Программный принцип работы компьютера. Компоненты компьютера и их функции. Принцип работы компьютера Подробно об устройстве и принципах работы компьютера

Принцип работы компьютера: информатика электронной машины.

Самый простой способ понять принцип работы компьютера, это представить его в виде бесконечного числа выключателей, что, кстати говоря, правда. В виде переключателей здесь выступают микроскопические транзисторы. Можно представить принцип работы компьютера в виде огромного рекламного щита с множеством лампочек, с установленным за щитом пультом управления, который может включать каждую из них, да так, что на щите можно составить любое слово или любой рисунок, какие бы вам не хотелось. Но создатели такого щита могут пойти и дальше. В соседней комнате они могут собрать управляющие переключатели, чтобы управлять множеством других. Зачем включать поочерёдно все лампочки, чтобы загорелась буква А ? Комбинацию можно сделать готовой и вывести клавишу, по нажатии которой загоралась нужная буква или её сегмент. И таких клавиш можно сделать много. Нужные слова и линии буду появляться быстрее. Замените в своём воображении щит на монитор компьютера, и вы уже почти понимаете принцип его работы.

– это та самая комната с переключателями, а в качестве управляющих ключей выступает клавиатура. Конечно, компьютер может и должен уметь гораздо больше, чем показывать рисунки или отображать символы. Просто позиции «включено-выключено» таких переключателей на самом деле добавляют к числам бинарной системы подсчёта в операционной системе соответственно «1 » и «0 ». А если вы можете добирать числа, значит можете производить вычисления, так как это лишь однократные или повторяющиеся алгебраические действия. Так, умножение – лишь повторяющееся сложение, вычитание – сложение с отрицательным числом, а деление – повторяющееся вычитание. Для компьютера любая операция или основной принцип работы компьютера – это просто комбинация из чисел (сигналов) и операции с ними. А этим и занимаются маленькие переключатели-транзисторы. Вот это и есть основной принцип работы компьютера, да и не только, а любого вычислительного устройства.

Конечно, компьютеры с самого начала чем-то походили на рекламные щиты с большим набором цветных лампочек. У них не было ни клавиатур, ни мониторов, а их пользователи действительно переключали огромное количество переключателей в определённом порядке, чтобы добиться результатов на выходе. Вместо микротранзисторов там были лампы и трубки, которые постоянно выходили из строя, а рядом с ними можно было готовить обед – так было жарко. Так что самый из дешёвых компьютеров, который можно сегодня можно приобрести, ничем не напомнит о тех, что стояли на рассвете вычислительной техники. Но принцип работы компьютера остался тем же, сменились лишь размеры и материалы.

Принцип работы компьютера. Что происходит внутри?

Как вы уже знаете, компьютер как сборка электронных и металлических компонентов сам по себе ничего не умеет и служит лишь для того, чтобы на экране запустилась операционная система. Это базовый и одновременно самый сложный тип программного обеспечения, она играет роль контролёра для других программ и приложений. Операционная система устанавливает правила, как пользоваться оперативной памятью, пространством жёсткого диска и другими «железными» компонентами. Но перед запуском операционной системы, компьютеру необходимо выгрузить систему в оперативную память (она же RAM, она же random access memory ). Процесс выгрузки небольшого куска кода называется загрузкой (от англ. bootstrap или просто boot ). Досконально его описывать не буду, но у него есть одна примечательная черта – ведь по сути это момент, когда компьютер предоставлен сам себе. Операционная система пока ещё не работает, а железные компоненты под действием простейшего программного обеспечения проверяют друг друга по готовности для того, чтобы дальше продолжить работу. На производительность и обширность выполняемых операций надеяться не приходится. Выполняются две задачи. Первая – запуск POST (power-on self-test ), о которой мы поговорим позже, и вторая – поиск операционной системы. Когда обе задачи выполнены и критических ошибок не обнаружено, операция загрузки приступает к считыванию системных файлов и выгрузке их в оперативную память машины.

А теперь немного откатимся назад и зададим вопрос: «А почему же не сделать процесс загрузки более простым и не позволять компьютеру напрямую загружать систему с загрузочного устройства? Операционная система вполне успешно может быть частью компьютера…» А такие компьютеры есть, кстати говоря. Низкоуровневое программное обеспечение, практически полное отсутствие привычного интерфейса…. Такими были и первые компьютеры типа Atari 400 или 800 (русские о них почти не знают), в которые можно было, откровенно говоря, только играть. Но сейчас такого уже не будет и на это две причины. На принцип работы компьютера они уже не влияют – это уже маркетинг.

Первая причина . Операционные системы на месте не стоят. И постоянно на радость нам и на гнев кошельку совершенствуются. Поэтому мы довольны, когда в состоянии загружаться с одного компьютера с помощью нескольких операционных систем разных поколений. Это было бы не возможно, если бы операционная система была «вшита в железо. Фирмам производителям делать так очень удобно, ибо отдельно устанавливаемая и загружаемая система всегда требует дополнительного обслуживания (например, исправление ошибок через обновления) и возможность подключения дополнительных устройств от различных производителей.

Причина вторая : выбор. Так или иначе, в России используют принцип работы компьютера и архитектуру IBM-совместимых компьютеров, но конечный выбор в используемой нами системе по сути должен ложиться на нас. Microsoft и прочие делают это не для того, чтобы мы использовали этот выбор в пользу сторонних разработчиков, но сами они прекрасно понимают, что движение вперёд – это единственный вариант удержать лидирующие позиции в продажах. Тем более, что всё более требовательная обновлённая система это постоянно повышающиеся в стоимости “железная” составляющая, которая заставит нас рано или поздно раскошелиться. Но в конце концов, если мне хочется установить систему со открытым кодом, ничто не помешает мне это сделать. Windows популярна только потому…. что она действительно популярна.

Прочитано: 169

Персональный компьютер - универсальная техническая система.

Его конфигурацию (состав оборудования) можно гибко изменять по мере необходимости.

Тем не менее, существует понятие базовой конфигурации, которую считают типовой. В таком комплекте компьютер обычно поставляется.

Понятие базовой конфигурации может меняться.

В настоящее время в базовой конфигурации рассматривают четыре устройства:

• системный блок;
• монитор;
• клавиатуру;
• мышь.

Помимо компьютеров с базовой конфигурации все большее распространение получают мультимедийные компьютеры, оснащенные устройством чтения компакт-дисков, колонками и микрофоном.

Справка : «Юлмарт», на сегодняшний день самый хороший и удобный интернет магазин, где бесплатно вас проконсультируют при покупке компьютера любой конфигурации.

Системный блок представляет собой основной узел, внутри которого установлены наиболее важные компоненты.

Устройства, находящиеся внутри системного блока, называют внутренними, а устройства, подключаемые к нему снаружи, называют внешними.

Внешние дополнительные устройства, предназначенные для ввода, вывода и длительного хранения данных, также называют периферийными.

Как устроен системный блок

По внешнему виду системные блоки различаются формой корпуса.

Корпуса персональных компьютеров выпускают в горизонтальном (desktop) и вертикальном (tower) исполнении.

Корпуса, имеющие вертикальное исполнение, различают по габаритам:

• полноразмерный (big tower);
• среднеразмерный (midi tower);
• малоразмерный (mini tower).

Среди корпусов, имеющих горизонтальное исполнение, выделяют плоские и особо плоские (slim).

Выбор того или иного типа корпуса определяется вкусом и потребностями модернизации компьютера.

Наиболее оптимальным типом корпуса для большинства пользователей является корпус типа mini tower.

Он имеет небольшие габариты, его удобно располагать как на рабочем столе, так и на тумбочке вблизи рабочего стола или на специальном держателе.

Он имеет достаточно места для размещения от пяти до семи плат расширения.

Кроме формы, для корпуса важен параметр, называемый форм-фактором.От него зависят требования к размещаемым устройствам.

В настоящее время в основном используются корпуса двух форм-факторов: AT и АТХ.

Форм-фактор корпуса должен быть обязательно согласован с форм-фактором главной (системной) платы компьютера, так называемой материнской платы.

Корпуса персональных компьютеров поставляются вместе с блоком питания и, таким образом, мощность блока питания также является одним из параметров корпуса.

Для массовых моделей достаточной является мощность блока питания 200-250 Вт.

В системный блок входит (вмещается):

• Материнская плата
• Микросхема ПЗУ и система BIOS
• Энергонезависимая память CMOS
• Жесткий диск

Материнская плата

Материнская плата (mother board ) - основная плата персонального компьютера, представляющая из себя лист стеклотекстолита, покрытый медной фольгой.

Путем травления фольги получают тонкие медные проводники соединяющие электронные компоненты.

На материнской плате размещаются:

• процессор - основная микросхема, выполняющая большинство математических и логических операций;
• шины - наборы проводников, по которым происходит обмен сигналами между внутренними устройствами компьютера;
• оперативная память (оперативное запоминающее устройство, ОЗУ) - набор микросхем, предназначенных для временного хранения данных, когда компьютер включен;
• ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) - микросхема, предназначенная для длительного хранения данных, в том числе и когда компьютер выключен;
• микропроцессорный комплект (чипсет) - набор микросхем, управляющих работой внутренних устройств компьютера и определяющих основные функциональные возможности материнской платы;
• разъемы для подключения дополнительных устройств (слоты).

(микропроцессор, центральный процессор, CPU) - основная микросхема компьютера, в которой и производятся все вычисления.

Он представляет из себя большую микросхему, которую можно легко найти на материнской плате.

На процессоре устанавливается большой медный ребристый радиатор, охлаждаемый вентилятором.

Конструктивно процессор состоит из ячеек, в которых данные могут не только храниться, но и изменяться.

Внутренние ячейки процессора называют регистрами.

Важно также отметить, что данные, попавшие в некоторые регистры, рассматриваются не как данные, а как команды, управляющие обработкой данных в других регистрах.

Среди регистров процессора есть и такие, которые в зависимости от своего содержания способны модифицировать исполнение команд. Таким образом, управляя засылкой данных в разные регистры процессора, можно управлять обработкой данных.

На этом и основано исполнение программ.

С остальными устройствами компьютера, и в первую очередь с оперативной памятью, процессор связан несколькими группами проводников, называемых шинами.

Основных шин три: шина данных, адресная шина и командная шина.

Адресная шина

У процессоров Intel Pentium (а именно они наиболее распространены в персональных компьютерах) адресная шина 32-разрядная, то есть состоит из 32 параллельных линий. В зависимости от того, есть напряжение на какой-то из линий или нет, говорят, что на этой линии выставлена единица или ноль. Комбинация из 32 нулей и единиц образует 32-разрядный адрес, указывающий на одну из ячеек оперативной памяти. К ней и подключается процессор для копирования данных из ячейки в один из своих регистров.

Шина данных

По этой шине происходит копирование данных из оперативной памяти в регистры процессора и обратно. В компьютерах, собранных на базе процессоров Intel Pentium, шина данных 64-разрядная, то есть состоит из 64 линий, по которым за один раз на обработку поступают сразу 8 байтов.

Шина команд

Для того чтобы процессор мог обрабатывать данные, ему нужны команды. Он должен знать, что следует сделать с теми байтами, которые хранятся в его регистрах. Эти команды поступают в процессор тоже из оперативной памяти, но не из тех областей, где хранятся массивы данных, а оттуда, где хранятся программы. Команды тоже представлены в виде байтов. Самые простые команды укладываются в один байт, однако есть и такие, для которых нужно два, три и более байтов. В большинстве современных процессоров шина команд 32-разрядная (например, в процессоре Intel Pentium), хотя существуют 64-разрядные процессоры и даже 128-разрядные.

В процессе работы процессор обслуживает данные, находящиеся в его регистрах, в поле оперативной памяти, а также данные, находящиеся во внешних портах процессора.

Часть данных он интерпретирует непосредственно как данные, часть данных - как адресные данные, а часть - как команды.

Совокупность всех возможных команд, которые может выполнить процессор над данными, образует так называемую систему команд процессора.

Основными параметрами процессоров являются:

• рабочее напряжение
• разрядность
• рабочая тактовая частота
• коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты
• размер кэш памяти

Рабочее напряжение процессора обеспечивает материнская плата, поэтому разным маркам процессоров соответствуют разные материнские платы (их надо выбирать совместно). По мере развития процессорной техники происходит постепенное понижение рабочего напряжения.

Разрядность процессора показывает, сколько бит данных он может принять и обработать в своих регистрах за один раз (за один такт).

В основе работы процессора лежит тот же тактовый принцип, что и в обычных часах. Исполнение каждой команды занимает определенное количество тактов.

В настенных часах такты колебаний задает маятник; в ручных механических часах их задает пружинный маятник; в электронных часах для этого есть колебательный контур, задающий такты строго определенной частоты.

В персональном компьютере тактовые импульсы задает одна из микросхем, входящая в микропроцессорный комплект (чипсет), расположенный на материнской плате.

Чем выше частота тактов, поступающих на процессор, тем больше команд он может исполнить в единицу времени, тем выше его производительность.

Обмен данными внутри процессора происходит в несколько раз быстрее, чем обмен с другими устройствами, например с оперативной памятью.

Для того чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают буферную область - так называемую кэш память.Это как бы «сверхоперативная память».

Когда процессору нужны данные, он сначала обращается в кэш память, и только если там нужных данных нет, происходит его обращение в оперативную память.

Принимая блок данных из оперативной памяти, процессор заносит его одновременно и в кэш память.

«Удачные» обращения в кэш память называют попаданиями в кэш.

Процент попаданий тем выше, чем больше размер кэш памяти, поэтому высокопроизводительные процессоры комплектуют повышенным объемом кэш памяти.

Нередко кэш память распределяют по нескольким уровням.

Кэш первого уровня выполняется в том же кристалле, что и сам процессор, и имеет объем порядка десятков Кбайт.

Кэш второго уровня находится либо в кристалле процессора, либо в том же узле, что и процессор, хотя и исполняется на отдельном кристалле.

Кэш-память первого и второго уровня работает на частоте, согласованной с частотой ядра процессора.

Кэш-память третьего уровня выполняют на быстродействующих микросхемах типа SRAM и размещают на материнской плате вблизи процессора. Ее объемы могут достигать нескольких Мбайт, но работает она на частоте материнской платы.

Шинные интерфейсы материнской платы

Связь между всеми собственными и подключаемыми устройствами материнской платы выполняют ее шины и логические устройства, размещенные в микросхемах микропроцессорного комплекта (чипсета).

От архитектуры этих элементов во многом зависит производительность компьютера.

Шинные интерфейсы

ISA (Industry Standard Architecture) - устаревшая системная шина IBM PC-совместимых компьютеров.

EISA (Extended Industry Standard Architecture) - Расширение стандарта ISA. Отличается увеличенным разъемом и увеличенной производительностью (до 32 Мбайт/с). Как и ISA, в настоящее время данный стандарт считается устаревшим.

PCI (Peripheral Component Interconnect - дословно: взаимосвязь периферийных компонентов) - шина ввода/вывода для подключения периферийных устройств к материнской плате компьютера.

AGP (Accelerated Graphics Port - ускоренный графический порт) - разработанная в 1997 году компанией Intel, специализированная 32-битная системная шина для видеокарты. Основной задачей разработчиков было увеличение производительности и уменьшение стоимости видеокарты, за счет уменьшения количества встроенной видеопамяти.

USB (Universal Serial Bus - универсальная последовательная магистраль) - Этот стандарт определяет способ взаимодействия компьютера с периферийным оборудованием. Он позволяет подключать до 256 различных устройств, имеющих последовательный интерфейс. Устройства могут включаться цепочками (каждое следующее устройство подключается к предыдущему). Производительность шины USB относительно невелика и составляет до 1.5 Мбит/с, но для таких устройств, как клавиатура, мышь, модем, джойстик и тому подобное, этого достаточно. Удобство шины состоит в том, что она практически исключает конфликты между различным оборудованием, позволяет подключать и отключать устройства в «горячем режиме» (не выключая компьютер) и позволяет объединять несколько компьютеров в простейшую локальную сеть без применения специального оборудования и программного обеспечения.

Параметры микропроцессорного комплекта (чипсета) в наибольшей степени определяют свойства и функции материнской платы.

В настоящее время большинство чипсетов материнских плат выпускаются на базе двух микросхем, получивших название «северный мост» и «южный мост».

«Северный мост» управляет взаимосвязью четырех устройств: процессора, оперативной памяти, порта AGP и шины PCI. Поэтому его также называют четырехпортовым контроллером.

«Южный мост» называют также функциональным контроллером. Он выполняет функции контроллера жестких и гибких дисков, функции моста ISA - PCI, контроллера клавиатуры, мыши, шины USB и тому подобное

(RAM - Random Access Memory) - это массив кристаллических ячеек, способных хранить данные.

Существует много различных типов оперативной памяти, но с точки зрения физического принципа действия различают динамическую память (DRAM) и статическую память (SRAM).

Ячейки динамической памяти (DRAM) можно представить в виде микроконденсаторов, способных накапливать заряд на своих обкладках.

Это наиболее распространенный и экономически доступный тип памяти.

Недостатки этого типа связаны, во-первых, с тем, что как при заряде, так и при разряде конденсаторов неизбежны переходные процессы, то есть запись данных происходит сравнительно медленно.

Второй важный недостаток связан с тем, что заряды ячеек имеют свойство рассеиваться в пространстве, причем весьма быстро.

Если оперативную память постоянно не «подзаряжать», утрата данных происходит через несколько сотых долей секунды.

Для борьбы с этим явлением в компьютере происходит постоянная регенерация (освежение, подзарядка) ячеек оперативной памяти.

Регенерация осуществляется несколько десятков раз в секунду и вызывает непроизводительный расход ресурсов вычислительной системы.

Ячейки статической памяти (SRAM) можно представить как электронные микроэлементы - триггеры, состоящие из нескольких транзисторов.

В триггере хранится не заряд, а состояние (включен/выключен), поэтому этот тип памяти обеспечивает более высокое быстродействие, хотя технологически он сложнее и, соответственно, дороже.

Микросхемы динамической памяти используют в качестве основной оперативной памяти компьютера.

Микросхемы статической памяти используют в качестве вспомогательной памяти (так называемой кэш памяти), предназначенной для оптимизации работы процессора.

Каждая ячейка памяти имеет свой адрес, который выражается числом.

Одна адресуемая ячейка содержит восемь двоичных ячеек, в которых можно сохранить 8 бит, то есть один байт данных.

Таким образом, адрес любой ячейки памяти можно выразить четырьмя байтами.

Оперативная память в компьютере размещается на стандартных панельках, называемых модулями.

Модули оперативной памяти вставляют в соответствующие разъемы на материнской плате.

Конструктивно модули памяти имеют два исполнения - однорядные (SIMM-модули) и двухрядные (DIMM-модули).

Основными характеристиками модулей оперативной памяти являются объем памяти и время доступа.

Время доступа показывает, сколько времени необходимо для обращения к ячейкам памяти - чем оно меньше, тем лучше. Время доступа измеряется в миллиардных долях секунды (наносекундах, нс).

Микросхема ПЗУ и система BIOS

В момент включения компьютера в его оперативной памяти нет ничего - ни данных, ни программ, поскольку оперативная память не может ничего хранить без подзарядки ячеек более сотых долей секунды, но процессору нужны команды, в том числе и в первый момент после включения.

Поэтому сразу после включения на адресной шине процессора выставляется стартовый адрес.

Это происходит аппаратно, без участия программ (всегда одинаково).

Процессор обращается по выставленному адресу за своей первой командой и далее начинает работать по программам.

Этот исходный адрес не может указывать на оперативную память, в которой пока ничего нет.

Он указывает на другой тип памяти - постоянное запоминающее устройство (ПЗУ).

Микросхема ПЗУ способна длительное время хранить информацию, даже когда компьютер выключен.

Программы, находящиеся в ПЗУ, называют «зашитыми» - их записывают туда на этапе изготовления микросхемы.

Комплект программ, находящихся в ПЗУ, образует базовую систему ввода-вывода (BIOS - Basic Input Output System).

Основное назначение программ этого пакета состоит в том, чтобы проверить состав и работоспособность компьютерной системы и обеспечить взаимодействие с клавиатурой, монитором, жестким диском и дисководом гибких дисков.

Программы, входящие в BIOS, позволяют нам наблюдать на экране диагностические сообщения, сопровождающие запуск компьютера, а также вмешиваться в ход запуска с помощью клавиатуры.

Энергонезависимая память CMOS

Работа таких стандартных устройств, как клавиатура, может обслуживаться программами, входящими в BIOS, но такими средствами нельзя обеспечить работу со всеми возможными устройствами.

Так, например, изготовители BIOS абсолютно ничего не знают о параметрах наших жестких и гибких дисков, им не известны ни состав, ни свойства произвольной вычислительной системы.

Для того чтобы начать работу с другим оборудованием, программы, входящие в состав BIOS, должны знать, где можно найти нужные параметры.

По очевидным причинам их нельзя хранить ни в оперативной памяти, ни в постоянном запоминающем устройстве.

Специально для этого на материнской плате есть микросхема «энергонезависимой памяти», по технологии изготовления называемая CMOS.

От оперативной памяти она отличается тем, что ее содержимое не стирается во время выключения компьютера, а от ПЗУ она отличается тем, что данные в нее можно заносить и изменять самостоятельно, в соответствии с тем, какое оборудование входит в состав системы.

Эта микросхема постоянно подпитывается от небольшой батарейки, расположенной на материнской плате.

Заряда этой батарейки хватает на то, чтобы микросхема не теряла данные, даже если компьютер не будут включать несколько лет.

В микросхеме CMOS хранятся данные о гибких и жестких дисках, о процессоре, о некоторых других устройствах материнской платы.

Тот факт, что компьютер четко отслеживает время и календарь (даже и в выключенном состоянии), тоже связан с тем, что показания системных часов постоянно хранятся (и изменяются) в CMOS.

Таким образом, программы, записанные в BIOS, считывают данные о составе оборудования компьютера из микросхемы CMOS, после чего они могут выполнить обращение к жесткому диску, а в случае необходимости и к гибкому, и передать управление тем программам, которые там записаны.

Жесткий диск

Жесткий диск - основное устройство для долговременного хранения больших объемов данных и программ.

На самом деле это не один диск, а группа соосных дисков, имеющих магнитное покрытие и вращающихся с высокой скоростью.

Таким образом, этот «диск» имеет не две поверхности, как должно быть у обычного плоского диска, а 2n поверхностей, где n - число отдельных дисков в группе.

Над каждой поверхностью располагается головка, предназначенная для чтения-записи данных.

При высоких скоростях вращения дисков (90 об/с) в зазоре между головкой и поверхностью образуется аэродинамическая подушка, и головка парит над магнитной поверхностью на высоте, составляющей несколько тысячных долей миллиметра.

При изменении силы тока, протекающего через головку, происходит изменение напряженности динамического магнитного поля в зазоре, что вызывает изменения в стационарном магнитном поле ферромагнитных частиц, образующих покрытие диска.Так осуществляется запись данных на магнитный диск.

Операция считывания происходит в обратном порядке.

Намагниченные частицы покрытия, проносящиеся на высокой скорости вблизи головки, наводят в ней ЭДС самоиндукции.

Электромагнитные сигналы, возникающие при этом, усиливаются и передаются на обработку.

Управление работой жесткого диска выполняет специальное аппаратно-логическое устройство - контроллер жесткого диска.

В настоящее время функции контроллеров дисков выполняют микросхемы, входящие в микропроцессорный комплект (чипсет), хотя некоторые виды высокопроизводительных контроллеров жестких дисков по-прежнему поставляются на отдельной плате.

К основным параметрам жестких дисков относятся емкость и производительность.

На жестком диске может храниться годами, однако иногда требуется ее перенос с одного компьютера на другой.

Несмотря на свое название, жесткий диск является весьма хрупким прибором, чувствительным к перегрузкам, ударам и толчкам.

Теоретически, переносить информацию с одного рабочего места на другое путем переноса жесткого диска возможно, и в некоторых случаях так и поступают, но все-таки этот прием считается нетехнологичным, поскольку требует особой аккуратности и определенной квалификации.

Для оперативного переноса небольших объемов информации используют так называемые гибкие магнитные диски (дискеты), которые вставляют в специальный накопитель - дисковод.

Приемное отверстие накопителя находится на лицевой панели системного блока.

Начиная с 1984 года выпускались гибкие диски 5.25 дюйма высокой плотности (1.2 Мбайт).

В наши дни диски размером 5.25 дюйма не используются, и соответствующие дисководы в базовой конфигурации персональных компьютеров после 1994 года не поставляются.

Гибкие диски размером 3.5 дюйма выпускают с 1980 года.

Сейчас стандартными считают диски размером 3.5 дюйма высокой плотности. Они имеют емкость 1440 Кбайт (1.4 Мбайт) и маркируются буквами HD (high density - высокая плотность).

С нижней стороны гибкий диск имеет центральную втулку, которая захватывается шпинделем дисковода и приводится во вращение.

Магнитная поверхность прикрыта сдвигающейся шторкой для защиты от влаги, грязи и пыли.

Если на гибком диске записаны ценные данные, его можно защитить от стирания и перезаписи, сдвинув защитную задвижку так, чтобы образовалось открытое отверстие.

Гибкие диски считаются малонадежными носителями информации.

Пыль, грязь, влага, температурные перепады и внешние электромагнитные поля очень часто становятся причиной частичной или полной утраты данных, хранившихся на гибком диске.

Поэтому использовать гибкие диски в качестве основного средства хранения информации недопустимо.

Их используют только для транспортировки информации или в качестве дополнительного (резервного) средства хранения.

Дисковод компакт-дисков CD-ROM

Аббревиатура CD-ROM (Compact Disc Read-Only Memory) переводится на русский язык как постоянное запоминающее устройство на основе компакт-диска.

Принцип действия этого устройства состоит в считывании числовых данных с помощью лазерного луча, отражающегося от поверхности диска.

Цифровая запись на компакт-диске отличается от записи на магнитных дисках очень высокой плотностью, и стандартный компакт-диск может хранить примерно 650 Мбайт данных.

Большие объемы данных характерны для мультимедийной информации (графика, музыка, видео), поэтому дисководы CD-ROM относят к аппаратным средствам мультимедиа.

Программные продукты, распространяемые на лазерных дисках, называют мультимедийными изданиями.

Сегодня мультимедийные издания завоевывают все более прочное место среди других традиционных видов изданий.

Так, например, существуют книги, альбомы, энциклопедии и даже периодические издания (электронные журналы), выпускаемые на CD-ROM.

Основным недостатком стандартных дисководов CD-ROM является невозможность записи данных, но параллельно с ними существуют и устройства однократной записи CD-R (Compact Disk Recorder), и устройства многократной записи CD-RW.

Основным параметром дисководов CD-ROM является скорость чтения данных.

В настоящее время наибольшее распространение имеют устройства чтения CD-ROM с производительностью 32х-50х. Современные образцы устройств однократной записи имеют производительность 4х-8х, а устройств многократной записи - до 4х.

Мир активно компьютеризируется. Но, вместе с тем, принципы работы домашних, планшетных и иных ПК не всегда активно изучаются пользователями. Рассмотрим основные аспекты, касающиеся устройства компьютера, его производительности и особенностей функционирования программ.

Основные принципы работы компьютера

Главная задача компьютера - это вычисление. Остальные операции и сколько-нибудь значимые с точки зрения потребностей человека действия, выполняемые на нем - суть производные. Структура вычислений, о которых идет речь, многоуровневая. Изучение ее поможет нам понять, как работает компьютер.

На самом низком уровне микросхемы ПК "обрабатывают" биты - двоичные сигналы, состоящие из нулей и единиц. Никаких других цифр на этом уровне нет, и на нем компьютер, скорее, не вычисляет что-то, а правильно расставляет последовательность нулей и единиц. Для чего? Дело в том, что 8 битов образуют байт. Который, в свою очередь, становится основой следующего уровня вычислений.

Несложно подсчитать, что возможное количество комбинаций битов в одном байте - 256, то есть 2 в 8-й степени. Почему 2? Потому что цифр в бите, как мы уже сказали выше, только две - 0 и 1. На практике объединение битов в байты позволяет "закодировать" в последних некую информацию. Например, букву, цифру или, скажем, знак препинания. Как работает компьютер на этом уровне? Он преобразует байты в практически значимые для человека объекты на экране - текст, пиксели, составляющие картинку, звуки и т. д.

Следующий уровень - это вычисления, связанные с операциями с той информацией, что составлена из байтов. То есть если это текст, то это может быть его редактирование, форматирование, печать. Если музыка или видео - то проигрывание, запись и т. п.

Таковы основные принципы того, как работает компьютер. Вместе с тем, каждый из уровней, отмеченных выше, не существует отдельно от другого. Вместе они формируют операционную среду вычислений. Которая также неоднородна. Исходя из современных теоретических представлений в области информатики, специалисты выделяют два компонента операционной среды, в которой происходят вычисления, - аппаратное и программное обеспечение. Изучим особенности каждого.

Аппаратное обеспечение

Аппаратная часть (на сленге IT-специалистов - "железо", реже "хард", от англ. Hardware) - это все микросхемы, механизмы и устройства, обеспечивающие работу компьютера. Классификация компонентов аппаратного обеспечения может быть разной. Все зависит от конкретного типа устройства. Что касается типично "домашних" ПК, то "железо", установленное на нем, представлено набором следующих компонентов:

1. Системный блок. В нем, как правило, располагаются:

• процессор;
• материнская плата;
• видеокарта;
• аудиокарта;
• оперативная память;
• жесткий диск;
• DVD или CD-привод;
• сетевая карта.

2. Монитор.

3. Средства управления - как правило, это клавиатура и мышь.

4. Периферийные устройства - модемы, принтеры, сканеры, роутеры и т. д.

Возможен вариант, при котором какие-то из вышеперечисленных устройств взаимным образом интегрированы. Например, ряд моделей материнских плат включает в себя встроенную видео- и аудиокарту. Многое зависит от типа вычислительной техники. Например, то, как работает планшетный компьютер, может отличаться от основных принципов функционирования десктопа - настольного ПК.

Программное обеспечение

Следующий компонент операционной среды, в которой осуществляются вычисления, - это программное обеспечение, или ПО (называемое также на сленге специалистов софтом). Оно представляет собой набор алгоритмов, позволяющих управлять "железом". То есть без программного обеспечения аппаратные компоненты компьютера не несут никакой пользы. Даже на самом первом уровне, где ПК обрабатывает нули и единицы - и там "железо" действует согласно запрограммированным алгоритмам.

Опять же, в зависимости от типа компьютера, механизмы классификации софта могут различаться. В годы, когда IT-индустрия только зарождалась, существовали целые инженерные дисциплины, слушатели которых осваивали то, как научиться работать на компьютере, представлявшем собой прибор размером с гараж. Что касается современных домашних ПК, ситуация, конечно, проще. Большинство видов ПО представляют собой дружелюбный, понятный на уровне интуиции, снабженный подробной справкой, рассчитанной на среднестатистического пользователя, инструмент управления. Исходя из представлений современных теоретиков, программы можно подразделить на следующие основные типы:

Системное ПО (дает возможность пользователю решать задачи, связанные с функциями ПК: как посмотреть, сколько компьютер работает, какие программы запущены и т. д.);

Прикладное ПО (предназначено для решения практически значимых для пользователя задач - печатания текста, рисования, программирования, прослушивания музыки, просмотра видео и т. д.).

Но четкой границы между этими двумя типами программного обеспечения нет. Например, задача: "Как узнать, сколько работает компьютер по времени?" (вроде бы, типично системная) может быть поставлена с прикладной целью. Например, с тем, чтобы запрограммировать запуск какой-то программы или файла по расписанию.

Как работает компьютер в плане взаимодействия аппаратного обеспечения и ПО? Очень просто. Пользователь ставит перед машиной "задачу", вводя данные в программу с помощью элемента управления ПК - клавиатуры или мыши. Например: "сделать шрифт текста красным" (на практике - выделив нужную область букв на экране и нажав на соответствующую область палитры в Word). Программа "сообщает" аппаратному обеспечению (условимся, что монитору и видеокарте), что необходимо выдать на экран такой-то участок красного цвета. Видеокарта и монитор, "взаимодействуя" между собой, выдают пользователю нужный результат: текст на выбранном участке становится красным. Разумеется, все это происходит за доли секунды.

При этом скорость принятия решений компьютером предопределяется особой его характеристикой - производительностью. Если она высокая, то "железо" сможет принимать больше "распоряжений" от программ за единицу времени, вследствие чего пользователь решает свои задачи быстрее. Рассмотрим данный аспект.

Производительность ПК

Производительность ПК зависит главным образом от уровня технологичности "железа". Хотя и грамотность, и качество проработки алгоритмов в ПО - тоже важное условие. Бывает так, что какой-то компонент аппаратного обеспечения может быть высокопроизводительным, но программа, "управляющая" им, неспособна в полной мере задействовать имеющийся ресурс. В архитектуре современных "домашних" ПК за производительность отвечают два базовых вида "железа" - это процессор и оперативная память. Почему именно они?

Процессор

Как работает процессор компьютера? Какова его главная задача? Работает он подобно многим другим типам микросхем. В кристалле кремния присутствуют области, ответственные за обработку нулей и единиц, объединение их в байты и последующую передачу их в "компетенцию" других компонентов аппаратного обеспечения (равно как и обратные операции).

Изобретение процессора стало настоящей находкой в компьютерной индустрии. Долгое время в вычислительных машинах данного компонента попросту не было: операции с цифрами распределялись по разным участкам аппаратного обеспечения. Но в конце 60 - начале 70-х годов инженеры все же решили, что целесообразнее концентрировать ключевые, а в математическом плане - наиболее сложные, операции в одной микросхеме, "шефствующей" над другими.

Производительность процессора измеряется в тактовой частоте, количестве операций в секунду. Единица измерения здесь - Герц. На практике, если говорить о современных моделях микросхем, речь идет, как правило, о сотнях миллионов, о миллиардах операций в секунду. Поэтому при фабричной маркировке соответствующий показатель производительности процессоров выражается в мегагерцах (МГц) и гигагерцах (ГГц). Общее правило: чем цифра выше, тем быстрее будет работать "шефствующая" микросхема ПК, а значит, и весь компьютер в целом.

Следует отметить нюанс: современные процессоры, выполняя большое количество операций, как правило, сильно греются. Как узнать, работал ли компьютер? Нужно просто приложить руку к системному блоку. Если он ощутимо теплый, значит, его только что выключили.

На процессоры, таким образом, нужно ставить кулер. Иначе главная микросхема перегорит. Как работает кулер компьютера? Он попросту дует на процессор мощным потоком холодного воздуха, остужая его. Мощность кулера выражается в оборотах в минуту. Чем этот показатель выше, тем эффективнее охлаждается процессор.

Оперативная память

Как работает память компьютера - другой важнейший аппаратный ресурс ПК, прямо влияющий на его производительность? Дело в том, что процессор, в силу особенностей своей структуры, не наделен способностью оперативно, тактически "запоминать" производимые вычислительные операции с тем, чтобы использовать их результаты в дальнейшем. "Шефствующей" микросхеме нужен "блокнот" для того, чтобы фиксировать промежуточные итоги работы с цифрами.

И этим самым блокнотом выступает оперативная память. Называется она также ОЗУ. Или оперативно-запоминающее устройство. Чем больше "блокнот" по объему, тем эффективнее будет происходить управление остальными микросхемами, и тем быстрее будет работать компьютер в целом. Основной ресурс оперативной памяти - это ее емкость. Исчисляется она в байтах - тех самых базовых единицах информации, о которых шла речь выше. Но, если говорить о современных моделях ПК, соответствующие показатели выражаются в сотнях миллионов и гигабайтах единиц емкости - в мегабайтах (МБ) и гигабайтах (ГБ).

Кстати, оперативная память и процессор имеют ряд общих признаков. Касательно первого аппаратного компонента - у ОЗУ тоже есть показатель, отражающий количество операций в секунду. Соответственно, чем он больше, тем эффективнее происходит взаимодействие между памятью и процессором: у них будет возможность "бежать" в одном темпе.

В свою очередь, у процессора тоже есть немного встроенной ОЗУ. Называется она "кэш-память". Чем ее больше - тем меньше у "шефствующей" микросхемы будет повода "отвлекать" основную оперативную память, и тем производительнее будет работа ПК в целом.

Как заставить компьютер работать быстрее? Способ один - установить на него процессор или ОЗУ с как можно большими показателями по основным характеристикам. Безусловно, в каких-то аспектах важны параметры также и иных аппаратных компонентов - той же видеокарты, жесткого диска. Но ключевые элементы, влияющие на производительность, - это процессор и память. Если их мощности низкие, то характеристики других видов "железа" иметь значения не будут. Вместе с тем, полезно будет узнать, какого рода задачи выполняют некоторые "подотчетные" процессору аппаратные компоненты.

Видеокарта

Начнем с видеокарты. Она отвечает за визуализацию вычислений, представление их результатов перед пользователем. Интересно, что в видеокарте есть свой процессор и своя память. Причем, по характеристикам (частоте и объему) они могут в ряде случаев даже превосходить "шефствующие" компоненты. И это совершенно нормально, исходя из задач, возлагаемых на видеокарту. Дело в том, что современные компьютерные игры требуют очень большой производительности ПК. Ресурсов основного процессора и памяти может попросту не хватать на необходимые вычисления. Поэтому современные видеокарты берут на себя значительную часть операций, в результате чего обработка данных идет быстрее. Итог радует - игра не "тормозит" и не "виснет".

Поэтому вопрос о том, как заставить компьютер работать быстрее, может оказаться особенно актуален, если на ПК стоит устаревшая, обладающая скромными характеристиками, видеокарта.

Производительность данного аппаратного компонента измеряется одновременно и в тактовой частоте - мегагерцах и гигагерцах, и в объеме встроенной памяти - мегабайтах и гигабайтах. Однако, как мы уже сказали выше, просто заменить одну видеокарту другой, как правило, недостаточно. Ключевые аппаратные компоненты производительности ПК - процессор и память. Их, вероятно, также придется менять на более мощные, вслед за видеокартой.

Монитор

Как работает монитор компьютера? Дело в том, что сама по себе видеокарта, как и процессор, функционирует на уровне "нулей и единиц". Естественно, что человек понять соответствующий набор цифр не может. Монитор - это устройство, которое призвано "переводить" сигналы с видеокарты в понятные нам символы и картинки. Как проверить, как работает компьютер? В большинстве случаев достаточно просто включить монитор. Если изображение есть - значит, все функционирует нормально. Исторически именно рассматриваемый аппаратный компонент предшествовал появлению многих других - в частности, того же процессора. С точки зрения практической полезности компьютера, роль монитора исключительно важна, и это очевидно. Как правило, характеристики этого компонента прямо не влияют на производительность. Монитор - это скорее пассивный вид "железа", выполняющий функцию посредника между машиной и пользователем. Однако иногда может иметь значение его размер. Слишком маленький монитор может оказаться неудобен для решения пользовательских задач.

Основных критериев стандартизации два - разрешение и величина диагонали. Первый выражается в пикселях, или "точках" - количестве единичных элементов изображения на экране по горизонтали и вертикали. Второй - как правило, в дюймах, но иногда и в сантиметрах.

Жесткий диск

Выше мы сказали, что процессор может испытывать потребность в "блокноте" для записи тактических результатов операций. Жесткий диск, называемый также "винчестером", - это ресурс, где фиксируются данные на постоянной основе. Своего рода "тетрадь" процессора. Практически значимые для человека результаты вычислений процессора - это файлы: текстовые, графические, мультимедийные. Они-то и хранятся на жестком диске.

Главная характеристика данного аппаратного компонента - объем. Выражается он, по аналогии с принципами, реализованными в ОЗУ, в байтах. На практике - в мегабайтах, гигабайтах и даже терабайтах. Соответственно, чем больше цифра, отражающая объем жесткого диска, тем больше файлов на нем может быть размещено. Еще один показатель производительности "винчестера" - количество оборотов в минуту. Дело в том, что он в буквальном смысле является диском, крутится вокруг своей оси. Чем быстрее, тем оперативнее записываются или считываются файлы.

Баланс знаний и навыков

Знание основных принципов работы ПК - одно из условий того, как научиться работать на компьютере. Во многих случаях пользователи ограничиваются освоением навыков конкретных программ, не особенно задумываясь о том, как так получается, что данный тип ПО так замечательно работает. Конечно, не считая рассмотренных выше аспектов, есть большое количество интересных областей, которые можно изучить. Например, тех, что дают ответ на вопрос о том, как работает блок питания компьютера, модем, сетевая карта, принтер, проводные и Wi-Fi-интерфейсы и т. д. Но, обладая базовыми знаниями в области аппаратных компонентов ПК, всегда легко понять особенности функционирования любых других видов "железа".

В основу построения и работы практически всех компьютеров заложены общие фундаментальные принципы, сформулированные выдающимся американским математиком Джоном фон Нейманом. Формальная логическая организация компьютера была впервые представлена им в "Предварительном докладе о машине EDVAC" в 1945 г. Вот основные из принципов общего устройства компьютера:

1. Компьютер должен состоять из следующих основных устройств:

Арифметико-логического устройства (АЛУ), выполняющего арифметические и логические операции над данными;

Центрального устройства управления (ЦУУ), которое организует процесс автоматического выполнения программ;

Оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) для хранения программ и данных;

Внешнего запоминающего устройства (ВЗУ);

Внешних устройств ввода–вывода информации (УВВ).

2. Компьютер должен быть не механическим, а электронным.

3. Компьютер должен оперировать с двоичными числами при параллельной организации вычислений.

4. Алгоритм представляется в форме последовательности управляющих слов , которые определяют смысл операции. Эти управляющие слова названы командами. Совокупность команд, представляющая алгоритм решения задачи, называется программой .

5. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Команды от данных отличаются месторасположением в памяти, но не способом кодирования.

Такая организация получила название классической архитектуры фон Неймана и приведена на рис. 10.

Кратко рассмотрим некоторые важные принципы работы компьютера.

В отношении ОЗУ заложен принцип произвольного или прямого доступа . Это значит, что ОЗУ состоит из множества пронумерованных ячеек, в которых может храниться закодированная в двоичном коде любая информация (цифровые данные, текст, графические изображения и т.д.). Любому устройству компьютера в любой произвольный момент времени доступна любая ячейка по ее адресу (номеру) для записи или чтения. Время доступа для всех ячеек одинаково, независимо от того, обращаемся ли мы к первой от начала или последней ячейке памяти. Оперативная память энергозависима. При отключении питания информация в ней не сохраняется.

Поскольку каждая команда в компьютере представляется в двоичном коде, программа при выполнении может храниться в его памяти как любая другая информация. В этом состоит принцип хранения программы компьютера в самом компьютере (аналогично мозгу человека).

Принцип программного управления компьютером реализуется следующим образом. При запуске программы на исполнение операционная система загружает ее в оперативную память и передает в программный счетчик устройства управления адрес первой машинной команды программы. Эта команда может быть любой (выполнение арифметической или логической операции, чтение из памяти данных, ввод данных из внешнего устройства в память или вывод данных из памяти на внешнее устройство и т.д.). По заданному адресу устройство управления считывает команду в регистр команд (там она хранится во время выполнения) и организует ее выполнение. Код команды расшифровывается и обрабатывается АЛУ путем выработки устройством управления последовательности управляющих импульсов, воздействующих на АЛУ и другие устройства. Схемы АЛУ переключаются в соответствии с ними и выполняют то, что определено командой. Адресная часть команды заносится в регистры адреса, откуда передается на шину адресов для пересылки данных в соответствии с выполняемой командой. Устройство управления по коду команды определяет ее длину, и после выполнения первой команды к заданному первоначальному адресу прибавляет длину в байтах выполненной команды, получая новый адрес, после чего считывает из памяти по этому адресу следующую команду программы. Поэтому в ячейках памяти, следующих за расположением первой команды, должна находиться именно вторая команда, а не что-то другое. Затем устройство управления организует выполнение второй команды, определяет адрес следующей и т.д. Таким образом, устройство управления выполняет программу автоматически без вмешательства человека, заставляя бесконечно переключаться схемы АЛУ из одного состояния в другое. Вот почему, в отличие от расположения данных, которые адресуются в командах, программа должна располагаться в оперативной памяти непрерывным участком. Иначе устройство управления не найдет следующую команду для выполнения.

Устройство управления вырабатывает серии управляющих импульсов, реализуя еще один важнейший принцип, вытекающий из принципа программного управления фон Неймана и являющийся его развитием – принцип микропрограммного управления. Выполнение любой машинной операции, например, сложения, выливается в довольно емкую последовательность элементарных действий: сдвигов влево или вправо при выравнивании порядков чисел, проверок условий выравнивания порядков, анализа цепочек переносов из одного разряда в другой при сложении мантисс и т.д. Такая последовательность действий управляется сериями импульсов (микрооперациями) , вырабатываемых устройством управления и воздействующих на схемы АЛУ. Для выполнения каждой такой микрооперации оказывается возможным задать простейший набор импульсов (микрокоманду ). Совокупности таких микрокоманд образуют своего рода программы для выполнения той или иной команды процессора. Эти программы хранятся в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) процессора. Устройство управления, функции которого заключаются в том, чтобы считать очередную команду программы из памяти, расшифровать ее и подключить необходимые электронные схемы и цепи АЛУ для ее выполнения, после считывания команды, обращается к ПЗУ и вызывает необходимую программу из микроопераций, которая задает распределение серий импульсов по элементам АЛУ и другим устройствам, и выполняет команду процессора.

Таким образом, практически все команды машины реализуются путем выполнения определенного набора микропрограмм. Такой подход позволяет, во-первых, сравнительно легко расширять системы команд компьютера. Команды компьютеров становятся все более сложными и схемными методами распределения импульсов их уже не реализовать. Во-вторых, сравнительно просто решается задача совместимости компьютеров путем программирования команд других машин из имеющегося набора микрокоманд данной машины. Выполняется все это на фирме-изготовителе при создании процессора.

Порядок выполнения процессором последовательности команд может быть изменен, если в программе встречается команда условного или безусловного перехода на другой ее участок. В этом случае для устройства управления в самой команде перехода указывается адрес следующей команды, которую оно должно считывать для выполнения. Поскольку внешние устройства работают значительно медленнее, чем АЛУ и память, устройство управления может приостанавливать выполнение программы до завершения операции ввода–вывода с внешним устройством, которая реализуется специальной машинной программой, состоящей из команд устройства.

Устройство управления совместно с операционной системой обеспечивает еще один из принципов работы компьютера – многозадачность – способ организации работы компьютера, при котором в его памяти одновременно находятся программы и данные для решения нескольких задач. Для этого имеются специальные аппаратно-программные средства диспетчеризации , в том числе системы прерываний и защиты памяти.

Суть прерываний заключается в следующем.Процессор выполняет программу, пока не возникает событие, требующее ее приостановления и выполнения других действий (например, ввод данных с клавиатуры или с диска, требование от системы диспетчеризации на выполнение другой программы, запрос от внутреннего таймера на обновление текущего времени и т.д.). Процессору выставляется запрос на прерывание, то есть подается специальная команда INT n, где n – номер прерывания. Процессор на некоторое время прекращает выполнение текущей программы и занимается обслуживанием прерывания. Так как любые действия процессор может выполнять только по программе, то и обслуживание прерывания он тоже осуществляет путем выполнения специальной программы – обработчика прерывания . Каждое событие или устройство, требующие внимания процессора, имеют свой номер прерывания и соответственно программу-обработчик. Данные из регистров процессора (адрес выполняемой команды, ее код и операнды, значения флагов и др.) перемещаются в специально организованный участок памяти – стек командами процессора PUSH регистр . В освободившиеся регистры процессора заносится первая команда программы-обработчика прерывания и процессор, не замечая, что это новая программа, выполняет уже ее. Заканчивается выполнение программы-обработчика прерывания несколькими командами процессора POP регистр , извлекающими из стека в его регистры запомненную там информацию, после чего по команде IRET процессор возвращается из прерывания и снова продолжает выполнять ранее прерванную программу.

Сама программа-обработчик тоже может быть прервана, как и любая другая программа, новым прерыванием, то есть прерывания могут многократно “накладываться” одно на другое. В этом случае чаще всего прерывания “маскируются” (на них накладывается маска – ставится специальный признак). Они не обслуживаются немедленно, а становятся в очередь и обрабатываются поочередно, одно за другим. Есть прерывания, которые не маскируются и не имеют на это права. Например, прерывание от источника питания должно немедленно обрабатываться вне всякой очереди.

Каждый номер прерывания имеет указатель адреса начала его программы-обработчика. Эти указатели называются векторами прерываний . Они состоят из 4-х байт каждый и хранятся в начале оперативной памяти. В байтах вектора прерывания и указывается адрес первой команды программы-обработчика этого прерывания.

Следует подчеркнуть, что большинство векторов прерываний содержат именно адреса программ-обработчиков. Вместе с тем некоторые адреса указывают не на программы-обработчики, а на специальные таблицы с информацией. Так, вектор 1Fh указывает на таблицу – знакогенератор, содержащую битовые комбинации (шаблоны символов), используемые ROM BIOS при выводе на экран монитора символов текста, а прерывания 41h и 46h указывают на таблицу с параметрами жесткого диска (винчестера). Такие вектора прерываний используются для удобства доступа к нужной информации, а не для выполнения программы-обработчика.

Прерывания программируются на любом языке программирования высокого уровня .

Управление прерываниями осуществляет специальная микросхема– контроллер прерываний.

Идея прерываний была выдвинута и реализована для взаимодействия процессора с внешним миром. Однако оказалось, что прерывания весьма полезны и для внутренней работы компьютера. Это привело к разработке трех типов прерываний, которые получили названия аппаратных, логических и программных . Между ними принципиальной разницы нет, но источники у них разные.

Источники аппаратных прерываний – аппаратные средства. Например, запрос на прерывание выставляется при падении напряжения источника питания, нажатии клавиши на клавиатуре, приходе очередного импульса от счетчика времени, возникновении специального сигнала от накопителей на гибких и жестких магнитных дисках и др. Каждому устройству на системной шине выделена специальная отдельная линия запроса прерывания (не путать с номером прерывания). Например, с номером 7-прерывание от параллельного порта LPT1 , с номером 1-прерывание от контроллера клавиатуры, с номером 3-прерывание от последовательных портов COM2 и COM4 и т.д. Всего, например, на системной шине ISA имеется 15 линий. Когда устройство хочет “пообщаться” с процессором, оно по своей линии запроса прерывания выдает сигнал контроллеру прерываний, а он формирует команду INT n и посылает ее процессору.

Логические прерывания формируются самим процессором, когда он встречает какое-либо необычное для него условие, например, деление на нуль, шаговый режим работы, переполнение регистров при выполнении арифметических операций и т.д. В многозадачных операционных системах типа Windows процессор может генерировать прерывание при обращении к странице памяти, которая в данный момент отсутствует в основной памяти (прерывание отсутствия).

Наиболее интересная и самая обширная категория – программные прерывания. Они вырабатываются, когда одна программа хочет получить определенный сервис со стороны другой программы. Обычно это запросы программ к операционной системе для получения какого-либо сервиса.

Прерывания с номерами 0 31 обслуживаются программами базовой системы ввода-вывода BIOS . Они называются прерываниями нижнего уровня . Эти прерывания управляют непосредственно аппаратными средствами компьютера и недоступны пользователю. Прерывания с номерами свыше 32 относятся к более высокому уровню, и их обслуживание возлагается на операционную систему.

Почти каждая процедура, обслуживающая прерывание с заданным номером, выполняет несколько различных операций. Поэтому программа-обработчик содержит несколько ссылок на вторичные программы прерывания (как бы подпрограммы). Иногда их называют функциями (службами) и внутри каждого прерывания различают по номеру, то есть каждой функции, как и прерыванию, присваивается свой номер. Так, например, прерывание с номером 10h (управление видеосистемой) включает в себя более 60 различных функций и подфункций для поддержания того или иного режима работы экрана (текстовый, графический, с определенным разрешением и количеством цветов и т.д.). Выполнение функций осуществляется так: в один из регистров (чаще всего АН ) процессора заносится номер функции и вызывается содержащее ее прерывание.

В Windows 9x (NT) программные прерывания как таковые отсутствуют, хотя сам принцип работы процессора остается неизменным. Процессор, в силу мультизадачности этих систем, постоянно работает в режиме прерываний (одновременно работает несколько программ, но процессор-то только один!). Такой режим работы обеспечивает метод диспетчеризации, предоставляющий операционной системе возможность захвата CPU в любой момент времени, независимо от состояния работающих в данный момент приложений. Это позволяет Windows время работы процессора предоставлять приложениям поочередно, с перерывами, которые из-за большого быстродействия процессора пользователь не замечает.

Приложения же получают любой сервис от Windows при помощи интерфейса прикладного программирования API Win32, который содержит более 2000 различных функций и макросов . Доступ ко всем функциям API Win 32 осуществляется по имени, а не по номерам, как к прерываниям. Например, для удаления файла вместо функций 41h или 7141h прерывания INT 21h MS-DOS, используется функция API WIN32 с именем DeleteFile(). Для поддержания всеми приложениями длинных имен файлов, введенных в Windows, фирма Microsoft расширила набор функций прерывания MS-DOS INT 21h , которые полностью эквивалентны функциям API WIN32 . Для того чтобы обратиться к любой функции, программист в тексте попросту использует ее имя. Так, для вызова функции MessageBox() в выполняемый файл при компоновке программы будет включена ссылка на точку входа номер 1 модуля User . Вызов приложением функции LineTo() будет заменен ссылкой на точку входа номер 19 модуля GDI (оба модуля являются ядром Windows). Во время загрузки программы в память Windows заменит эти ссылки адресами, по которым находятся указанные программы-функции. Любой модуль, предоставляющий подобные ссылки при компоновке, называется динамически компонуемой библиотекой (DLL ). Каждая DLL декларирует набор точек входа, которые соответствуют внешним ссылкам. Бóльшая часть Windows представляет собой совокупность DLL , которые используются для взаимодействия между различными компонентами.

Приложения MS-DOS, работающие под управлением Windows, по-прежнему используют прерывания, в частности 21h, включающее всевозможные функции, обеспечивающие услуги MS-DOS. Специальный модуль Windows преобразует эти прерывания в функции интерфейса API WIN32, которые фактически и выполняются.

Работа современных компьютеров без системы прерываний немыслима.

Защита памяти. Память адресуется сегментами и смещениями внутри сегмента. Возникновение сегментов связано с внутренней структурой процессоров фирмы Intel , в которых под адресацию памяти выделяются два регистра: в одном хранится адрес сегмента, а в другом – смещение внутри сегмента от его начала, например, 0040:0017. Сегментом является участок памяти. При 32-х разрядных регистрах процессора сегмент составляет около 4 Гбайт. Встроенный менеджер памяти за счет использования виртуальной памяти позволяет работать программам так, как будто имеется до 16536 сегментов доступных каждой задаче. В защищенном режиме работы процессора (основной режим работы современных процессоров) сегментный адрес является селектором (индексом-указателем) на дескриптор истинного адреса сег-

Мента (рис. 11). Дескрипторы группируются либо в частную для процесса локальную таблицу описателей (LDT ), либо в глобальную (GDT ), которая используется совместно с различными процессами .

Таблицы дескрипторов хранятся в ОЗУ, а информация об их местонахождении хранится в регистрах CPU специ-

Рис. 11 ального назначения. Каждый генерируемый CPU адрес включает селектор, который указывает, какую таблицу дескрипторов следует использовать и порядковый номер дескриптора в этой таблице. Позиции таблицы имеют длину в 8 байт. В каждой позиции хранится дескриптор – истинный адрес сегмента и его описание: пустой сегмент, хранит программу, хранит данные, используется только для чтения, уровень доступа к нему или привилегию.

От несанкционированного доступа к данным в многозадачном режиме защита осуществляется как раз с помощью системы привилегий, регламентирующих доступ к тому или иному сегменту памяти в зависимости от уровня его защищенности и степени важности. Уровни привилегии задаются номерами от 0 до 3. Наиболее защищенная область памяти, отводимая под ядро операционной системы, имеет уровень 0. При обращении программы к сегментам программ или данных в защищенном режиме работы процессора происходит проверка уровня привилегии и в случае, если этот уровень недостаточен, происходит прерывание.

В современных персональных компьютерах центральное устройство управления, АЛУ и ПЗУ процессора объединены в одной микросхеме, которая называется центральный микропроцессор (CPU ). Для краткости в дальнейшем будем называть его просто процессор. Ведущие мировые фирмы по производству микропроцессоров это, прежде всего, INTEL (INTegrated Elec-tronics), AMD (Advanced Micro Devices), CYRIX, Chips and Technologies и др.

Следует заметить, что обмен данными центральный процессор может осуществлять только с оперативной памятью. Любые другие устройства по отношению к процессору будут внешними. Поэтому данные для обработки с внешних устройств должны быть перемещены в оперативную память. Процесс перемещения с внешних устройств в ОЗУ данных и программ для выполнения, называется загрузкой. Почти во всех компьютерах имеется канал прямого доступа к памяти (DMA ) – аппаратный интерфейс, позволяющий устройству передавать информацию в оперативную память и получать ее из памяти без участия центрального процессора, но не все устройства могут его использовать. Поэтому процесс загрузки данных в память может отнимать время у процессора, который вынужден приостанавливать свою работу и осуществлять операции обмена данными.

Многие быстродействующие компьютеры выполняют параллельную обработку данных на нескольких процессорах. Тем не менее, большинство из них в основных чертах соответствуют принципам, изложенным Джоном фон Нейманом.

Единицы измерения.

Многие интересуются компьютером, его программами и прочими принадлежностями компьютера, но мало кто задумывался о том, что все файлы в виде картинок, видео, музыки хранятся на компьютере за счёт его памяти. А происходит это так: На компьютере должен быть накопитель (HDD-диск, flash-диск и т.д.) - это раз. Память у компьютера не бесконечная, так что файл не должен превышать размера свободной памяти накопителя. В недалёком прошлом память ПК хранилась на дисках, которые были способны запомнить текст меньше данного, но при этом они были размером с комнату, а теперь компьютер с коробку способен запомнить сотни тысяч таких текстов, а то и больше.

Поясним это всё на языке информатики:

Память - в информатике - способность объекта обеспечивать хранение данных. Хранение осуществляется в запоминающих устройствах.

Адрес - число, которое идентифицирует отдельные части памяти (ячейки) и регистры.

Ассоциативная память - в информатике - безадресная память, в которой поиск информации производится по ее содержанию (ассоциативному признаку).

Бит - минимальная единица измерения количества передаваемой или хранимой информации, соответствующая одному двоичному разряду, способному принимать значений 0 или 1.

Байт - в запоминающих устройствах - наименьшая адресуемая единица данных в памяти ЭВМ обрабатываемая как единое целое. По умолчанию байт считается равным 8 битам. Обычно в системах кодирования данных байт представляет собой код одного печатного или управляющего символа.

Байт - в измерении информации - единица измерения количества информации, объема памяти и емкости запоминающего устройства и основа производных единиц: -

1 байт = 8 бит,

1 килобайт = 1024 байт,

1 мегабайт = 1024 Кбайт,

1 гигабайт = 1024 Мбайт,

1 терабайт = 1024 Гбайт,

1 петабайт = 1024 Тбайт.

В сети интернет есть и такое понятие как скорость подключения. Она измеряется не в байтах, а в битах. Т.е. загрузка данных происходит (в эталонных условиях) на скорости в 8 раз меньше, чем скорость подключения к узлу. (поскольку в 1 байте 8 бит)

Пример: реальная пропускная способность канала связи 1Мбит\сек., т.е. 1024Кбит\сек. Соответственно, максимальная скорость загрузки данных через такую полосу пропускания = 1024/8 → 128Кбайт\сек. При таком подключении файл размером в 10 Мбайт будет загружаться 10/0.128 = 80 секунд

Принципы работы ПК

Рассмотрим принцип работы персонального компьютера

Строение компьютера чем-то напоминает строение человека. Процессор, оперативная память и жесткий диск выполняют функции мозга; материнская плата и чипсет - это кровеносная и нервная системы; клавиатура, мышь, микрофон, сканер и веб-камера (устройства ввода) схожи с человеческим зрением, слухом и прочими функциями ощущения окружающего мира; монитор и принтер (устройства вывода) - это что-то типа языка. С технической стороны принцип можно описать следующим способом:

Появился некий объем информации. Устройство, получившее информацию, обрабатывает ее и готовит к отправке, используя общий протокол. Такое устройство можно назвать передатчик. Затем, еще одно устройство, предназначенное для передачи данных, передает подготовленную информацию. Приемник или, как Вы поняли уже, устройство принимающее информацию считало данные, используя тот же самый протокол и, исходя из некоторой информации, которая была заложена ранее, приняло решение. В виде ответа, эти данные были отправлены обратно, используя то же устройство передачи информации. Вот так вот, примерно и работают устройства компьютера между собой: постоянно что-то обрабатывают и обмениваются данными, используя общие протоколы, оговаривающие, как эти данные передавать и принимать.

Вся информация хранится на жестком диске. Когда Вы включаете компьютер, то часть данных, необходимых для нормального функционирования системы, загружается в оперативную память (ОЗУ - оперативное запоминающее устройство). Кроме того, туда же могут отправлять свои данные и другие устройства в процессе работы компьютера. За обработку данных отвечает процессор (ЦП - центральный процессор). Информация поступает в ЦП из ОЗУ, и после обработки туда же и возвращается. А потом уж она может быть отправлена адресату, то бишь устройству, которое эти данные и отправило в оперативную память для последующей обработки (правда так происходит не всегда, но об этом много позже). Если Вам понадобилось информацию сохранить надолго, то Вы «сбрасываете» ее на жесткий диск, так как ОЗУ может хранить данные только при условии, что к нему постоянно подается электропитание. Если какому-нибудь устройству вдруг захотелось, чтобы ЦП обработал для него что-либо, то для начала необходимо подготовить данные затем, отправив их в память, сообщить процессору, что данные эти надо обработать. Подождать, а потом может быть (в зависимости от поставленной задачи) получить обработанные данные обратно, а может и какому другому устройству их отправить. Устройств много, а процессор один и на всех их его сразу не хватает. Что делать? Очень просто - вставать в очередь и ждать. Существует иерархия среди устройств. Кому-то ЦП обработает данные сразу, а кому-то придется ждать до второго пришествия.

Понятно, что пользователь должен наблюдать за неким результатом своей работы. Вот для этого предназначен монитор, данные для которого готовит видеокарта (кстати, именно это устройство может обратиться к ЦП в обход ОЗУ).

Например: Вы запустили MS Word и нажали на какую-нибудь клавишу, скажем [G]. На экране, в текстовом поле появилась буква и что не мало важно, это буковка G. Что произошло? Во-первых, Вы, запустив программу MS Word, отдали ей управление компьютером (который находится еще и под управлением операционной системой). Во-вторых, нажав на клавишу [G], заставили мини-процессор клавиатуры послать код этой клавиши в компьютер. В-третьих, процессор, обработав команду и данные, которые были подготовлены программой, отправил их к видеокарте. В-четвертых, видеокарта, получив команду и данные и обработав их по-своему, отправила все в монитор, а тот, в свою очередь вывел то, что было приказано. Все. На экране Вы наблюдаете букву G. Из последнего примера можно сделать вывод, что компьютер это не только его аппаратная часть (hardware), но и программная часть тоже (software). То есть одно от другого не отделимо. Более того, скажу Вам - любое устройство компьютера имеет собственную программу управления, которая называется драйвер (driver). Без таких программ большинство устройств компьютера работать не будет. Общее управление над компьютером берет на себя операционная система (ОС). К слову сказать, это самое слабое место современного ПК. Вообще, следует отметить, что все ПК работают по фон-неймановским принципам программного управления. Венгр по национальности Джон фон Нейман в 1930 году эмигрировал в США, где в 1945 году разработал принципы программного управления ЭВМ. И до сих пор мир информационных технологий пользуется этими правилами (хоть и не самыми удобными и имеющими свои недостатки), так как никто ничего другого толком предложить не может (есть и не фоннеймовские компьютеры, но они пока обладают еще большими недостатками). Вот в чем заключаются эти правила:

1. Принцип двоичного кодирования. Это означает, что вся информация в компьютере передается и хранится в двоичном виде.

2. Принцип программного управления. Тут речь идет о том, что программа представляет собой набор команд, которые процессор выполняет автоматически и в определенной последовательности.

3. Принцип однородности памяти. Разнотипная информация различается по способу использования, а не по способу кодирования.

4. Принцип адресности. Информация размещается в ячейках памяти, которые имеют точный адрес. Зная адрес, ЦП может получить доступ к нужной информации в любой момент времени.

Устройство ПК

Разобьем части компьютера на четыре основные группы:

· Системный блок:

Системный блок, основная часть компьютера, где происходят все вычислительные процессы. Системный блок достаточно сложен и состоит из различных компонентов. Эти компоненты мы рассмотрим позже.

· Периферийные устройства:

Периферийные устройства – устройство конструктивно отделенные от системного блока. Устройства, имеющие собственное управление и работающие по командам системного блока. Служат для внешней обработки данных. К периферийным устройствам можно отнести принтеры, сканеры, модемы, внешние запоминающие устройства.

· Средства манипулирования:

Средства манипуляции: клавиатура, мышь, игровой джойстик. Все те устройства с помощью, которых мы «говорим» компьютеру что делать, какие вычислительные процессы запускать в настоящий момент.

· Средства отображения:

Средства отображения это, прежде всего монитор. Все информация о работе компьютера выводиться именно на монитор. Монитор позволяет отслеживать, что происходит в компьютере в данное время, каким вычислительным процессом занят компьютер.

Устройство системного блока:

· Материнская плата – основная часть системного блока, к которой подключены все устройства системного блока. Через материнскую плату происходит общение устройств системного блока между собой, обмен информацией, питание электроэнергией. Чем быстрей шины(каналы связи устройств) материнской платы, тем быстрей происходит общение устройств между собой, тем быстрее работает компьютер.

· Процессор – мозг системного блока, выполняет логические операции. От его скорости, частоты во многом зависит быстродействие компьютера и вся его архитектура.

· Оперативная память – память для временного хранения данных в компьютере, используется только, когда компьютер работает. От объема и скорости оперативной памяти зависит быстродействие компьютера.

· Жесткий диск – служит для длительного хранение информации, на нем расположены программы необходимые для работы компьютера (Windows, Office, Internet Explorer.) и файлы пользователя (Почтовые файлы, если используется почтовый клиент, видео, музыка, картинки).

· Видеокарта – плата внутри системного блока, предназначенная для связи системного блока и монитора, передает изображение на монитор и берет часть вычислений на себя по подготовке изображения для монитора. От видеокарты зависит качество изображения. Видеокарта имеет свою встроенную оперативную память и свой процессор по обработке изображения. Чем выше частота работы процессора видеокарты и чем больше память видеокарты, тем в более крутые (позже выпушенные) игры вы сможете играть на своем компьютере.

· Звуковая карта – предназначена для подготовки звуковых сигналов, воспроизводимых колонками. Звуковая карта обычно встроена в материнскую плату, но бывает и конструктивно отделена и подключена через шину.

· Сетевая карта – плата, устройство, устанавливается в материнскую плату или встроено в нее. Сетевая карта служит для соединения компьютера с другими компьютерами по локальной сети или для подключения к сети Интернет.

· CD/DVD-ROM – устройство для чтения/записи компакт-дисков, CD-дисков, DVD-дисков. Эти устройства отличаются скоростью считывания или записи информации, а также возможность чтения/записи различных носителей. Сейчас трудно встретить в продаже, что-нибудь, кроме как всеядных CD-ROMов. Современные CD-ROMы способны читать и записывать как CD, так и DVD различной емкости.

· Дисковод – устройство, предназначенное для чтения/записи информации на дискеты. В современных компьютерах устанавливается редко. В место дисководах в современных компьютерах устанавливают картридер.

· Картридер – устройство для чтения/записи информации на карты памяти. Картридеры отличаются по скоростным характеристикам чтения/записи информации. Картридеры бывают встроенными в системный блок или конструктивно независимые, подключаемые к системному блоку через USB-порт.

· Порты компьютера – разъемы на системном блоке, предназначенные для подключения периферийных устройств, устройств манипуляторов и устройств отображения. Подробно о разъемах говорить не будем, просто перечислим некоторые из них: USB, VGA, Разъем питания, COM-порт, Ethernet-порт, Стандартный разъем для вывода звука и т.д.

· Блок питания – блок, который питает все устройства внутри компьютера. Блоки питания отличаются по мощности. Чем мощнее блок питания, тем большую нагрузку он может «держать»

· Кулеры – вентиляторы, предназначенные для воздушного охлаждения. Обычно кулеры установлены внутри блока питания, на процессоре, на видеокарте. Дополнительный кулер может быть установлен на системном блоке, для охлаждения всего блока.

· Радиаторы – металлические пластины, устанавливаются для отвода тепла с процессоров в системном блоке. Обычно радиаторы охлаждаются кулерами, но не всегда.

Основные периферийные устройства ПК:

К основным периферийным устройствам компьютера можно отнести принтер и сканер. Принтер предназначен для вывода информации с компьютера на бумагу. Принтеры можно поделить на лазерные и струйные.

· Струйные принтеры печатают на бумаге с помощью краски, которую берут из картриджей. Принтеры могут комплектоваться различным количеством картриджей, все зависит от модели. Струйные принтеры, как правило, цветные. Есть струйные принтеры, которые могут печатать фотографии. Некоторые фото-принтеры можно подключать к фотоаппарату/телефону напрямую, в обход компьютера. Недостаток струйных принтеров – дорогая печать, чернила с бумаги обычно смываются водой.

· Лазерные принтеры бывают цветными и черно-белыми. Лазерные принтеры печатают с помощью лазерного луча. Лазерный луч запекает на бумаге тонер, который попадает из картриджа на бумагу. Лазерные принтеры отличаются скоростью печати, числом печати листов в минуту. Как правило, лазерные принтеры стоят в офисах, т.к. имеют высокую скорость печати и не дорогой по себестоимости отпечатанный лист. Как и струйные принтеры, лазерные принтеры имею картриджи. Эти картриджи заправлены тонером (порошком).

· Сканер – устройство для сканирования документов, фотографий и даже фото-негативов. Самый распространенный вид сканеров – планшетный. Разные сканеры имеют различную скорость сканирования. Также сканеры можно поделить по тому расширению, которое они поддерживают при сканировании. В некоторые сканеры устанавливается специальное устройство для сканирования негативов. Сканер обычно подключен к компьютеру через порт USB.

· Многофункциональные устройства – принтер/сканер/копир(ксерокс) в одном устройстве. Совмещают в себе все вышеперечисленные функции. Отличительная черта таких устройств, возможность их использования как копира, в обход компьютера. Такие комбинированные устройства могут быть как струйные, так и лазерные.

· Графический планшет – устройство для ручного ввода графической информации, изображений путем перемещения по планшету специального указателя (пера); при перемещении пера автоматически выполняются считывание координат его местоположения и ввод этих координат в ПК

Средства манипулирования:

· Клавиатура и мышь - вот основные средства манипулирования, управления компьютером. Также к средствам манипулирования можно отнести различные джойстики, рули с педалями, штурвалы, но они предназначены в основном для управления игровым процессом. Здесь можно отметить, что не все выпускаемые игры могут корректно использовать или вообще использовать тот или иной игровой манипулятор.

DDR SDRAM

По сравнению с обычной памятью типа SDRAM, с удвоенной скоростью передачи данных была вдвое увеличена пропускная способность. (Первоначально память такого типа применялась в видеоплатах, но позднее появилась поддержка DDR SDRAM со стороны чипсетов.)

Для справки: память DDR SDRAM работает на частотах в 100, 133, 166 и 200 МГц, её время полного доступа - 30 и 22,5 нс, а время рабочего цикла - 5, 3,75, 3 и 2,5 нс. Примеры обозначения модулей памяти: DDR200, DDR266, DDR333, DDR400

DDR2 SDRAM

Конструктивно новый тип оперативной памяти DDR2 SDRAM был выпущен в 2004 году. Основываясь на технологии DDR SDRAM, этот тип памяти за счёт технических изменений показывает более высокое быстродействие и предназначен для использования на современных компьютерах.

Для справки: память может работать с тактовой частотой шины 200, 266, 333, 337, 400, 533, 575 и 600 МГц. При этом эффективная частота передачи данных соответственно будет 400, 533, 667, 675, 800, 1066, 1150 и 1200 МГц. Некоторые производители модулей памяти помимо стандартных частот выпускают и образцы, работающие на нестандартных (промежуточных) частотах. Они предназначены для использования в разогнанных системах, где требуется запас по частоте. Время полного доступа - 25, 11,25, 9, 7,5 нс и менее. Время рабочего цикла - от 5 до 1,67 нс.

DDR3 SDRAM

Этот тип памяти основан на технологиях DDR2 SDRAM со вдвое увеличенной частотой передачи данных по шине памяти. Отличается пониженным энергопотреблением по сравнению с предшественниками. Частота полосы пропускания лежит в пределах от 800 до 2400 МГц (рекорд частоты - более 3000 МГц), что обеспечивает большую пропускную способность по сравнению со всеми предшественниками.

Конструктивные исполнения памяти DRAM

Память типа DRAM конструктивно выполняют и в виде отдельных микросхем в корпусах типа DIP, SOIC, BGA и в виде модулей памяти типа SIPP SIMM, DIMM, RIMM (для разъемов PCI системных блоков)

На рисунке снизу корпуса изображены: сверху вниз: DIP, SIPP, SIMM (30-контактный), SIMM (72-контактный), DIMM (168-контактный), DIMM (184-контактный, DDR)

Для примера предоставлены корпусные исполнения плат оперативной памяти, использующихся в современных ноутбуках:

Жесткий диск.

Накопитель на жёстких магнитных дисках или НЖМД (англ. hard (magnetic) disk drive, HDD, HMDD), жёсткий диск, в компьютерном сленге «винчестер», «винт», «хард», «харддиск» - устройство хранения информации, основанное на принципе магнитной записи. Является основным накопителем данных в большинстве компьютеров.

В отличие от «гибкого» диска (дискеты), информация в НЖМД записывается на жёсткие (алюминиевые или стеклянные) пластины, покрытые слоем ферромагнитного материала, чаще всего двуокиси хрома. В НЖМД используется одна или несколько пластин на одной оси. Считывающие головки в рабочем режиме не касаются поверхности пластин благодаря прослойке набегающего потока воздуха, образующейся у поверхности при быстром вращении. Расстояние между головкой и диском составляет несколько нанометров (в современных дисках около 10 нм), а отсутствие механического контакта обеспечивает долгий срок службы устройства. При отсутствии вращения дисков головки находятся у шпинделя или за пределами диска в безопасной зоне, где исключён их нештатный контакт с поверхностью дисков.

Также, в отличие от гибкого диска, носитель информации совмещён с накопителем, приводом и блоком электроники и (в персональных компьютерах в подавляющем количестве случаев) обычно установлен внутри системного блока компьютера.

Основные характеристики

Интерфейс (англ. interface) - совокупность линий связи, сигналов, посылаемых по этим линиям, технических средств, поддерживающих эти линии, и правил (протокола) обмена. Серийно выпускаемые внутренние жёсткие диски могут использовать интерфейсы ATA (он же IDE и PATA), SATA, eSATA, SCSI, SAS, FireWire, SDIO и Fibre Channel.

Ёмкость (англ. capacity) - количество данных, которые могут храниться накопителем. С момента создания первых жёстких дисков в результате непрерывного совершенствования технологии записи данных их максимально возможная ёмкость непрерывно увеличивается.

Физический размер (форм-фактор) (англ. dimension). Почти все современные накопители для персональных компьютеров и серверов имеют ширину либо 3,5, либо 2,5 дюйма - под размер стандартных креплений для них соответственно в настольных компьютерах и ноутбуках. Также получили распространение форматы 1,8 дюйма, 1,3 дюйма, 1 дюйм и 0,85 дюйма. Прекращено производство накопителей в форм-факторах 8 и 5,25 дюймов.

Внешний HDD накопитель

Внешний HDD накопитель представляет собой обычный жесткий диск, помещенный в корпус и имеющий USB или FireWire выход для подключения к компьютеру или другому устройству, с которым необходимо обменяться данными. Внешние usb-винчестеры стали популярны в 2000 годы, благодаря всеобщей “мобилизации”. Портативные жесткие диски различаются, в первую очередь, объемом и скоростью работы.

Практически, внешние USB HDD накопители имеют точно такие же объемы, что и обычные, так что сейчас можно купить внешний HDD объемом до 1 Тб. В настоящее время внешние винчестеры производят более 30 компаний по всему миру.

Сетевые адаптеры.

Проводные сетевые контроллеры

Сетевая плата , также известная как сетевая карта, сетевой адаптер, Ethernet-адаптер, NIC (англ. network interface card) - периферийное устройство, позволяющее компьютеру взаимодействовать с другими устройствами сети. В настоящее время, особенно в персональных компьютерах, сетевые платы довольно часто интегрированы в материнские платы для удобства и удешевления всего компьютера в целом.

Типы сетевых плат:

внутренние - отдельные платы, вставляющиеся в ISA, PCI или PCI-E слот;

внешние , подключающиеся через USB или PCMCIA интерфейс, ранее преимущественно использующиеся в ноутбуках;

встроенные в материнскую плату.
На 10-мегабитных сетевых платах для подключения к локальной сети используются 4 типа разъёмов:

· 8P8C для витой пары;

· BNC-коннектор для тонкого коаксиального кабеля;

· 15-контактный разъем AUI трансивера для толкстого коаксиального кабеля.

· Оптический разъем (en:10BASE-EL и другие стандарты 10 Мбит Ethernet)

Эти разъёмы могут присутствовать в разных комбинациях, иногда даже все три сразу, но в любой данный момент работает только один из них.

На 100-мегабитных платах устанавливают либо разъём для витой пары (8P8C, он же RJ-45), либо оптический разъем (SC, ST, MIC). Рядом с разъёмом для витой пары устанавливают один или несколько информационных светодиодов сообщающих о наличии подключения и передаче информации. Так как наши сети в рамках подъезда построены по технологии Fast Ethernet - сетевая карта должна поддерживать разъем 8P8C .

Принято разделять несколько поколений сетевых контроллеров. Выпускаемые сегодня сетевые адаптеры можно отнести к четвертому поколению. В эти адаптеры обязательно входит ASIC, выполняющая функции MAC-уровня (англ. MAC-PHY), скорость развита до 1 Гбит/сек, а также есть большое количество высокоуровневых функций. В набор таких функций может входить поддержка агента удаленного мониторинга RMON, схема приоритезации кадров, функции дистанционного управления компьютером и т. п. В серверных вариантах адаптеров почти обязательно наличие мощного процессора, разгружающего центральный процессор.

Беспроводные сетевые контроллеры

WI-FI - это технология, позволяющая создавать вычислительные сети полностью соответствующие стандартам для обычных проводных сетей (например, Ethernet), без использования кабельной проводки. В качестве среды передачи в таких сетях выступают радиоволны 2.4 и 5 ГГц

Беспроводной сетевой контроллер . Как можно понять, это адаптер, который подключает ваш компьютер к беспроводной сети.

Wi-Fi контроллеры бывают нескольких типов:

· Встроенные. Уже встроены в материнскую плату. Чаще всего используются в ноутбуках или КПК. Как правило, демонтировать из компьютера встроенный контроллер нельзя, но можно отключить и использовать вместо него другой. Большая часть современных ноутбуков оборудованы встроенными контроллерами Wi-Fi. Стоит выделить массово производящиеся контроллеры, построенные на чипах: Atheros , Broadcom , VIA , Realtek .

Внутренние с интерфейсом PCI. Пожалуй, один из самых распространённых типов сетевых контроллеров для персональных компьютеров. Как правило, эти сетевые карты имеют один светодиод, индикатор работы и гнездо для антенны. Платы могут поставляться с разными типами антенн: штырьковой, которая устанавливается непосредственно на планку адаптера и выносной.

Внутренние с интерфейсом PCMCIA. Наиболее удобный способ добавить поддержку беспроводной сети в ноутбук, по умолчанию не оборудованный такой поддержкой. Имеют встроенную антенну, компактны и просты в настройке. Существуют так же адаптеры со складными большими антеннами, обеспечивающими повышенный радиус действия беспроводной сети.

Внешние USB контроллеры с интерфейсом USB. Это самый универсальный тип контроллеров и самый удобный. Вы можете использовать USB-контроллер как с ноутбуком, так и с персональным компьютером. Особенно актуален данный тип контроллеров для владельцев компьютеров формата SFF, таких как Shuttle XPC. Такие контроллеры удобно носить с собой и их можно брать в поездку или наоборот - держать дома или в офисе как запасные, на тот случай если к вам пожалуют гости с ноутбуками без Wi-Fi контроллеров, но которым позарез нужен интернет на их машинах.

Основы информационных сетей

Понятие компьютерной сети

Начнём с определения компьютерной сети.

Компьютерная сеть-- два или более соединённых средой передачи (например, сетевым кабелем) компьютеров. Главная функция сети – предоставление возможности обмена информацией между пользователями сети.

В эту же концепцию укладывается принцип разделения ресурсов, когда пользователь сети может получить доступ к информации, программе или устройству, находящимся на другом компьютере. Например, пользователи сети могут работать с сетевыми программами и с файлами на удалённом компьютере или печатать на принтере, который физически подключён к какому-либо компьютеру в сети. Для реализации сетевого доступа к ресурсам, программы, файлы или принтеры должны быть предоставлены в совместный доступ.

Эволюция сетей

Первые многотерминальные системыпоявились ещё в начале 60-х годов, как способ организации вычислительной работы пользователей. Принцип работы многотерминальных систем состоит в разделении вычислительных ресурсов одного мощного компьютера между некоторым количеством пользователей. Терминалы осуществляют лишь вывод информации на дисплей и обеспечивают ввод с клавиатуры. Всю вычислительную нагрузку принимает на себя большой и мощный компьютер. В роли таких компьютеров в 60-х годах выступали мэйнфреймы IBM – мощные и надёжные компьютеры универсального назначения.

WAN (глобальные сети)

Первые глобальные сети(Wide Area Network - WAN) появились в результате решения проблемы доступа терминала к центральному компьютеру, удалённому от него на большое расстояние, порядка сотен километров. А для того, чтобы связать друг с другом центральные компьютеры, был разработан тип связи «компьютер-компьютер». Появилась возможность доступа с терминала к ресурсам нескольких больших компьютеров класса суперЭВМ. С помощью типа связи «компьютер-компьютер» были реализованы некоторые сетевые службы, например, служба обмена файлами, электронная почта и другие.

LAN (локальные сети)

Первые локальные сети(Local Area Network - LAN) появились в начале 70-х годов в результате технологического прорыва в области электроники – появились большие интегральные схемы. На смену большим компьютерам пришли мини-компьютеры, которые были значительно дешевле, а по производительности не уступали мэйнфреймам. Таким образом, каждый отдел предприятия получал возможность установить собственную многотерминальную систему. А для того, чтобы соединить системы отделов в единую сеть предприятия использовались различные нестандартные устройства сопряжения.

Стандартные локальные сети

Следующий шаг в эволюции вычислительных сетей – это появление первых персональных компьютеров (ПК). Именно появление ПК дало толчок к стандартизации технологий локальных сетей. В середине 80-х годов появились такие стандарты, как Ethernet, Arcnet, Token Ring. Благодаря стандартам, процесс развёртывания локальных сетей стал проще. Для развёртывания сети достаточно установить стандартные сетевые адаптеры, например, Ethernet, соединить их стандартным кабелем, с помощью стандартных разъёмов, и установить на компьютер операционную систему (ОС) с поддержкой стандартных сетевых протоколов.

Классификация сетей

LAN (Local Area Networks – локальные сети)-- сети, соединяющие между собой компьютеры в пределах одного или нескольких рядом стоящих зданий.

Отличительная особенность локальных сетей – применение высокоскоростных высоконадежных сред передачи, таких как коаксиальный кабель или витая пара. Расстояния, покрываемые локальными сетями, обычно не превышают нескольких километров.

WAN (Wide Area Networks – глобальные сети)-- сети, соединяющие между собой компьютеры или локальные сети, отстоящие друг от друга на большие расстояния. Глобальные сети могут объединять разные города, страны и даже континенты. Примером глобальной сети может служить всемирная сеть Интернет. Отличительная особенность глобальных сетей – применение самых различных технологий передачи данных, в том числе по линиям невысокого качества. Этим обусловлено применение в глобальных сетях высоконадежных протоколов, могущих гарантировать доставку данных без потерь и искажений. Кроме того, скорости передачи данных в глобальных сетях, как правило, значительно ниже по сравнению с локальными сетями.

MAN (Metropolitan Area Networks – региональныесети). Данный класс не всегда принято выделять как отдельный при классификации сетей. Под ним подразумеваются сети, покрывающие расстояния до сотен километров. Как правило, они объединяют локальные сети единого административного подчинения. Обычно транспортную основу таких сетей образуют высокоскоростные сети, использующие в качестве среды передачи оптоволокно.

Логическая топология сети «ЭР-Телеком»

Структура кабельной сети «ЭР-Телеком» предполагает четыре уровня. Три первых – оптические: магистральный (уровень города), субмагистральный (уровень кампуса) и домовые вводы (уровень мини-кампуса). Четвертый уровень – электрический (домовые распределительные сети). Магистральный уровень объединяет центральную головную станцию с подголовными станциями. В настоящее время магистральный уровень имеет топологию «звезда». Субмагистральный уровень соединяет Подголовные станции (ПГС) с миникампусными узлами. Вся внутрикампусная разводка выполняется четырехжильным оптическим кабелем. Две жилы используются для нужд кабельного телевидения, две – для нужд Интернет. На каждом доме ставится оптический ответвитель, который производит деление оптического сигнала в процентном соотношении. Топология субмагистрального уровня представляет собой оптическое кольцо. Каждый миникампусный узел обслуживает 24 дома, включенных по оптике. Такая схема позволяет охватывать максимальное количество домов. Используемая «ЭР-Телеком» кольцевая топология подключения позволяет, во-первых, повысить экономическую эффективность строительства сетей. Подключение по кольцу экономит кабель. Во-вторых, сводится к минимуму использование коаксиального кабеля при внешней прокладке между домами. Кольцевая схема включения миникампусных узлов предусматривает резервирование оптики для подачи телевизионного сигнала. Таким образом, при разрыве оптического кольца предусмотрено переключение оптического сигнала по обратному направлению. Что в разы повышает надежность работы сети.

ШИНА

В сетях с топологией «Шина»компьютеры подключаются к одному кабелю. Информация может распространяться по кабелю в обе стороны. Преимущества сетей с топологией «Шина» – дешевизна и простота разводки кабеля. Кабель подключается к сетевой плате компьютера с помощью специального Т-образного разъёма.

Недостатки – низкая надежность (при любом дефекте кабельной системы выходит из строя вся сеть) и низкая производительность, т.к. в определённый момент времени может передавать только один компьютер.

ЗВЕЗДА

В сетях с топологией «Звезда»компьютеры подключаются к центральному концентратору (хабу), который служит для передачи информацию с одного своего порта на все остальные. Преимущества – более высокая отказоустойчивость, так как только выход из строя концентратора может привести к останову сети. Кроме того, некоторые модели концентраторов могут выступать в роли интеллектуальных фильтров, которые управляют потоком информации или блокируют запрещённые администратором передачи. Недостатки – дополнительные расходы на оборудование и монтаж сети.

КОЛЬЦО

В сетях с кольцевой топологиейкомпьютеры подключаются последовательно, замыкая кольцо. Информация циркулирует по кольцу в одном направлении. Сети с кольцевой топологией предоставляют удобную возможность контроля отправителем правильности приёма сообщения, т.к. данные, сделав оборот, вернутся к отправителю. К недостаткам подобных сетей относится сложность алгоритмов контроля и восстановления целостности кольца.