Одним из важных объектов, изучаемых на уроках информатики, является компьютер, получивший своё название по основной функции - проведению вычислений (англ. «computer» - вычислитель).
Первый компьютер был создан в 1945 г. в США. Познакомиться с историей компьютеров вы можете, совершив виртуальное путешествие в музей вычислительной техники (например, в музей истории отечественных компьютеров, разработанный С. Тарховым). Обратите внимание, что для обозначения компьютерной техники 1940-1970-х годов часто используется аббревиатура ЭВМ (электронная вычислительная машина).
Универсальным устройством компьютер называется потому, что может применяться для многих целей - обрабатывать, хранить и передавать самую разнообразную информацию, использоваться человеком в разных видах деятельности.
Современные компьютеры могут обрабатывать разные виды информации: числа, текст, изображения, звуки. Информация любого вида представляется в компьютере в виде двоичного кода - последовательностей нулей и единиц. Некоторые способы двоичного кодирования представлены на рис. 2.1.
Рис. 2.1.
Примеры представления различных видов информации в виде двоичного кода
Информацию, предназначенную для обработки на компьютере и представленную в виде двоичного кода, принято называть двоичными данными или просто данными. Одним из основных достоинств двоичных данных является то, что их копируют, хранят и передают с использованием одних и тех же универсальных методов, независимо от вида исходной информации.
Способы двоичного кодирования текстов, звуков (голоса, музыки), изображений (фотографий, иллюстраций), последовательностей изображений (кино и видео), а также трёхмерных объектов были придуманы в 80-х годах прошлого века. Позже мы рассмотрим способы двоичного кодирования числовой, текстовой, графической и звуковой информации более подробно. Теперь же главное - знать, что последовательностям 1 и 0 в компьютерном представлении соответствуют электрические сигналы - «включено» и «выключено». Компьютер называется электронным устройством, потому что он состоит из множества электронных компонентов 1 , обрабатывающих эти сигналы.
-
1 Узнать об этом подробнее вы сможете в 10-11 классах.
Обработку данных компьютер проводит в соответствии с программой - последовательностью команд, которые необходимо выполнить над данными для решения поставленной задачи. Как и данные, программы представляются в компьютере в виде двоичного кода. Программно управляемым устройством компьютер называется потому, что его работа осуществляется под управлением установленных на нём программ. Это программный принцип работы компьютера.
Современные компьютеры бывают самыми разными: от мощных компьютерных систем, занимающих целый зал и обеспечивающих одновременную работу многих пользователей, до мини-компьютеров, помещающихся на ладони (рис. 2.2).
Рис. 2.2.
Многопользовательская компьютерная система и мини-компьютер
Сегодня самым распространённым видом компьютеров является персональный компьютер (ПК) - компьютер, предназначенный для работы одного человека.
2.1.2. Устройства компьютера и их функции
Любой компьютер состоит из процессора, памяти, устройств ввода и вывода информации. Функции, выполняемые этими устройствами, в некотором смысле подобны функциям мыслящего человека (рис. 2.3). Но даже столь очевидное сходство не позволяет нам отождествлять человека с машиной хотя бы потому, что человек управляет своими действиями сам, а работа компьютера подчинена заложенной в него программе.
Рис. 2.3.
Аналогия между человеком и компьютером
Процессор
Центральным устройством компьютера является процессор. Он организует приём данных, считывание из памяти очередной команды, её анализ и выполнение, а также отправку результатов работы на требуемое устройство. Основными характеристиками процессора являются его тактовая частота и разрядность.
Процессор обрабатывает поступающие к нему электрические сигналы (импульсы). Промежуток времени между двумя последовательными электрическими импульсами называется тактом. На выполнение процессором каждой операции выделяется определённое количество тактов. Тактовая частота процессора равна количеству тактов обработки данных, которые процессор производит за 1 секунду. Тактовая частота измеряется в мегагерцах (МГц) - миллионах тактов в секунду. Чем больше тактовая частота, тем быстрее работает компьютер. Тактовая частота современных процессоров уже превышает 1000 МГц = 1 ГГц (гигагерц). Промежуток времени между двумя последовательными электрическими импульсами называется тактом.
Разрядность процессора - это максимальная длина двоичного кода, который может обрабатываться или передаваться одновременно. Разрядность процессоров современных компьютеров достигает 64.
Память
Память компьютера предназначена для записи (приёма), хранения и выдачи данных. Представим её в виде листа в клетку. Тогда каждая клетка этого листа будет изображать бит памяти - наименьший элемент памяти компьютера. В каждой такой «клетке» может храниться одно из двух значений: нуль или единица. Один символ двухсимвольного алфавита, как известно, несёт один бит информации. Таким образом, в одном бите памяти содержится один бит информации.
Различают внутреннюю и внешнюю память.
Внутренней называется память, встроенная в компьютер и непосредственно управляемая процессором. Во внутренней памяти хранятся исполняемые в данный момент программы и оперативно необходимые для этого данные. Внутренняя память компьютера позволяет передавать процессору и принимать от него данные примерно с такой же скоростью, с какой процессор их обрабатывает. Поэтому внутренняя память иначе называется оперативной (быстрой). Объём оперативной памяти современных компьютеров достигает нескольких гигабайтов.
Электрические импульсы, в форме которых информация сохраняется в оперативной памяти, существуют только тогда, когда компьютер включён. После выключения компьютера вся информация, содержащаяся в оперативной памяти, теряется.
К внутренней памяти компьютера относится также ПЗУ - постоянное запоминающее устройтво. В нём хранится информация, необходимая для первоначальной загрузки компьютера в момент включения питания. После выключения компьютера информация в ПЗУ сохраняется.
Для долговременного хранения программ и данных предназначена внешняя (долговременная) память. Внешняя память позволяет сохранять огромные объёмы информации. Информация во внешней памяти после выключения компьютера сохраняется. Различают носители информации - магнитные и оптические диски, энергонезависимые электронные диски (карты flash-памяти и flash-диски) и накопители (дисководы) - устройства, обеспечивающие запись данных на носители и считывание данных с носителей. Жёсткий диск - устройство, совмещающее в себе накопитель (дисковод) и носитель (непосредственно диск).
При запуске пользователем некоторой программы, хранящейся во внешней памяти, она загружается в оперативную память и после этого начинает выполняться.
На сайте http://school-collection.edu.ru размещён анимационный ролик «Внутренняя память ЭВМ: оперативная память», иллюстрирующий информационный обмен между внешней и внутренней памятью.
Устройства ввода и вывода информации
Приложив значительные усилия, человек может представить текстовую, графическую, звуковую информацию в двоичном коде.
Значительно труднее человеку понять двоичный код. И совсем уже невозможно человеку понять информацию, представленную последовательностью электрических импульсов. Входящие в состав компьютера устройства ввода «переводят» информацию с языка человека на язык компьютера; устройства вывода «переводят» электрические импульсы в форму, доступную для человеческого восприятия. Примеры устройств ввода: клавиатура, мышь, микрофон. Примеры устройств вывода: монитор, принтер.
Различные устройства компьютера связаны между собой каналами передачи информации (рис. 2.4).
Рис. 2.4.
Схема информационных потоков в компьютере
Самое главное
Современный компьютер - универсальное электронное программно управляемое устройство для работы с информацией.
Любой компьютер состоит из процессора, памяти, устройств ввода и вывода информации. Функции, выполняемые этими устройствами, в некотором смысле подобны функциям мыслящего человека.
Вопросы и задания
- Почему современный компьютер называют универсальным электронным программно управляемым устройством?
- В чём суть программного принципа работы компьютера?
- Что такое двоичные данные? Что такое компьютерная программа?
- Информация для человека - это знания (факты, правила), которыми он обладает. Что является информацией для компьютера?
- Чем отличаются данные от программы? Что у них общего?
- Какие возможности человека воспроизводит компьютер?
- Перечислите основные виды устройств, входящих в состав компьютера.
- Для чего предназначен процессор?
- Какие два значения имеет слово «бит»? Как они связаны между собой?
- Постройте граф, отражающий отношения между следующими объектами: «компьютер», «процессор», «память», «устройства ввода», «устройства вывода», «внутренняя память», «внешняя память», «оперативная память», «ПЗУ», «носитель информации», «накопитель».
- Опишите с помощью схемы информационных потоков в компьютере (см. рис. 2.4) процесс обмена информацией между основными устройствами компьютера.
- В сети Интернет найдите информацию о современных информационных носителях и заполните таблицу:
- Уточните, каков объём оперативной памяти компьютера, к которому вы имеете доступ дома или в школе. Сколько страниц текста можно разместить в памяти этого компьютера (на странице размещается 40 строк по 60 символов в каждой строке, а для хранения одного символа требуется 8 битов)? Какой была бы высота такой стопки страниц, если высота стопки из 100 страниц равна 1 см?
- На компакт-диске объёмом 600 Мбайт размещён фотоальбом, каждое фото в котором занимает 500 Кбайт. Сколько времени займёт просмотр всех фотографий, если на просмотр одной уходит 6 секунд?
Почти в каждом доме есть компьютер и даже не один, а несколько. Но мало кто понимает, как компьютер обрабатывает информацию и понимает нас. Если вы недавно закончили школу или еще учитесь, то на уроках информатики наверняка проходили эту тему, а вот более старшее поколение этого наверняка не знает и даже не задумывается о том, что «разговаривает» с компьютером на языке цифр в двоичной системе исчисления.
Вся цифровая информация передается в битах. Бит – это единица информации, которую понимает компьютер. Все, что мы делаем на компьютере переводится в специальный двоичный код , который состоит из 0 и 1. Если есть сигнал, то это 1, если сигнала нет, то это 0. Для компьютера это не числа, а сигналы. Есть сигнал, нет сигнала. Любую цифру компьютер понимает по своему – в двоичной системе.
0 — 0 (ноль)
1 — 1 (один)
2 — 10 (один-ноль) (одна единица второго разряда)
3 — 11 (один-один)
4 — 100 (один-ноль-ноль) (одна единица третьего разряда
5 — 101 (один-ноль-один)
6 — 110 (один-один-ноль)
7 — 111 (один-один-один)
8 — 1000 (один-ноль-ноль-ноль) (одна единица четвертого разряда)
9 — 1001 (один-ноль-ноль-один)
10 – 1010 (один-ноль-один-ноль)
Если вы хотите понять язык компьютера, необходимо изучить двоичную систему исчисления.
Нули и единицы в компьютере называют битами , а группы из восьми битов называют байтами .
В один байт можно записать число от 0 до 255.
В двух байтах можно записать число от 0 до 65535.
В трех байтах можно записать число от 0 до 16 миллионов.
Например,
число 2000 = 00000111 11010000
записывается в двух байтах, по 8 битов в каждом.
С числами более-менее понятно, а как же компьютер понимает текст?
Любые буквы компьютер переводит в числа. Превратив букву в число, компьютер превращает число в сигналы и записывает их, как и числа, — битами, из которых собираются байты:
А – 192 – 11000000
Б – 193 — 11000001
В – 194 – 11000010
Г – 195 — 11000011
Полная таблица кодов русского алфавита Ascii
Нажимая на клавишу клавиатуры вы даете компьютеру сигнал в двоичной системе исчисления, (каждой клавише соответствует свой код). Он понимает ее и при помощи специальной программы переводит этот сигнал в понятный для нас символ и выводит его на монитор. Грубо говоря, получается, что клавиатура служит переводчиком между нами и компьютером.
Тоже самое происходит и с графической информацией. Для того, чтобы сохранить картинку и работать с ней на компьютере, ее необходимо превратить в сигналы, т.е. оцифровать . Для этой цели можно воспользоваться или цифровым фотоаппаратом или видеокамерой.
Каждая точка имеет свой код:
Черная точка: 0, 0, 0;
Белая точка: 255, 255, 255;
Коричневая: 153, 102, 51;
И т. д. У каждого цвета – свой шифр (цветовой код).
Таблица
соответствия цветов их шестнадцатиричным
RGB-составляющим
.
|
Русское название |
In English |
Код / Сode |
| Белоснежный | Snow |
FFFAFA |
| Призрачно-белый | Ghostwhite |
F8F8FF |
| Белый-антик | Antique White |
FAEBD7 |
| Кремовый | Cream |
FFFBF0 |
| Персиковый | Peachpuff |
FFDAB9 |
| Белый-навахо | Navajo White |
FFDEAD |
| Шелковый оттенок | Cornsilk |
FFF8DC |
| Слоновая кость | Ivory |
FFFFF0 |
| Лимонный | Lemon Chiffon |
FFFACD |
| Морская раковина | Seashell |
FFF5EE |
| Медовый | Honeydew |
F0FFF0 |
| Лазурный | Azure |
F0FFFF |
| Бледно-лиловый | Lavender |
E6E6FA |
| Голубой с красным отливом | Lavender Blush |
FFF0F5 |
| Тускло-розовый | Misty Rose |
FFE4E1 |
| Белый | White (*) |
FFFFFF |
| Черный | Black (*) |
000000 |
| Тускло-серый | Dim Gray |
696969 |
| Синевато-серый | Slate Gray |
708090 |
| Грифельно-серый | Light Slate Gray |
778899 |
| Серый | Gray |
BEBEBE |
| Светло-серый | Light Gray |
C0C0C0 |
| Серый нейтральный | Medium Gray |
A0A0A4 |
| Темно-серый | Dark Gray |
808080 |
| Полуночно-синий | Midnight Blue |
191970 |
| Темно-синий | Navy (*), Dark Blue |
000080 |
| Васильковый | Cornflower |
6495ED |
| Грифельно-синий | Slate Blue |
6A5ACD |
| Светлый грифельно-синий | Light Slate Blue |
8470FF |
| Голубой королевский | Royal Blue |
4169E1 |
| Синий | Blue |
0000FF |
| Небесно-голубой | Sky Blue |
87CEEB |
| Небесно-голубой светлый | Light Sky Blue |
87CEFA |
| Синий со стальным оттенком |
Steel Blue |
4682B4 |
| Голубой со стальным оттенком |
Light Steel Blue |
B0C4DE |
| Светло-синий | Light Blue |
A6CAF0 |
| Синий с пороховым оттенком |
Powder Blue |
B0E0E6 |
| Бледно-бирюзовый | Pale Turquoise |
AFEEEE |
| Бирюзовый | Turquoise |
40E0D0 |
| Зеленовато-голубой | Cyan (*) |
00FFFF |
| Светлый циан | Light Cyan |
E0FFFF |
| Темный циан | Dark Cyan |
008080 |
| Серо-синий | Cadet Blue |
5F9EA0 |
| Аквамарин | Aquamarine |
7FFFD4 |
| Цвет морской волны | Seagreen |
54FF9F |
| Цвет морской волны, светлый |
Light Seagreen |
20B2AA |
| Бледно-зеленый | Pale Green |
98FB98 |
| Весенне-зеленый | Spring Green |
00FF7F |
| Зеленая лужайка | Lawn Green |
7CFC00 |
| Зеленый | Green (*) |
00FF00 |
| Средне-зеленый | Medium Green |
C0DCC0 |
| Темно-зеленый | Dark Green |
008000 |
| Зеленовато-желтый | Chartreuse |
7FFF00 |
| Зелено-желтый | Green Yellow |
ADFF2F |
| Лимонно-зеленый | Lime Green |
32CD32 |
| Желто-зеленый | Yellow Green |
9ACD32 |
| Зеленый лесной | Forest Green |
228B22 |
| Хаки | Forest Green |
F0E68C |
| Бледно-золотистый | Pale Goldenrod |
EEE8AA |
| Светло-желтый золотистый | Light Goldenrod Yellow |
FAFAD2 |
| Светло-желтый | Light Yellow |
FFFFE0 |
| Желтый | Yellow (*) |
FFFF00 |
| Темно-желтый | Dark Yellow |
808000 |
| Золотой | Gold |
FFD700 |
| Светло-золотистый | Light Goldenrod |
FFEC8B |
| Золотистый | Goldenrod |
DAA520 |
| Желтоватый | Burly Wood |
DEB887 |
| Розово-коричневый | Rosy Brown |
BC8F8F |
| Кожано-коричневый | Saddle Brown |
8B4513 |
| Охра | Sienna |
A0522D |
| Бежевый | Beige |
F5F5DC |
| Пшеничный | Wheat |
F5DEB3 |
| Рыжевато-коричневый | Tan |
D2B48C |
| Шоколадный | Chocolate |
D2691E |
| Кирпичный | Firebrick |
B22222 |
| Коричневый | Brown |
A52A2A |
| Сомон | Salmon |
FA8072 |
| Светлый сомон | Light Salmon |
FFA07A |
| Оранжевый | Orange |
FFA500 |
| Коралловый | Coral |
FF7F50 |
| Коралловый светлый | Light Coral |
F08080 |
| Оранжево-красный | Orange Red |
FF4500 |
| Красный | Red (*) |
FF0000 |
| Темно-красный | Dark Red |
800000 |
| Теплый розовый | Hot Pink |
FF69B4 |
| Розовый | Pink |
FFC0CB |
| Светло-розовый | Light Pink |
FFB6C1 |
| Красно-фиолетовый бледный | Pale Violet Red |
DB7093 |
| Темно-бордовый | Maroon (*) |
B03060 |
| Красно-фиолетовый | Violet Red |
D02090 |
| Фуксин | Magenta (*) |
FF00FF |
| Фуксин темный | Dark Magenta |
800080 |
| Фиолетовый | Violet |
EE82EE |
| Темно-фиолетовый | Plum |
DDA0DD |
| Орсель | Orchid |
DA70D6 |
| Фиолетово-синий | Blue Violet |
8A2BE2 |
| Пурпурный | Purple |
A020F0 |
Если каждый цвет передавать тремя байтами, то можно зашифровать более 16 миллионов цветов.
Звук и видеоинформация тоже оцифровывается, и переводится в биты и байты. Для этого служит .
Вот таким образом компьютер понимает нас и обрабатывает всю информация. Весь мир вокруг состоит из цифр и сигналов.
Для успешного «общения» с компьютером вредно воспринимать его как черный ящик, который вот-вот выдаст что-то неожиданное. Чтобы понимать реакцию компьютера на Ваши действия, нужно знать как он устроен и как работает .
В этом IT-уроке узнаем, как работает большинство вычислительных устройств (к которым относятся не только персональные компьютеры).
Что обрабатывает всю информацию в компьютере
Основная задача компьютера – обрабатывать информацию , то есть выполнять вычисления. Большую часть вычислений выполняет специальное устройство – . Это сложная микросхема, содержащая сотни миллионов элементов (транзисторов).
Что в данный момент времени делать процессору говорит программа, она указывает, какие данные необходимо обработать и что с ними нужно сделать.
Программы и данные загружаются с накопителя (жесткого диска).
Но жесткий диск – относительно медленное устройство , и если бы процессор ждал, пока будет считываться информация, а потом записываться после обработки обратно, то он бы долго оставался без дела.
Не оставим процессор без дела
Поэтому между процессором и жестким диском установили более быстрое запоминающее устройство – (оперативное запоминающее устройство, ОЗУ). Это небольшая печатная плата, на которой находятся быстрые микросхемы памяти.
В оперативную память заранее считываются с жёсткого диска все необходимые программы и данные. Во время работы процессор обращается к оперативной памяти , считывает команды программы, которая говорит какие данные нужно взять и как именно их обработать.
При выключении компьютера содержимое оперативной памяти не сохраняется в ней (в отличие от жесткого диска).
Процесс обработки информации
Итак, теперь мы знаем, какие устройства участвуют в обработке информации. Посмотрим теперь на весь процесс вычислений.
Когда компьютер выключен, все программы и данные хранятся на жестком диске. При включении компьютера и запуске программы , происходит следующее:
Ввод и вывод информации
Чтобы компьютер получил информацию для обработки, её нужно ввести. Для этого используются устройства ввода данных :
- Клавиатура (с помощью неё мы вводим текст и управляем компьютером);
- Мышь (с помощью мыши мы управляем компьютером);
- Сканер (заносим изображение в компьютер);
- Микрофон (записываем звук) и т.д.
Для вывода результата обработки информации используются устройства вывода данных :
- Монитор (выводим изображение на экран);
- Принтер (выводим текст и изображение на бумагу);
- Акустические системы или «колонки» (слушаем звуки и музыку);
Кроме того, мы можем вводить и выводить данные на другие устройства с помощью:
- Внешних накопителей
(с них мы копируем уже имеющиеся данные в компьютер):
- флэшка,
- компакт-диск (CD или DVD),
- переносной жесткий диск,
- дискета;
- Компьютерной сети (получаем данные с других компьютеров через Интернет или городскую сеть).
Если в нашу схему добавить устройства ввода-вывода, то получится вот такая диаграмма:
То есть компьютер работает с ноликами и единичками , а когда информация поступает на устройство вывода, она переводится в привычные нам образы (изображение, звук).
Подводим итог
Итак, сегодня мы вместе с сайтом узнали, как работает компьютер . Если кратко, то компьютер получает данные с устройств ввода (клавиатура, мышь и т.д.), заносит их на жесткий диск, затем передает в оперативную память и обрабатывает с помощью процессора. Результат обработки возвращается сначала в оперативную память, затем либо на жесткий диск, либо сразу на устройства вывода (например, монитор).
Если появились вопросы, можно задать их в комментариях к этой статье.
Обо всех перечисленных в сегодняшнем уроке устройствах Вы можете узнать подробнее из последующих уроков на сайте IT-уроки. Чтобы не пропустить новые уроки – подпишитесь на новости сайта .
Копирование запрещено
Напомню, что на сайте IT-уроки есть постоянно обновляемые справочники:
Видео-дополнение
Сегодня небольшое познавательное видео о производстве процессоров.
P.S. В следующем уроке – Внешнее устройство компьютера , описание внешних разъемов, индикаторов и кнопок. Не пропустите!
Компьютер как универсальное устройство обработки информации
Назначение и устройство компьютера
Что общего между компьютером и человеком
Для информатики компьютер - это не только инструмент для работы с информацией, но и объект изучения. Вы узнаете, как компьютер устроен, какую работу с его помощью можно выполнять, какие для этого существуют программные средства.
С давних времен люди стремились облегчить свой труд. С этой целью создавались различные машины и механизмы, усиливающие физические возможности человека. Компьютер был изобретен в середине XX века для усиления возможностей умственной работы человека, т. е. работы с информацией.
Из истории науки и техники известно, что идеи многих своих изобретений человек "подглядел" в природе.
Например, еще в XV веке великий итальянский ученый и художник Леонардо да Винчи изучал строение тел птиц и использовал эти знания для конструирования летательных аппаратов.
Русский ученый Н. Е. Жуковский, основоположник аэродинамики, также исследовал механизм полета птиц. Результаты этих исследований используются при расчетах конструкций самолетов.
Можно сказать, что Леонардо да Винчи и Жуковский "списывали" свои летающие машины с птиц.
А есть ли в природе прототип у компьютера? Да! Таким прототипом является сам человек. Только изобретатели стремились передать компьютеру не физические, а интеллектуальные возможности человека.
По своему назначению компьютер - универсальное техническое средство для работы человека с информацией.
По принципам устройства компьютер - это модель человека, работающего с информацией.
Какие устройства входят в состав компьютера. Имеются четыре основные составляющие информационной функции человека:
-
прием (ввод) информации;
запоминание информации (сохранение в памяти);
процесс мышления (обработка информации);
передача (вывод) информации.
Компьютер включает в себя устройства, выполняющие эти функции мыслящего человека:
-
устройства ввода;
устройства запоминания - память;
устройство обработки - процессор;
устройства вывода.
В ходе работы компьютера информация через устройства ввода попадает в память; процессор извлекает из памяти обрабатываемую информацию, работает с ней и помещает в нее результаты обработки; полученные результаты через устройства вывода сообщаются человеку. Чаще всего в качестве устройства ввода используется клавиатура, а устройства вывода - экран дисплея или принтер (устройство печати) (рис. 2.2).
 |
| Рис. 2.2. Информационный обмен в компьютере |
Что такое данные и программа. И все-таки нельзя отождествлять "ум компьютера" с умом человека. Важнейшее отличие состоит в том, что работа компьютера строго подчинена заложенной в него программе, человек же сам управляет своими действиями.
В памяти компьютера хранятся данные и программы.
Данные - это обрабатываемая информация, представленная в памяти компьютера в специальной форме. Немного позже вы познакомитесь со способами представления данных в компьютерной памяти.
Программа - это описание последовательности действий, которые должен выполнить компьютер для решения поставленной задачи обработки данных.
Если информация для человека - это знания, которыми он обладает, то информация для компьютера - это данные и программы, хранящиеся в памяти. Данные - это "декларативные знания", программы - "процедурные знания компьютера".
Принципы фон Неймана. В 1946 году американским ученым Джоном фон Нейманом были сформулированы основные принципы устройства и работы ЭВМ. Первый из этих принципов определяет состав устройств ЭВМ и способы их информационного взаимодействия. Об этом говорилось выше. С другими принципами фон Неймана вам еще предстоит познакомиться.
Вопросы и задания
- 1. Какие возможности человека воспроизводит компьютер?
2. Перечислите основные устройства, входящие в состав компьютера. Какое назначение каждого из них?
3. Опишите процесс обмена информацией между устройствами компьютера.
4. Что такое компьютерная программа?
6. Чем отличаются данные от программы?
Компьютерная память
Внутренняя и внешняя память. Работая с информацией, человек пользуется не только своими знаниями, но и книгами, справочниками и другими внешними источниками. В главе 1 "Человек и информация" ныло отмечено, что информация хранится в памяти человека и на внешних носителях. Заученную информацию человек может забыть, а записи сохраняются надежнее.
У компьютера тоже есть два вида памяти: внутренняя (оперативная) и внешняя (долговременная) память.
Внутренняя память - это электронное устройство, которое хранит информацию, пока питается электроэнергией. При отключении компьютера от сети информация из оперативной памяти исчезает. Программа во время ее выполнения хранится во внутренней памяти компьютера. Сформулированное правило относится к принципам Неймана. Его называют принципом хранимой программы.
Внешняя память - это различные магнитные носители (ленты, диски), оптические диски. Сохранение информации на них не требует постоянного электропитания.
На рис. 2.3 показана схема устройства компьютера с учетом двух видов памяти. Стрелки указывают направления информационного обмена.
Наименьший элемент памяти компьютера называется битом памяти. На рис. 2.4 каждая клетка изображает бит. Вы видите, что у слова "бит" есть два значения: единица измерения количества информации и частица памяти компьютера. Покажем, как связаны между собой эти понятия.
В каждом бите памяти может храниться в данный момент одно из двух значений: нуль или единица. Использование двух знаков для представления информации называется двоичной кодировкой .
Данные и программы в памяти компьютера хранятся в виде двоичного кода.
Один символ двухсимвольного алфавита несет 1 бит информации.
В одном бите памяти содержится один бит информации.
Битовая структура определяет первое свойство внутренней памяти компьютера - дискретность . Дискретные объекты составлены из отдельных частиц. Например, песок дискретен, так как состоит из песчинок. "Песчинками" компьютерной памяти являются биты.
Второе свойство внутренней памяти компьютера - адресуемость . Восемь расположенных подряд битов памяти образуют байт. Вы знаете, что это слово также обозначает единицу количества информации, равную восьми битам. Следовательно, I одном байте памяти хранится один байт информации.
Во внутренней памяти компьютера все байты пронумерованы. Нумерация начинается с нуля.
Порядковый номер байта называется его адресом.
Принцип адресуемости означает, что:
Запись информации в память, а также чтение ее из памяти производится по адресам.
Память можно представить как многоквартирный дом, в котором каждая квартира - это байт, а номер квартиры - адрес. Для того чтобы почта дошла по назначению, необходимо указать правильный адрес. Именно так, по адресам, обращается процессор к внутренней памяти компьютера.
В современных компьютерах имеется еще один вид внутренней памяти, который называется постоянным запоминающим устройством - ПЗУ. Это энергонезависимая память, информация из которой может только читаться.
Носители и устройства внешней памяти. Устройства внешней памяти - это устройства чтения и записи информации на внешние носители. Информация на внешних носителях хранится в виде файлов. Что это такое, подробнее вы узнаете позже.
Важнейшими устройствами внешней памяти на современных компьютерах являются накопители на магнитных дисках (НМД), или дисководы .
Кто не знает, что такое магнитофон? На магнитофон мы привыкли записывать речь, музыку, а затем прослушивать записи. Звук записывается на дорожках магнитной ленты с помощью магнитной головки. С помощью этого же устройства магнитная запись снова превращается в звук.
НМД действует аналогично магнитофону. На дорожки диска записывается все тот же двоичный код: намагниченный участок - единица, ненамагниченный - нуль. При чтении с диска эта запись превращается в нули и единицы в битах внутренней памяти.
К магнитной поверхности диска подводится записывающая головка (рис. 2.5), которая может перемещаться по радиусу. Во время работы НМД диск вращается. В каждом фиксированном положении головка взаимодействует с круговой дорожкой. На эти концентрические дорожки и производится запись двоичной информации.
 |
| Рис. 2.5. Дисковод и магнитный диск |
Другим видом внешних носителей являются оптические диски (другое их название - лазерные диски). На них используется не магнитный, а оптико-механический способ записи и чтения информации.
Сначала появились лазерные диски, на которые информация записывается только один раз. Стереть или перезаписать ее невозможно. Такие диски называются CD-ROM - Compact Disk-Read Only Memory, что в переводе значит "компактный диск - только для чтения". Позже были изобретены перезаписываемые лазерные диски - CD-RW. На них, как и на магнитных носителях, хранимую информацию можно стирать и записывать заново.
Носители, которые пользователь может извлекать из дисковода, называют сменными.
Наибольшей информационной емкостью из сменных носителей обладают лазерные диски типа DVD-ROM - видеодиски. Объем информации, хранящейся на них, может достигать десятков гигабайтов. На видеодисках записываются полноформатные видеофильмы, которые можно просматривать с помощью компьютера, как по телевизору.
Вопросы и задания
1. Постарайтесь объяснить, зачем компьютеру нужны два вида памяти: внутренняя и внешняя.
2. Что такое "принцип хранимой программы"?
3. В чем заключается свойство дискретности внутренней памяти ЭВМ?
4. Какие два значения имеет слово "бит"? Как они связаны между собой?
5. В чем заключается свойство адресуемости внутренней памяти ЭВМ?
6. Назовите устройства внешней памяти ЭВМ.
7. Какие типы оптических дисков вы знаете?
Как устроен персональный компьютер (ПК)
Что такое ПК. Современные ЭВМ бывают самыми разными: от больших, занимающих целый зал, до маленьких, помещающихся на столе, в портфеле и даже в кармане. Разные ЭВМ используются для разных целей. Сегодня самым массовым видом ЭВМ являются персональные компьютеры. Персональные компьютеры (ПК) предназначены для личного (персонального) использования.
Несмотря на разнообразие моделей ПК, в их устройстве существует много общего. Об этих общих свойствах и пойдет сейчас речь.
Основные устройства ПК. Основной "деталью" персонального компьютера является микропроцессор (МП). Это миниатюрная электронная схема, созданная путем очень сложной технологии, выполняющая функцию процессора ЭВМ.
Персональный компьютер представляет собой набор взаимосвязанных устройств. Главным в этом наборе является системный блок . В системном блоке находится "мозг" машины: микропроцессор и внутренняя память. Там же помещаются: блок электропитания, дисководы, контроллеры внешних устройств. Системный блок снабжен внутренним вентилятором для охлаждения.
Системный блок обычно помещен в металлический корпус, с наружной стороны которого имеются: клавиша включения электропитания, щели для установки сменных дисков и дисковые устройства, разъемы для подключения внешних устройств.
К системному блоку подключены клавишное устройство (клавиатура), монитор (другое название - дисплей) и мышь (манипулятор). Иногда используются другие типы манипуляторов: джойстик, трекбол и пр. Дополнительно к ПК могут быть подключены: принтер (устройство печати), модем (для выхода на телефонную линию связи) и другие устройства (рис. 2.6).
На рис. 2.6 показана настольная модель ПК. Кроме того, существуют портативные модели (ноутбуки) и карманные компьютеры.
Все устройства ПК, кроме процессора и внутренней памяти, называются внешними устройствами . Каждое внешнее устройство взаимодействует с процессором ПК через специальный блок, который называется контроллером (от английского "controller" - "контролер", "управляющий"). Существуют контроллер дисковода, контроллер монитора, контроллер принтера и др. (рис. 2.7).
Магистральный принцип взаимодействия устройств ПК. Принцип, по которому организована информационная связь между процессором, оперативной памятью и внешними устройствами, похож на принцип телефонной связи. Процессор через многопроводную линию, которая называется магистралью (другое название - шина ), связывается с другими устройствами (рис. 2.8).
Подобно тому как каждый абонент телефонной сети имеет свой номер, каждое подключаемое к ПК внешнее устройство также получает номер, который выполняет роль адреса этого устройства. Информация, передаваемая внешнему устройству, сопровождается его адресом и подается на контроллер. В данной аналогии контроллер подобен телефонному аппарату, который преобразует электрический сигнал, идущий по проводам, в звук, когда вы слушаете телефон, и преобразует звук в электрический сигнал, когда вы говорите.
Магистраль - это кабель, состоящий из множества проводов. Характерная организация магистрали такая: по одной группе проводов (шина данных ) передается обрабатываемая информация, по другой (шина адреса ) - адреса памяти или внешних устройств, к которым обращается процессор. Есть еще третья часть магистрали - шина управления ; по ней передаются управляющие сигналы (например, проверка готовности устройства к работе, сигнал к началу работы устройства и др.).
Вопросы и задания
- 1. Назовите минимальный комплект устройств, составляющих персональный компьютер.
2. Какие устройства входят в состав системного блока?
3. Что такое контроллер? Какую функцию он выполняет?
4. Как физически соединены между собой различные устройства ПК?
5. Как информация, передаваемая по шине, попадает на нужное устройство?
Основные характеристики персонального компьютера
Все чаще персональные компьютеры используются не только на производстве и в учебных заведениях, но и в домашних условиях. Их можно купить в магазине так же, как покупают телевизоры, видеомагнитофоны и другую бытовую технику. При покупке любого товара желательно знать его основные характеристики, для того, чтобы приобрести именно то, что вам нужно. Такие основные характеристики есть и у ПК.
Характеристики микропроцессора. Существуют различные модели микропроцессоров, выпускаемые разными фирмами. Основными характеристиками МП являются тактовая частота и разрядность процессора.
Режим работы микропроцессора задается микросхемой, которая называется генератором тактовой частоты . Это своеобразный метроном внутри компьютера. На выполнение процессором каждой операции отводится определенное количество тактов. Ясно, что если метроном "стучит" быстрее, то и процессор работает быстрее. Тактовая частота измеряется в мегагерцах - МГц. Частота в 1 МГц соответствует миллиону тактов в одну секунду. Вот некоторые характерные тактовые частоты микропроцессоров: 600 МГц, 800 МГц, 1000 МГц. Последняя величина называется гигагерцем - ГГц. Современные модели микропроцессоров работают с тактовыми частотами в несколько гигагерц.
Следующая характеристика - разрядность процессора. Разрядностью называют максимальную длину двоичного кода, который может обрабатываться или передаваться процессором целиком. Разрядность процессоров на первых моделях ПК была равна 8 битам. Затем появились 16-разрядные процессоры. На современных ПК чаще всего используются 32-разрядные процессоры. Наиболее высокопроизводительные машины имеют процессоры с разрядностью 64 бита.
Объем внутренней (оперативной) памяти. Про память компьютера мы уже говорили. Она делится на оперативную (внутреннюю) память и долговременную (внешнюю) память. Производительность машины очень сильно зависит от объема внутренней памяти. Если для работы каких-то программ не хватает внутренней памяти, то компьютер начинает переносить часть данных во внешнюю память, что резко снижает его производительность. Скорость чтения/записи данных в оперативную память на несколько порядков выше, чем во внешнюю.
Объем оперативной памяти влияет на производительность компьютера. Современные программы требуют оперативной памяти объемом в десятки и сотни мегабайтов.
Для хорошей работы современных программ требуется оперативная память в сотни мегабайтов: 128 Мб, 256 Мб и более.
Характеристики устройств внешней памяти. Устройства внешней памяти - это накопители на магнитных и оптических дисках. Встроенные в системном блоке магнитные диски называются жесткими дисками, или винчестерами. Это очень важная часть компьютера, поскольку именно здесь хранятся все необходимые для работы компьютера программы. Чтение/запись на жесткий диск производится быстрее, чем на все другие виды внешних носителей, но все-таки медленнее, чем в оперативную память. Чем больше объем жесткого диска, тем лучше. На современных ПК устанавливают жесткие диски, объем которых измеряется и гигабайтах: десятки и сотни гигабайтов. Покупая компьютер, вы приобретаете и необходимый набор программ на жестком диске. Обычно покупатель сам заказывает состав программного обеспечения компьютера.
Все остальные носители внешней памяти - сменные, г. е. их можно вставлять в дисковод и доставать из дисковода. К ним относятся гибкие магнитные диски - дискеты и оптические диски - CD-ROM, CD-RW, DVD-ROM. Стандартная дискета вмещает 1,4 Мб информации. Дискеты удобны для длительного хранения программ и данных, а также для переноса информации с одного компьютера на другой.
В последнее время на смену гибким дискам как основному средству переноса информации с одного компьютера на другой приходит флэш-память. Флэш-память - это электронное устройство внешней памяти, используемое для чтения и записи информации в файловом формате. Флэш-память, как и диски, - энергонезависимое устройство. Однако, по сравнению с дисками, флэш-память обладает гораздо большим информационным объемом (сотни и тысячи мегабайтов). А скорость чтения и записи данных на флэш-носителе приближается к скорости работы оперативной памяти.
Практически обязательной составляющей комплекта ПК стали дисководы для CD-ROM. Современное программное обеспечение распространяется именно на этих носителях. Вместимость CD-ROM исчисляется сотнями мегабайтов (стандартный объем - 700 Мб).
DVD-дисководы вы можете приобретать по собственному желанию. Объем данных на дисках этого типа исчисляется гигабайтами (4,7 Гб, 8,5 Гб, 17 Гб). Часто на DVD-дисках записываются видеофильмы. Время их воспроизведения достигает 8 часов. Это 4-5 полноформатных фильмов. Пишущие оптические дисководы позволяют производить запись и перезапись информации на CD-RW и DVD-RW. Постоянное снижение цен на перечисленные виды устройств переводит их из категории "предметов роскоши" в общедоступные.
Все остальные типы устройств относятся к числу устройств ввода/вывода. Обязательными из них являются клавиатура, монитор и манипулятор (обычно - мышь). Дополнительные устройства: принтер, модем, сканер, звуковая система и некоторые другие. Выбор этих устройств зависит от потребностей и финансовых возможностей покупателя. Всегда можно найти источники справочной информации о моделях таких устройств и их эксплуатационных свойствах.
Вопросы и задания
- 1. От каких характеристик компьютера зависит его производительность?
2. Информационный объем какого порядка имеют: гибкие диски, винчестеры, CD-ROM, DVD-ROM?
3. Какие устройства памяти являются встроенными, какие - сменными?
4. Какие устройства ввода/вывода являются обязательными для ПК, какие - дополнительными?
Вот мы уже познакомились с устройством компьютера… Но так и не поняли главного – как именно он работает? На каком языке общается с человеком? Как удается ему понимать и обрабатывать столько разной информации – текст, картинки, звуки?
Человеку это удается просто – мы даже не задумываемся, как именно наш мозг справляется со всеми этими видами информации. Но ведь компьютер – не человек. Ни глаз, ни ушей у него нет, нет и мозга – в привычном нам значении этого слова. Думать, рассуждать компьютер не может. А значит, нужно как-то переводить все информацию, которую мы «скармливаем» нашему компьютеру, на понятный ему язык.
А понимает компьютер только один язык – цифровой! А в его азбуке нет букв – одни цифры – не зря же компьютерный язык называют еще и «цифровым». Да и цифр немного – всего две: 0 и 1.
Хорошая азбука, что и говорить! Такую даже первоклассник выучит за секунду… Да только мала - много ли слов составишь из ее «букв»?
Немного. Но для компьютера - вполне достаточно. «Слова» эти, в отличие от человеческого языка, одинаковы по длине, в каждом из них - ровно восемь знаков. И выглядят эти «слова» вот так:
10101000 10001111 10000110
Такая система счета называется «двоичной» - именно потому, что основана она всего на двух цифрах. Но благодаря ей можно описать все, что угодно: каждое двоичное «слово» может обозначать не только цифры, но и буквы…
Вот в бесконечный ряд этих «слов» и превращается вся информация, которая поступает в компьютер. И именно в таком виде она хранится и обрабатывается - а затем, когда это нужно человеку, снова превращается в привычные звуки, буквы, картинки…
Почему был выбран именно такой, не самый удобный и практичный «алфавит»? Причина проста: ведь вся информация в компьютере переносится электрическим током - точно так же, как кровь разносит кислород по всему нашему телу. А какой самый простой способ заставить ток передавать информацию? Либо дать ему доступ к какому-то важному участку, либо нет. Если сигнал есть - мы получаем единицу. Нет тока - понятное дело, перед нами ноль. Если бы мы захотели заложить в компьютерный алфавит большее количество сигналов, нам пришлось бы проделывать с электрическим током более сложные операции - например, постоянно менять напряжение. А так все удобно и просто - либо сигнал есть, либо его нет!
Конечно, двоичные числа иногда кажутся громоздкими – например, число 254 в двоичной системе выглядит так:
11111110
Но это только кажется. И вот тебе очень простой, но впечатляющий фокус для ваших знакомых. Как ты думаешь, сколько числе можно показывать с помощью пальцев рук? Тебе кажется – десять? А вот и не угадали: в двоичной системе с помощью десяти пальцев ты сможешь показать 1024 числа – любое число от 0 до 1023!
0 на двоичном языке – это 0000000000
1023 – 1111111111
Нетрудно догадаться, что двоичный «ноль» будет соответствовать согнутому пальцу, а единица-разогнутому!
Точно так же ты сможешь доказать, что число 4 и 100 – это одно и то же. И это правда – если число 4 принадлежит к нашей, десятичной системе, а 100 – к двоичной.