Основы организации хранения информации в эвм. Организация данных в эвм

Даже для малых по объему разовых статистических исследований полностью окупаются усилия, затраченные на своевременное и полное описание используемых массивов, входящих в них переменных и всех шагов статистического анализа. Раннее и тщательное изготовление документации снимает много недоразумений. Большие статистические исследования выполняются коллективно, состав участников работы частично меняется в процессе ее осуществления, обработка собранных материалов растягивается во времени и проводится итеративно, когда вновь и вновь обращаются к данным для проверки возникающих по ходу анализа гипотез. Во многих исследованиях (например, медицинских) часто к тому же происходит постоянное пополнение данных новыми сведениями. В этих условиях продуманное и тщательное ведение документации становится просто необходимым как важнейшее условие обеспечения преемственности в осуществлении исследования. Остановимся кратко на отдельных аспектах этого процесса.

Паспортизация исследования, массивов, переменных, способов анализа. Для каждого из указанных выше объектов желательно в ЭВМ иметь следующее: 1) краткое имя, обязательно появляющееся во всех выдачах; 2) полное имя, идущее в основном в отчеты, но иногда и в выдачи, когда краткого имени недостаточно для однозначного понимания их смысла; 3) описание, которое для исследований кратко раскрывает содержание работы и указывает связь между массивами; для массивов уточняет условия их сбора или формирования; для переменных дает способ их получения, измерения или регистрации; для способа анализа - ссылки на источники, где может быть найдено точное описание метода. Описания используются в основном при формировании

отчетов и иногда в качестве вспомогательного комментария, облегчающего понимание отдельных выдач; и только для переменных 4) указание пределов изменения или принимаемых значений, которые обязательно должны использоваться для контроля при вводе данных, а также при построении выходных таблиц.

Если по ходу анализа выделяются отдельные массивы или вводятся новые вспомогательные переменные, то их необходимо описывать столь же подробно, как и основные массивы и переменные.

Описанная выше автоматизация документирования исследования достигается при современном уровне развития математического обеспечения довольно простыми средствами, но позволяет решать очень важные задачи: осуществляет контроль переменных при вводе; обеспечивает «автономную читаемость» всех выдаваемых таблиц; повышает вероятность обнаружения неточностей и ошибок в описаниях; облегчает составление отчетов.

Кроме того, желательно ведение в ЭВМ или с помощью специальных картотек учета: какие виды анализа (программы) и к каким подмассивам применялись; какова при этом была выявленная мера зависимости между признаками, успешности прогноза, адекватности отображения объектов в пространство меньшей размерности и т. п.; адресов, где хранятся в ЭВМ или на полках соответствующие выдачи, а также ведение разноцелевых текстовых комментариев как по логике и ходу анализа, так и к отдельным распечаткам.

10.1.2. Ввод и хранение данных.

Для ввода обычно используются либо перфокарты, либо дисплей с высвечиванием шаблона, в который вписываются кодированные значения, либо дисплей с высвечиванием списка возможных значений переменной - так называемого «меню». Последние два способа позволяют сразу же обнаруживать грубые ошибки при вводе. Использование «меню» требует большего времени на ввод. «Меню» должно настраиваться автоматически по описанию переменных. Хранение данных должно быть организовано так, чтобы их можно было легко редактировать и пополнять.

10.1.3. Просмотр данных.

Очень существенно, чтобы собранные в статистическом исследовании данные были тщательно просмотрены и отредактированы прежде, чем к ним будет применена основная статистическая техника. Ошибки

в данных могут привести к неожиданным результатам, иногда интерпретируемым, иногда нет, но всегда неверным.

Просмотр данных преследует следующие цели:

1) обнаружение грубых ошибок в словаре исследования, а также ошибок, допущенных при кодировании, перфорации и вводе данных в ЭВМ;

2) указание возможных выбросов или аномальных, т. е. резко выделяющихся по своей величине наблюдений, которые могут быть нерепрезентативными для изучаемой популяции (более подробно см. § 11.5);

3) получение первого, грубого представления об одномерных и, частично, двумерных распределениях.

Укажем некоторые приемы, облегчающие проведение просмотра данных, или, как иногда говорят, скрининга.

Распечатка введенных в ЭВМ данных в табличной форме по объектам, иногда с их предварительной сортировкой по величине какого-либо признака. При этом проверяются наличие грубых ошибок при задании формата данных, правильность и удобочитаемость названия исследования и имен переменных, полнота введенного материала и отсутствие лишних данных, а также попадание численных значений переменных или их кодов в предусмотренный диапазон. Просмотр расположенных по столбцам переменных позволяет обычно сразу же выделить грубые ошибки. При желании столбцы можно просмотреть и на экране дисплея. Однако хорошо оформленная бумажная распечатка является удобным справочным документом и по другим вопросам, которые могут возникнуть на последующих стадиях анализа.

Построение одномерных распределений. Если ЭВМ строит гистограмму (см. § 10.3), то ее столбцьгудобно заполнять номерами наблюдений. В крайнем случае если наблюдений слишком много, то указывать отдельно номера наблюдений, вышедших за -ные квантили.

Указание номеров наблюдений удобно использовать и при построении двумерных распечаток. Если в одну точку попадает несколько наблюдений, на графике ставится специальный знак, а номера наблюдений печатаются ниже. Двумерные широкоформатные распечатки очень удобны для формирования предварительных содержательных гипотез о связи переменных. Математические вопросы построения эмпирических распределений рассматриваются в § 10.3.

Центральный процессор имеет доступ к данным, находящимся в оперативной памяти. Работа компьютера с пользовательскими программами начинается после того как данные будут считаны из внешней памяти в ОЗУ.

ОЗУ работает синхронно с центральным процессором и имеет малое время доступа. Оперативная память сохраняет данные только при включенном питании. Отключение питания приводит к необратимой потере данных, поэтому пользователю, работающему с большими массивами данных в течение длительного времени, рекомендуют периодически сохранять промежуточные результаты на внешнем носителе.

Оперативная память

Функции памяти

1) приём информации от других устройств;

2) запоминание информации;

3) передача информации по запросу в другие устройства машины.

Периферийные устройства

К функциям периферийных устройств относятся ввод и вывод информации.

Каждое устройство имеет набор характеристик, которые позволяют подобрать такую конфигурацию устройств, которая наилучшим образом подходит для решения определенного круга задач с помощью компьютера.

Основное назначение периферийных устройств

Обеспечить поступление в ПК из окружающей среды программ и данных для обработки, а также выдачу результатов работы ПК в виде, пригодном для восприятия человека или для передачи на другую ЭВМ, или в иной, необходимой форме.

Периферийные устройства можно разделить на несколько групп по функциональному назначению:

1. Устройства ввода-вывода – предназначены для ввода информации в ПК, вывода в необходимом для оператора формате или обмена информацией с другими ПК. К такому типу ПУ можно отнести внешние накопители, модемы.

2. Устройства вывода – предназначены для вывода информации в необходимом для оператора формате. К этому типу периферийных устройств относятся: принтер, монитор, аудиосистема.

3. Устройства ввода – Устройствами ввода являются устройства, посредством которых можно ввести информацию в компьютер. Главное их предназначение - реализовывать воздействие на машину. К такому виду периферийных устройств относятся: клавиатура, сканер, графический планшет и т.д.

4. Дополнительные ПУ – такие как манипулятор «мышь», который лишь обеспечивает удобное управление графическим интерфейсом операционных систем ПК и не несет ярковыраженных функций ввода либо вывода информации; WEB-камеры, способствующие передаче видео и аудио информации в сети Internet, либо между другими ПК. Последние, правда, можно отнести и к устройствам ввода , благодаря возможности сохранения фото, видео и аудио информации на магнитных или магнитооптических носителях.

Двоичный код

Информация всегда имеет форму сообщения, а сообщение кодируется тем или иным набором знаков, символов, цифр. С технической точки зрения самым удобным и эффективным является использование двоичного кода, то есть набора символов, алфавита, состоящего из пары цифр {0,1}. Поскольку двоичный код используется для хранения информации в вычислительных машинах, его еще называют машинным кодом.

Цифры 0 и 1, образующие набор {0,1}, обычно называют двоичными цифрами, потому что они используются как алфавит в так называемой двоичной системе счисления. Система счисления представляет собой совокупность правил и приемов наименования и записи чисел, а также получения значения чисел из изображающих их символов. Количество знаков в алфавите системы счисления обычно отражается в ее названии: двоичная, троичная, восьмеричная, десятичная, шестнадцатеричная и т. д. Вообще говоря, можно рассматривать системы счисления с любым количеством знаков в алфавите. В настоящее время общепринятой является арабская десятичная система счисления, алфавит которой состоит из десяти цифр {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9}. Однако для использования в ЭВМ десятичная система слишком сложна, так как для ее применения необходимо подобрать технические способы изображения десяти различных цифр. С точки зрения технической реализации компьютера, гораздо проще работать всего с двумя цифрами двоичной системы {0,1}.

Элементарное устройство памяти компьютера, которое применяется для изображения одной двоичной цифры, называется двоичным разрядом или битом.

Внутренняя разрядность процессора определяет, какое количество битов он может обрабатывать одновременно при выполнении арифметических операций.

Внешняя разрядность процессора определяет, сколько битов одновременно он может принимать или передавать во внешние устройства.

Литература

1. А.В. Могилев, Н.И. Пак, Е.К. Хеннер. Информатика. М., 2000.

2. А.Я. Савельев. Основы информатики. М., 2001.

3. Статьи журналов Compas за 2007г.

4. Информатика: базовый курс, 2 издание. Издательство «Питер», 2005 год

Задачи накопления (хранения), обработки и передачи информации стояли перед человечеством на всех этапах его развития. Каждому этапу соответствовал определенный уровень развития средств информационного труда, прогресс развития которых всякий раз придавал человеческому обществу новое качество. Ранее были выделены основные этапы обращения с информацией, и они являются общими для всех наук при обработке информации с помощью ЭВМ. Научным фундаментом для их решения стала такая наука, как информатика.

Информатика – комплексная научно-техническая дисциплина, занимающаяся изучением структуры и общих свойств информации, информационных процессов, разработкой на этой основе информационной техники и технологии, а также решением научных и инженерных проблем создания, внедрения и эффективного использования компьютерной техники и технологии во всех сферах общественной практики.

Истоки информатики можно искать в глубине веков. Много столетий тому назад потребность выразить и запомнить информацию привела к появлению речи, письменности, счета. Люди пытались изобретать, а затем совершенствовать способы хранения, обработки и распространения информации. До сих пор сохранились свидетельства попыток наших далеких предков сохранять информацию – примитивные наскальные рисунки, записи на берестяной коре и глиняных дощечках, затем рукописные книги.

Появление в ХVI веке печатного станка позволило значительно увеличить возможности человека обрабатывать и хранить нужные сведения. Это явилось важным этапом развития человечества. Информация в печатном виде была основным способом хранения и обмена и продолжала им оставаться вплоть до середины ХХ века. Только с появлением ЭВМ возникли принципиально новые, гораздо более эффективные способы сбора, хранения, обработки и передачи информации (рис. 1.1).

Рисунок 1.1. Развитие способов хранения информации

Развивались способы передачи информации. Примитивный способ передачи посланий от человека к человеку сменился более прогрессивной почтовой связью. Почтовая связь давала достаточно надежный способ обмена информацией. Однако не следует забывать, что таким образом могли передаваться только сообщения, написанные на бумаге. А главное – скорость передачи сообщения была соизмерима только со скоростью передвижения человека. Изобретение телеграфа, телефона дало принципиально новые возможности обработки и передачи информации.

Появление электронно-вычислительных машин позволило обрабатывать, а впоследствии и передавать информацию со скоростью, в несколько миллионов раз превышающей скорость обработки (рис. 1.2) и передачи информации человеком (рис. 1.3).

Рисунок 1.2. Развитие способов обработки информации

Рисунок 1.3. Развитие способов передачи информации

Основу современной информатики образуют три составные части, каждая из которых может рассматриваться как относительно самостоятельная научная дисциплина (рис. 1.4).

Теоретическая информатика – часть информатики, занимающаяся изучением структуры и общих свойств информации и информационных процессов, разработкой общих принципов построения информационной техники и технологии. Она основана на использовании математических методов и включает в себя такие основные математические разделы, как теория алгоритмов и автоматов, теория информации и теория кодирования, теория формальных языков и грамматик, исследование операций и др.).

Средства информатизации (технические и программные) – раздел, занимающийся изучением общих принципов построения вычислительных устройств и систем обработки и передачи данных, а также вопросов, связанных с разработкой систем программного обеспечения.

Информационные системы и технологии – раздел информатики, связанный с решением вопросов анализа потоков информации, их оптимизации, структурирования в различных сложных системах, с разработкой принципов реализации в данных системах информационных процессов.

Информатика находит широкое применение в различных областях современной жизни: в производстве, науке, образовании и других сферах деятельности человека.

Развитие современной науки предполагает проведение сложных и дорогостоящих экспериментов, таких, как, например, при разработке термоядерных реакторов. Информатика позволяет заменить реальные эксперименты машинными. Это экономит колоссальные ресурсы, дает возможность обработать полученные результаты самыми современными методами. Кроме того, такие эксперименты занимают гораздо меньше времени, чем настоящие. А в некоторых областях науки, например, в астрофизике, проведение реального эксперимента просто невозможно. Здесь в основном все исследования проводятся посредством вычислительных и модельных экспериментов.

Рисунок 1.4. Структура информатики как научной дисциплины

Дальнейшее развитие информатики, как и любой другой науки, влечет за собой новые достижения, открытия, а следовательно, и новые области применения, которые, может быть, трудно сегодня предположить.

Информатика – очень широкая сфера научных знаний, возникшая на стыке нескольких фундаментальных и прикладных дисциплин.

Как комплексная научная дисциплина информатика связана (рис. 1.5):

С философией и психологией – через учение об информации и теорию познания;

С математикой – через теорию математического моделирования, дискретную математику, математическую логику и теорию алгоритмов;

С лингвистикой – через учение о формальных языках и о знаковых системах;

С кибернетикой – через теорию информации и теорию управления;

С физикой и химией, электроникой и радиотехникой – через «материальную» часть компьютера и информационных систем.

Рисунок 1.5. Связь информатики с другими науками

Роль информатики в развитии общества чрезвычайно велика. Она является научным фундаментом процесса информатизации общества. С ней связаны прогрессивное увеличение возможностей компьютерной техники, развитие информационных сетей, создание новых информационных технологий, которые приводят к значительным изменениям во всех сферах общества: в производстве, науке, образовании, медицине и т. д.

Главная функция информатики состоит в разработке методов и средств преобразования информации с использованием компьютера и в применении их при организации технологического процесса преобразования информации.

Выполняя свою функцию, информатика решает следующие задачи:

Исследует информационные процессы в социальных системах;

Разрабатывает информационную технику и создает новейшие технологии преобразования информации на основе результатов, полученных в ходе исследования информационных процессов;

Решает научные и инженерные проблемы создания, внедрения и обеспечения эффективного использования компьютерной техники и технологии во всех сферах человеческой деятельности.

1.2. Понятие информации. Общая характеристика процессов сбора, передачи, обработки и накопления информации

Вся жизнь человека так или иначе связана с накоплением и обработкой информации, которую он получает из окружающего мира, используя пять органов чувств – зрение, слух, вкус, обоняние и осязание. Как научная категория «информация» составляет предмет изучения для самых различных дисциплин: информатики, кибернетики, философии, физики, биологии, теории связи и т. д. Несмотря на это, строгого научного определения, что же такое информация, до настоящего времени не существует, а вместо него обычно используют понятие об информации. Понятия отличаются от определений тем, что разные дисциплины в разных областях науки и техники вкладывают в него разный смысл, с тем чтобы оно в наибольшей степени соответствовало предмету и задачам конкретной дисциплины. Имеется множество определений понятия информации – от наиболее общего философского (информация есть отражение реального мира) до наиболее частного прикладного (информация есть сведения, являющиеся объектом переработки).

Первоначально смысл слова «информация» (от лат. Informatio – разъяснение, изложение) трактовался как нечто присущее только человеческому сознанию и общению: «знания, сведения, сообщения, известия, передаваемые людьми устным, письменным или другим способом».

Информация не является ни материей, ни энергией. В отличие от них, она может возникать и исчезать.

Особенность информации заключается в том, что проявляется она только при взаимодействии объектов, причем обмен информацией может совершаться не вообще между любыми объектами, а только между теми из них, которые представляют собой организованную структуру (систему). Элементами этой системы могут быть не только люди: обмен информацией может происходить в животном и растительном мире, между живой и неживой природой, людьми и устройствами.

Информация – наиболее важный ресурс современного производства: он снижает потребность в земле, труде, капитале, уменьшает расход сырья и энергии, вызывает к жизни новые производства, является товаром, причем продавец информации не теряет ее после продажи, может накапливаться.

Понятие «информация» обычно предполагает наличие двух объектов – «источника» информации и «приемника» (потребителя, адресата) информации.

Информация передается от источника к приемнику в материально-энергетической форме в виде сигналов (например, электрических, световых, звуковых и т. д.), распространяющихся в определенной среде.

Сигнал (от лат. signum – знак) – физический процесс (явление), несущий сообщение (информацию) о событии или состоянии объекта наблюдения.

Информация может поступать в аналоговом (непрерывном) виде или дискретно (в виде последовательности отдельных сигналов). Соответственно различают аналоговую и дискретную информацию.

Понятие информации можно рассматривать с двух позиций: в широком смысле слова – это окружающий нас мир, обмен сведениями между людьми, обмен сигналами между живой и неживой природой, людьми и устройствами; в узком смысле слова информация – это любые сведения, которые можно сохранить, преобразовать и передать.

Информация – специфический атрибут реального мира, представляющий собой его объективное отражение в виде совокупности сигналов и проявляющийся при взаимодействии с «приемником» информации, позволяющим выделять, регистрировать эти сигналы из окружающего мира и по тому или иному критерию их идентифицировать.

Из этого определения следует, что:

Информация объективна, так как это свойство материи – отражение;

Информация проявляется в виде сигналов и лишь при взаимодействии объектов;

Одна и та же информация различными получателями может быть интерпретирована по-разному в зависимости от «настройки» «приемника».

Человек воспринимает сигналы посредством органов чувств, которые «идентифицируются» мозгом. Приемники информации в технике воспринимают сигналы с помощью различной измерительной и регистрирующей аппаратуры. При этом приемник, обладающий большей чувствительностью при регистрации сигналов и более совершенными алгоритмами их обработки, позволяет получить большие объемы информации.

Информация имеет определенные функции. Основными из них являются:

Познавательная – получение новой информации. Функция реализуется в основном через такие этапы обращения информации, как:

– ее синтез (производство)

– представление

– хранение (передача во времени)

– восприятие (потребление)

Коммуникативная – функция общения людей, реализуемая через такие этапы обращения информации, как:

– передача (в пространстве)

– распределение

Управленческая – формирование целесообразного поведения управляемой системы, получающей информацию. Эта функция информации неразрывно связана с познавательной и коммуникативной и реализуется через все основные этапы обращения, включая обработку.

Без информации не может существовать жизнь в любой форме и не могут функционировать любые информационные системы, созданные человеком. Без нее биологические и технические системы представляют груду химических элементов. Общение, коммуникации, обмен информацией присущи всем живым существам, но в особой степени человеку. Будучи аккумулированной и обработанной с определенных позиций, информация дает новые сведения, приводит к новому знанию. Получение информации из окружающего мира, ее анализ и генерирование составляют одну из основных функций человека, отличающую его от остального живого мира.

В общем случае роль информации может ограничиваться эмоциональным воздействием на человека, однако наиболее часто она используется для выработки управляющих воздействий в автоматических (чисто технических) и автоматизированных (человеко-машинных) системах. В подобных системах можно выделить отдельные этапы (фазы) обращения информации, каждый из которых характеризуется определенными действиями.

Последовательность действий, выполняемых с информацией, называют информационным процессом.

Основными информационными процессами являются:

– сбор (восприятие) информации;

– подготовка (преобразование) информации;

– передача информации;

– обработка (преобразование) информации;

– хранение информации;

– отображение (воспроизведение) информации.

Так как материальным носителем информации является сигнал, то реально это будут этапы обращения и преобразования сигналов (рис. 1.6).

Рисунок 1.6. Основные информационные процессы

На этапе восприятия информации осуществляется целенаправленное извлечение и анализ информации о каком-либо объекте (процессе), в результате чего формируется образ объекта, проводятся его опознание и оценка. Главная задача на этом этапе – отделить полезную информацию от мешающей (шумов), что в ряде случаев связано со значительными трудностями.

На этапе подготовки информации осуществляется ее первичное преобразование. На этом этапе проводятся такие операции, как нормализация, аналого-цифровое преобразование, шифрование. Иногда этап подготовки рассматривается как вспомогательный на этапе восприятия. В результате восприятия и подготовки получается сигнал в форме, удобной для передачи, хранения или обработки.

На этапе передачи информация пересылается из одного места в другое (от отправителя получателю – адресату). Передача осуществляется по каналам различной физической природы, самыми распространенными из которых являются электрические, электромагнитные и оптические. Извлечение сигнала на выходе канала, подверженного действию шумов, носит характер вторичного восприятия.

На этапах обработки информации выявляются ее общие и существенные взаимозависимости, представляющие интерес для системы. Преобразование информации на этапе обработки (как и на других этапах) осуществляется либо средствами информационной техники, либо человеком.

Под обработкой информации понимается любое ее преобразование, проводимое по законам логики, математики, а также неформальным правилам, основанным на «здравом смысле», интуиции, обобщенном опыте, сложившихся взглядах и нормах поведения. Результатом обработки является тоже информация, но либо представленная в иных формах (например, упорядоченная по каким-то признакам), либо содержащая ответы на поставленные вопросы (например, решение некоторой задачи). Если процесс обработки формализуем, он может выполняться техническими средствами. Кардинальные сдвиги в этой области произошли благодаря созданию ЭВМ как универсального преобразователя информации, в связи с чем появились понятия данных и обработки данных.

Данными называют факты, сведения, представленные в формализованном виде (закодированные), занесенные на те или иные носители и допускающие обработку с помощью специальных технических средств (в первую очередь ЭВМ).

Обработка данных предполагает производство различных операций над ними, в первую очередь арифметических и логических, для получения новых данных, которые объективно необходимы (например, при подготовке ответственных решений).

На этапе хранения информацию записывают в запоминающее устройство для последующего использования. Для хранения информации используются в основном полупроводниковые и магнитные носители.

Этап отображения информации должен предшествовать этапам, связанным с участием человека. Цель этого этапа – предоставить человеку нужную ему информацию с помощью устройств, способных воздействовать на его органы чувств.

Любая информация обладает рядом свойств, которые в совокупности определяют степень ее соответствия потребностям пользователя (качество информации). Можно привести немало разнообразных свойств информации, так как каждая научная дисциплина рассматривает те свойства, которые ей наиболее важны. С точки зрения информатики наиболее важными представляются следующие:

Актуальность информации – свойство информации сохранять ценность для потребителя в течение времени, т. е. не подвергаться «моральному» старению.

Полнота информации – свойство информации, характеризуемое мерой достаточности для решения определенных задач. Полнота информации означает, что она обеспечивает принятие правильного (оптимального) решения. Оценивается относительно вполне определенной задачи или группы задач.

Адекватность информации – свойство, заключающееся в соответствии содержательной информации состоянию объекта. Нарушение идентичности связано с техническим старением информации, при котором происходит расхождение реальных признаков объектов и тех же признаков, отображенных в информации.

Сохранность информации – свойство информации, характеризуемое степенью готовности определенных информационных массивов к целевому применению и определяемое способностью контроля и защиты информации обеспечить постоянное наличие и своевременное предоставление информационного массива, необходимых для автоматизированного решения целевых и функциональных задач системы.

Достоверность информации – свойство информации, характеризуемое степенью соответствия реальных информационных единиц их истинному значению. Требуемый уровень достоверности информации достигается путем внедрения методов контроля и защиты информации на всех стадиях ее переработки, повышения надежности комплекса технических и программных средств информационной системы, а также административно-организационными мерами.

Информационное общество

Современное общество характеризуется резким ростом объемов информации, циркулирующей во всех сферах человеческой деятельности. Это привело к информатизации общества.

Под информатизацией общества понимают организованный социально-экономический и научно-технический процесс создания оптимальных условий для удовлетворения информационных потребностей и реализации прав физических и юридических лиц на основе формирования и использования информационных ресурсов – документов в различной форме представления.

Целью информатизации является создание информационного общества, когда большинство людей занято производством, хранением, переработкой, реализацией и использованием информации. Для решения этой задачи возникают новые направления в научной и практической деятельности членов общества. Так возникли информатика и информационные технологии.

Характерными чертами информационного общества являются:

1) отсутствие проблемы информационного кризиса, устранение противоречия между информационной лавиной и информационным голодом;

2) приоритет информации перед другими ресурсами;

3) создание информационной экономики как главной формы развития общества;

4) формирование автоматизированной генерации, хранения, обработки и использования знаний с помощью новейшей информационной техники и технологии.

5) информационные технологии, приобретая глобальный характер, охватывают все сферы социальной деятельности человека;

6) образование информационного единства всей человеческой цивилизации;

7) реализация свободного доступа каждого человека к информационным ресурсам всей цивилизации;

8) решение гуманистических принципов управления обществом и воздействия на окружающую среду.

Помимо перечисленных положительных результатов процесса информатизации общества, возможны и негативные тенденции, сопровождающие этот процесс:

1) чрезмерное влияние средств массовой информации;

2) вторжение информационных технологий в частную жизнь человека;

3) сложность адаптации некоторых людей к информационному обществу;

4) проблема качественного отбора достоверной информации.

В настоящий момент ближе всех стран к информационному обществу находятся США, Япония, Англия, страны Западной Европы.

1.3. Системы счисления

Система счисления – это способ записи чисел с помощью заданного набора специальных знаков (цифр).

Существуют системы позиционные и непозиционные.

В непозиционных системах счисления вес цифры не зависит от позиции, которую она занимает в числе. Так, например, в римской системе счисления в числе XXXII (тридцать два) вес цифры X в любой позиции равен просто десяти.

В позиционных системах счисления вес каждой цифры изменяется в зависимости от ее позиции в последовательности цифр, изображающих число.

Любая позиционная система характеризуется своим основанием. Основание позиционной системы счисления – это количество различных знаков или символов, используемых для изображения цифр в данной системе.

За основание можно принять любое натуральное число – два, три, четыре, шестнадцать и т. д. Следовательно, возможно бесконечное множество позиционных систем.

Десятичная система счисления

Пришла в Европу из Индии, где она появилась не позднее VI века н. э. В этой системе 10 цифр: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, однако информацию несет не только цифра, но и место, на котором цифра стоит (то есть ее позиция). В десятичной системе счисления особую роль играют число 10 и его степени: 10, 100, 1000 и т. д. Самая правая цифра числа показывает число единиц, вторая справа – число десятков, следующая – число сотен и т. д.

Двоичная система счисления

В этой системе всего две цифры – 0 и 1. Особую роль здесь играет число 2 и его степени: 2, 4, 8 и т. д. Самая правая цифра числа показывает число единиц, следующая цифра – число двоек, следующая – число четверок и т. д. Двоичная система счисления позволяет закодировать любое натуральное число – представить его в виде последовательности нулей и единиц. В двоичном виде можно представлять не только числа, но и любую другую информацию: тексты, картинки, фильмы и аудиозаписи. Инженеров двоичное кодирование привлекает тем, что легко реализуется технически.

Восьмеричная система счисления

В этой системе счисления 8 цифр: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. Цифра 1, указанная в самом младшем разряде, означает, как и в десятичном числе, просто единицу. Та же цифра 1 в следующем разряде означает 8, в следующем – 64 и т. д. Число 100 (восьмеричное) есть не что иное, как 64 (десятичное). Чтобы перевести в двоичную систему, например, число 611 (восьмеричное), надо заменить каждую цифру эквивалентной ей двоичной триадой (тройкой цифр). Легко догадаться, что для перевода многозначного двоичного числа в восьмеричную систему нужно разбить его на триады справа налево и заменить каждую триаду соответствующей восьмеричной цифрой.

Шестнадцатеричная система счисления

Запись числа в восьмеричной системе счисления достаточно компактна, но еще компактнее она получается в шестнадцатеричной системе. В качестве первых 10 из 16 шестнадцатеричных цифр взяты привычные цифры 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, а вот в качестве остальных 6 цифр используют первые буквы латинского алфавита: A, B, C, D, E, F. Цифра 1, записанная в самом младшем разряде, означает просто единицу. Та же цифра 1 в следующем – 16 (десятичное), в следующем – 256 (десятичное) и т. д. Цифра F, указанная в самом младшем разряде, означает 15 (десятичное). Перевод из шестнадцатеричной системы в двоичную и обратно производится аналогично тому, как это делается для восьмеричной системы.

Таблица 1. Соответствие между первыми несколькими натуральными числами всех трех систем счисления

1.4. Кодирование информации

В настоящее время во всех вычислительных машинах информация представляется с помощью электрических сигналов. При этом возможны две формы ее представления – в виде непрерывного сигнала (с помощью сходной величины – аналога) и в виде нескольких сигналов (с помощью набора напряжений, каждое из которых соответствует одной из цифр представляемой величины).

Первая форма представления информации называется аналоговой, или непрерывной. Величины, представленные в такой форме, могут принимать принципиально любые значения в определенном диапазоне. Количество значений, которые может принимать такая величина, бесконечно велико. Отсюда названия – непрерывная величина и непрерывная информация. Слово непрерывность отчетливо выделяет основное свойство таких величин – отсутствие разрывов, промежутков между значениями, которые может принимать данная аналоговая величина. При использовании аналоговой формы для создания вычислительной машины потребуется меньшее число устройств (каждая величина представляется одним, а не несколькими сигналами), но эти устройства будут сложнее (они должны различать значительно большее число состояний сигнала). Непрерывная форма представления используется в аналоговых вычислительных машинах (АВМ). Эти машины предназначены в основном для решения задач, описываемых системами дифференциальных уравнений: исследования поведения подвижных объектов, моделирования процессов и систем, решения задач параметрической оптимизации и оптимального управления. Устройства для обработки непрерывных сигналов обладают более высоким быстродействием, они могут интегрировать сигнал, выполнять любое его функциональное преобразование и т. п. Однако из-за сложности технической реализации устройств выполнения логических операций с непрерывными сигналами, длительного хранения таких сигналов, их точного измерения АВМ не могут эффективно решать задачи, связанные с хранением и обработкой больших объемов информации.

Вторая форма представления информации называется дискретной (цифровой). Такие величины, принимающие не все возможные, а лишь вполне определенные значения, называются дискретными (прерывистыми). В отличие от непрерывной величины, количество значений дискретной величины всегда будет конечным. Дискретная форма представления используется в цифровых электронно-вычислительных машинах (ЭВМ), которые легко решают задачи, связанные с хранением, обработкой и передачей больших объемов информации.

Для автоматизации работы ЭВМ с информацией, относящейся к различным типам, очень важно унифицировать их форму представления – для этого обычно используется прием кодирования.

Кодирование – это представление сигнала в определенной форме, удобной или пригодной для последующего использования сигнала. Говоря строже, это правило, описывающее отображение одного набора знаков в другой набор знаков. Тогда отображаемый набор знаков называется исходным алфавитом, а набор знаков, который используется для отображения, – кодовым алфавитом, или алфавитом для кодирования. При этом кодированию подлежат как отдельные символы исходного алфавита, так и их комбинации. Аналогично для построения кода используются как отдельные символы кодового алфавита, так и их комбинации.

Совокупность символов кодового алфавита, применяемых для кодирования одного символа (или одной комбинации символов) исходного алфавита, называется кодовой комбинацией, или, короче, кодом символа. При этом кодовая комбинация может содержать один символ кодового алфавита.

Символ (или комбинация символов) исходного алфавита, которому соответствует кодовая комбинация, называется исходным символом.

Совокупность кодовых комбинаций называется кодом.

Взаимосвязь символов (или комбинаций символов, если кодируются не отдельные символы исходного алфавита) исходного алфавита с их кодовыми комбинациями составляет таблицу соответствия (или таблицу кодов).

В качестве примера можно привести систему записи математических выражений, азбуку Морзе, морскую флажковую азбуку, систему Брайля для слепых и др.

В вычислительной технике также существует своя система кодирования – она называется двоичным кодированием и основана на представлении данных последовательностью всего двух знаков: 0 и 1 (используется двоичная система счисления). Эти знаки называются двоичными цифрами, или битами (binary digital).

Если увеличивать на единицу количество разрядов в системе двоичного кодирования, то увеличивается в два раза количество значений, которое может быть выражено в данной системе. Для расчета количества значений используется следующая формула:

где N – количество независимо кодируемых значений,

а m – разрядность двоичного кодирования, принятая в данной системе.

Например, какое количество значений (N) можно закодировать 10-ю разрядами (m)?

Для этого возводим 2 в 10 степень (m) и получаем N=1024, т. е. в двоичной системе кодирования 10-ю разрядами можно закодировать 1024 независимо кодируемых значения.

Кодирование текстовой информации

Для кодирования текстовых данных используются специально разработанные таблицы кодировки, основанные на сопоставлении каждого символа алфавита с определенным целым числом. Восьми двоичных разрядов достаточно для кодирования 256 различных символов. Этого хватит, чтобы выразить различными комбинациями восьми битов все символы английского и русского языков, как строчные, так и прописные, а также знаки препинания, символы основных арифметических действий и некоторые общепринятые специальные символы. Но не все так просто, и существуют определенные сложности. В первые годы развития вычислительной техники они были связаны с отсутствием необходимых стандартов, а в настоящее время, наоборот, вызваны изобилием одновременно действующих и противоречивых стандартов. Практически для всех распространенных на земном шаре языков созданы свои кодовые таблицы. Для того чтобы весь мир одинаково кодировал текстовые данные, нужны единые таблицы кодирования, что до сих пор пока еще не стало возможным.

Кодирование графической информации

Кодирование графической информации основано на том, что изображение состоит из мельчайших точек, образующих характерный узор, называемый растром. Каждая точка имеет свои линейные координаты и свойства (яркость), следовательно, их можно выразить с помощью целых чисел – растровое кодирование позволяет использовать двоичный код для представления графической информации. Черно-белые иллюстрации представляются в компьютере в виде комбинаций точек с 256 градациями серого цвета – для кодирования яркости любой точки достаточно восьмиразрядного двоичного числа.

Для кодирования цветных графических изображений применяется принцип декомпозиции (разложения) произвольного цвета на основные составляющие. При этом могут использоваться различные методы кодирования цветной графической информации. Например, на практике считается, что любой цвет, видимый человеческим глазом, можно получить путем механического смешивания основных цветов. В качестве таких составляющих используют три основных цвета: красный (Red, R), зеленый (Green, G) и синий (Blue, B). Такая система кодирования называется системой RGB.

На кодирование цвета одной точки цветного изображения надо затратить 24 разряда. При этом система кодирования обеспечивает однозначное определение 16,5 млн различных цветов, что на самом деле близко к чувствительности человеческого глаза. Режим представления цветной графики с использованием 24 двоичных разрядов называется полноцветным (True Color).

Каждому из основных цветов можно поставить в соответствие дополнительный цвет, то есть цвет, дополняющий основной цвет до белого. Соответственно дополнительными цветами являются: голубой (Cyan, C), пурпурный (Magenta, M) и желтый (Yellow, Y). Такой метод кодирования принят в полиграфии, но в полиграфии используется еще и четвертая краска – черная (Black, K). Данная система кодирования обозначается CMYK, и для представления цветной графики в этой системе надо иметь 32 двоичных разряда. Такой режим называется полноцветным (True Color).

Если уменьшать количество двоичных разрядов, используемых для кодирования цвета каждой точки, то можно сократить объем данных, но при этом диапазон кодируемых цветов заметно сокращается. Кодирование цветной графики 16-разрядными двоичными числами называется режимом High Color.

Кодирование звуковой информации

Приемы и методы кодирования звуковой информации пришли в вычислительную технику наиболее поздно и до сих пор далеки от стандартизации. Множество отдельных компаний разработали свои корпоративные стандарты, хотя можно выделить два основных направления.

Метод FM (Frequency Modulation) основан на том, что теоретически любой сложный звук можно разложить на последовательность простейших гармоничных сигналов разной частоты, каждый из которых представляет правильную синусоиду, а следовательно, может быть описан числовыми параметрами, то есть кодом. В природе звуковые сигналы имеют непрерывный спектр, то есть являются аналоговыми. Их разложение в гармонические ряды и представление в виде дискретных цифровых сигналов выполняют специальные устройства – аналогово-цифровые преобразователи (АЦП). Обратное преобразование для воспроизведения звука, закодированного числовым кодом, выполняют цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП). При таких преобразованиях часть информации теряется, поэтому качество звукозаписи обычно получается не вполне удовлетворительным и соответствует качеству звучания простейших электромузыкальных инструментов с «окрасом», характерным для электронной музыки.

Метод таблично-волнового синтеза (Wave-Table) лучше соответствует современному уровню развития техники. Имеются заранее подготовленные таблицы, в которых хранятся образцы звуков для множества различных музыкальных инструментов. В технике такие образцы называются сэмплами. Числовые коды выражают тип инструмента, номер его модели, высоту тона, продолжительность и интенсивность звука, динамику его изменения. Поскольку в качестве образцов используются «реальные» звуки, то качество звука, полученного в результате синтеза, получается очень высоким и приближается к качеству звучания реальных музыкальных инструментов.

Единицы измерения данных

Наименьшей единицей измерения информации является байт, равный восьми битам. Одним байтом можно закодировать одно из 256 значений. Существуют и более крупные единицы, такие как килобайт (Кбайт), мегабайт (Мбайт), гигабайт (Гбайт) и терабайт (Тбайт).

1 байт = 8 бит

1 Кбайт = 1024 байт

1 Мбайт = 1024 Кбайт = 2 20 байт

1 Гбайт = 1024 Мбайт = 2 30 байт

1 Тбайт = 1024 Гбайт = 2 40 байт

Контрольные вопросы

1. Что изучает информатика?

2. Как развивались способы сбора, хранения и передачи информации?

3. Какова структура современной информатики?

4. Что такое информация?

5. Какие функции выполняет информация?

6. Дайте характеристику основным информационным процессам.

7. В чем основное отличие данных от информации?

8. Какими свойствами обладает информация?

9. Что понимается под информатизацией общества?

10. Какими характерными чертами обладает информационное общество?

11. Что такое системы счисления и какие они бывают? Приведите примеры.

12. Дайте характеристику основным позиционным системам счисления.

13. В каких двух видах может быть представлена информация? Охарактеризуйте их и приведите примеры.

14. Что такое кодирование? Приведите примеры кодирования из жизни.

15. Что является основной единицей представления информации в ЭВМ?

16. Как кодируются различные виды информации в ЭВМ?

17. С помощью каких единиц измеряют информацию?

Вычислительная техника - это совокупность устройств, предназначенных для автоматической или автоматизированной обработки данных в информацию.

Вычислительная система - это конкретный набор связанных между собою устройств. Центральным устройством большинства вычислительных систем является электронная вычислительная машина (ЭВМ) или компьютер.

Компьютер - это устройство, состоящее из электронных и электромеханических компонент, которое выполняет операции ввода, хранения и обработки данных по определенной программе с целью получения информации, вывод которой осуществляется в форме, пригодной для восприятия человеком.

Архитектура компьютера . Под архитектурой ЭВМ надо понимать ту совокупность характеристик, которая необходима пользователю. Это, прежде всего, основные устройства и блоки ЭВМ, а также структура связей между ними и программное управление.

Общие принципы построения ЭВМ, которые относятся к архитектуре:

• структура памяти ЭВМ;
• способы доступа к памяти и внешним устройствам";
• возможность изменения конфигурации;
• система команд;
• форматы данных;
• организация интерфейса.

Исходя из этого, можно дать определение, что Архитектура - это наиболее общие принципы построения ЭВМ, реализующие программное управление работой и взаимодействием основных ее функциональных узлов.

Классические принципы построения архитектуры ЭВМ были предложены в работе Дж. фон Неймана. Г.Голдстейга и А. Беркса в 1946 году и известны как " принципы фон Неймана". Эти принципы декларируют следующие положения архитектуры:

• Использование двоичной системы представления данных . Преимущества двоичной системы для технической реализации дало удобство и простоту выполнения арифметических и логических операций. ЭВМ стали обрабатывать и нечисловые виды информации - текстовую, графическую, звуковую и другие. Двоичное кодирование данных по-прежнему составляет информационную основу любого современного компьютера.
• Принцип хранимой программы . Нейман первым догадался, что программа может также храниться в виде нулей и единиц, причем в той же самой памяти, что и обрабатываемые ею числа. Отсутствие принципиальной разницы между программой и данными дало возможность ЭВМ самой формировать для себя программу в соответствии с результатами вычислений. Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру, которая воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ.
• Принцип последовательного выполнения операций . Структурно память состоит из пронумерованных ячеек. Процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти так. чтобы к сохраненным в них значениям можно было бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программы с использованием присвоенных имен.
• Принцип произвольного доступа к ячейкам оперативной памяти . Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

Рис 3. Устройство управления (УУ). Арифметико-логическое устройство (АЛУ). Память (ЗУ) хранит информацию (данные) и программы, включает оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и внешние запоминающие устройства (ВЗУ).

Современная архитектура компьютера . Реальная структура компьютера значительно сложнее, чем рассмотренная выше схема (Рис. 3). В современных компьютерах, в частности микрокомпьютерах (персональных), все чаще происходит отход от традиционной архитектуры фон Неймана, обусловленный стремлением разработчиков и пользователей к повышению качества и производительности компьютеров (Рис. 4).

Качество ЭВМ характеризуется многими показателями. Это и набор команд, которые компьютер способный понимать и выполнять, скорость работы (быстродействие) центрального процессора, количество периферийных устройств, присоединяемых к компьютеру одновременно и многое другое. При этом главным показателем, характеризующим компьютер (ЭВМ) является его быстродействие.

Быстродействие - это количество операций, которое процессор способен выполнить за единицу времени. На практике, пользователя больше интересует производительность компьютера - показатель его эффективного быстродействия, то есть способности не просто быстро функционировать, а быстро решать конкретно поставленные задачи.

Как результат, все эти и прочие факторы способствуют принципиальному и конструктивному усовершенствованию элементной базы компьютеров, то есть созданию новых, более быстрых, надежных и удобных в работе процессоров, запоминающих устройств, устройств ввода-вывода и т.д. Тем ее менее, следует учитывать, что скорость работы элементов невозможно увеличивать беспредельно (существуют современные технологические ограничения и ограничения, обусловленные физическими законами). Поэтому разработчики компьютерной техники ищут решения этой проблемы усовершенствованием архитектуры ЭВМ.

Так появились компьютеры с многопроцессорной (или мультипроцессорной) архитектурой, в которой несколько процессоров работают одновременно, а это означает, что производительность такого компьютера равняется сумме производительностей процессоров.

В мощных компьютерах, предназначенных для сложных инженерных расчетов и систем автоматизированного проектирования (САПР), часто устанавливают два или четыре процессора. В сверхмощных ЭВМ (такие машины могут, например, моделировать ядерные реакции в режиме реального времени, прогнозировать погоду в глобальном масштабе, моделировать полномасштабные сцены для кинематографа и мультипликации) количество процессоров достигает нескольких десятков.

Рис. 4. Общая структура современного микрокомпьютера

Все основные архитектурные блоки состоят из отдельных меньших устройств, которые выполняют строго определенные функции.

В частности, в центральный процессор входит арифметико-логическое устройство (АЛУ ). внутреннее запоминающее устройство в виде регистров процессора и внутренней кэш-памяти, управляющее устройство (УУ ).

Устройство ввода, как правило, тоже не является одной конструктивной единицей. Поскольку виды входной информации разнообразны, источников ввода данных может быть несколько. То же касается и устройств вывода.

Процессор - это центральный вычислительный блок в ЭВМ любого типа. Он осуществляет вычисления по хранящейся в оперативной памяти программе и обеспечивает общее управление компьютером.

Процессор, как минимум, содержит:

• Арифметико-логическое устройство (АЛУ) , предназначенное для выполнения арифметических и логических операций;

• Устройство управления (УУ) , предназначенное для выполнения общего управления вычислительным процессом по программе и координации всех устройств ЭВМ. УУ в определенной последовательности выбирает из оперативной памяти команду за командой. Затем: каждая, команда декодируется, по потребности элементы данных из указанных в команде ячеек оперативной памяти передаются в АЛУ. АЛУ настраивается на выполнение действия, указанного текущей командой (в этом действии могут принимать участие также устройства ввода-вывода); дается команда на выполнение этого действия. Этот процесс будет продолжаться до тех пор. пока не возникнет одна из следующих ситуаций: исчерпаны входные данные, от одного из устройств поступила команда на прекращение работы, выключено питание компьютера.

Запоминающее устройство (ЗУ) - это архитектурный блок ЭВМ, предназначенный для временного (оперативная память) и продолжительного (постоянная память) хранения программ, входных и результирующих данных, а также промежуточных результатов на устройствах внешнего запоминающего устройства (ВЗУ).

Оперативная память (ОЗУ) - служит для приема, хранения и выдачи информации. В ней содержатся программы и данные, доступные для использования микропроцессором, а также промежуточные и окончательные результаты вычислений. Процесс выполнения программы сводится к преобразованию исходного состояния памяти в заключительное (конечное). ОЗУ является энергозависимым устройством, что означает потерю информации при отключении электропитания. Скорость работы компьютера существенным образом зависит от быстродействия оперативной памяти. Поэтому постоянно ведутся поиски элементов для оперативной памяти, затрачивающих меньше времени на операции чтении-записи. Проблема решается построением многоуровневой памяти.

Оперативная память состоит из двух-трех частей: основная часть большей емкости строится на относительно медленных (более дешевых) элементах, а дополнительная (так называемая кэш-память) состоит из быстродействующих элементов. Данные, к которым чаще всего обращается процессор, находятся в кэш-памяти, а больший объем оперативной информации хранится в основной памяти.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) . Энергонезависимое устройство, предназначенное для долговременного хранения служебной и первичной информации. Представлено в виде микросхем, расположенных на материнской (системной) плате.

Внешнее запоминающее устройство (ВЗУ) . Энергонезависимые устройства, обеспечивающие надежное хранение и выдачу информации. В них хранятся часто используемые программы и данные (см. устройства, хранения). Однако скорость обмена данными между постоянной памятью и центральным процессором, в подавляющем большинстве случаев, значительно меньше, чем у оперативной памяти.

Устройства ввода (УВВ) и вывода (УВ) , относятся к категории периферийных устройств. Раньше работой устройств ввода-вывода руководил центральный процессор, что занимало немало времени. Архитектура современных ЭВМ предусматривает наличие каналов прямого доступа к оперативной памяти для обмена данными с устройствами ввода-вывода без участия центрального процессора, а также передачу большинства функций управления периферийными устройствами специализированным процессорам, разгружающим центральный процессор и повышающим его производительность.

Система прерываний . Прерыванием называется ситуация, требующая каких-либо действий микропроцессора при возникновении определенного события. Под системой прерываний понимают программно-аппаратный комплекс, обеспечивающий выполнение и обработку прерываний.

Процессор должен оперативно реагировать на различные события, происходящие в компьютере в результате действий оператора или без его ведома. В качестве примеров такого рода можно привести нажатие клавиш на клавиатуре, попытка деления на ноль (в ходе выполнения программы), сбой питания (иные сбои в работе оборудования), запланированные обращения к ядру операционной системы и другое. Необходимую реакцию на прерывания обеспечивает система прерывания.

Обработка прерываний сводится к приостановке исполнения текущей последовательности команд, вместо которой начинает интерпретироваться другая последовательность, соответствующая данному типу прерывания и называемая обработчиком прерывания. После ее реализации, исполнение программы может быть продолжено, если это возможно или целесообразно, что зависит от типа прерывания.

Система портов ввода-вывода обеспечивает непосредственное подключение адаптера периферийного устройства к системной шине, то есть, по сути, является точкой такого подключения периферийного устройства к компьютерной системе. Каждый порт ввода-вывода имеет свой адрес, при этом периферийному устройству может быть присвоено несколько портов ввода-вывода. Совокупность портов ввода-вывода образуют систему портов ввода-вывода . Упрощенно порт ввода-вывода можно считать регистром, в который записывается, информация для передачи ее е Л периферийное устройство или с которого считывается информация, полученная из периферийного устройства.

С точки зрения пользователя, порт - это интерфейс (разъем) для подключения устройства (клавиатуры, мышки, дисплея, принтера, наушников и т.д.) к компьютеру. Обычно порты ввода- вывода располагаются на задней панели корпуса системного модуля, часть из них может выноситься и на переднюю панель.

Адаптер, контроллер . Понятие «адаптер периферийного устройства» можно считать синонимом термина «контроллер», однако последний чаще употребляется для устройства реализующих более сложные функции по управлению периферийными устройствами (Рис. 5).

Рис. 5.Видеоконтроллер. Управляет выводом изображения на дисплей

Развитые контроллеры периферийных устройств включают в свой состав специализированные микропроцессоры и память. Это же относится и к периферийным устройствам со сложными алгоритмами работы, требующими наличия совершенных блоков управления. С точки зрения пользователя, (адаптер или контроллер) представляет собой плату с набором микросхем и портов ввода-вывода, в его задачу входит управление подключенным к нему устройством. Это может быть дисплей, принтер, аудио устройства и др.

Адаптер интерфейса - это средство сопряжения центральной части ЭВМ с периферийными устройствами, в которых все физические и логические параметры отвечают заранее определенным параметрам (определенному протоколу) и широко используются в других устройствах.

Рис. 6. Адаптер интерфейса

Современная архитектура компьютерной системы . Сохранив принципы построения архитектуры ЭВМ по Нейману, современная архитектура обогатилась дополнительными принципами и сегодня архитектура ЭВМ определяют следующие принципы:

• Принцип программного управления . Обеспечивает автоматизацию процесса вычислений на ЭВМ, Согласно этому принципу, для решения каждой задачи составляется программа, которая определяет последовательность действий компьютера. Эффективность программного управления будет выше при решении задачи этой же программой много раз (хотя и с разными начальными данными).
• Принцип программы, сохраняемой в памяти . Согласно этому принципу, команды программы подаются, как и данные, в виде чисел и обрабатываются так же, как и числа, а сама программа перед выполнением загружается в оперативную память, что ускоряет процесс ее выполнения.
• Принцип произвольного доступа к памяти. В соответствии с этим принципом, элементы программ я данных могут записываться в произвольное место оперативной памяти, что позволяет обратиться по любому заданному адресу (к конкретному участку памяти) без просмотра предыдущих.
• Принцип разделения функций . Процессор управляет всеми операциями на высшем уровне, в то время как конкретную интерпретацию его общих команд для отдельных устройств реализуют специальные управляющие устройства - контроллеры. Процессор может обрабатывать информацию только в том случае, если она уже подверглась первичной обработке. Эту функцию берут на себя контроллеры устройства ввода. Они приводят входные данные к единому стандарту. Затем данные пересылаются в оперативную память, где они раскладываются по ячейкам и снабжаются ссылками (адресами), необходимыми для их использования. Вывод информации происходит также при посредничестве управляющих устройств вывода, которые вновь производят переформатированные данные в нужный стандарт. В принципе, все устройства компьютера имеют свои контроллеры (накопители, монитор, принтер, плоттер, стример и др.) Исходя из этого, можно сформулировать один из важных принципов работы ЭВМ.

Функциональные подсистемы . В процессе своей работы ЭВМ осуществляет:

• Ввод информации извне;
• Временное хранение;
• Преобразование;
• Вывод в виде, доступном для восприятия, ее человеком.

Процесс получения данных компьютером называется кратко «ввод », а выдача ее пользователю - «вывод» . Эти процессы настолько важны, что для их реализации предложено большое количество разнообразных устройств. Кроме того, нельзя забывать, что «ввод» и «вывод» - это две стороны одного процесса обмена информации, причем без одной из них не бывает другой. Поэтому, когда говорят нe о преобразовании данных, а об их передаче компьютеру для вычислений и получения итоговых результате в применяют термин «ввод-вывод».

В процессе ввода данные приводятся к формату, который может быть воспринят компьютером, а при выводе - к виду, привычному для человека .

В каждом из перечисленных этапов процесса реализуется отдельная функциональная подсистема:

• подсистема ввода данных;
• подсистема хранения данных;
• подсистема преобразования данных;
• подсистема вывода информации.

Все подсистемы связаны между собой каналами обмена, сгруппированными в потоки. Кроме данных и команд они несут сигналы таймера и питающее напряжение ко всем блокам компьютера. Эти потоки имеют конструктивное выражение в виде проводов и разъемов, имеющие название шины (см. ниже).

Подсистема устройств ввода . Ввод информации в компьютер осуществляется специализированными устройствами как стандартными, (см. ниже), так и нестандартными (факультативными).

Ввод информации в персональный компьютер осуществляется в три этапа:

• восприятие информации извне;
• приведение данных к определенному формату, понятному компьютеру;
• передача данных на компьютерную шину;

Подсистема устройств вывода . Подсистема вывода информации позволяет пользователю компьютера получить результаты работы в привычном для него виде. Устройства вывода информации так же. как и устройства ввода информации, могут быть стандартными (см. ниже) и нестандартными (факультативными).

Вывод информации также осуществляется в три этапа, причем их очередность обратная таковой в процессе ввода:

• восприятие информации, передаваемой по каналам шины;
• приведение информации к формату, характерному для устройства вывода;
• выдача результатов работы на. устройствах вывода информации.

Подсистема преобразования . Преобразованием данных в информацию в компьютере осуществляется процессором. Процессор, как минимум, содержит устройство управления (УУ ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ ). Устройство управления, по существу, является «хозяином» компьютера и выполняет следующие функции:

• устанавливает очередность для задач, выполняемых системой;
• генерирует управляющие сигналы для распределения операций и потоков данных как внутри арифметико-логического устройства, так и вне его;
• управляет передачей информации по адресной шине и шине данных;
• воспринимает и обрабатывает служебные сигналы, следующие по управляющей шине системы.

Подсистема хранения . Для того, чтобы эффективно работать с данными, процессору необходимо иметь к ним быстрый и свободный доступ. Функции промежуточного хранения выполняет подсистема хранения информации. Поступив в компьютер из подсистемы ввода, приведенная к определенному внутреннему стандарту информация располагается в ячейках оперативной памяти, после чего, по мере необходимости. обрабатывается процессором.

Память персонального компьютера реализована на электронных элементах и, как уже говорилось выше, является энергозависимой. Этот способ хранения информации весьма уязвим. По окончании сеанса работы содержимое оперативной памяти записывается на диск. Теперь для данных неопасно внезапное выключение электроэнергии, потому, что информация, записанная на диске, восстановит в памяти все. что было до того.

Для долговременного и надежного хранения данных создано множество более надежных устройств; магнитные и магнитооптические накопители, накопители на магнитной ленте и другие.

У внешних запоминающих устройств (ВЗУ ) есть два главных преимущества перед оперативной памятью:

• хранение информации не требует обеспечения энергией;
• объемы информации могут быть чрезвычайно большими.

На основании этих принципов можно утверждать, что современный компьютер - это техническое устройство, которое после ввода в память начальных данных в виде цифровых кодов и программы их обработки, выраженной тоже цифровыми кодами, способно автоматически осуществить вычислительный процесс, заданный программой, и выдать готовые результаты решения задачи в форме, пригодной для восприятия человеком.

Методы классификации компьютеров . Номенклатура видов компьютеров сегодня огромная: машины различаются по назначению, мощности, размерам, элементной базе и т.д. Поэтому классифицируют ЭВМ по разным признакам. Следует заметить, что любая классификация является в некоторой мере условной, поскольку развитие компьютерной науки и техники настолько бурное, что. например, сегодняшняя ми к по ЭВМ не уступает по мощности миниЭВМ пятилетней давности и даже суперкомпьютерам недавнего прошлого. Кроме того, зачисление компьютеров к определенному классу довольно условно через нечеткость разделения групп, так и вследствие внедрения в практику заказной сборки компьютеров, где номенклатуру узлов и конкретные модели адаптируют к требованиям заказчика. Рассмотрим распространенные критерии классификации компьютеров.

Классификация по назначению

• большие электронно-вычислительные машины (БЭВМ);
• миниЭВМ;
• микроЭВМ:
• персональные компьютеры.

Большие ЭВМ (Main Frame ) . Применяют для обслуживания крупных областей народного хозяйства. Они характеризуются мощными параллельно работающими процессорами (количество которых достигает до 100), интегральным быстродействием до десятков миллиардов операций в секунду, многопользовательским режимом работы.

На базе больших ЭВМ создают вычислительный центр, который содержит несколько отделов или групп (Табл. 1). Структура вычислительного центра на базе большой ЭВМ может быть следующая:

• Центральный процессор - основной блок БЭВМ. в котором происходит обработка данных и вычисление результатов. Представляет собой несколько системных блоков в отдельной комнате, где поддерживается постоянная температура и влажность воздуха.
• Группа системного программирования - занимается разработкой, отладкой и внедрением программного обеспечения, необходимого для функционирования вычислительной системы. Системные программы обеспечивают взаимодействие программ с оборудованием, то есть программно-аппаратный интерфейс вычислительной системы.
• Группа прикладного программирования - занимается созданием программ для выполнения конкретных действий с данными, то есть обеспечение пользовательского интерфейса вычислительной системы.
• Группа подготовки данных - занимается подготовкой данных, которые будут обработаны на прикладных программах, созданных прикладными программистами. В частности, это набор текста, сканирование изображений, заполнение баз данных.
• Группа технического обеспечения - занимается техническим обслуживанием всей вычислительной системы, ремонтом и отладкой аппаратуры, подсоединением новых устройств.
• Группа информационного обеспечения - обеспечивает технической информацией все подразделения вычислительного центра, создает и сохраняет архивы разработанных программ (библиотеки программ) и накопленных данных (банки данных).
• Отдел выдачи данных - получает данные от центрального процессора и превращает их в форму, удобную для заказчика (распечатка).

Большим ЭВМ присуща высокая стоимость оборудования и обслуживания, поэтому работа организована непрерывным циклом.

Мини ЭВМ . Эта категория похожа на большие ЭВМ, но меньших размеров. Используют на крупных предприятиях, научных учреждениях и организациях. Часто используют для управления производственными, процессами. Характеризуются мультипроцессорной архитектурой, подключением до 200 терминалов, дисковыми запоминающими устройствами, которые наращиваются до сотен гигабайт, разветвленной периферией. Для организации работы с миниЭВМ нужен вычислительный центр, но меньший, чем для больших ЭВМ.

МикроЭВМ . Микрокомпьютер (microcomputer) - вычислительная система, в которой в качестве управляющего и арифметического устройства используется микропроцессор. В более совершенных микро-ЭВМ могут применяться несколько микропроцессоров. Производительность этой системы определяется не только характеристиками применяемого процессора, но и емкостью имеющейся оперативной памяти, типами периферийных устройств, качеством конструктивных решений, расширяемостью и др. Сейчас они превратились в инструментальные средства для решения сложных задач. Микропроцессоры стали более мощными, а периферийные устройства более эффективными, поэтому микро-ЭВМ в настоящий момент вытесняют мини-ЭВМ и разница между ними постепенно уменьшается. На компьютеры именно этой категории и рассчитан данный курс обучения.

Микрокомпьютеры условно можно разделить на профессиональные и бытовые. В связи с удешевлением аппаратного обеспечения, грань между ними постепенно размывается. С 1999 года введен международный сертификационный стандарт - спецификация РС99:

• массовый персональный компьютер (Consumer PC) - относительно не дорогие системы, удовлетворяющие требованиям пользователя;
• деловой персональный компьютер (Office PC) - имеют минимум средств воспроизведения графики и звука;
• портативный персональный компьютер (Mobile PC) - отличаются наличием средств коммуникации отдаленного доступа (компьютерная связь);
• рабочая станция (Workstation) - отличаются увеличенными требованиями к устройствам хранения и обработки;
• развлекательный персональный компьютер (Entertainment PC) - делают основной акцент на мультимедийность при помощи развитых средств воспроизведения графики и звука.

Классификация микрокомпьютеров по целевому назначению или уровню специализации .

• многопользовательские микрокомпьютеры (Серверы) - это микрокомпьютеры, работающие в режиме разделения времени обеспечивая работу нескольких пользователей одновременно. Они выполняются в одной малогабаритной стойке или в настольном варианте и в большинстве случаев являются подмножеством компьютерной сети.
• специализированные или рабочие станции (АРМ) - представляют собой микрокомпьютер, оборудованный всеми средствами, необходимыми для выполнения работ определенного типа. Различают АРМ инженерные, графические, автоматизированного проектирования, издательские (настольные издательские системы) и другие.
• встроенные микрокомпьютеры - представляют собой вычислительные системы, созданные для решения конкретных задач. Используемые для управления (например, станком или комплексом станков, научным оборудованием, боевой единицей и др.) и обработки измерений. Конструктивно они выполняются в виде одной или нескольких плат и не обеспечивают реализацию широкого спектра вычислительных функций, а также стандартного взаимодействия с пользователем.

Классификация по размеру . Кроме целевого назначения, в зависимости от конструктивного использования, микрокомпьютеры делятся на стационарные и портативные.

• Стационарные микрокомпьютеры . Устанавливаются на столе, тумбе или в виде малогабаритной стойки на полу.
• Переносные микрокомпьютеры . Имеют сравнительно небольшую массу и габариты, транспортируются одним человеком, как правило, не имеют автономного питания;
• Переносные микрокомпьютеры с автономным питанием . Делятся на ряд категорий:
• Наколенные (Laptop), выполненные в виде дипломата;
• Карманные (Pocket), помещающиеся в кармане.

Наиболее распространенными являются настольные микрокомпьютеры, которые позволяют легко изменять конфигурацию. Портативные удобны для пользования, имеют средства компьютерной связи. Карманные модели можно назвать "интеллектуальными" записными книжками, разрешают хранить оперативные данные и получать к ним быстрый доступ.

Классификация по совместимости . Существует великое множество типов компьютеров, которые собираются из деталей, изготовленных разными производителями. Важным является обеспечение совместимости компьютера, которая имеет несколько уровней:

• аппаратная совместимость (платформа IBM PC и Apple Macintosh);
• совместимость на уровне операционной системы;
• программная совместимость;
• совместимость на уровне данных.

Вопросы для самоконтроля

1. Что называют вычислительной техникой?
   1. Что называют вычислительной системой?
   2. Что такое компьютер?
   3. Что такое архитектура ЭВМ?
   4. Перечислите принципы построения архитектуры ЭВМ по Нейману?
   5. Что такое быстродействие?
   6. Что такое производительность компьютера?
   7. Что такое процессор?
   8. Что такое арифметико-логическое устройство?
   9. Что такое устройство управления?
   10. Что такое запоминающее устройство?
   11. Что такое оперативная память?
   12. Что такое внешнее запоминающее устройство?
   13. Что такое прерывание?
   14. Что такое система прерываний?
   15. Что такое обработка прерываний и обработчик прерываний?
   16. Что такое порт ввода-вывода?
   17. Что такое адаптер и контроллер?
   18. Что такое адаптер интерфейса?
   19. Какие функции осуществляет ЭВМ в процессе своей работы?
   20. Перечислите функциональные подсистемы ЭВМ.
   21. Какие функции осуществляет подсистема ввода данных?
   22. Какие функции осуществляет подсистема вывода данных?
   23. Какие функции осуществляет подсистема преобразования данных?
   24. Что такое микрокомпьютер?
   25. Что такое сервер?
   26. Что такое АРМ?
   27. Перечислите типы совместимости компьютерных систем?

Все современные вычислительные машины построены по принципам и имеют структуру, предложенную еще в 40–х годах академиком Джоном Фон Нейманом.

Принципы Фон Неймана:

вычислительная машина конструктивно делится на ряд устройств: процессор, запоминающее устройство (для хранения программ и данных), устройство ввода–вывода и т.д.;


наличие хранимой в памяти программы;


одинаковое представление чисел и команд в виде двоичных кодов;


принцип микропрограммного управления процессом вычислений;


естественный порядок выборки команд (команды выполняются последовательно, так как они хранятся в памяти; изменение порядка выполнения команд, при необходимости, осуществляется специальными командами перехода).


Согласно первому принципу ЭВМ состоит из ряда устройств, взаимодействующих друг с другом в процессе решения задачи. Рассмотрим кратко основные устройства и их функции (рис. 1).





Рис.1. Структурная схема ЭВМ


Оперативная память (ОЗУ) – реализуется, как правило, на модулях (микросхемах) динамической памяти. ОЗУ служит для хранения программы, исходных данных задачи, промежуточных и конечных результатов решения задачи.


Память ЭВМ к настоящему времени приобрела довольно сложную структуру и «расползлась» по многим компонентам. Кроме оперативной, память включает также и постоянную (ПЗУ), из которой можно только считывать команды и данные, и некоторые виды специальной памяти (например видеопамять графического адаптера). Вся эта память вместе с оперативной располагается в едином пространстве с линейной адресацией. В любом компьютере обязательно есть постоянная память, в которой хранится программа начального запуска компьютера и минимальный необходимый набор сервисов (например: ROM BIOS).


Все узлы ЭВМ не входящие в ядро называются периферийными. Они обеспечивают расширение возможностей ЭВМ, облегчают пользование ими. В состав периферийных (внешних) устройств могут входить следующие узлы.


Внешняя память (устройства хранения данных, например, дисковые) – память, имеющая относительно невысокое быстродействие, но по сравнению с ОЗУ существенно более высокую емкость. Внешняя память предназначена для записи данных с целью последующего считывания (возможно, и на другом компьютере). От рассмотренной выше памяти, называемой также внутренней, устройства хранения отличаются тем, что процессор не имеет непосредственного доступа к данным по линейному адресу. Доступ к данным на устройствах хранения выполняется с помощью специальных программ, обращающихся к контроллерам этих устройств. В силу того что быстродействие внешней памяти значительно ниже быстродействия АЛУ, последнее в процессе работы взаимодействует лишь с ОЗУ, получая из него команды и данные, отсылая в эту память результаты операций. Часто при решении сложных задач емкость ОЗУ оказывается недостаточной. В этих случаях в процессе решения задач данные определенными порциями могут пересылаться из внешней памяти в ОЗУ, откуда они затем выбираются для обработки в АЛУ.


Системы памяти современных ЭВМ представляют собой совокупность аппаратных средств, предназначенных для хранения используемой в ЭВМ информации. К этой информации относятся обрабатываемые данные, прикладные программы, системное программное обеспечение и служебная информация различного назначения. К системе памяти можно отнести и программные средства, организующие управление ее работой в целом, а также драйверы различных видов запоминающих устройств.


Память представляет собой одну из важнейших подсистем ЭВМ, во многом определяющую их производительность. Тем не менее, в течение всей истории развития вычислительных машин она традиционно считается их «узким местом».


Ключевым принципом построения памяти ЭВМ является ее иерархическая организация (принцип, сформулированный еще Джоном фон Нейманом), которая предполагает использование в системе памяти компьютера запоминающих устройств (ЗУ) с различными характеристиками. Причем с развитием технологий, появлением новых видов ЗУ и совершенствованием структурной организации ЭВМ количество уровней в иерархии памяти ЭВМ не только не уменьшается, но даже увеличивается. Например, сверхоперативные ЗУ больших ЭВМ 50-60-х годов заменяет двухуровневая кэш-память персональных ЭВМ 90-х годов.


Запоминающие устройства (ЗУ) характеризуются рядом параметров, определяющих возможные области применения различных типов таких устройств. К основным параметрам, по которым производится наиболее общая оценка ЗУ, относятся их информационная емкость (E), время обращения (T) и стоимость (C).


Под информационной емкостью ЗУ понимают количество информации, измеряемое в байтах, килобайтах, мегабайтах или гигабайтах, которое может храниться в запоминающем устройстве.


Как известно, приставки кило-, мега- и гига- допускают неоднозначную трактовку в связи с различием их понимания в общенаучном и специфическом при использовании двоичной системы счисления смыслах. Так, в общем смысле приставка «кило» соответствует 103, «мега» – 106, а «гига» – 109 (на подходе «тера», «пента» и «гексо») . В то же время, близкие по звучанию и смыслу двоичные аналоги этих величин: К-, М- и Г- обозначают 210 (1024), 220 (1048576) и 230 (1073741824), что только приблизительно соответствует перечисленным выше степеням 10. Поэтому при указании емкости одного и того же устройства памяти, например жесткого диска, в Гбайтах и миллиардах байт, могут наблюдаться определенные различия.


Обычно информационная емкость учитывает только полезный объем хранимой информации, который не включает объем памяти, расходуемый на служебную информацию, контрольные разряды или байты, резервные области (например, интервал между концом дорожки диска и ее началом), дорожки синхросигналов и пр.


Время обращения к ЗУ различных типов определяется по-разному. В качестве примера можно рассмотреть оперативные ЗУ и жесткие диски.


Оперативные ЗУ обычно реализуются как ЗУ с произвольным доступом


Это означает, что доступ к данным, физически организованным в виде двумерного массива (матрицы элементов памяти), производится с помощью схем дешифрации, выбирающих нужные строку и столбец массива по их номерам (адресам). Поэтому время T обр обращения к ним определяется, в случае отсутствия дополнительных этапов (таких, например, как передача адреса за два такта), временем срабатывания схем дешифрации адреса и собственно временами записи или считывания данных.


Емкости оперативных ЗУ этого же периода составляли для небольших ЭВМ порядка 256 Мб – 2 Гб.


Процесс обращения (чтения или записи) к жесткому диску показан на рис.2. Он включает в себя 3 этапа: перемещение блока головок чтения/записи на нужную дорожку (а ), ожидание подхода требуемого сектора под головки чтения/записи (б ) и собственно передача данных, считываемых с диска или записываемых на него (в ). Каждый из этих этапов занимает определенное время, входящее в общее время обращения к диску. Все этапы так или иначе связаны с механическими перемещениями, поэтому их времена сравнительно велики и составляют величины порядка единиц миллисекунд.


Время перемещения блока головок, обычно называемое изготовителями дисков временем поиска (seek time), зависит от количества дорожек, на которое надо переместить блок головок. Минимальное время затрачивается на перемещение блока головок на соседнюю дорожку (цилиндр). Это время составляет порядка 1-2 мс. Максимальное время требуется на перемещение блока головок от крайней дорожки к центральной или наоборот. Это время может составлять порядка 15-20 мс. Среднее время поиска (перемещения головок) составляет порядка 8-10 мс.





Рис. 2 Обращение к жесткому диску


Время ожидания повода файла (точнее, его первого сектора) под блок головок производители называют также временем задержки (latency time ). Это время в среднем равно времени половины оборота диска, что, например, при скорости вращения (шпинделя) диска 7200 оборотов/мин, или 120 оборотов/с, составляет 4,2 мс.


Наконец, время передачи данных зависит от количества передаваемых данных (размера файла, если он располагается целиком на последовательных секторах одной дорожки диска) и скорости передачи. Из-за зависимости этого времени от размера файла и его размещения на диске в качестве характеристики диска используют скорость передачи данных (transfer rate ). Эта скорость определяется как параметрами тракта связи с ЭВМ, так и скоростью считывания данных с диска или записи данных на диск. Обычно пользуются именно этими параметрами, так как каналы передачи достаточно быстрые, чтобы снижать скорость передачи, а диски имеют буферные ЗУ (кэш диска), скорость обмена данными с которым заметно превышает скорость считывания с диска или записи на диск.


В свою очередь, скорость обмена с диском определяется скоростью его вращения и плотностью записи информации на него. Обе эти величины непрерывно возрастают с развитием технологий изготовления жестких дисков. В начале 2000 годов скорости вращения дисков составляли порядка 5-15 тыс. оборотов/мин. Плотность записи информации на диск удваивалась примерно каждый год – полтора. К концу 2003 г. плотность записи достигала 45 Гбит/кв.дюйм. Это позволяло размещать на одной пластине диска до 60 Гбайт данных (при использовании обеих сторон пластины). При такой плотности, с учетом примерно десятикратного различия продольной и поперечной плотности записи, на одной стороне пластины имелось порядка 50-60 тыс. дорожек, каждая из которых в среднем позволяла записать 500-600 Кбайт информации.


Максимально достижимая скорость обмена с пластиной при этих условиях составляла до 700 Мбит/с, а средняя скорость обмена данными с диском находилась в пределах 30-50 Мбайт/с.


Стоимость запоминающих устройств также представляет собой важную характеристику. Именно она является одной из причин иерархической организации памяти ЭВМ.


Действительно, хорошо иметь быструю и емкую память. Нужно, чтобы она была и относительно дешевой. Понятно, что эти параметры противоречивы. Поэтому в ЭВМ и строят иерархию памяти, на вершине которой (ближе всего к процессору) находятся маленькие быстродействующие, но дорогие ЗУ, а внизу – большие, дешевые, но медленные.


Определения дорогие и дешевые понимаются не в абсолютном, а в относительном измерении, исходя из стоимости хранения единицы информации (удельной стоимости) в ЗУ. На тот же период времени стоимость хранения 1 Мбайта информации в оперативных ЗУ и на жестких дисках составляла порядка 10-15 центов и 0,1-0,2 цента соответственно, т.е. различалась примерно в 100 раз.


Конечно, помимо емкости, времени обращения и стоимости, существуют и другие характеристики памяти такие, как надежность, энергопотребление, габариты, время хранения информации, способность сохранять ее при отключении питания и другие. При определенных условиях эти характеристики могут иметь важное значение. Например, для ноутбуков энергопотребление и габариты играют существенную роль, что при обеспечении требуемых значений этих показателей приводит к более высокой стоимости устройств такого класса. Напротив, для серверов на первый план выдвигается требование надежности сохранения информации.


В настоящее время существует большое количество различных типов ЗУ, используемых в ЭВМ и системах. Эти устройства различаются рядом признаков: принципом действия, логической организацией, конструктивной и технологической реализацией, функциональным назначением и т.д. Большое количество существующих типов ЗУ обусловливает различия в структурной и логической организации (систем) памяти ЭВМ. Требуемые характеристики памяти достигаются не только за счет применения ЗУ с соответствующими характеристиками, но в значительной степени за счет особенностей ее структуры и алгоритмов функционирования.


Память ЭВМ почти всегда является «узким местом», ограничивающим производительность компьютера. Поэтому в ее организации используется ряд приемов, улучшающих временные характеристики памяти и, следовательно, повышающих производительность ЭВМ в целом.


Классификация запоминающих устройств и систем памяти позволяет выделить общие и характерные особенности их организации, систематизировать базовые принципы и методы, положенные в основу их реализации и использования.


Один из возможных вариантов классификации ЗУ представлен на рис.3. В нем устройства памяти подразделяются по двум основным критериям: по функциональному назначению (роли или месту в иерархии памяти) и принципу организации.





Рис. 3. Классификация запоминающих устройств


При разделении ЗУ по функциональному назначению иногда рассматривают два класса: внутренние и внешние ЗУ ЭВМ. Такое деление первоначально основывалось на различном конструктивном расположении их в ЭВМ. В настоящее время, например, накопители на жестких магнитных дисках, традиционно относимые к внешним ЗУ, конструктивно располагаются непосредственно в основном блоке компьютера. Поэтому разделение на внешние и внутренние ЗУ имеет в ряде случаев относительный, условный характер. Обычно к внутренним ЗУ относят устройства, непосредственно доступные процессору, а к внешним – такие, обмен информацией которых с процессором происходит через внутренние ЗУ.


Общий вид иерархии памяти ЭВМ представлен на рис.4. На нем показаны различные типы ЗУ, причем поскольку рисунок обобщенный, то не все из представленных на нем ЗУ обязательно входят в состав ЭВМ, а характер связей между устройствами может отличаться от показанного на рисунке.





Рис. 4. Возможный состав системы памяти ЭВМ


1. Верхнее место в иерархии памяти занимают регистровые ЗУ , которые входят в состав процессора и часто рассматриваются не как самостоятельный блок ЗУ, а просто как набор регистров процессора. Такие ЗУ в большинстве случаев реализованы на том же кристалле, что и процессор, и предназначены для хранения небольшого количества информации (до нескольких десятков слов, а в RISC-архитектурах – до сотни), которая обрабатывается в текущий момент времени или часто используется процессором. Это позволяет сократить время выполнения программы за счет использования команд типа регистр-регистр и уменьшить частоту обменов информацией с более медленными ЗУ ЭВМ. Обращение к этим ЗУ производится непосредственно по командам процессора.


2. Следующую позицию в иерархии занимают буферные ЗУ . Их назначение состоит в сокращении времени передачи информации между процессором и более медленными уровнями памяти компьютера. Буферная память может устанавливаться на различных уровнях, но здесь речь идет именно об указанном ее местоположении. Ранее такие буферные ЗУ в отечественной литературе называли сверхоперативными, сейчас это название практически полностью вытеснил термин «кэш-память» или просто кэш .


3. Еще одним (внутренним) уровнем памяти являются служебные ЗУ . Они могут иметь различное назначение.


Одним из примеров таких устройств являются ЗУ микропрограмм, которые иногда называют управляющей памятью. Другим – вспомогательные ЗУ, используемые для управления многоуровневой памятью.


В управляющей памяти, использующейся в ЭВМ с микропрограммным управлением, хранятся микропрограммы выполнения команд процессора, а также различных служебных операций.


Вспомогательные ЗУ для управления памятью (например, теговая память, используемая для управления кэш-памятью, буфер переадресации TLB – translation location buffer ) представляют собой различные таблицы, используемые для быстрого поиска информации в разных ступенях памяти, отображения ее свойств, очередности перемещения между ступенями и пр.


Емкости и времена обращения к таким ЗУ зависят от их назначения. Обычно – это небольшие (до нескольких Кбайт), но быстродействующие ЗУ. Специфика назначения предполагает недоступность их командам процессора.


4. Следующим уровнем иерархии памяти является оперативная память . Оперативное ЗУ (ОЗУ) является основным запоминающим устройством ЭВМ, в котором хранятся выполняемые в настоящий момент процессором программы и обрабатываемые данные, резидентные программы, модули операционной системы и т.п. Название оперативной памяти также несколько изменялось во времени. В некоторых семействах ЭВМ ее называли основной памятью, основной оперативной памятью и пр. В англоязычной литературе также используется термин RAM (random access memory ), означающий память с произвольным доступом.


Эта память используется в качестве основного запоминающего устройства ЭВМ для хранения программ, выполняемых или готовых к выполнению в текущий момент времени, и относящихся к ним данных. В оперативной памяти располагаются и компоненты операционной системы, необходимые для ее нормальной работы. Информация, находящаяся в ОЗУ, непосредственно доступна командам процессора, при условии соблюдения требований защиты.


Оперативная память реализуется на полупроводниках (интегральных схемах), стандартные объемы ее составляют (в начале 2000-х годов) сотни мегабайт – единицы гигабайт, а времена обращения – единицы÷десятки наносекунд.


5. Еще одним уровнем иерархии ЗУ может являться дополнительная память , которую иногда называли расширенной или массовой. Первоначально (1970-е годы) эта ступень использовалась для наращивания емкости оперативной памяти до величины, соответствующей адресному пространству (например, 24-битного адреса) команд, с помощью подключения более дешевого и емкого, чем ОЗУ, запоминающего устройства.


Это могла быть ферритовая память или даже память на магнитных дисках. Конечно, она была более медленной, а хранимая в ней информация сперва передавалась в оперативную память и только оттуда попадала в процессор. При записи путь был обратный.


Затем, в ранних моделях ПЭВМ, дополнительная память также использовалась для наращивания емкости ОЗУ и представляла собой отдельную плату с микросхемами памяти. А еще позже термин дополнительная память (extended или expanded memory ) стал обозначать область оперативного ЗУ с адресами выше одного мегабайта. Конечно, этот термин применим только к IBM PC совместимым ПЭВМ.


6. В состав памяти ЭВМ входят также ЗУ, принадлежащие отдельным функциональным блокам компьютера. Формально эти устройства непосредственно не обслуживают основные потоки данных и команд, проходящие через процессор. Их назначение обычно сводится к буферизации данных, извлекаемых из каких-либо устройств и поступающих в них.


Типичным примером такой памяти является видеопамять графического адаптера, которая используется в качестве буферной памяти для снижения нагрузки на основную память и системную шину процессора.


Другими примерами таких устройств могут служить буферная память контроллеров жестких дисков, а также память, использовавшаяся в каналах (процессорах) ввода-вывода для организации одновременной работы нескольких внешних устройств.


Емкости и быстродействие этих видов памяти зависят от конкретного функционального назначения обслуживаемых ими устройств. Для видеопамяти, например, объем может достигать величин, сравнимых с оперативными ЗУ, а быстродействие – даже превосходить быстродействие последних.


7. Следующей ступенью памяти, ставшей фактически стандартом для любых ЭВМ, являются жесткие диски . В этих ЗУ хранится практически вся информация, которая используется более или менее активно, начиная от операционной системы и основных прикладных программ и кончая редко используемыми пакетами и справочными данными.


Емкость этой ступени памяти, которая может включать в свой состав до десятков дисков, обеспечивая хранение очень большого количества данных, зависит от области применения ЭВМ. Типовая емкость жесткого диска, составляющая на начало 2000-х годов десятки гигабайт, удваивается примерно каждые полтора года.


Со временами обращения дело обстоит несколько иначе: компоненты этого времени, обусловленные перемещением блока головок чтения-записи уменьшаются сравнительно медленно (примерно вдвое за 10 лет). Компонента, обусловленная временем подвода сектора и зависящая от скорости вращения шпинделя диска, также уменьшается с ростом этой скорости примерно такими же темпами. А скорость передачи данных растет значительно быстрее, что связано с увеличением плотности записи информации на диски.


8. Все остальные запоминающие устройства можно объединить с точки зрения функционального назначения в одну общую группу, охарактеризовав ее как группу внешних ЗУ . Под словом «внешние» следует подразумевать то, что информация, хранимая в этих ЗУ, в общем случае расположена на носителях не являющихся частью собственно ЭВМ. Под это определение подпадают гибкие диски, компакт диски, накопители на сменных магнитных дисках и магнитооптические диски, твердотельные (флэш) диски и флэш-карты, стримеры, внешние винчестеры и др. Естественно, что параметры этих устройств достаточно различны. Функциональное назначение их обычно сводится либо к архивному хранению информации, либо к переносу ее од одного компьютера к другому.


Некоторые сомнения в принадлежности к данной категории могут вызвать сменные диски, устанавливаемые в салазки (rack ). Такие диски, действительно, лучше отнести к предыдущей (седьмой) группе.


Особенности организации ЗУ определяются, в первую очередь, используемыми технологиями, логикой их функционирования, а также некоторыми другими факторами. Эти особенности и соответствующие разновидности ЗУ перечисляются ниже.


1. По функциональным возможностям ЗУ можно разделять:


— на простые, допускающие только хранение информации;


— многофункциональные, которые позволяют не только хранить, но и перерабатывать хранимую информацию без участия процессора непосредственно в самих ЗУ.


Подход, используемый во второй группе ЗУ, в принципе, позволяет создать производительные системы с параллельной обработкой данных. В частности, похожие подходы используются в различных частях видеотракта компьютера.


2. По возможности изменения информации различают ЗУ:


— постоянные (или с однократной записью);


— односторонние (с перезаписью или перепрограммируемые);


— двусторонние.


В постоянных ЗУ (ПЗУ) информация заносится либо при изготовлении, либо посредством записи (или, как иначе называют эту процедуру, программирования или прожига), которая может быть выполнена только однократно. В ходе такой записи изменяется сам носитель информации, например, пережигаются проводники в микросхемах ПЗУ или формируются лунки в отражающем слое CD-ROM.


Односторонними называют ЗУ, которые имеют существенно различные времена записи и считывания информации. Наиболее распространенными типами таких ЗУ являются перепрограммируемые постоянные ЗУ или компакт-диски с перезаписью – CD-RW. Время записи в устройствах этих типов значительно превышает время считывания информации.


К односторонним ЗУ можно отнести и ЗУ на приборах с зарядовой связью (ПЗС), в которых время записи (формирования изображения), вообще говоря, заметно меньше времени считывания (передачи изображения).


Двусторонние ЗУ имеют близкие значения времен чтения и записи. Типичными представителями таких ЗУ являются оперативные ЗУ и ЗУ на жестких дисках.


3. По способу доступа различают ЗУ:


— с адресным доступом;


— с ассоциативным доступом.


При адресном доступе для записи или чтения место расположения информации в ЗУ определяется ее адресом. Логически адрес может иметь различную структуру. Например, в оперативных ЗУ адрес представляет собой двоичный код, одна часть разрядов которого указывают строку матрицы элементов памяти, а другая – столбец этой матрицы. На пересечении заданных строки и столбца находится искомая информация. В ЗУ на магнитных дисках адрес может представлять собой либо комбинацию номеров цилиндра, головки и сектора (так называемая CHS-геометрия), либо логический номер сектора (LBA-адресация). Возможны и иные варианты.


В любом случае, заданный адрес отрабатывается схемами доступа ЗУ (дешифратором, блоком позиционирования головок и т.п.) таким образом, что в операции участвует соответствующая адресу область матрицы элементов памяти, запоминающей среды или носителя информации.


При этом, в зависимости от того, как именно срабатывает механизм доступа, различают следующие виды адресного доступа:


— произвольный;


— прямой (циклический);


— последовательный.


Термин «память с произвольным доступом» (random access memory – RAM ) применяют к ЗУ, в которых выбор места хранения информации производится непосредственным подключением входов и выходов элементов памяти (через буферы, усилители и логические элементы) к входным и выходным шинам ЗУ. Это наиболее быстрый вид адресного доступа, применяемый в оперативных ЗУ и кэш-памяти.


При прямом (циклическом) доступе непосредственной коммутации связей оказывается недостаточно. В таких ЗУ обычно происходит еще и перемещение данных относительно механизма чтения/записи, механизма чтения/записи относительно данных или и то и другое. Физически это может быть как механическое перемещение, например, в жестких дисках, перемещение областей намагниченности, как в ЗУ на магнитных доменах, перенос зарядов и др.


С логической точки зрения такие ЗУ можно сопоставить набору сдвигающих регистров, информация в которых сдвигается циклически и может вводиться в регистр или выводиться из него только в одном из разрядов. Термины «циклический» и «прямой» доступ близки по содержанию, хотя «прямой доступ» – имеет более широкий смысл.


Последовательный доступ характерен для ЗУ, использующих в качестве носителя информации (запоминающей среды) магнитную ленту, например, для стримеров. В таких ЗУ для доступа к блоку данных необходимо переместить носитель так, чтобы участок, на котором располагается требуемый блок данных, оказался под блоком головок чтения/записи.


Кроме того, при всех формах адресного доступа адресуемым элементом может быть не только байт или слово (как в оперативной памяти и кэш-памяти), но целый блок данных. Это обычно связано либо с конструктивными особенностями ЗУ, либо с большим временем доступа.


При ассоциативном доступе место хранения информации при чтении и записи определяется не адресом, а значением некоторого ключа поиска. Каждое записанное и хранимое в ассоциативной памяти слово имеет поле ключа. Значение этого ключа сравнивается со значением ключа поиска при чтении данных из памяти. В случае совпадения сравниваемых значений информация считывается из памяти.


Ассоциативная память эффективна для решения задач, связанных с поиском данных. Однако ее использование ограничено в силу сравнительно высокой ее сложности.


Действительно, с аппаратной точки зрения сам поиск может быть организован по-разному: последовательно по разрядам ключевых полей или параллельно по всем ключам во всем массиве памяти. Второй способ, конечно, более быстрый, но требует соответствующей организации (ключевой части) памяти, которая должна иметь для этого в ключевой части каждого хранимого слова схемы сравнения. Именно поэтому такая память существенно более дорогая, чем оперативная, и используется в основном для решения задач, требующих быстрого поиска в небольших объемах информации.


Одним из частых применений ассоциативной памяти является быстрое преобразование логических (линейных) адресов данных в физические (т.е. адреса ячеек памяти), выполняемое, например, так называемым буфером трансляции адресов. Другой близкой задачей является определение того, имеется ли требуемая информация в верхних уровнях ЗУ или необходима ее подкачка из более медленных ЗУ.


4. По организации носителя различают ЗУ:


— с неподвижным носителем;


— с подвижным носителем.


В первых из них носитель механически неподвижен в процессе чтения и записи информации, что имеет место, например, в оперативных и кэш ЗУ, твердотельных дисках, ЗУ с переносом зарядов и др.


Для ЗУ второй группы чтение и запись информации сопровождаются механическим перемещением носителя, что обычно имеет место в различных ЗУ с магнитной записью, например в жестких и гибких дисках.


Однако, возможны и иные варианты. Например, фирмой IBM разрабатывается ЗУ с механическим перемещением записывающих и считывающих элементов (микроигл) и неподвижным носителем информации (пластиковой пленкой).


5. По возможности смены носителя ЗУ могут быть:


— с постоянным носителем;


— со сменным носителем.


В ЗУ первого вида носитель является частью самого устройства и не может быть извлечен из него в процессе нормального функционирования (оперативные ЗУ, жесткие диски).


В ЗУ второй группы носитель не является собственной частью устройства и может устанавливаться в ЗУ и извлекаться из него в процессе работы (гибкие диски, CD-ROM-дисководы, карты памяти, магнито-оптические диски).


6. По способу подключения к системе ЗУ делятся:


— на внутренние (стационарные);


— внешние (съемные).


В первом случае ЗУ, как правило, является обязательным компонентом вычислительной системы, устанавливается в корпусе системы (например, оперативная память) или интегрируется с другими ее компонентами (например, кэш-память).


Во втором случае устройство подключается к системе дополнительно и представляет собой отдельный блок. Подключение (и отключение) таких ЗУ, в зависимости от особенности их реализации, может производиться как при выключенной системе – так называемое «холодное подключение», так и в работающей системе – «горячее подключение».


Последний вариант в серверных системах предусматривают и для стационарных ЗУ (жестких дисков).


7. По количеству блоков , образующих модуль или ступень памяти, можно различать:


— одноблочные ЗУ;


— многоблочные ЗУ.


Такое разделение может представлять интерес в том случае, когда в многоблочное ЗУ входят блоки (или банки памяти), допускающие возможность параллельной работы. В этом случае за счет одновременной работы блоков можно повысить общую производительность модуля (ступени) ЗУ, иначе называемую его пропускной способностью и измеряемую количеством информации, которое модуль может записать или считать в единицу времени.


Но возможность одновременной работы блоков еще не означает, что они именно так и будут работать. Чтобы это произошло, необходимо обращения системы к памяти более или менее равномерно распределять по различным блокам. Достичь этого можно различными способами, например запустить параллельные задачи или процессы (threads ), работающие с разными блоками, либо разместить информацию, относящуюся к одному процессу, в разных блоках.


Однако, поскольку параллельные процессы в действительности выполняются параллельно только в многопроцессорных системах (в крайнем случае, в гиперпоточных архитектурах), то часто используют второй путь, прибегая к так называемому чередованию (interleave ) адресов между блоками. Т.е. последовательные адреса или группы адресов адресного пространства назначают в различные блоки памяти так. На практике известны системы, допускающие расслоение по шестнадцати блокам.


Ясно, что в случае такого назначения адресов при выполнении какой-либо программы обращения к памяти будут распределяться по блокам достаточно равномерно. А при обмене блоком данных с другой ступенью памяти обращения по последовательным адресам тем более будут попадать в различные блоки памяти.


Рассматривая расслоение адресов, можно отметить его аналогию с некоторыми режимами работы RAID-контроллеров.


Конечно, за пределами приведенной классификации остались такие довольно представительные признаки, как физические принципы реализации, уровень потребляемой мощности, радиационная устойчивость и некоторые другие, которые в определенных случаях могут иметь немаловажное значение.


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гукин Д. IBM-совместимый компьютер: Устройство и модернизация: Пер. с англ.– М.: Мир, 2005.
   

   Информатика / Под ред. Н.В. Макаровой.–М.: Финансы и статистика, 2004.
   

2. Информатика: Учебник / Под ред. Н.В. Макаровой. М., 2002.
   Состав и структура дебиторской задолженности СУБД

   2014-06-02