГц), время доступа к данным (6 или 7 наносекунд) и число контактов

(72, 168 или 184).

2.3.2 Кэш-память

Для ускорения доступа к оперативной памяти используется специальная

сверхбыстродействующая кэш-память. Она хранит копии наиболее часто

используемых участков оперативной памяти. Кэш-памятью управляет

специальное устройство — контроллер, который, анализируя выполняемую

программу, пытается предвидеть, какие данные и команды вероятнее всего

понадобятся в ближайшее время процессору, и подкачивает их в кэш-память.

При этом возможны как "попадания", так и "промахи". В случае попадания, то

есть, если в кэш подкачаны нужные данные, извлечение их из памяти

происходит без задержки. Если же требуемая информация в кэш-памяти

отсутствует, то процессор считывает её непосредственно из оперативной

памяти. Соотношение числа попаданий и промахов определяет эффективность

кэширования.

Кэш-память реализуется на микросхемах статической памяти SRAM

(Static RAM), более быстродействующих, дорогих и малоёмких, чем DRAM

(SDRAM). Современные микропроцессоры имеют встроенную кэш-память, так

называемый кэш первого уровня размером 8, 16 или 32 Кбайт. Кроме того, на

системной плате компьютера может быть установлен кэш второго уровня

ёмкостью 256, 512 Кбайт и выше.

2.3.3 Специальная память

К устройствам специальной памяти относятся постоянная память

(ROM), перепрограммируемая постоянная память (Flash Memory), память

CMOS RAM, питаемая от батарейки, видеопамять и некоторые другие виды

памяти.

Постоянная память (ПЗУ, англ. ROM, Read Only Memory — память

только для чтения) — энергонезависимая память, используется для хранения

данных, которые никогда не потребуют изменения. Содержание памяти

специальным образом "зашивается" в устройстве при его изготовлении для

постоянного хранения. Из ПЗУ можно только читать.

Перепрограммируемая постоянная память (Flash Memory) —

энергонезависимая память, допускающая многократную перезапись своего

содержимого с дискеты.

Прежде всего, в постоянную память записывают программу управления

работой самого процессора. В ПЗУ находятся программы управления дисплеем,

клавиатурой, принтером, внешней памятью, программы запуска и остановки

компьютера, тестирования устройств.

Важнейшая микросхема постоянной или Flash-памяти — модуль BIOS.

Роль BIOS двоякая: с одной стороны это неотъемлемый элемент аппаратуры, а с

другой стороны, — важный модуль любой операционной системы.

Разновидность постоянного ЗУ — CMOS RAM.

CMOS RAM — это память с невысоким быстродействием и минимальным

энергопотреблением от батарейки. Используется для хранения информации о

конфигурации и составе оборудования компьютера, а также о режимах его

работы.

Содержимое CMOS изменяется специальной программой Setup,

находящейся в BIOS (англ. Set-up — устанавливать).

Для хранения графической информации используется видеопамять.

Видеопамять (VRAM) — разновидность оперативного ЗУ, в котором

хранятся закодированные изображения. Это ЗУ организовано так, что его

содержимое доступно сразу двум устройствам — процессору и дисплею.

Поэтому изображение на экране меняется одновременно с обновлением

видеоданных в памяти.

2.4 Материнская плата

Самой большой электронной платой в компьютере является системная,

или материнская, плата. На ней обычно располагаются микропроцессор,

оперативная память (ОЗУ), кэш-память, шина (или шины) и BIOS. Кроме

того, там находятся электронные схемы (контроллеры), управляющие

некоторыми устройствами компьютера. Так, контроллер клавиатуры всегда

находится на материнской плате. Часто там же находятся и контроллеры для

других устройств (жестких дисков, дисководов для дискет и т.д.).

Системные платы исполняются на основе наборов микросхем, которые

называются чипсетами (ChipSets). ChipSet- это набор или одна микросхема, на

которую и возлагается основная нагрузка по обеспечению центрального

процессора данными и командами, а также, по управлению перереферией как то

видео карты, звуковой системой, оперативной памятью, дисковыми

накопителями и различными портами ввода/вывода.

Класс компьютера определяется системной платой по марке процессора,

который на ней устанавливается (PENTIUM (2,3,4) и др.), различаясь также по

быстродействию внутри каждого класса, прямо пропорционально зависящему

от тактовой частоты процессора.

Все материнские платы различных ПК, не считая небольших отклонений,

устроены по одной и той же схеме. Расположение различных элементов

материнской платы, таких, как гнезда расширения, у большинства

изготовителей компьютерных плат одинаковое. Однако, для разных групп

процессоров существуют разные платы.

2.5 Видеосистема компьютера

Видеосистема компьютера состоит из трех компонент:

- монитор (называемый также дисплеем);

- видеоадаптер;

- программное обеспечение (драйверы видеосистемы).

Видеоадаптер посылает в монитор сигналы управления яркостью лучей и

синхросигналы строчной и кадровой развёрток. Монитор преобразует эти

сигналы в зрительные образы. А программные средства обрабатывают

видеоизображения — выполняют кодирование и декодирование сигналов,

координатные преобразования, сжатие изображений и др.

Монитор — устройство визуального отображения информации (в виде

текста, таблиц, рисунков, чертежей и др.).

Некоторые типы мониторов сконструированы на базе электронно-

лучевой трубки (ЭЛТ) и принцип их работы аналогичен принципу работы

телевизора.

2.5.1 Мониторы на электро-лучевой трубке

Основной элемент дисплея — электронно-лучевая трубка. Её передняя,

обращенная к зрителю часть, с внутренней стороны покрыта люминофором —

специальным веществом, способным излучать свет при попадании на него

быстрых электронов.

Рис. 2.1 Схема электронно-лучевой трубки

Люминофор наносится в виде наборов точек трёх основных цветов —

красного, зелёного и синего. Эти цвета называют основными, потому что их

сочетаниями (в различных пропорциях) можно представить любой цвет

спектра.

Наборы точек люминофора располагаются по треугольным триадам.

Триада образует пиксель — точку. Именно из пикселей формируется

изображение (англ. pixel — picture element, элемент картинки).

Расстояние между центрами пикселей называется точечным шагом

монитора. Это расстояние существенно влияет на чёткость изображения. Чем

меньше шаг, тем выше чёткость. Обычно в цветных мониторах шаг составляет

0,24 мм. При таком шаге глаз человека воспринимает точки триады как одну

точку "сложного" цвета.

На противоположной стороне трубки расположены три (по количеству

основных цветов) электронные пушки. Все три пушки "нацелены" на один и

тот же пиксель, но каждая из них излучает поток электронов в сторону "своей"

точки люминофора. Чтобы электроны беспрепятственно достигали экрана, из

трубки откачивается воздух, а между пушками и экраном создаётся высокое

электрическое напряжение, ускоряющее электроны. Перед экраном на пути

электронов ставится маска — тонкая металлическая пластина с большим

количеством отверстий, расположенных напротив точек люминофора. Маска

обеспечивает попадание электронных лучей только в точки люминофора

соответствующего цвета.

Величиной электронного тока пушек и, следовательно, яркостью свечения

пикселей, управляет сигнал, поступающий с видеоадаптера.

На ту часть колбы, где расположены электронные пушки, надевается

отклоняющая система монитора, которая заставляет электронный пучок

пробегать поочерёдно все пиксели строчку за строчкой от верхней до нижней,

затем возвращаться в начало верхней строки и т.д..

Количество отображённых строк в секунду называется строчной частотой

развертки. Частота, с которой меняются кадры изображения, называется

кадровой частотой развёртки. Последняя не должна быть ниже 85 Гц, иначе

изображение будет мерцать.

2.5.2 Жидкокристаллические мониторы

Все шире используются наряду с традиционными ЭЛТ-мониторами.

Жидкие кристаллы — это особое состояние некоторых органических

веществ, в котором они обладают текучестью и свойством образовывать

пространственные структуры, подобные кристаллическим. Жидкие кристаллы

могут изменять свою структуру и светооптические свойства под действием

электрического напряжения. Меняя с помощью электрического поля

ориентацию групп кристаллов и используя введённые в жидкокристаллический

раствор вещества, способные излучать свет под воздействием электрического

поля, можно создать высококачественные изображения, передающие более 15

миллионов цветовых оттенков.

Рис 2.2. Два совмещенных ЖК-монитора

Большинство ЖК-мониторов используют так называемую активную

матрицу. Она имеет в своем составе прозрачный экран из транзисторов

(технология Thin Film Transistor – тонкоплёночный транзистор), который

обеспечивает яркое, практически не имеющее искажений изображение. Экран

при этом разделен на независимые ячейки, каждая из которых состоит из

четырех частей (для трёх основных цветов и одна резервная). Количество таких

ячеек по широте и высоте экрана называют разрешением экрана.

Современные ЖК-мониторы имеют разрешение 1280х1024 или 1024х768.

Таким образом, экран имеет от 1 до 5 млн точек, каждая из которых управляется

собственным транзистором. К параметрам ЖК-мониторов также относятся:

время оклика (минимальное время, за которое ячейка жидкокристаллической

панели изменяет цвет), контрастность, яркость, угол обзора, цветопередача.

Такие мониторы занимают в 2-3 раза меньше места, чем мониторы на

ЭЛТ и во столько же раз легче; потребляют гораздо меньше электроэнергии и не

излучают электромагнитных волн, воздействующих на здоровье людей. К

недостаткам можно отнести небольшой угол обзора, а также не совсем верную

цветопередачу.

2.5.3 Сенсорный экран

Особенностью сенсорного экрана является то, что общение с

компьютером осуществляется путём прикосновения пальцем к определённому

месту чувствительного экрана. Этим выбирается необходимый режим из меню,

показанного на экране монитора. (Меню — это выведенный на экран монитора

список различных вариантов работы компьютера, по которому можно сделать

конкретный выбор.) Сенсорными экранами оборудуют рабочие места

операторов и диспетчеров, их используют в информационно-справочных

системах и т.д.

2.5.4 3D- дисплей

3D дисплей — это средство отображения информации, позволяющее

видеть трехмерное изображение.

Существует несколько разновидностей трехмерных мониторов:

• Стереоскопические 3D-дисплеи формируют отдельные

изображения для каждого глаза. Такой принцип используется в

стереоскопах, известных ещё с начала 19 века.

• Автостереоскопические 3D-дисплеи воспроизводят трехмерное

изображение без каких-либо дополнительных аксессуаров для глаз или

головы (таких как стереоочки или шлемы виртуальной реальности).

• Голографические 3D-дисплеи имитируют пространственное

размещение световых волн в таком виде, как они располагались бы при

отражении света от реального трёхмерного объекта.

• Объёмные дисплеи используют различные физические механизмы

для показа светящихся точек в пределах некоторого объема. Такие

дисплеи вместо пикселов оперируют вокселами. Объемные дисплеи

строятся на разных принципах. Например, могут состоять из множества

плоскостей, формирующих изображение, которые расположены одна над

другой, или плоских панелей, создающих эффект объемности за счет

своего вращения в пространстве.

Трехмерный монитор используется в работе дизайнеров или инженеров.

Выход на третье измерение пользователям ПК уже сегодня позволяет

испробовать технологии завтрашнего дня.

2.6 Средства ввода информации

2.6.1 Манипуляторы

Манипуляторы (мышь, сенсорная панель, джойстик и др.) — это

специальные устройства, которые используются для управления курсором.

Мышь имеет вид небольшой коробки, полностью умещающейся на

ладони. Мышь связана с компьютером кабелем через специальный блок —

адаптер, и её движения преобразуются в соответствующие перемещения

курсора по экрану дисплея. В верхней части устройства расположены

управляющие кнопки (обычно их три), позволяющие задавать начало и конец

движения, осуществлять выбор меню и т.п. Мыши делятся на механические,

оптико-механические и оптические, по способу передачи данных в компьютер

― на проводные и беспроводные. В беспроводных мышах при помощи кабеля

подключается только приемник, а связь мыши с последним осуществляется без

помощи кабеля. Беспроводные мыши используют или инфракрасную связь или

связь при помощи радиоволн. Недостаток инфракрасной связи заключается в

том, что инфракрасные лучи не проходят через любую преграду, что не

позволяет работать на столе, заваленном различными вещами.