Общие сведения

• Компьютер - программируемое электронное устройство, способное хранить, передавать и обрабатывать данные.
• Для выполнения своей работы компьютер использует следующие средства:
 Hardware  -  технические средства, то есть аппаратура компьютеров (буквально переводится как "твёрдые изделия").
 Software  -  программные средства (буквально — "мягкие изделия").
 Brainware -  интеллектуальные средства, т.е. программы, позволяющие создавать новые программы.
• Компьютер определяется  структурой, архитектурой и конфигурацией.
• Структура компьютера целиком определяется теми функциями, которые он выполняет и состоит из трех функциональных компонентов: процессора, памяти и внешних устройств (ВУ).
• Архитектура компьютера - это логическая организация  всех средств компьютера, участвующих в обработке данных:  ресурсы, система команд, система адресации, организация памяти, соединение узлов компьютера и т.п.
• Конфигурация компьютера  – способ соединения его функциональных компонентов. 
• Стандартная конфигурация современного настольного ПК представляет собой совокупность трех блоков:  монитор, клавиатура, системный блок.
• Системный блок включает в себя:   
 системную или материнскую плату
 общую  шину;
 блок питания;
 дисководы  (накопители)Ж
 разъемы для ВУ.
• На материнской плате размещены:
1. центральный процессор
2. ОЗУ
3. ПЗУ
4. кэш-память и видео-память
5. генератор тактовых импульсов
6. таймер.

Основные принципы построения и работы компьютера

Принципы фон Неймана

 Разработаны еще в 1945 году, но даже современные компьютеры работают на этих принципах.
 Принцип программного управления:
 Компьютер работает только под управлением программы
 Процессором выполняет команды последовательно друг за другом.
 У каждого типа компьютера свой набор машинных команд.
 Любая программа на любом языке программирования не может быть выполнена процессором до тех пор, пока не будет переведена на язык машинных команд конкретного компьютера.
 Эта процедура называется трансляцией.
 Принцип однородности памяти:  программы и данные хранятся в одной и той же оперативной памяти.
 Принцип адресности: основная память состоит из нумерованных ячеек и процессору в любой момент времени доступна любая ячейка.

Магистрально-модульный принцип построения компьютера.

Центральный
процессор    Память

Шина данных            
Шина адреса                       Центральная магистраль   (системная шина)
Шина управления     

       
Контроллеры (адаптеры) внешних устройств

Монитор Принтер Мышь …….. Сканер

 Все блоки ПК подсоединены к системной шине, т.е. многопроводной линии с гнездами для подключения интегральных схем.
 По шине данных передаются данные, которые должны обрабатываться текущей командой.
 По шине адреса – адреса данных и программ обработки.
 По шине управления - информация о том, какой именно обработке надо подвергнуть передаваемые данные.
 Шины характеризуются своей разрядностью - количеством бит информации, передаваемое одновременно от одного устройства к другому (сейчас 64-128 бит), что физически означает количество проводов шины.
 Контроллеры предназначены для согласования интерфейсов различных устройств и их подключение осуществляется примерно по такой схеме:

 Порт – это линия подключения к шине (в просторечии разъем)
 Параллельные порты (LPT1-LPT3) используются для подключения устройств передачи  большого объема данных на близкое расстояние (принтер, сканер).
 Последовательные порты  (COM1 – COM4) – для устройств передачи данных на большие расстояния (мышь, клавиатура, модем).
 USB порт - универсальный порт для подключения любых устройств, имеющих интерфейс USB.

 Все современные ПК подчинены модульному принципу (открытой архитектуры)  аналогично детскому конструктору.
 Это позволяет легко заменять устаревшие части ПК, подключать новые внешние устройства и модернизировать ПК (расширять объема памяти, увеличивать мощности и т.п.).

Центральный процессор    (ЦП или СPU)
Схема только для учителя

 Процессор -  «мозг» ПК, размещенный на материнской плате.
 Основными функциями СPU  являются:
1) программное управление работой всех других  элементов ПК.
2) выполнение всех арифметических и логических операций.
 Для выполнения этих функций в состав процессора (наряду с другими устройствами) входят три основных компонента:
1. Счетчик команд
2. УУ – устройство управления  получает информацию из памяти и АЛУ и организует работу процессора, определяя, какую операцию выполнять, над какими данными, куда поместить результат и что делать дальше.
3. АЛУ – арифметико-логическое устройство, выполняющее команды.  В него входят:
 Сумматор
 Регистры данных и регистр команд – быстродействующие ячейки памяти малого объема,  хранящие сведения для выполнения одной текущей команды.
 Декодирующее устройство – дешифратор поступающих команд.
 Работу процессора разберем на примере простого вычисления суммы двух чисел:
1. В  счетчике команд устанавливается адрес очередной команды. Этот адрес передается в помеченную ячейку ОЗУ (команда типа «регистр – память»).
2. УУ процессора передает в ОЗУ сигнал чтения и содержимое помеченной ячейки поступает в регистр команд АЛУ. Это команда типа «память – регистр».
3. Команда из регистра команд передается в дешифратор и там расшифровывается (команда типа «регистр-регистр»).
4. В расшифрованном виде она поступает в сумматор («регистр-регистр»).
5. Сумматор запрашивает из ОЗУ данные, и они поступают в регистры данных (тип команды «память – регистр»).
6. Сумматор выполняет команду.
7. Результат отправляется в ОЗУ по адресу, указанному в расшифрованной команде «регистр – память»).
 Компьютер может работать только под управлением активной в данный момент программы, т.е. загруженной из внешней памяти в ОЗУ.
 Характеристики процессора:
1. Такт – это промежуток времени, в течение которого выполняется одна элементарная машинная операция. Тактовая частота – число тактов работы процессора в 1 сек., т.е. число машинных операций, которые процессор может произвести за 1с.  Тактовая частота  задается генератором тактовых импульсов для того, чтобы обеспечить единый ритм работы  всех блоков компьютера, т.е. синхронизацию  работы всех  элементов ПК. Тактовая частота современных компьютеров  от 800 МГц до 3 ГГц.
2. Разрядность – размер минимальной порции информации, которую процессор может получить или отправить за один такт.  Современные мощные компьютеры имеют доступ одновременно к 64-128  битам.

Память

 Память  – это совокупность устройств для хранения информации.

 Память ПК делится на внутреннюю и внешнюю.

 Физические характеристики, свойства и информационная структура внутренней памяти:
 Предназначена для  хранения программ и данных  только для текущего сеанса работы
 Вся, кроме ПЗУ, энергозависима
 Имеет гораздо меньший объем по сравнению с внешней памятью
 Примерно в миллион раз более быстрая, чем внешняя  память:  время записи/чтения данных измеряется микросекундами.
Примечание:  время доступа к памяти для записи или чтения информации измеряется следующими величинами:
1. 1мс   (миллисекунда) = 10-3 сек.
2. 1мкс (микросекунда) = 10-6 сек.
3. 1нс   (нанасекунда) = 10-9 сек.
 Обладает свойством дискретности:
• Дискретные объекты составлены из частиц. Например, песок дискретен, так как состоит из песчинок.
• “Песчинками” компьютерной памяти являются биты.
 Вы уже знаете, что «Бит» - это наименьшая единица измерения количества информации.
 Но «бит»  — это и наименьшая частица памяти компьютера.
 Следовательно, у слова “бит” есть два значения: единица измерения количества информации и частица памяти компьютера.
 Оба эти понятия связаны между собой следующим образом:
В одном бите памяти хранится один бит информации.
 Восемь расположенных подряд битов памяти образуют байт.
 Вывод: Информационная структура внутренней памяти – битово-байтовая.
 Обладает свойством адресуемости:
• Во внутренней памяти компьютера все байты пронумерованы.
• Нумерация начинается с нуля.
• Порядковый номер байта называется его адресом.
• Принцип адресуемости означает, что занесение информации в память, а также извлечение ее из памяти, производится по адресам.

 Физические характеристики и информационная структура внешней памяти:
 Внешняя память предназначена для долговременного хранения программ и данных
 Вся энергонезависима
 Объем информации, помещающейся во внешней памяти, гораздо больше, чем во внутренней, а с учетом возможности смены носителей — неограничен.
 Медленная по сравнению с внутренней (время доступа измеряется миллисекундами).  В порядке возрастания скорости чтения/записи устройства внешней памяти располагаются так: магнитные ленты — магнитные диски — оптические диски.
 Не имеет прямой связи с процессором, обмен информацией – только через ОЗУ.
 Информация на внешних носителях имеет файловую организацию.
 Файл - это наименьшая единица хранения данных на внешнем носителе,  имеющая уникальное имя.  Его можно считать аналогом наименьшего поименованного раздела книги (параграфа, рассказа).
 Конечно, информация, хранящаяся в файле, тоже состоит из битов и байтов. Но, в отличие от внутренней памяти, байты на дисках не адресуются.
 Сохранение информации производится в файле с конкретным именем.
 При поиске нужной информации на внешнем носителе, должно указываться имя файла, данное при его сохранении.
 Вывод: информационная структура внешней памяти – файловая.

Внутренняя память
Тип памяти Описание
ОЗУ=RAM  (Read Access Memory - произвольный доступ)
Размещена на материнской плате. Оперативное запоминающее устройство - основная память компьютера, предназначенная для временного хранения программ и данных в текущем сеансе работы.  ОЗУ - это несколько микросхем, в которых находится выполняемая программа и данные, необходимые для её выполнения.
Именно из ОЗУ процессор считывает команды программы и данные, а затем возвращает результат вычислений.
Передача данных между процессором и ОЗУ происходит по нескольким проводам (8, 16 или 32), которые называются шиной или магистралью.
Термин "загрузить программу" означает ее копирование из внешней памяти в ОЗУ. 

ПЗУ=ROM (Read only memory - только для чтения)
Размещена на материнской плате. Постоянное запоминающее устройство, размещенное на материнской плате, предназначенное для долговременного хранения программ и данных, необходимых для любого сеанса работы. 
ПЗУ делится на две части.
1) BIOS - с нее компьютер начинает после включения. Это базовая система ввода-вывода, предназначена для начальной загрузки компьютера и тестирования всех его устройств.  Она  бывает:
 Не перепрограммируемая: BIOS намертво вшит в материнскую плату, заносится изготовителем и не может быть изменен пользователем ни случайно, ни умышленно. Заменить можно только всю плату целиком.
 Стираемая и перепрограммируемая изготовителем с выемкой  микросхемы BIOSa
 Флэш-память (переводится как «быстрая память): стираемая и перепрограммируемая пользователем в процессе эксплуатации без выемки микросхемы. Очень малое время доступа (100нс), т.е. быстрая память. Пока такая память используется редко, например, для хранения изображений в цифровых видеокамерах.  Будет грандиозный шаг вперед, когда флэш-память заменит  диски.
2)  CMOS  - содержит информацию о настройках компьютера (дата, пароли и т.п.). Информация в CMOS может быть изменена пользователем. CMOS является энергозависимым устройством с питанием от аккумулятора. Его подзарядка производится во время работы ПК. Если вынуть аккумулятор и включить компьютер, то информация из CMOS утратится.
Кэш-память

1. Выдача наличными
2. Прятать
3. Склад

Размещена на материнской плате
• Процессоры всегда  работают быстрее, чем память и этот разрыв постоянно растет. В принципе, инженеры знают, как построить быструю память, но компьютеры будут значительно дороже и больше по размерам, т.к. ее придется размещать прямо на системной плате.
• Для исключения простаивания процессора и сокращения числа обращений к жесткому диску используется кэш-память, физически находящаяся  между процессором и ОЗУ, в которую, во-первых, помещаются наиболее часто используемые данные.
• Если в программе  операции осуществляются последовательно, без скачков (помните оператор Goto?). то процесс ускоряется очень сильно. Скачки, естественно, замедляют его, т.к. данных для их выполнения в кэше нет, и надо обращаться к ОЗУ, что значительно дольше.
• Если в программе есть циклическая часть, и она организована нормально (т.е. аналогично Repeat, Write), то цикл крутится очень быстро, т.к. все данные для него в кэше.

Видео – память

Размещена на материнской плате Хранит двоичный код графического изображении, выводимого на монитор. Размещается на видеокарте (видеоадаптере), являющейся практически еще одним процессором, выполняющим сложнейшую задачу построения и непрерывного изменения  как двух-, так и трехмерных изображений,  постоянного вычисления и изменения пространственных координат каждой точки, слежения за изменениями в цвете и т.п.
Регистры процессора

Вместе с процессором размещены на материнской плате • Предназначены для хранения кода команды исполняемой в текущий момент,  и адресов данных, необходимых для выполнения текущей команды.
• Один из регистров специально отведен под так называемый счетчик команд (не совсем точное название), в котором всегда хранится адрес команды, следующей за текущей.

Внешняя  магнитная память
Гибкий магнитный диск Дискета размером в 3,5 дюйма - пластиковый диск, защищенный конвертом и покрытый тонким магнитным слоем. 1,44 Мгб
Жесткий магнитный диск,
Винчестер Один или несколько дисков, покрытых тонким магнитным слоем и расположенных друг под другом с зазором.  200 Мгб - сотни Гб
Магнитные ленты Предназначены для хранения больших массивов  данных. Имеют последовательный тип доступа для чтения и записи.

Внешняя лазерная память
CDROM
 Информация записывается мощным инфракрасным лазером, который выжигает отверстия в 0.8 микрон в специальном стеклянном контрольном диске. По нему делается шаблон с выступами в тех местах, где лазер прожег отверстия.
 В шаблон вводится жидкая поликарбонатная смола, и таким образом получается компакт-диск с тем же набором отверстий, что и в стеклянном диске.
 На смолу наносится тонкий слой алюминия и покрывается защитным лаком.
 Углубления в нижнем слое смолы  называются «впадина», а ровные пространства называются «площадка».
 Во время воспроизведения лазерный диод небольшой мощности светит инфракрасным светом на сменяющиеся впадины и площадки. Лазер находится на той стороне диска, где слой смолы. Поэтому впадины для лазера оказываются выступами на ровной поверхности.
 В результате переход «впадина-площадка» или «площадка-впадина» кодируется 1, а его отсутствие 0. 600 Мг - 1.5 Гб
CD-R
(СD-Record-Dable)  CD-R позволяют создавать копии дисков, причем, с возможностью дозаписи новой информации после старой.
 CD-R также производятся на основе поликарбонатных заготовок. Но они отличаются от CDROM тем, что:
 Вместо алюминия используется золото;
 Между слоем поликарбоната и отражающим слоем золота  помещается слой красителя зеленого или желтого цвета.
 На начальной стадии слой красителя прозрачен, слабый свет лазера проходит через него и отражается от слоя золота.
 При записи информации, когда мощный луч лазера достигает красителя, краситель нагревается, что приводит к появлению темного пятна.
 При чтении, когда мощность луча лазера мала, улавливается разница между темными пятнами, где была записана информация, и прозрачными областями, где краситель не тронут.
CD-RW
(CD-ReWritable)  При производстве перезаписываемого компакт диска используется сплав серебра, идия, сурьмы и теллура для записывающего слоя. Сплав имеет два  состояния: кристаллическое и аморфное, которые обладают разной отражательной способностью.
 Устройства для записи такого диска снабжены лазером с тремя вариантами мощности.
 При самой высокой мощности лазер расплавляет сплав, переводя его из кристаллического состояния с высокой отражательной способностью в аморфное с низкой отражательной способностью. Так получается впадина.
 При средней мощности сплав расплавляется и возвращается обратно в кристаллическое состояние. При этом впадина превращается снова в площадку.
 Для считывания информации используется низкая мощность. Лазер просто определяет состояние материала, никакого перехода состояний при этом не происходит.
 CD-RW не заменили CD-R, поскольку CD-RW гораздо дороже и с CD-R нельзя стереть информации.
DVD
(Digital Video Disk)  Как и обычные лазерные диски на поликарбонате, DVD содержат впадины и площадки, которые освещаются лазерным лучом и считываются.
 Но есть и различия: впадины имею меньший размер, красный луч меньшей дины волны т.п.
 Эти различия в совокупности дают семикратное увеличение емкости (до 4.7-17 Гб; примерно 133 мин. видеозаписи).
 Переход к красному лазеру привел к тому, что не все DVD-проигрыватели могут работать со старыми компакт-дисками и не всегда возможно считывание CD-R  и CD-RW-дисков.
Flash-память  Флэш-память - энергонезависимая перезаписываемая полупроводниковая память. Flash переводится как «вспышка», «пронестись». Происхождение названия Флэш-память спорно. По одной из версий оно было дано разработчиком - компанией Toshiba -  как характеристика скорости работы данного вида памяти в мгновение ока.
 Полупроводниковая  Флэш-память - не содержит механически движущихся частей (как обычные жёсткие диски или CD), построенна на основе интегральных микросхем и, благодаря конструктивным находкам позволяет в одной ячейке хранить несколько бит информации.
 В отличие от многих других типов полупроводниковой памяти, ячейка флэш-памяти не содержит конденсаторов – типичная ячейка флэш-памяти состоит всего-навсего из одного транзистора особой архитектуры. Ячейка флэш-памяти прекрасно масштабируется, что достигается не только благодаря успехам в миниатюризации размеров транзисторов, но и благодаря благодаря конструктивным находкам позволяет в одной ячейке хранить несколько бит информации.
 Благодаря низкому энергопотреблению, компактности, долговечности и относительно высокому быстродействию, флэш-память идеально подходит для использования в качестве накопителя в таких портативных устройствах, как: цифровые фото- и видео камеры, сотовые телефоны, портативные компьютеры, MP3-плееры, цифровые диктофоны, и т.п.
    От 128 Мб до 4 Гб

Внешние  (ВУ)  или  периферийные (ПУ) устройства

• ВУ обеспечивают взаимодействие ПК с пользователем и другими компьютерами.
• Для управления ВУ предназначены короткие программы – драйверы. Драйверы стандартных устройств (дисплея, клавиатуры) хранятся в ПЗУ. Дополнительные устройства поставляются вместе с драйвером.
• Для того, чтобы к устройствам можно было обращаться, каждое  внешнее устройство имеет в системе свое логическое имя  (А:, PRN:).
• Каждое ВУ взаимодействует с процессором через свой специальный блок, называемый контроллером или адаптером.
• Контроллеры обязательных устройств (клавиатура, дисплей) располагаются на материнской плате. Платы остальных подключаются   в отдельные разъемы.

Устройства ввода

1.  Клавиатура позволяет вводить числовую и текстовую информацию.
2.  Дисковод для чтения с CD-ROM.
3.  Манипуляторы осуществляют непосредственный ввод данных,      указывая курсором команду или место ввода данных. Обычно подключаются к последовательному порту COM1-COM4.
a) Джойстик
b) Мышь
• качество определяется разрешающей способностью, измеряемой числом точек на дюйм (dpi).  Средний класс мышей имеют 400-800 dpi.
• По числу кнопок делятся на 2-х и 3-х кнопочные.
• По способу соединения – на проводные и беспроводные.
• Новинка: беспроводная «летучая» мышь, способная работать и как обычная, и в воздухе на расстоянии до 10м от подставки.
c) Трекбол – шар, расположенный на поверхности клавиатуры вместе с кнопками, который крутят рукой.
4.  Сенсорные устройства ввода
a) Коврик без мыши. Управляется движением пальца по коврику. Очень долговечен. Разрешающая способность в 1000 dpi.
b) Сенсорный или тактильный экран. Его поверхность покрыта специальным слоем. Управляется движением пальца по экрану.
c) Световое перо имеет светочувствительный элемент. Соприкосновение пера с экраном замыкает фотоэлектрическую цепь и определяет место ввода.
d) Дигитайзер – графический планшет. Используется  для ввода чертежей, схем, рисунков и т.п. Специальным пером или пальцем обводят изображение на специальной поверхности, подключенной к компьютеру кабелем.

5.  Сканеры  (scan – пристально всматриваться) распознают изображение и создают его электронную цифровую копию. Основные характеристики:
• глубина распознавания цвета
• точность сканирования в dpi (станд. разрешение: 200, 600, 1200dpi)
• конструкция: ручные, страничные, планшетные
• время сканирования
• максимальный размер сканируемого документа.
6.  Микрофоны
7.  Цифровые видео и фотокамеры
8.  Устройства распознавания речи. Речь с помощью обычного микрофона вводится, преобразуясь в двоичный код. Лучшие системы распознают до 30 тысяч слов. Но… пока нет устройств, в которых не было бы предварительной адаптации к особенностям речи конкретного человека по ранее записанным и введенным в память образцам. Очень хороши при изучении иностранных языков.

Устройства вывода

1. Мониторы.
• В большинстве настольных ПК мониторы на базе электронно-лучевых трубок, а портативных  - на основе жидко-кристаллических индикаторов.   
• Величина диагонали экрана:  от 9 до 41 дюйма.
• Режимы работы монитора зависят от видеокарты.  Видеокарта, монитор и драйверы этих устройств образуют видеосистему компьютера.
• Практически все современные мониторы имеют встроенную систему защиты от электро-магнитного излучения
• Любой монитор ионизирует воздух в помещении, т.к. при его работе молекулы кислорода приобретают положительные электрические заряды. что понижает иммунные способности человека. очень полезно использовать ионизаторы воздуха (которые. между прочим, очищают воздух и от табачного дыма, и от других неприятных запахов).
• Если экран «стреляет» при малейшем прикосновении, это означает, что у него нет антистатического покрытия. Такой монитор следует сменить.
• Для охраны зрения следует установить экран на 10 градусов ниже уровня глаз и на  расстоянии не менее 50-70 см, а после 40-60 мин. делать физкультурную паузу для глаз.   
• Монитор может работать в 2-х режимах:
1. в графическом выводятся изображения, состоящие из пикселей; количество пикселей определяется разрешающей способностью монитора (400*600; 800*600; 1024*768; 1280*1024)
2. в текстовом выводятся символы – 25 строк по 80 символов в строке; изображение символов состоит тоже из пикселей, но для каждого символа создается целостный «образ», который выводится целиком, а не по пикселям, как в графическом режиме.