В двух частях Часть 1 - ulstu.ruvenec.ulstu.ru/lib/disk/2012/Kadyrova.pdf ·...

1

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Г. Р. КАДЫРОВА

ИНФОРМАЦИОННОЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

Обзор лекций по информатике

(В двух частях) Часть 1

Учебное пособие

Ульяновск УлГТУ 2011

2

УДК 681.3.06 (075) ББК 22.18я7 К 13 Рецензенты: д-р физ.-мат. наук, профессор кафедры «Информационные техно-

логии» УлГУ Кумунжиев К. В., зав. кафедрой «Гуманитарные и естественно-научные дисциплины»

филиала ПАГС, канд. пед. наук, доцент Болтачева Ж. В.

Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия

Кадырова, Г. Р.

Информационное и компьютерное обеспечение. Обзор лекций по информатике. (В двух частях). Часть 1 : учебное пособие / Г. Р. Кадырова. – Ульяновск : УлГТУ, 2011. – 147 с.

ISBN 978-5-9795-0908-2 Данное пособие охватывает основные разделы современной информатики, очер-

ченные стандартом дисциплины для данных специальностей. В настоящее время информатика и ее практические результаты становятся важ-

нейшим двигателем научно-технического прогресса и развития человеческого общест-ва. Ее технической базой являются средства обработки и передачи информации. Ско-рость их развития поразительна, в истории человечества этому бурно развивающемуся процессу нет аналога. Теперь уже очевидно, что XXI век станет веком максимального использования достижений информатики во всех сферах жизни.

Учебное пособие предназначено для студентов дневной и заочной форм обуче-ния для направления 08010062 «Экономика» профили: «Финансы и кредит», «Бухгал-терский учет и аудит», «Налоги и налогообложение» при подготовке к лекционным за-нятиям по курсу «Информатика» и для индивидуального обучения теоретическим ос-новам информатики.

Подготовлено на кафедре «Прикладная математика и информатика». УДК 681.3.06 (075)

ББК 22.18я7

© Кадырова Г. Р., 2011 ISBN 978-5-9795-0908-2 © Оформление. УлГТУ, 2011

К 13

3

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ ........................................................................................................ 5

ТЕМА 1. ПОНЯТИЕ ИНФОРМАТИКИ И ИНФОРМАЦИИ .......................... 7

ИНФОРМАТИКА .......................................................................................................... 7 ИНФОРМАЦИЯ .......................................................................................................... 10 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ......................................................................................... 15

ТЕМА 2. КОДИРОВАНИЕ ДАННЫХ ................................................................ 16

КОДИРОВАНИЕ ДАННЫХ ДВОИЧНЫМ КОДОМ ........................................................... 16 СИСТЕМЫ СЧИСЛЕНИЯ ............................................................................................. 16 КОДИРОВАНИЕ ЦЕЛЫХ И ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫХ ЧИСЕЛ ................................................ 22 КОДИРОВАНИЕ ТЕКСТОВЫХ ДАННЫХ ...................................................................... 23 КОДИРОВАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ ДАННЫХ .................................................................. 24 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ......................................................................................... 28

ТЕМА 3. ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА. ............................................... 29

ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ И ХРАНЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ ....................... 29

ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА ............................................................................... 29 ЕДИНИЦЫ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ДАННЫХ ...................................................................... 30 ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ ДАННЫХ ............................................................................... 30 ЕДИНИЦЫ ХРАНЕНИЯ ДАННЫХ ................................................................................ 30 ПОНЯТИЕ О ФАЙЛОВОЙ СТРУКТУРЕ ......................................................................... 31 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ......................................................................................... 32

ТЕМА 4. ЭВОЛЮЦИЯ СРЕДСТВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ ...... 34

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ......................................................................................... 44

ТЕМА 5. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ЭВМ .. 45


ТЕМА 6. ОСНОВНЫЕ КЛАССЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МАШИН .......... 49

КЛАССИФИКАЦИЯ ЭВМ ПО ПРИНЦИПУ ДЕЙСТВИЯ ................................................. 49 КЛАССИФИКАЦИЯ ЭВМ ПО ЭТАПАМ СОЗДАНИЯ И ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЕ ................... 50 КЛАССИФИКАЦИЯ ЭВМ ПО НАЗНАЧЕНИЮ .............................................................. 56 КЛАССИФИКАЦИЯ ЭВМ ПО РАЗМЕРАМ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ МОЩНОСТИ ............. 57 Большие компьютеры ........................................................................................ 58 Малые компьютеры ........................................................................................... 60 Микрокомпьютеры ............................................................................................ 60 Суперкомпьютеры ............................................................................................. 69 Кластерные суперкомпьютеры ........................................................................ 72


ТЕМА 7. АППАРАТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ...................................................... 75

СИСТЕМНЫЙ БЛОК .................................................................................................... 76

4

Корпус системного блока .................................................................................. 76 Материнская плата ........................................................................................... 77 Чипсет ............................................................................................................... 78 Процессор ........................................................................................................ 79 Шины материнской платы ............................................................................. 81 Оперативная память ........................................................................................ 90 Микросхема ПЗУ и система BIOS ................................................................. 90 Энергонезависимая память CMOS ................................................................ 91

Жесткий диск ...................................................................................................... 92 Накопители на DVD– дисках ............................................................................ 93 Видеокарта (видеоадаптер) ............................................................................. 94 Звуковая карта ................................................................................................... 95

МОНИТОР ................................................................................................................. 95 КЛАВИАТУРА ............................................................................................................ 99 МАНИПУЛЯТОР МЫШЬ .......................................................................................... 102 ДРУГИЕ УСТРОЙСТВА ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА .......................................... 104 Устройства ввода графических данных ........................................................ 104 Устройства вывода данных ............................................................................ 104 Флэш– память .................................................................................................. 105 Модем ................................................................................................................. 106 Устройство бесперебойного питания (УБП) ............................................... 106

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ....................................................................................... 107

ТЕМА 8. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ................................................ 110

ПРАВОВАЯ ОХРАНА ПРОГРАММ ............................................................................. 110 УРОВНИ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ............................................................... 112 КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ ......................................................... 113 Системное ПО (system software) ..................................................................... 114 Операционные системы (ОС) ...................................................................... 115 Классификация операционных систем .................................................... 115 Роль и место UNIX в истории ОС ............................................................ 119 Операционные системы Windows ............................................................ 124 Файловая система ...................................................................................... 129

Драйверы ........................................................................................................ 132 Служебные программы (утилиты) .............................................................. 132

Инструментальное ПО ................................................................................... 134 Прикладное ПО (application Software) ............................................................ 135 Графические редакторы ............................................................................... 135 Комплект офисных приложений MS OFFICE ........................................... 137


ТЕМА 9. КОМПЬЮТЕР БУДУЩЕГО – ТЕНДЕНЦИИ .............................. 141


БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК .............................................................. 147

5

Предисловие Данное учебное пособие раскрывает понятие информатики через его осно-

вополагающие компоненты – информацию и компьютер. Соединяясь на прак-тике, информация и компьютер образуют информационный процесс.

Широко известно, что первые компьютеры создавались для проведения расчетов в ядерной физике, в летательной и ракетной технике. Последовавшее далее внедрение их в область административного управления и экономики дало не только экономический эффект, но и привело к созданию и бурному росту новой отрасли – средств и методов электронной обработки информации.

Появились новые компьютеры, новые методы и средства общения с ними. Возникла новая информационная промышленность, производящая дорогостоя-щую и малоосязаемую продукцию. Информация стала товаром. Электронно-вычислительные машины, созданные первоначально для решения вычисли-тельных задач, стали обрабатывать числовую, текстовую, графическую и дру-гую информацию.

Вычислительная техника сразу же показала свою эффективность в тех об-ластях человеческой деятельности, где широко использовались методы челове-ческого моделирования – точные количественные методы. Сюда относятся фи-зика, механика и пр. Но есть области человеческой деятельности, которые еще недавно считались недоступными для методов математического моделирова-ния, а следовательно, и для компьютера. В них шло накопление отдельных фак-тов, давалось качественное описание объектов и событий. Их назвали описа-тельными науками. Развитие электронно-вычислительной техники, средств и методов общения с ней, создание автоматизированных информационно-поисковых систем, методов распознавания образов привели к тому, что компь-ютеры стали способны проводить описательный анализ изучаемых объектов. Появилось новое направление исследований – разработка машинного (искусст-венного) интеллекта. Описательные науки получили компьютеры в качестве нового рабочего инструмента.

Современная информатика очень велика по объему и очень динамична. В понимании некоторых людей информатика есть совокупность приемов и ме-тодов работы с компьютерами. На самом деле это не так: компьютеры являются лишь техническим средством, с помощью которого информатика реализует свой прикладной пользовательский аспект.

Информатика – комплекс научно-практических дисциплин, изучающих все аспекты получения, хранения, преобразования, передачи и использования информации. Более детальное обсуждение содержания информатики, отраже-ние разных точек зрения приводится в теме 1. Однако, из какого бы определе-ния ни исходить, у современной информатики есть два взаимодополняющих аспекта – научный и технологический. Первый является более устоявшимся, второй – весьма мобильным, хотя и в технологической части информатики есть вполне сформировавшееся ядро.

6

Приведем примеры. Так, существует большое количество алгоритмиче-ских языков программирования, и допустим, что человеку, умеющему работать с Паскалем, приходится браться за Си. Новая система обозначений, дополни-тельные возможности – на некоторое время это может полностью поглотить внимание, но постепенно приходит понимание: главное – навыки к алгоритми-зации и структурированию данных, и если они есть, то кодирование алгоритмов на другом языке – дело не самое сложное. Или переход на другую программу из данного класса программ, но с большими возможностями. И так с любой про-граммой.

Итак, главное при изучении информатики – освоить фундаментальные по-нятия каждой из ее областей, ориентироваться в их взаимосвязи, приобрести навыки практической работы с важнейшими техническими и программными средствами.

Данное пособие охватывает основные разделы современной информатики, очерченные стандартом дисциплины для данных специальностей. Очень важна теоретическая база, закладываемая в темах 1 и 2.

Без отчетливого понимания истории развитии вычислительных средств (тема 4), классификации ЭВМ (тема 6), основ функционирования вычислитель-ной техники (темы 3, 5, 7), уровней и классификации программного обеспече-ния (тема 8), будущего развития компьютерных технологий (тема 9) нельзя всерьез освоить многие разделы информатики.

Данное пособие может быть использовано как для подготовки к лекцион-ным занятиям по курсу «Информатика», так и для индивидуального обучения теоретическим основам информатики.

7

Тема 1. Понятие информатики и информации

Информатика Термин «информатика» (l’informatique) введен французскими учеными

около 30 лет тому назад. Французская Академия Наук определяла информатику как «науку об осуществляемой преимущественно с помощью автоматических средств целесообразной обработке информации, рассматриваемой как представление знаний и сообщений в технических, экономических и социальных областях». Этот термин образовался соединением двух ключевых слов – «информация» и «автоматика». Это бурно развивающаяся наука. В англоязычных странах более ужился термин «computer science» (компьютерная, вычислительная наука, наука о компьютерах, точнее, наука о преобразовании информации с помощью компьютеров). В нашей стране принято более широкое и фундаментальное толкование информатики.

Следует отметить, что определений информатики в современной литературе множество.

Информатика – это наука, изучающая структуру, общие свойства, вопросы сбора, хранения, поиска, переработки (преобразования), использования (актуализации) информации. Это – классическое определение информатики.

Информатика – наука об информации и информационных процессах, о моделях и моделировании, об алгоритмах и алгоритмизации, о программах и программировании для различных классов исполнителей алгоритмов, в частности, компьютеров, об их использовании в общественном развитии. Это определение информатики назовем «рабочим» определением информатики; оно используется часто при рассмотрении научно-практических проблем.

Информатика – наука, изучающая информационные аспекты системных процессов и системные аспекты информационных процессов. Это определение можно считать системным определением информатики.

С информатикой часто связывают одно из следующих понятий: это либо отрасль производства, либо фундаментальная наука, либо прикладная дисцип-лина, либо совокупность определенных средств, используемых для преобразо-вания информации. В соответствии с этим структура информатики приведена на рис. 1.1.

В состав технических средств входят компьютеры и связанные с ними периферийные устройства (мониторы, клавиатуры, принтеры и плоттеры, мо-демы и т. д.), линии связи и т. п., т. е. те материальные ресурсы, которые обес-печивают преобразование информации, причем главенствующую роль в этом списке играет компьютер. По своей специфике компьютер нацелен на решение очень широкого круга задач по преобразованию информации, при этом выбор конкретной задачи при использовании компьютера определяется программным средством, под управлением которого функционирует компьютер.

К программным средствам (продуктам) относятся операционные систе-мы, служебные программы, системы программирования и проектирования про-

8

граммных продуктов, различные прикладные пакеты, такие, как текстовые и графические редакторы, бухгалтерские и издательские системы и т.д. Конкрет-ное применение каждого программного продукта специфично и служит для решения определенного круга задач прикладного или системного характера.

средства для преобразования информации

технические программные математические средства продукты методы и модели, (hardware) (software) алгоритмы (brainware)

отрасль фундаментальная прикладная производства наука дисциплина производство технических методология создания изучение закономерностей и программных средств средств преобразования информационных процессов информации разработка технологий разработка информационных преобразования теория информационной систем и технологий информации техники

Рис 1.1. Структура информатики Математические методы, модели и алгоритмы являются тем базисом,

который положен в основу проектирования и изготовления любого программ-ного или технического средства в силу их исключительной сложности и, как следствие, невозможности умозрительного подхода к созданию.

Перечисленные выше три ресурсных компонента информатики играют разную роль в процессе информатизации общества. Так, совокупность про-граммных и технических средств, имеющихся в том или ином обществе, и по-зволяет сделать его информационным, когда каждый член общества имеет воз-можность получить практически любую (исключая, естественно, секретную) интересующую его информацию (такие потребители информации называются конечными пользователями). В то же время, сложность технических и про-граммных систем заставляет использовать имеющиеся технические и про-граммные продукты, а также нужные методы, модели и алгоритмы для проек-тирования и производства новых и совершенствования старых технических и программных систем. В этом случае можно сказать, что средства преобразова-ния информации используются для производства себе подобных. Тогда их

информа-тика

9

пользователем является специалист в области информатики, а не конечный пользователь.

Разработкой абстрактных методов, моделей и алгоритмов, а также связан-ных с ними математических теорий занимается фундаментальная наука. Ее прерогативой является исследование процессов преобразования информации и на основе этих исследований разработка соответствующих теорий, моделей, методов и алгоритмов, которые затем применяются на практике.

Практическое использование результатов исследований информатики как фундаментальной науки воплощается в информатике – отрасли производст-ва. В самом деле, широко известны западные фирмы по производству про-граммных продуктов, такие как Microsoft, Borland, и технических средств – IBM, Apple, Intel, Hewlett Packard и другие. Помимо производства самих техни-ческих и программных средств разрабатываются также и технологии преобра-зования информации.

Подготовкой специалистов в области преобразования информации занима-ется информатика как прикладная дисциплина. Она изучает закономерности протекания информационных процессов в конкретных областях и методологию разработки конкретных информационных систем и технологий.

Предмет информатики составляют следующие понятия: • аппаратное обеспечение средств вычислительной техники; • программное обеспечение средств вычислительной техники; • средства взаимодействия аппаратного и программного обеспечения; • средства взаимодействия человека с аппаратными и программными сред-

ствами. Как видно из этого списка, в информатике особое внимание уделяется во-

просам взаимодействия. Для этого даже есть специальное понятие – интер-фейс. Методы и средства взаимодействия человека с аппаратными и программ-ными средствами называют пользовательским интерфейсом. Соответственно, существуют аппаратные интерфейсы, программные интерфейсы и аппарат-но-программные интерфейсы.

Основной задачей информатики является систематизация приемов и мето-дов работы с аппаратными и программными средствами вычислительной тех-ники. Цель систематизации состоит в выделении, внедрении и развитии передо-вых, наиболее эффективных технологий, в автоматизации этапов работы с дан-ными, а также в методическом обеспечении новых исследований.

На всех этапах технического обеспечения информационных процессов для информатики ключевым понятием является эффективность.

В информатике все жестко ориентировано на эффективность. Вопрос, как сделать ту или иную операцию, для информатики является важным, но не ос-новным. Основным же является вопрос, как сделать данную операцию эффек-тивно.

10

Информация Как видно из определения информатики, ее функций и задач одним из

ключевых понятий информатики является информация. Для определения информации нам очень важно понять, что информация

образуется из данных, но ее содержательная часть зависит не только от того, какие сигналы были зарегистрированы при образовании данных, но и от того, каким методом данные воспроизводятся. Данные – это зарегистрированные сигналы.

Методы воспроизведения и обработки данных можно разделить на есте-ственные и технические.

Естественные методы воспроизведения данных присущи человеку и дру-гим организмам живой природы. Если мы говорим о человеке, то, прежде всего, к естественным методам относим все методы, основанные на его органах чувств (зрение, осязание, обоняние, слух и вкус).

Благодаря зрению человек получает отпечаток окружающей среды на сет-чатке глаза. Сигналы регистрируются нервными окончаниями сетчатки, в ре-зультате чего образуются данные, которые впоследствии анализируются голов-ным мозгом. Результатом этого анализа является наблюдаемый образ, то есть информация.

Вам, конечно, знакома разница между внимательным и невнимательным наблюдением. И в том и в другом случае на сетчатке глаза образуются совер-шенно одинаковые данные, но информацию мы получаем разную. Это связано с тем, что при внимательном наблюдении мозг применяет более сложные мето-ды обработки данных.

Хороший пример того, как из одних и тех же данных образуется разная информация, представляют собой стереограммы. Их следует рассматривать так, чтобы левый и правый глаз фокусировались в разных точках рисунка. В этом случае мозг обрабатывает данные иным методом, и вместо регулярного узора мы можем наблюдать скрытое объемное изображение.

Кроме методов, основанных на органах чувств, человек обладает и други-ми методами обработки данных. К ним относится логическое мышление, вооб-ражение, сравнение, сопоставление, анализ, прогнозирование и другие.

В связи с бурным развитием вычислительной техники в последние годы в классе технических методов четко выделились два направления: аппаратные и программные методы, способные во многих случаях подменять или дополнять друг друга.

Широкое внедрение средств вычислительной техники позволяет автомати-зировать обработку самых разных видов данных с помощью компьютеров. Компьютер – это прибор особого типа, в котором одновременно сочетаются аппаратные и программные методы обработки и представления информации.

До сих пор мы определили только данные как результат регистрации сиг-налов. Определить, что такое информация, не столь просто, хотя бы потому,

11

что она, в отличие от данных, не является объектом материальной природы и образуется в результате взаимодействия данных с методами.

Несмотря на то, что понятие информации очень широко используется и в науке, и в повседневной жизни, его строгого научного определения до послед-него времени не существовало. По сей день разные научные дисциплины вво-дят это понятие по-разному. Здесь можно выделить три возможных подхода: антропоцентрический, техноцентрический и недетерминированный.

Суть антропоцентрического подхода состоит в том, что информацию ото-ждествляют со сведениями или фактами, которые теоретически могут быть по-лучены и усвоены, то есть преобразованы в знания. Этот подход в настоящее время применяется наиболее широко. Согласно этому подходу, информация – это сведения об окружающем мире, являющиеся объектом хранения, преобра-зования, передачи и использования. Сведения – это знания, выраженные в сиг-налах, сообщениях, известиях, уведомлениях и т. д.

Суть техноцентрического подхода состоит в том, что информацию ото-ждествляют с данными. Этот подход нашел очень широкое распространение в технических дисциплинах.

Недетерминированный подход к понятию информации встречается также достаточно широко. Он состоит в отказе от определения информации на том основании, что оно является фундаментальным, как, например, материя и энергия.

Научное определение информации дается достаточно просто, если предпо-ложить, что информация – это динамический объект, не существующий в при-роде сам по себе, а образующийся в ходе взаимодействия данных и методов. Он существует ровно столько, сколько длится это взаимодействие, а все ос-тальное время пребывает в виде данных.

Информация – это продукт взаимодействия данных и методов, рас-смотренный в контексте этого взаимодействия.

В нашем определении важным является пояснение «... рассмотренный в контексте этого взаимодействия». Приведем примеры, почему это действи-тельно важно.

Анализируя информационную ценность газет, журналов, телепередач, мы можем прийти к выводу, что она зависит как от данных, так и от методов, кото-рыми выполняется их потребление. Одно дело – внимательно просматривать телефильм, вслушиваясь в каждое слово, и совсем другое – смотреть его, одно-временно разговаривая по телефону.

Попробуйте проанализировать свое участие в учебных занятиях. Вы заме-тите, что фактор внимательности влияет на содержание информации, получен-ной из данных, которые излагает преподаватель. Проявляя внимательность, мы расширяем возможности естественных методов, основанных на органах чувств, за счет методов логического мышления. Правда, при этом мы быстрее утомляемся.

12

Характерными чертами информации являются следующие: это 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 ее не теряет после

продажи; придает дополнительную ценность другим ресурсам, в частности,

трудовым. Действительно, работник с высшим образованием ценит-ся больше, чем со средним;

информация может накапливаться. С информацией всегда связывают три понятия: источник информации – тот элемент окружающего мира, сведения о

котором являются объектом преобразования; потребитель информации – тот элемент окружающего мира, который

использует информацию; сигнал – материальный носитель, который фиксирует информацию для

переноса ее от источника к потребителю. Одной из важнейших разновидностей информации является информация

экономическая; ее отличительная черта – связь с процессами управления кол-лективами людей, организаций.

Экономическая информация – это совокупность сведений, возникающих в процессе производственно-хозяйственной, коммерческой и финансовой дея-тельности.

Совокупность экономической информации структурно можно свести к оп-ределенному набору экономических показателей (ЭП).

Простой, элементарной составляющей единицей экономической информа-ции является реквизит.

Реквизит – логически неделимый элемент (нельзя разделить на более мел-кие единицы – буквы, цифры – без потери смысла) показателя, соотносимый с определенным свойством отображаемого информацией объекта или процесса. Каждый ЭП состоит из одного реквизита–основания и одного или нескольких реквизитов–признаков.

Реквизит–основание характеризует количественную сторону объекта или процесса и определяет значение показателя; реквизиты–признаки характеризу-ют качественную сторону и определяют наименование показателя (идентифи-цируют показатель).

Информационный процесс – это всегда цикл образования информации из данных и немедленного ее сохранения в виде новых данных. Информация су-ществует крайне непродолжительное время, но сам информационный процесс длится столько, сколько существуют носители данных, представляющие ин-формацию. Исследуя сегодня египетские иероглифы, ученые продолжают ин-формационный процесс, начатый несколько тысяч лет назад.

13

В вычислительной технике, как и везде, информационный процесс проте-кает в ходе взаимодействия данных и методов. Однако он имеет особенность, связанную с тем, что некоторые этапы происходят автоматически, без участия человека. В ходе этих этапов данные, представленные зарегистрированными сигналами, взаимодействуют как с аппаратными методами (компьютерами и другими устройствами), так и с программными методами (компьютерными программами).

При этом важной особенностью компьютерных программ является их двойственная природа. С одной стороны, они проявляют себя как методы, а с другой стороны – как данные.

Компьютерные программы могут существовать в двух фазах: в активной и пассивной. В активной фазе программа работает совместно с оборудованием, ее команды управляют процессором компьютера, который под их воздействием обрабатывает данные и взаимодействует с другим оборудованием.

В пассивной фазе компьютерная программа ничем от данных не отличает-ся. Ее точно так же можно хранить, транспортировать по каналам связи, вос-производить в виде печатного текста или экранного изображения. Ее можно даже обрабатывать другими программами. Программу, представленную как данные, можно редактировать, то есть изменять ее содержание.

Классификацию информации выполняют по нескольким основаниям (эта классификация не является строгой и может меняться).

По времени возникновения: а) априорная – известна потребителю заранее, до получения сигнала; б) апостериорная – становится известной потребителю после получения

сигнала. Так, получаемая сейчас читателем информация является априорной, если

он освоил азы информатики в школе, и апостериорной в противном случае. По стабильности: а) переменная – отражает фактические характеристики источника инфор-

мации; может меняться. б) постоянная – неизменная и многократно используемая в течение дли-

тельного периода времени. Строго говоря, и эта информация может меняться, но с гораздо меньшей частотой, которой можно пренебречь.

Так, в настоящем учебном пособии используются оба вида информации. Упомянутые выше фирмы – производители технических и программных средств – относятся к первому виду. В самом деле, может статься, что к момен-ту прочтения данного текста эти фирмы перестанут существовать на рынке производителей. В то же время весь понятийный аппарат, излагаемый по тек-сту, относится к постоянной информации и является тем понятийным базисом, который позволяет специалистам– информатикам говорить на одном профес-сиональном языке.

По способу использования: а) вспомогательная – необязательные данные;

14

б) закрытая – ее использование возможно с согласия определенных физи-ческих или юридических лиц;

в) избыточная – дублирует данные; г) коммерческая – является объектом купли–продажи. Отметим в качестве комментария, что излагаемая в учебном пособии ин-

формация не является ни закрытой, ни коммерческой. Ее нельзя рассматривать как вспомогательную информацию – данный материал важен как минимум для сдачи экзамена в сессию. В то же время, возможна избыточность, которая вво-дится умышленно для лучшего понимания.

Будучи объектом преобразования и использования, информация характе-ризуется следующими свойствами:

синтаксис – свойство, определяющее способ представления информа-ции на носителе (в сигнале). Так, данная информация представлена на бумаж-ном носителе с помощью определенного шрифта. Здесь же можно рассматри-вать такие параметры представления информации, как стиль и цвет шрифта, его размеры, формат бумаги и ее качество и т. д. Выделение нужных параметров как синтаксических свойств, очевидно, определяется предполагаемым спосо-бом преобразования. Например, для плохо видящего человека существенным является размер и цвет шрифта. Если предполагается вводить данный текст в компьютер через сканер, важен формат бумаги.

семантика – свойство, определяющее смысл информации как соответ-ствие сигнала реальному миру. Так, семантика сигнала «информатика» заклю-чается в данном ранее определении. Семантика может рассматриваться как не-которое соглашение, известное потребителю информации, о том, что означает каждый сигнал (так называемое правило интерпретации). Например, именно семантику сигналов изучает начинающий автомобилист, штудирующий прави-ла дорожного движения, познавая дорожные знаки (в этом случае сигналами выступают сами знаки). Семантику слов (сигналов) познает обучаемый какому– либо иностранному языку. Можно сказать, что смысл настоящего обучения ин-форматике заключается в изучении семантики различных сигналов – суть клю-чевых понятий этой дисциплины.

прагматика – свойство, определяющее влияние информации на поведе-ние потребителя. Так прагматика информации, получаемой читателем настоя-щего учебного пособия, заключается, по меньшей мере, в успешной сдаче экза-мена по информатике. Хочется верить, что этим прагматика данного труда не ограничится, и он послужит для дальнейшего обучения и профессиональной деятельности читателя.

Следует отметить, что различные по синтаксису сигналы могут иметь оди-наковую семантику. Например, сигналы «ЭВМ» и «компьютер» означают элек-тронное устройство для преобразования информации. В этом случае обычно говорят о синонимии сигналов. С другой стороны, один сигнал (т. е. информа-ция с одним синтаксическим свойством) может иметь разную прагматику для потребителей и семантику. Так, дорожный знак, известный под названием «кирпич» и имеющий вполне определенную семантику («въезд запрещен»), оз-

15

начает для автомобилиста запрет на въезд, а на пешехода никак не влияет. В то же время, сигнал «ключ» может иметь разную семантику: скрипичный ключ, родниковый ключ, ключ для открытия замка или гаечный ключ (в этом случае говорят об омонимии сигнала).

Сила и целенаправленность влияния информации на получателя зависят от степени соответствия характеристик информации – синтаксических, семанти-ческих, прагматических – возможностям и потребностям получателя. Структу-ра сообщений, их смысл и практическая ценность всегда ориентированы на оп-ределенного получателя.

Контрольные вопросы

1. От каких слов произошел термин «информатика»? 2. Что изучает наука информатика? 3. Что входит в состав технических средств? 4. Что относится к программным средствам? 5. Приведите структуру информатики. 6. Какие три компонента можно выделить в информатике как средстве преоб-

разования информации? 7. Что понимается под словом hardware? 8. Что понимается под словом software? 9. Что понимается под словом brainware? 10. Чем занимается информатика как фундаментальная наука? 11. Чем занимается информатика как отрасль производства? 12. Перечислите фирмы, занимающиеся производством аппаратных и про-

граммных продуктов. 13. Назовите ключевое понятие и основной вопрос Информатики. 14. Что в Информатике понимается под данными? 15. Что в Информатике понимается под информацией? 16. Поясните, почему данные не тождественны информации? Привести примеры. 17. В чем заключается динамичность информации? 18. На какие классы можно подразделить методы обработки данных? 19. Что понимается под экономической информацией? 20. Что является простой, элементарной составляющей единицей экономиче-

ской информации? 21. Что характеризует реквизит–основание? 22. Что характеризует реквизит–признак? 23. В чем заключается двойственность компьютерной программы? 24. По каким признакам и как классифицируется информация? 25. Что определяют такие свойства информации, как синтаксис, семантика,

прагматика?

16

Тема 2. Кодирование данных Кодирование данных двоичным кодом Для автоматизации работы с данными, относящимися к различным типам,

очень важно унифицировать их форму представления – для этого обычно ис-пользуется прием кодирования, то есть выражение данных одного типа через данные другого типа. Естественные человеческие языки – это не что иное, как системы кодирования понятий для выражения мыслей посредством речи. К языкам близко примыкают азбуки (системы кодирования компонентов языка с помощью графических символов). История знает интересные, хотя и безус-пешные попытки создания «универсальных» языков и азбук.

Та же проблема универсального средства кодирования достаточно успеш-но реализуется в отдельных отраслях техники, науки и культуры. В качестве примеров можно привести систему записи математических выражений, теле-графную азбуку, морскую флажковую азбуку, систему Брайля для слепых и многое другое.

Своя система существует и в вычислительной технике – она называется двоичным кодированием и основана на представлении данных последователь-ностью всего двух знаков: 0 и 1. Эти знаки называются двоичными цифрами, по– английски – binary digit, или, сокращенно, bit (бит). Бит – двоичный раз-ряд, принимающий значение 0 или 1.

Одним битом могут быть выражены два понятия: 0 или 1 (да или нет, чер-ное или белое, истина или ложь и т. п.). Если количество битов увеличить до двух, то уже можно выразить четыре различных понятия:

00 01 10 11 Тремя битами можно закодировать восемь различных значений: 000 001 010 011 100 101 110 111 Увеличивая на единицу количество разрядов в системе двоичного кодиро-

вания, мы увеличиваем в два раза количество значений, которое может быть выражено в данной системе. Таким образом, если есть n бит, можно закодиро-вать 2n символов.

Системы счисления Люди всегда считали и записывали числа, даже пять тысяч лет назад.

Но записывали они их совершенно по-другому, по другим правилам. Известно множество способов представления чисел. Число изображается

символом или группой символов некоторого алфавита. Такие символы называ-ются цифрами.

Числа складываются из цифр по особым правилам. На разных этапах раз-вития человечества, у разных народов эти правила были различны. Сегодня мы их называем системами счисления.

Система счисления – это совокупность приемов и правил для обозначения и именования чисел.

17

Все системы счисления делятся на позиционные и непозиционные. Непо-зиционные системы счисления появились раньше позиционных. Последние яв-ляются результатом длительного исторического развития непозиционных сис-тем счисления.

В непозиционной системе счисления цифры не меняют своего количест-венного значения при изменении их расположения в числе. Например, в рим-ской непозиционной системе счисления для каждого числа используется неко-торый набор базовых символов (I, V, X, L, C, D, M), соответствующих числам 1, 5, 10, 50, 100, 500, 1000. Остальные значения чисел получаются из базовых путем сложения (например, 700=DCC) или вычитания (например, 800=CCM).

Позиционные системы счисления – это системы, в которых количествен-ные значения цифр, используемых для записи чисел, зависят от их положения.

Наиболее распространенными в настоящее время позиционными система-ми счисления являются десятичная, двоичная, восмеричная и шестнадцатиричная.

Основными характеристиками позиционной системы счисления являются алфавит цифр, основание и разряд.

Алфавит системы счисления – это совокупность всех цифр, используемых в системе счисления.

Основание системы счисления – количество цифр, используемое для пред-ставления чисел.

Основанием может быть любое натуральное число. Разряд – позиция цифры в числе.

Соответствие между первыми несколькими натуральными числами всех

четырех систем счисления представлено в таблице 2.1.

18

Таблица 2.1 Таблица соответствия чисел в разных системах счисления Десятичная система

Двоичная система

Восьмеричная система

Шестнадцатеричная cистема

0 0 0 0 1 1 1 1 2 10 2 2 3 11 3 3 4 100 4 4 5 101 5 5 6 110 6 6 7 111 7 7 8 1000 10 8 9 1001 11 9

10 1010 12 A 11 1011 13 B 12 1100 14 C 13 1101 15 D 14 1110 16 E 15 1111 17 F 16 10000 20 10

Для перевода чисел из одной системы счисления в другую существуют оп-ределенные правила. Они различаются в зависимости от формата числа – целое или правильная дробь. Для вещественных чисел используется комбинация пра-вил перевода для целого числа и правильной дроби.

Перевод чисел в десятичную систему счисления В позиционной системе счисления любое число может быть представлено

в развернутом виде. Возьмем число в десятичной системе счисления 247,32, и представим его в следующем виде:

247,3210 = 2*100 + 4*10+7*1+3/10+2/100 = 2*102 + 4*101 + 7*100 + 3*10– 1 + 2*10– 2.

Мы записали число в развернутой форме, в которой: 2,4,7,3,2 – цифры числа 10 – основание системы счисления показатели степени: 2, 1, 0, –1, –2 соответствуют номеру позиции

цифры в числе. Основанием системы счисления может служить любое натуральное число:

2, 3, 4 и т. д. Следовательно, возможно бесчисленное множество позиционных систем.

Пусть q – основание системы счисления, n – число разрядов целой части числа, m – число разрядов дробной части числа, ai – цифра числа, Aq – само число,

19

тогда развернутую форму для числа представленного в любой системе счисления можно записать в общем виде следующим образом:

Aq = an– 1*qn– 1 + an– 2*qn– 2 + ... + a0*q0 + a– 1*q– 1 + a– 2*q– 2+ ... +a– m*q– m, qi – называется весом цифры числа. Вес цифры числа равен степени, где основание степени равно основанию

системы счисления, а показатель – номеру позиции цифры в числе. Развернутая форма записи числа равна сумме произведений цифры числа

на ее вес. Примеры развернутых записей чисел в различных системах счисления: 1. 423,3125 = 4*52 + 2*51+ 3*50+ 3*5– 1+1*5– 2 +2*5– 3. 2. 423,3128 = 4*82 + 2*81+ 3*80+ 3*8– 1+1*8– 2 +2*8– 3. Развернутая форма служит для перевода чисел из любой системы счисле-

ния в десятичную. Алгоритм перевода чисел из любой системы счисления в десятичную: Представить число в развернутой форме. При этом основание системы

счисления должно быть представлено в десятичной системе счисления. Найти сумму ряда (выражения) . Полученное число является значением

числа в десятичной системе счисления.

Перевод из десятичной системы счисления в любую другую Перевод из десятичной системы счисления в любую другую более сложен,

чем, наоборот, из любой в десятичную. При этом необходимо учитывать, что алгоритмы перевода целых чисел и правильных дробей различаются.

Алгоритм перевода целых чисел Разделить данное число на основание новой системы счисления. Зафикси-

ровать целое частное и остаток от деления (остаток всегда меньше основания). Если полученное частное больше основания, то разделить частное на осно-

вание и вновь зафиксировать новое частное и остаток от деления. Повторять процесс до тех пор, пока частное не получится меньше делителя. Полученные остатки, являющиеся цифрами числа в новой системе счисле-

ния, привести в соответствие с ее алфавитом. Записать последнее частное и полученные остатки в обратном порядке в

ряд слева направо. В качестве примера переведем 1910 в двоичную систему счисления соглас-

но алгоритму. 1 форма записи 2 форма записи

20

Алгоритм перевода правильных десятичных дробей Последовательно выполнять умножение исходной десятичной дроби и по-

лучаемых дробей на основание системы до тех пор, пока не получим нулевую дробную часть или не будет достигнута требуемая точность вычислений.

Получить искомую дробную часть, записав полученные целые части про-изведения в прямой последовательности.

В качестве примера рассмотрим перевод десятичной дроби 0,7510 в двоич-ную систему, согласно алгоритму:

1 форма записи

Ответ: 0,7510 = 0,112. 2 форма записи

Перевод произвольных чисел Перевод произвольных чисел, т. е. содержащих целую и дробную часть,

осуществляется в два этапа. Отдельно переводится целая часть, отдельно – дробная. В итоговой записи полученного числа целая часть отделяется от дроб-ной запятой.

21

Примеры:

Перевод из двоичной системы счисления в шестнадцатеричную

1) исходное число разбивается на тетрады (т. е. 4 цифры), начиная с млад-ших разрядов. Если количество цифр исходного двоичного числа не кратно 4, оно дополняется слева незначащими нулями до достижения кратности 4;

2) каждая тетрада заменятся соответствующей шестнадцатеричной цифрой в соответствии с таблицей 2.1.

Пример. Выполнить перевод числа 100112 в шестнадцатеричную систему счисления.

Поскольку в исходном двоичном числе количество цифр не кратно 4, до-полняем его слева незначащими нулями до достижения кратности 4 числа цифр. Имеем:

В соответствии с таблицей 2.1: 00112 = 112 = 316 и 00012 = 12 = 116. Тогда 100112 = 1316.

22

Перевод из шестнадцатеричной системы счисления в двоичную 1) каждая цифра исходного числа заменяется тетрадой двоичных цифр в

соответствии с таблицей 2.1. Если в таблице двоичное число имеет менее 4 цифр, оно дополняется слева незначащими нулями до тетрады;

2) незначащие нули в результирующем числе отбрасываются. Пример. Выполнить перевод числа 1316 в двоичную систему счисления. По таблице имеем: 116 = 12 и после дополнения незначащими нулями двоичного числа 12 = 00012; 316 = 112 и после дополнения незначащими нулями двоичного числа 112 = 00112. Тогда 1316 = 000100112. После удаления незначащих нулей имеем 1316 = 100112. Перевод из двоичной системы в восьмеричную выполняется аналогично

правилу перевода из двоичной в шестнадцатеричную систему, за исключением того, что исходное число разбивается не по 4 цифры, а по 3.

Перевод из восьмеричной ситемы в двоичную выполняется аналогично правилу перевода из шестнадцатеричной системы счисления в двоичную, за ис-ключением того, что исходное число разбивается не по 4 цифры, а по 3.

Кодирование целых и действительных чисел Для кодирования целых чисел от 0 до 255 достаточно иметь 8 разрядов

двоичного кода (8 бит). 0000 0000 = 0 0000 0001 = 1 ……………… 1111 1110 = 254 1111 1111 = 255 Шестнадцать бит позволяют закодировать целые числа от 0 до 65535, а

24 бита – уже более 16,5 миллионов разных значений. Для кодирования действительных чисел используют 80-разрядное кодиро-

вание. При этом число предварительно преобразуется в нормализованную форму: 3,1415926 = 0,31415926*101

300 000 = 0,3*106

0,0035 = 0,35*10– 2 123 456 789 = 0,123456789*109 Первая часть числа называется мантиссой, а вторая – характеристикой

(порядком). В нормализованной форме мантисса числа должна быть меньше 1, и первая значащая цифра после запятой отлична от нуля. Большую часть из 80 бит отводят для хранения мантиссы (вместе со знаком) и некоторое фикси-рованное количество разрядов отводят для хранения порядка (тоже со знаком).

Привычная для человека запись действительных чисел в виде 12.35 назы-вается форма с фиксированной точкой. Внутреннее представление этого числа в компьютере будет: 1.235Е+01, которое называется формой с плавающей точ-кой. Буква Е отделяет десятичный порядок от мантиссы.

23

Кодирование текстовых данных Если каждому символу алфавита сопоставить определенное целое число

(например, порядковый номер), то с помощью двоичного кода можно кодиро-вать и текстовую информацию. Восьми двоичных разрядов достаточно для ко-дирования 256 различных символов. Этого хватит, чтобы выразить различными комбинациями восьми битов все символы английского и русского алфавитов как строчные, так и прописные, а также знаки препинания, символы основных арифметических действий и некоторые общепринятые специальные символы, например символ «$».

Для кодирования текстов используются различные таблицы перекодиров-ки. Важно, чтобы при кодировании и декодировании одного и того же текста использовалась одна и та же таблица.

Таблица перекодировки – таблица, содержащая упорядоченный некото-рым образом перечень кодируемых символов, в соответствии с которым проис-ходит преобразование символа в его двоичный код и обратно.

Для английского языка, захватившего де-факто нишу международного средства общения, противоречия уже сняты. Институт стандартизации США (ANSI – American National Standard Institute) ввел в действие систему кодирова-ния ASCII (American Standard Code for Information Interchange – стандартный код информационного обмена США). В системе ASCII закреплены две таблицы кодирования: базовая и расширенная. Базовая таблица закрепляет значения ко-дов от 0 до 127, а расширенная относится к символам с номерами от 128 до 255.

Первые 32 кода базовой таблицы, начиная с нулевого, отданы производи-телям аппаратных средств (в первую очередь, производителям компьютеров и печатающих устройств). В этой области размещаются так называемые управ-ляющие коды, которым не соответствуют никакие символы языков, и, соответ-ственно, эти коды не выводятся ни на экран, ни на устройства печати, но ими можно управлять тем, как производится вывод прочих данных.

Начиная с кода 32 по код 127 размещены коды символов английского ал-фавита, знаков препинания, цифр, арифметических действий и некоторых вспомогательных символов.

Поддержка производителей оборудования и программ вывела американ-ский код ASCII на уровень международного стандарта, и национальным систе-мам кодирования пришлось «отступить» во вторую, расширенную часть систе-мы кодирования, определяющую значения кодов со 128 по 255. Отсутствие единого стандарта в этой области привело к множественности одновременно действующих кодировок. Только в России можно указать три действующих стандарта кодировки и еще два устаревших.

Так, например, кодировка символов русского языка, известная как коди-ровка Windows–1251, была введена «извне» – компанией Microsoft, но, учиты-вая широкое распространение операционных систем и других продуктов этой компании в России, она глубоко закрепилась и нашла широкое распростране-ние. Эта кодировка используется на большинстве локальных компьютеров, ра-

24

ботающих на платформе Windows. Де-факто она стала стандартной в россий-ском секторе World Wide Web.

Другая распространенная кодировка носит название КОИ–8 (код обмена информацией, восьмизначный). На базе этой кодировки ныне действуют коди-ровки КОИ8–Р (русская) и КОИ8–У (украинская). Сегодня кодировка КОИ8–Р имеет широкое распространение в компьютерных сетях на территории России и в некоторых службах российского сектора Интернета. В частности, в России она де-факто является стандартной в сообщениях электронной почты и теле-конференций.

Международный стандарт, в котором предусмотрена кодировка символов русского алфавита, носит название кодировки ISO (International Standard Organization – Международный институт стандартизации). На практике дан-ная кодировка используется редко.

В связи с изобилием систем кодирования текстовых данных, действующих в России, возникает задача межсистемного преобразования данных – это одна из распространенных задач информатики.

Если проанализировать организационные трудности, связанные с создани-ем единой системы кодирования текстовых данных, то можно прийти к выводу, что они вызваны ограниченным набором кодов (256). В то же время очевидно, что если, например, кодировать символы не восьмиразрядными двоичными числами, а числами с большим количеством разрядов, то и диапазон возмож-ных значений кодов станет намного больше. Такая система, основанная на 16-разрядном кодировании символов, получила название универсальной – UNICODE. Шестнадцать разрядов позволяют обеспечить уникальные коды для 65 536 различных символов – этого поля достаточно для размещения в одной таблице символов большинства языков планеты.

Тексты, закодированные при помощи одной таблицы, не будут правильно отображаться в другой кодировке.

Кодирование графических данных Изображение передают сигналы, имеющие аналоговую, непрерывную

форму. Поэтому они преобразуются в дискретную форму путем дискретизации, т. е. разбиения непрерывного графического изображения на отдельные элементы.

В процессе дискретизации производится кодирование, т. е. присвоение ка-ждому элементу конкретного значения в форме двоичного кода.

При кодировании изображения происходит его пространственная дискре-тизация. Все изображение разбивается на отдельные точки, каждому элементу ставится в соответствие код его цвета. При этом качество кодирования будет зависеть от следующих параметров: размера точки и количества используемых цветов. Чем меньше размер точки, а, значит, изображение составляется из большего количества точек, тем выше качество кодирования. Чем большее ко-личество цветов используется (т. е. точка изображения может принимать боль-ше возможных состояний), тем больше информации несет каждая точка, а, зна-чит, увеличивается качество кодирования. Создавать и хранить графические

25

объекты в компьютере можно двумя способами – как растровое и векторное изображение. Отдельным предметом считается 3D (трехмерная) графика, в ко-торой сочетаются векторный и растровый способы формирования изображе-ний. Она изучает методы и приемы построения объемных моделей объектов в виртуальном пространстве. Для каждого вида используется свой способ коди-рования графической информации.

Растровое изображение Если рассмотреть с помощью увеличительного

стекла черно-белое графическое изображение, на-печатанное в газете или книге, то можно увидеть, что оно состоит из мельчайших точек (далее одну такую точку будем называть пикселем), образую-щих характерный узор, называемый растром. На изображение накладывается прямоугольная сет-ка – растр, которая позволяет разбить рисунок на конечное количество элементов – пикселей.

Объем растрового изображения определяется умножением количества пикселей на информационный объем одной точки, ко-торый зависит от количества возможных цветов. Качество изображения опре-деляется разрешающей способностью монитора. Чем она выше, то есть больше количество строк растра и точек в строке, тем выше качество изображения. По-скольку линейные координаты и индивидуальные свойства каждой точки (яр-кость) можно выразить с помощью целых чисел, то можно сказать, что растро-вое кодирование позволяет использовать двоичный код для представления гра-фических данных.

Общепринятым на сегодняшний день считается представление черно-белых иллюстраций в виде комбинации точек с 256 градациями серого цвета, и, таким образом, для кодирования яркости любой точки обычно достаточно восьмиразрядного двоичного числа.

Если говорить о кодировании цветных графических изображений, то нуж-но рассмотреть принцип декомпозиции произвольного цвета на основные со-ставляющие. Применяют несколько систем кодирования: HSB, RGB и CMYK. Первая цветовая модель проста и интуитивно понятна, т. е. удобна для челове-ка, вторая наиболее удобна для компьютера, а последняя модель CMYK – для типографий. Использование этих цветовых моделей связано с тем, что све-товой поток может формироваться излучениями, представляющими собой ком-бинацию «чистых» спектральных цветов: красного, зеленого, синего или их производных.

1) Модель HSB характеризуется тремя компонентами: оттенок цвета (Hue), насыщенность цвета (Saturation) и яркость цвета (Brightness). Можно получить большое количество произвольных цветов, регулируя эти компоненты. Эту цветовую модель лучше применять в тех графических редакторах, в которых изображения создают сами, а не обрабатывают уже готовые. Затем созданное произведение можно преобразовать в цветовую модель RGB, если ее планиру-

26

ется использовать в качестве экранной иллюстрации, или CMYK, если в каче-стве печатной. Значение цвета выбирается как вектор, выходящий из центра окружности. Направление вектора задается в угловых градусах и определяет цветовой оттенок. Насыщенность цвета определяется длиной вектора, а яркость цвета задается на отдельной оси, нулевая точка которой имеет черный цвет. Точка в центре соответствует белому (нейтральному) цвету, а точки по пери-метру – чистым цветам.

2) Принцип метода RGB заключается в следующем: известно, что любой цвет можно представить в виде комбинации трех цветов: красного (Red, R), зе-леного (Green, G), синего (Blue, B). Другие цвета и их оттенки получаются за счет наличия или отсутствия этих составляющих.По первым буквам основных цветов система и получила свое название – RGB. Данная цветовая модель яв-ляется аддитивной, то есть любой цвет можно получить сочетанием основных цветов в различных пропорциях.

3) Принцип метода CMYK. Эта цветовая модель используется при подго-товке публикаций к печати. Каждому из основных цветов ставится в соответст-вие дополнительный цвет (дополняющий основной до белого). Получают до-полнительный цвет за счет суммирования пары остальных основных цветов. Значит, дополнительными цветами для красного является голубой (Cyan, C) = зеленый + синий = белый – красный; для зеленого – пурпурный (Magenta, M) = красный + синий = белый – зеленый; для синего – желтый (Yellow, Y) = крас-ный + зеленый = белый – синий. Причем принцип декомпозиции произвольно-го цвета на составляющие можно применять как для основных, так и для до-полнительных, то есть любой цвет можно представить или в виде суммы крас-ной, зеленой, синей составляющей или же в виде суммы голубой, пурупурной, желтой составляющей. В основном такой метод принят в полиграфии. Но там еще используют черный цвет (BlacК, так как буква В уже занята синим цветом, то обозначают буквой K). Это связано с тем, что наложение друг на друга до-полнительных цветов не дает чистого черного цвета.

Различают несколько режимов представления цветной графики: а) полноцветный (True Color); б) High Color; в) индексный. При полноцветном режиме для кодирования яркости каждой из состав-

ляющих используют по 256 значений (восемь двоичных разрядов), то есть на кодирование цвета одного пикселя (в системе RGB) надо затратить 8*3=24 раз-ряда. Это позволяет однозначно определять 16,5 млн цветов. Это довольно близко к чувствительности человеческого глаза.

Обычно при кодировании пикселя на каждый из каналов (красный, зеле-ный, синий каналы) отводится по одному 8-битному байту; четвертый байт (ес-ли используется) обычно отводится либо для хранения данных альфа-канала, либо просто игнорируется. Такое выравнивание до четырех байт оптимально подходит для 32-битной архитектуры – оптимально используется шина ЭВМ. Кроме того, использование 24-битной адресации требует реализации умноже-

27

ния на 3, что составляет бо́льшую вычислительную нагрузку, чем умножение на 4, которое может быть реализовано с помощью сдвига.

32-битный TrueColor может хранить альфа-канал, с помощью которого ус-танавливается степень прозрачности пикселей для отображения полупрозрач-ных изображений, например, для отображения эффекта полупрозрачных окон, растворяющихся меню и теней.

При кодировании с помощью системы CMYK для представления цветной графики надо иметь 8*4=32 двоичных разряда.

Режим High Color – это кодирование при помощи 16-разрядных двоичных чисел, то есть уменьшается количество двоичных разрядов при кодировании каждой точки. Но при этом значительно уменьшается диапазон кодируемых цветов.

При индексном кодировании цвета можно передать всго лишь 256 цвето-вых оттенков. Каждый цвет кодируется при помощи восьми бит данных. Но так как 256 значений не передают весь диапазон цветов, доступный человеческому глазу, то подразумевается, что к графическим данным прилагается палитра (справочная таблица), без которой воспроизведение будет неадекватным: море может получиться красным, а листья – синими. Сам код точки растра в данном случае означает не сам по себе цвет, а только его номер (индекс) в палитре. От-сюда и название режима – индексный.

Двоичный код изображения, выводимого на экран, хранится в видеопамя-ти. В видеопамяти любое изображение представляется в растровом виде. Экран монитора разбит на фиксированное число пикселей.

Разрешающая способность экрана монитора – размер растра, задаваемого в виде произведения M*N, где М – количество точек по горизонтали, N – ко-личество точек по вертикали (число строк).

Количество цветов, воспроизводимых на экране монитора (K), и число бит, отводимых в видеопамяти под каждый пиксель (b) (битовая глубина), связаны формулой: К=2b .

Объем видеопамяти, необходимой для хране-ния одной страницы изображения: V=b*M*N.

Векторное и фрактальное изображения Векторное изображение – это графический

объект, состоящий из элементарных отрезков и дуг. Базовым элементом изображения является ли-ния. Как и любой объект, она обладает свойствами: формой (прямая, кривая), толщиной, цветом, начертанием (пунктирная, сплош-ная). Замкнутые линии имеют свойство заполнения (или другими объектами, или выбранным цветом). Все прочие объекты векторной графики составляются из линий. Так как линия описывается математически как единый объект, то и объем данных для отображения объекта средствами векторной графики значи-тельно меньше, чем в растровой графике. Информация о векторном изображе-нии кодируется как обычная буквенно-цифровая и обрабатывается специаль-ными программами.

28

К программным средствам создания и обработки векторной графики отно-сятся следующие графические редакторы: CorelDraw, Adobe Illustrator, а также векторизаторы (трассировщики) – специализированные пакеты преобразования растровых изображений в векторные.

Фрактальная графика основывается на математических вычислениях, как и векторная. Но в отличие от векторной ее базовым элементом является сама ма-тематическая формула. Это приводит к тому, что в памяти компьютера не хра-нится никаких объектов, и изображение строится только по уравнениям. При помощи этого способа можно строить простейшие регулярные структуры, а также сложные иллюстрации, которые имитируют ландшафты.


1. Как кодируются данные в вычислительной технике? 2. Что такое двоичное кодирование? 3. Что такое бит? 4. Сколько различных символов (значений) можно закодировать тремя битами? 5. Сколько различных символов (значений) можно закодировать одним байтом? 6. Сколько двоичных разрядов требуется для кодирования 65 536 целых чисел? 7. Отличие позиционных и непозиционных систем счисления. 8. Чему равны основания десятичной, двоичной, восьмеричной и шестнадцати-

ричной систем счисления? Перечислить цифры, использующиеся в них. 9. Что представляет собой нормализованная форма, форма с фиксированной

точкой и форма с плавающей точкой для действительных чисел? 10. Какие системы кодирования текстовой информации вы знаете? 11. Сколько разрядов используется для кодирования в системе ASCII? 12. Какие две таблицы закреплены в системе ASCII? 13. Какие коды размещены в базовой таблице системы ASCII, и что в них зако-

дировано? 14. Какие коды размещены в расширенной таблице системы ASCII, и что в них

закодировано? 15. Какие типы изображений вы знаете? 16. Отличие растрового изображения от векторного. 17. Как кодируется черно-белое изображение? 18. Как кодируются цветные графические изображения? 19. Какие системы кодирования цветных графических изображений вы знаете? 20. Какие существуют режимы представления цветной графики? 21. Сколько двоичных разрядов требуется для режимов True Color и High Color?

29

Тема 3. Запоминающие устройства. Единицы измерения и хранения информации Запоминающие устройства Это устройства, предназначенные для хранения информации. Наиболее важными характеристиками ЗУ являются емкость (объем храни-

мой информации) и быстродействие (время доступа к информации). Внутренние ЗУ непосредственно взаимодействуют с процессором, имеют

высокое быстродействие и относительно небольшую емкость. К внутренним ЗУ относятся: внутренняя память процессора (регистры), кэш-память, оперативная память (ОП, ОЗУ, RAM), постоянная память (ПП, ПЗУ, ROM), энергонезави-симая память (CMOS).

Регистры – это внутренняя память процессора. Она имеет высокое быст-родействие и малую емкость (сотни байтов). Данные загружаются в регистры из ОП, обрабатываются в них процессором, а потом опять записываются в ОП.

К внутренним ЗУ относится кэш-память процессора, но часто и различные внешние устройства имеют свою собственную кэш-память. Обмен данными внутри процессора происходит в несколько раз быстрее, чем обмен с другими устройствами, например с оперативной памятью. Для того чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают бу-ферную область – так называемую кэш-память. Это как бы «сверхоперативная память». Когда процессору нужны данные, он сначала обращается в кэш-память, и только если там нужных данных нет, происходит его обращение в оперативную память. Принимая блок данных из оперативной памяти, процес-сор заносит его одновременно и в кэш-память. «Удачные» обращения в кэш-память называют попаданиями в кэш. Процент попаданий тем выше, чем боль-ше размер кэш-памяти, поэтому высокопроизводительные процессоры ком-плектуют повышенным объемом кэш-памяти. Сегодня кэш-память устанавли-вается «пирамидой».

Основная память (ОП) предназначена для хранения и оперативного об-мена информацией с прочими блоками машины. ОП содержит два вида за-поминающих устройств: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и опера-тивное запоминающее устройство (ОЗУ).

ПЗУ (ROM – Read Only Memory) предназначено для хранения неиз-меняемой (постоянной) программной и справочной информации; позволяет опе-ративно только считывать информацию, хранящуюся в нем.

ОЗУ (RAM – Random Access Memory) предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредст-венно участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом ПК в текущий период времени. Главными достоинствами оперативной памяти являются ее высокое быстродействие и возможность обращения к каждой ячей-ке памяти отдельно (прямой адресный доступ к ячейке). В качестве недостатка оперативной памяти следует отметить невозможность сохранения информации в ней после выключения питания машины (энергозависимость).

30

Кроме основной памяти на системной плате ПК имеется и энергонезависимая память CMOS RAM (Complementary Metal–Oxide Semiconductor RAM), постоян-но питающаяся от своего аккумулятора; в ней хранится информация об аппаратной конфигурации ПК (обо всей аппаратуре, имеющейся в компьютере), которая про-веряется при каждом включении системы.

Внешние ЗУ (электромеханические устройства – накопители на дисках – жесткий диск, флэш-память) взаимодействуют с процессором через внутренние ЗУ, имеют большую емкость и относительно низкое быстродействие.

Единицы представления данных Существует множество систем представления данных. С одной из них,

принятой в информатике и вычислительной технике, двоичным кодом, мы по-знакомились выше. Наименьшей единицей такого представления является бит (двоичный разряд). Группы из восьми битов называются байтами. Байт – ми-нимальная адресуемая ячейка памяти.

Группа из 16 взаимосвязанных битов (двух взаимосвязанных байтов) в ин-форматике называется словом. Соответственно, группы из четырех взаимосвя-занных байтов (32 бита) называются удвоенным словом.

Единицы измерения данных Наименьшей единицей измерения является байт. Более крупные единицы измерения данных образуются добавлением пре-

фиксов кило– , мега– , гига– , тера– , пета– . 1Кбайт = 1024 байт = 210 байт. 1 Мбайт = 1024 Кбайт = 220 байт. 1 Гбайт = 1024 Мбайт =230 байт. 1 Тбайт = 1024 Гбайт = 240 байт. 1 Пбайт = 1024 Тбайт = 250 байт. Единицы хранения данных При хранении данных решаются две проблемы: как сохранить данные в

наиболее компактном виде и как обеспечить к ним удобный и быстрый доступ (если доступ не обеспечен, то это не хранение).

В качестве единицы хранения данных принят объект переменной длины, называемый файлом. Файл – это последовательность произвольного числа байтов, обладающая уникальным собственным именем.

Проще всего представить себе файл в виде безразмерного канцелярского досье, в которое можно по желанию добавлять содержимое или извлекать его оттуда. Поскольку в определении файла нет ограничений на размер, можно представить себе файл, имеющий 0 байтов (пустой файл), и файл, имеющий любое число байтов.

В определении файла особое внимание уделяется имени. Оно фактически несет в себе адресные данные, без которых данные, хранящиеся в файле, не станут информацией из-за отсутствия метода доступа к ним. Кроме функций,

31

связанных с адресацией, имя файла может хранить и сведения о типе данных, заключенных в нем (расширение или тип файла). Для автоматических средств работы с данными это важно, поскольку по имени файла они могут автоматиче-ски выбрать наиболее адекватный метод для извлечения информации из него.

Файловая система предоставляет возможность работы с двумя вариантами имен файлов – длинным и коротким.

До появления операционной системы Windows 95 общепринятым спосо-бом именования файлов на компьютерах IBM PC было соглашение 8.3. Соглас-но этому соглашению, принятому в MS DOS, имя файла состоит из двух частей: собственно имени и расширения имени. На имя файла отводилось 8 символов, а на его расширение – 3 символа. Имя от расширения отделяется точкой. Как имя, так и расширение могут включать только алфавитно-цифровые симво-лы латинского алфавита.

При записи имени файла разрешается использовать только буквы англий-ского алфавита и цифры. Начинаться имя должно с буквы. Пробелы и знаки препинания не допускаются, за исключением восклицательного знака (!), тиль-ды (~) и символа подчеркивания (_).

После введения в действие операционной системы Windows 95 требования к именам файлов стали существенно мягче. Они действуют и во всех после-дующих версия операционных систем Windows.

1. Разрешается использовать до 255 символов. 2. Разрешается использовать символы национальных алфавитов, в частно-

сти русского. 3. Разрешается использовать пробелы и другие ранее запрещенные симво-

лы, за исключением следующих девяти: /\:*?"<>|. 4. В имени файла можно использовать несколько точек. Расширением

имени считаются все символы, стоящие за последней точкой. Роль расширения имени файла чисто информационная, а не командная.

Если файлу с рисунком присвоить расширение имени ТХТ, то содержимое файла от этого не превратится в текст. Его можно просмотреть в программе, предназначенной для работы с текстами, но ничего вразумительного такой про-смотр не даст.

Понятие о файловой структуре Требование уникальности имени файла очевидно – без этого невозможно

гарантировать однозначность доступа к данным. В средствах вычислительной техники требование уникальности имени обеспечивается автоматически – соз-дать файл с именем, тождественным уже имеющемуся, нельзя.

Хранение файлов организуется в иерархической структуре, которая в дан-ном случае называется файловой структурой. В качестве вершины структуры служит имя носителя, на котором сохраняются файлы. Далее файлы группиру-ются в каталоги (папки), внутри которых могут быть созданы вложенные ка-талоги (папки). Путь доступа к файлу начинается с имени устройства и вклю-

32

чает все имена каталогов (папок), через которые он проходит. В качестве разде-лителя используется символ «\» (обратная косая черта).

Уникальность имени файла обеспечивается тем, что полным именем файла считается собственное имя файла вместе с путем доступа к нему. Понятно, что в этом случае на одном носителе не может быть двух файлов с тождествен-ными полными именами.

<Путь доступа к файлу> \ <Имя . расширение> Пример записи полного имени файла: <имя носителя>\<имя каталога– 1>\...\<имя каталога– N>\<собственное

имя файла> Вот пример записи двух файлов, имеющих одинаковое собственное имя и

размещенных на одном носителе, но отличающихся путем доступа, то есть полным именем:

С:\Мои документы\Лекции\Информатика\Лекция 1.doc С:\Мои документы\Лекции\История\Лекция 1.doc В данных примерах мы имеем два файла с одинаковым собственным име-

нем Лекция 1.doc. Однако это разные файлы. Они различаются полными име-нами, в состав которых кроме собственного имени входит также и путь досту-па. Забегая вперед, скажем, что не только на одном носителе, но и на одном компьютере не может быть двух файлов с одинаковыми полными именами, так как все носители имеют разные имена. А если заглянуть дальше, в Интернет, то можно сказать, что и во всем мире не может быть двух файлов с одинаковыми полными именами, так как в масштабах Всемирной сети каждый компьютер имеет уникальный адрес.

О том, как на практике реализуются файловые структуры, мы узнаем не-сколько позже, когда познакомимся со средствами вычислительной техники и с понятием файловой системы (см. раздел Файловая система).


1. Назовите наиболее важные характеристики запоминающих устройств. 2. Охарактеризуйте внутренние запоминающие устройства. 3. Перечислите внутренние запоминающие устройства. 4. Дайте характеристику регистрам процессора. 5. Дайте характеристику кэш-памяти. 6. Что включает в себя основная память ПК? 7. Дайте характеристику ПЗУ. 8. Дайте характеристику ОЗУ. 9. Что означают ROM и RAM? 10. Дайте характеристику CMOS. 11. Охарактеризуйте внешние запоминающие устройства. 12. Какие устройства относятся к внешним запоминающим устройствам? 13. Что является наименьшей единицей представления данных? 14. Что такое байт? 15. Что такое компьютерное слово?

33

16. Что такое компьютерное удвоенное слово? 17. Что является наименьшей единицей измерения данных? 18. Какие единицы измерения данных вы знаете? 19. Что является единицей хранения данных? 20. Что такое файл? 21. Назовите минимальный размер файла. 22. Что означает короткое и длинное имя файла? 23. Какие символы не допускаются в имени файла? 24. Допускается ли использование нескольких точек в имени файла? 25. Что означает расширение имени файла? 26. Что такое файловая структура? 27. Что является вершиной файловой структуры? 28. Что представляет собой путь доступа к файлу? 29. Что понимается под полным именем файла?

34

Тема 4. Эволюция средств вычислительной техники

Для последних десятилетий характерно возрастание интереса к истории развития информатики, в первую очередь к истории появления первых цифро-вых вычислительных машин и их создателям. В большинстве развитых стран созданы музеи, сохраняющие образцы первых машин, проводятся конференции и симпозиумы, выпускаются книги о приоритетных достижениях в этой области.

История создания средств цифровой вычислительной техники уходит вглубь веков. Она увлекательна и поучительна, с нею связаны имена выдаю-щихся ученых мира.

В дневниках гениального итальянца Леонардо да Винчи (1452–1519) уже в наше время был обнаружен ряд рисунков, которые оказались эскизным набро-ском суммирующей вычислительной машины на зубчатых колесах, способной складывать 13-разрядные десятичные числа. Специалисты известной американ-ской фирмы IBM воспроизвели машину в металле и убедились в полной со-стоятельности идеи ученого. Его суммирующую машину можно считать изна-чальной вехой в истории цифровой вычислительной техники. Это был первый цифровой сумматор, своеобразный зародыш будущего электронного сумматора – важнейшего элемента современных ЭВМ, пока еще механический, очень при-митивный (с ручным управлением). В те далекие от нас годы гениальный уче-ный был, вероятно, единственным на Земле человеком, который понял необхо-димость создания устройств для облегчения труда при выполнении вычислений.

Однако потребность в этом была настолько малой (точнее, ее не было со-всем!), что лишь через сто с лишним лет после смерти Леонардо да Винчи на-шелся другой европеец – немецкий ученый Вильгельм Шиккард (1592–1636), не читавший, естественно, дневников великого итальянца, который предложил свое решение этой задачи. Причиной, побудившей Шиккарда разработать счет-ную машину для суммирования и умножения шестиразрядных десятичных чи-сел, было его знакомство с польским астрономом И. Кеплером. Ознакомившись с работой великого астронома, связанной в основном с вычислениями, Шик-кард загорелся идеей оказать ему помощь в нелегком труде. В письме на его имя, отправленном в 1623 г., он приводит рисунок машины и рассказывает, как она устроена. Свою машину он назвал: «Суммирующие часы». К сожалению, данных о дальнейшей судьбе машины история не сохранила. По-видимому, ранняя смерть от чумы, охватившей Европу, помешала ученому выполнить его замысел.

Об изобретениях Леонардо да Винчи и Вильгельма Шиккарда стало из-вестно лишь в наше время. Современникам они были неизвестны.

В 1641–1642 гг. девятнадцатилетний Блез Паскаль (1623–1662), тогда еще мало кому известный французский ученый, создает действующую суммирую-щую машину («Паскалину»). Вначале он сооружал ее с одной единственной це-лью – помочь отцу в расчетах, выполняемых при сборе налогов. В последую-щие четыре года им были созданы более совершенные образцы машины. Они были шести– и восьми разрядными, строились на основе зубчатых колес,

35

могли производить суммирование и вычитание десятичных чисел. Было созда-но примерно 50 образцов машин, Б. Паскаль получил королевскую привилегию на их производство (устройство, которое стало первым в мире механическим калькулятором, выпускавшимся серийно), но практического применения «пас-калины» не получили, хотя о них много говорилось и писалось (в основном, во Франции).

В 1673 г. другой великий европеец, немецкий ученый Вильгельм Готфрид Лейбниц (1646–1716), создает счетную машину (арифметический прибор, по словам Лейбница) для сложения и умножения двенадцатиразрядных десятич-ных чисел. К зубчатым колесам он добавил ступенчатый валик, позволяющий осуществлять умножение и деление. «...Моя машина дает возможность совер-шать умножение и деление над огромными числами мгновенно, притом не при-бегая к последовательному сложению и вычитанию», – писал В. Лейбниц од-ному из своих друзей. О машине Лейбница было известно в большинстве стран Европы.

В ЭВМ, появившихся более двух веков спустя, устройство, выполняющее арифметические операции (те же самые, что и «арифметический прибор» Лейбница), получило название арифметического. Позднее, по мере добавления ряда логических действий, его стали называть арифметико-логическим (АЛУ). Оно стало основным устройством современных компьютеров.

Таким образом, два гения XVII века установили первые вехи в истории развития цифровой вычислительной техники. Заслуги В. Лейбница, однако, не ограничиваются созданием «арифметического прибора». Начиная со студенче-ских лет и до конца жизни, он занимался исследованием свойств двоичной сис-темы счисления, ставшей в дальнейшем основной при создании компьютеров. Он придавал ей некий мистический смысл и считал, что на ее базе можно соз-дать универсальный язык для объяснения явлений мира и использования во всех науках, в том числе в философии.

В 1799 г. во Франции Жозеф Мари Жакард (1752–1834) изобрел ткацкий станок, в котором для задания узора на ткани использовались перфокарты. Не-обходимые для этого исходные данные записывались в виде пробивок в соот-ветствующих местах перфокарты. Так появилось первое примитивное устрой-ство для запоминания и ввода программной (управляющей ткацким процессом в данном случае) информации.

Молодой британский ученый Чарльз Беббидж (1791–1871 гг.), будущий создатель первого «компьютера» – машины с памятью и хранимой в ней про-граммой вычислений, специально ездил в Париж, чтобы изучить принципы управления посредством перфокарт, которые он потом и использовал в своей всемирно известной счетной «аналитической машине».

Аналитическая машина, проект которой он разработал в 1836–1848 годах, явилась механическим прототипом появившихся спустя столетие ЭВМ. В ней предполагалось иметь те же, что и в ЭВМ, пять основных устройств: арифме-тическое, памяти, управления, ввода, вывода. Для арифметического устройства Ч. Беббидж использовал зубчатые колеса, подобные тем, что использовались

36

ранее. На них же Ч. Беббидж намеревался построить устройство памяти из 1000 50-разрядных регистров (по 50 колес в каждом!). Программа выполнения вычислений записывалась на перфокартах (пробивками), на них же записыва-лись исходные данные и результаты вычислений. В число операций, помимо четырех арифметических, была включена операция условного перехода и опе-рации с кодами команд. Автоматическое выполнение программы вычислений обеспечивалось устройством управления. Время сложения двух 50-разрядных десятичных чисел составляло, по расчетам ученого, 1 с., умножения – 1 мин.

Особенностью аналитической машины стало то, что здесь впервые был реализован принцип разделения информации на команды и данные. Аналитиче-ская машина содержала два крупных узла: «склад» и «мельницу». Данные вво-дились в механическую память «склада» путем установки блоков шестерен, а потом обрабатывались в «мельнице» с использованием команд, которые вводи-лись с перфокарт.

Механический принцип построения устройств и использование десятичной системы счисления, затрудняющей создание простой элементной базы, не по-зволили Ч. Беббиджу полностью реализовать свой далеко идущий замысел, пришлось ограничиться скромными макетами. Иначе по размерам машина сравнялась бы с локомотивом, и чтобы привести в движение ее устройство, по-надобился бы паровой двигатель.

До настоящего времени Беббидж считается пионером в этой области. Его молодая помощница леди Ада Августа Лавлейс (Ада Байрон, 1815–1852), дочь поэта лорда Байрона, которую он опекал и обучал математике после кон-чины собственной дочери, проявила необыкновенные математические способности.

За свою долгую жизнь Чарльз Бэббидж написал более 70 заметок, статей и книг по самым различным вопросам. Однако подробное изложение принципов работы разностной и аналитической машин сделано не им (Бэббидж говорил, что слишком занят созданием машин, чтобы еще заниматься и их описанием). В частности, аналитическая машина была весьма детально описана в «Очерке аналитической машины...» Л. Ф. Менабреа, переведенном с итальянского на английский язык леди Лавлейс. Она не только сделала перевод, но и дополнила его собственными «Примечаниями», свидетельствующими о замечательном понимании принципов работы вычислительных машин Бэббиджа. Кроме того, она привела ряд примеров их практического использования: выражаясь совре-менным языком, составила несколько программ для аналитической машины.

Программы вычислений на машине Беббиджа, составленные Адой Авгу-стой Лавлейс, поразительно схожи с программами, составленными впоследст-вии для первых ЭВМ. Не случайно замечательную женщину назвали первым программистом мира.

Ее изложение принципов действия разностной и аналитической машин, их вычислительных возможностей и некоторых структурных особенностей дает законченное и четкое представление об этих машинах. Недаром сам Бэббидж неоднократно повторял, что представления леди Лавлейс о его работе были яс-нее, чем его собственные. К несомненным достижениям Ады следует также от-

37

нести введение и весьма подробное рассмотрение таких принципиально важ-ных для программирования вопросов, как организация циклов, связь рекур-рентных формул с циклическими процессами вычислений, использование ра-бочих ячеек.

Программы, приведенные в работе леди Лавлейс, никогда не отлаживались и не работали. Но, несмотря на это, они, как и «Примечания» в целом, навсегда останутся в истории computer science как первая опубликованная работа в об-ласти программирования. Слова «цикл» и «рабочие ячейки» относятся к наибо-лее употребительным программистским терминам и вряд ли станут менее упот-ребительными в обозримом будущем. Следует помнить, кто произнес их впер-вые. Сегодня ее именем назван один из известных языков программирования.

Несмотря на все старания Ч. Беббиджа и А. Лавлейс, машину построить не удалось... Современники, не видя конкретного результата, разочаровались в ра-боте ученого. Он опередил свое время. И сам понимал это: «Вероятно, пройдет половина столетия, прежде чем кто-нибудь возьмется за такую малообещаю-щую задачу без тех указаний, которые я оставил после себя. И если некто, не предостереженный моим примером, возьмет на себя эту задачу и достигнет це-ли в реальном конструировании машины, воплощающей в себя всю исполни-тельную часть математического анализа с помощью простых механических или других средств, я не побоюсь поплатиться своей репутацией в его пользу, т. к. только он один полностью сможет понять характер моих усилий и ценность их результатов».

После смерти Ч. Беббиджа Комитет Британской научной ассоциации, куда входили крупные ученые, рассмотрел вопрос, что делать с неоконченной ана-литической машиной и для чего она может быть рекомендована. К чести Коми-тета было сказано: «...Возможности аналитической машины простираются так далеко, что их можно сравнить только с пределами человеческих возможно-стей... Успешная реализация машины может означать эпоху в истории вычис-лений, равную введению логарифмов».

В 1991 г. английские инженеры под руководством сотрудника Лондонско-го научного музея Дорона Суэйда изготовили эту машину по чертежам Бэб-биджа, обнаружив в них лишь две ошибки!

Непонятым оказался еще один выдающийся англичанин, живший в те же годы, – Джордж Буль (1815–1864). Разработанная им алгебра логики (алгебра Буля) нашла применение лишь в следующем веке, когда понадобился матема-тический аппарат для проектирования схем ЭВМ, использующих двоичную систему счисления. «Соединил» математическую логику с двоичной системой счисления и электрическими цепями американский ученый Клод Шеннон в сво-ей знаменитой диссертации (1936 г.).

Через 63 года после смерти Ч. Беббиджа (он почти угадал срок!) нашелся «некто», взявший на себя задачу создать машину, подобную по принципу дей-ствия той, которой отдал жизнь Ч. Беббидж. Им оказался... немецкий студент Конрад Цузе (1910–1985). Работу по созданию машины он начал в 1934 г., за год до получения инженерного диплома. Конрад (друзья его звали Куно) ниче-

38

го не знал ни о машине Беббиджа, ни о работах Лейбница, ни о алгебре Буля, которая словно создана для того, чтобы проектировать схемы с использованием элементов, имеющих лишь два устойчивых состояния.

Тем не менее, он оказался достойным наследником В. Лейбница и Дж. Бу-ля, поскольку вернул к жизни уже забытую двоичную систему исчисления, а при расчете схем использовал нечто подобное булевой алгебре. В 1937 г. ма-шина Z1 (что означало «Цузе 1») была готова и заработала! Она была, подобно машине Беббиджа, чисто механической. Использование двоичной системы со-творило чудо – машина занимала всего два квадратных метра на столе в квар-тире изобретателя! Числа и программа вводилась вручную. Еще через год в машине появилось устройство ввода данных и программы, использовавшее ки-ноленту, на которую перфорировалась информация, а механическое арифмети-ческое устройство заменило АУ последовательного действия на телефонные реле. Усовершенствованная машина получила название Z2. В 1941 г. Цузе с участием Г. Шрайера создает релейную вычислительную машину с программ-ным управлением (Z3), содержащую 2000 реле и повторяющую основные ха-рактеристики Z1 и Z2. Она стала первой в мире полностью релейной цифровой вычислительной машиной с программным управлением и успешно эксплуати-ровалась.

К концу Второй мировой войны К. Цузе создает еще одну релейную вы-числительную машину – Z4. Она окажется единственной сохранившейся из всех машин, разработанных им. Остальные будут уничтожены при бомбежке Берлина и заводов, где они выпускались.

Итак, К. Цузе установил несколько вех в истории развития компьютеров: первым в мире использовал при построении вычислительной машины двоич-ную систему исчисления (1937 г.), создал первую в мире релейную вычисли-тельную машину с программным управлением (1941 г.) и цифровую специали-зированную управляющую вычислительную машину (1943 г.).

Эти воистину блестящие достижения, однако, существенного влияния на развитие вычислительной техники в мире (за исключением Германии) не оказали...

Дело в том, что публикаций о них и какой-либо рекламы из-за секретности работ не было, и поэтому о них стало известно лишь спустя несколько лет по-сле завершения Второй мировой войны.

По-другому развивались события в США. В 1944 г. ученый Гарвардского университета Говард Айкен (1900–1973) создает первую в США (тогда счита-лось первую в мире!) релейно-механическую цифровую вычислительную ма-шину МАРК–1. По своим характеристикам (производительность, объем памя-ти) она была близка к Z3.

В машине использовалась десятичная система счисления. Как и в машине Беббиджа, в счетчиках и регистрах памяти использовались зубчатые колеса. Управление и связь между ними осуществлялась с помощью реле, число кото-рых превышало 3000. Г. Айкен не скрывал, что многое в конструкции машины он заимствовал у Ч. Беббиджа. «Если бы был жив Беббидж, мне нечего было бы

39

делать», – говорил он. Замечательным качеством машины была ее надежность. Установленная в Гарвардском университете, она проработала там 16 лет!

Вслед за МАРК–1 ученый создает еще три машины (МАРК–2, МАРК–3 и МАРК–4) – тоже с использованием реле, а не электронных ламп, объясняя это ненадежностью последних.

В отличие от работ Цузе, которые велись с соблюдением секретности, раз-работка МАРК–1 проводилась открыто, и о создании необычной по тем време-нам машины быстро узнали во многих странах. Шутка ли, за день машина вы-полняла вычисления, на которые ранее тратилось полгода! Дочь К. Цузе, рабо-тавшая в военной разведке и находившаяся в то время в Норвегии, прислала отцу вырезку из газеты, сообщающую о грандиозном достижении американско-го ученого.

К. Цузе мог торжествовать. Он во многом опередил появившегося сопер-ника. Позднее он направит ему письмо и скажет об этом. А правительство Гер-мании в 1980 г. выделит ему 800 тыс. марок для воссоздания Z1, что он и осу-ществил вместе с помогавшими ему студентами. Своего «воскресшего» пер-венца К. Цузе передал на вечное хранение в музей вычислительной техники в Падеборне.

Что касается Г. Айкена, то он первым в мире начал чтение лекций по но-вому тогда предмету, получившему сейчас название Computer Science – наука о компьютерах; он же одним из первых предложил использовать машины в дело-вых расчетах и бизнесе. Побудительным мотивом для создания МАРК– 1 было стремление Г. Айкена помочь себе в многочисленных расчетах, которые ему приходилось делать при подготовке диссертационной работы (посвященной, кстати, изучению свойств электронных ламп).

В 1941 г. сотрудники лаборатории баллистических исследований Абердин-ского артиллерийского полигона в США обратились в расположенную непода-леку техническую школу при Пенсильванском университете за помощью в со-ставлении таблиц стрельбы для артиллерийских орудий, уповая на имевшийся в школе дифференциальный анализатор Буша – громоздкое механическое анало-говое вычислительное устройство. Однако сотрудник школы физик Джон Моч-ли (1907–1986), увлекавшийся метеорологией и смастеривший для решения за-дач в этой области несколько простейших цифровых устройств на электронных лампах, предложил нечто иное. Им было составлено (в августе 1942 г.) и от-правлено в военное ведомство США предложение о создании мощного компь-ютера (по тем временам) на электронных лампах. Эти воистину исторические пять страничек были положены военными чиновниками под сукно, и предло-жение Мочли, вероятно, осталось бы без последствий, если бы им не заинтере-совались сотрудники полигона. Они добились финансирования проекта, и в ап-реле 1943 г. был заключен контракт между полигоном и Пенсильванским уни-верситетом на создание вычислительной машины, названной электронным цифровым интегратором и компьютером (ЭНИАК). На это отпускалось 400 тыс. долларов. К работе было привлечено около 200 человек, в том числе несколько десятков математиков и инженеров. Руководителями работы стали

40

Дж. Мочли и талантливый инженер-электронщик Преспер Эккерт (1919–1995). Именно он предложил использовать для машины забракованные военными представителями электронные лампы (их можно было получить бесплатно!). Учитывая, что требуемое количество ламп приближалось к 20 тысячам, а сред-ства, выделенные на создание машины, весьма ограничены, – это было мудрым решением. Он же предложил снизить напряжение накала ламп, что существен-но увеличило надежность их работы. Напряженная работа завершилась в конце 1945 года. ЭНИАК был предъявлен на испытания и успешно их выдержал. В начале 1946 г. машина начала считать реальные задачи. По размерам она бы-ла более впечатляющей, чем МАРК–1: 26 м в длину, 6 м в высоту, вес 35 тонн. Но поражали не размеры, а производительность – она в 1000 раз превышала производительность МАРК–1! Таков был результат использования электрон-ных ламп! В остальном ЭНИАК мало чем отличался от МАРК–1. В нем исполь-зовалась десятичная система исчисления.

В 1945 г., когда завершались работы по созданию ЭНИАК, и его создатели уже разрабатывали новый электронный цифровой компьютер ЭДВАК в кото-ром намеревались размещать программы в оперативной памяти, чтобы устра-нить основной недостаток ЭНИАКа – сложность ввода программ вычислений, к ним в качестве консультанта был направлен выдающийся математик, участник Матхеттенского проекта по созданию атомной бомбы Джон фон Нейман (1903–1957). Следует сказать, что разработчики машины, судя по всему, не просили этой помощи. Дж. Нейман, вероятно, сам проявил инициативу, услы-шав от своего приятеля Г. Голдстайна, математика, работавшего в военном ве-домстве, об ЭНИАКе. Он сразу оценил перспективы развития новой техники и принял самое активное участие в завершении работ по созданию ЭДВАКа. На-писанная им часть отчета по машине содержала общее описание ЭДВАКа и ос-новные принципы построения машины (1945 г.).

Она была размножена Г. Голдстайном (без согласования с Дж. Мочли и П. Эккертом) и разослана в ряд организаций. В 1946г. Нейманом, Голдстайном и Берксом (все трое работали в Принстонском институте перспективных иссле-дований) был составлен еще один отчет («Предварительное обсуждение логи-ческого конструирования устройства», июнь 1946 г.), который содержал раз-вернутое и детальное описание принципов построения цифровых электронных вычислительных машин. В том же году отчет был распространен на летней сес-сии Пенсильванского университета.

Изложенные в отчете принципы сводились к следующему: 1. Машины на электронных элементах должны работать не в десятичной, а

двоичной системе исчисления. 2. Программа должна размещаться в одном из блоков машины – в запоми-

нающем устройстве, обладающем достаточной емкостью и соответствующими скоростями выборки и записи команд программы.

3. Программа, так же как и числа, с которыми оперирует машина, записы-вается в двоичном коде. Таким образом, по форме представления команды и

41

числа однотипны. Это обстоятельство приводит к следующим важным послед-ствиям:

промежуточные результаты вычислений, константы и другие числа могут размещаться в том же запоминающем устройстве, что и про-грамма;

числовая форма записи программы позволяет машине производить операции над величинами, которыми закодированы команды про-граммы.

4. Трудности физической реализации запоминающего устройства, быстро-действие которого соответствует скорости работы логических схем, требует ие-рархической организации памяти.

5. Арифметическое устройство машины конструируется на основе схем, выполняющих операцию сложения, создание специальных устройств для вы-полнения других операций нецелесообразно.

6. В машине используется параллельный принцип организации вычисли-тельного процесса (операции над словами производятся одновременно по всем разрядам).

Нельзя сказать, что перечисленные принципы построения ЭВМ были впервые высказаны Дж. Нейманом и остальными авторами. Их заслуга в том, что они, обобщив накопленный опыт построения цифровых вычислительных машин, сумели перейти от схемных (технических) описаний машин к их обоб-щенной логически ясной структуре, сделали важный шаг от теоретически важ-ных основ (машина Тьюринга) к практике построения реальных ЭВМ. Имя Дж. Неймана привлекло внимание к отчетам, а высказанные в них принципы и структура ЭВМ получили название неймановских.

Под руководством Дж. Неймана в Принстонском институте перспектив-ных исследований в 1952 г. была создана еще одна машина на электронных лампах МАНИАК (для расчетов по созданию водородной бомбы), а в 1954 г. еще одна, уже без участия Дж. Неймана. Последняя была названа в честь уче-ного «Джониак». К сожалению, всего три года спустя Дж. Нейман тяжело забо-лел и умер.

Дж. Мочли и П. Эккерт, обиженные тем, что в отчете Принстонского уни-верситета они не фигурировали и выстраданное ими решение располагать про-граммы в оперативной памяти (и не только это!) стали приписывать Дж. Ней-ману, а, с другой стороны, увидев, что многие, возникшие как грибы после до-ждя, фирмы стремятся захватить рынок ЭВМ, решили взять патенты на ЭНИАК.

Однако в этом им было... отказано! Дотошные соперники разыскали ин-формацию о том, что еще в 1938–1941 годах работавший в сельскохозяйствен-ном училище штата Айова профессор математики Джон Атанасов (1903– 1996), болгарин по происхождению, вместе со своим помощником Клиффор-дом Бери разработал макет специализированной цифровой вычислительной машины (с использованием двоичной системы исчисления!) для решения сис-тем алгебраических уравнений. Макет содержал 300 электронных ламп, имел

42

память на конденсаторах. Таким образом, пионером ламповой техники в облас-ти компьютеров оказался Атанасов!

К тому же Дж. Мочли, как выяснил суд, разбиравший (почти 20 лет!) дело по выдаче патента, оказывается, был знаком с работами Атанасова не пона-слышке, а провел пять дней в его лаборатории в дни создания макета.

Что касается хранения программ в оперативной памяти и теоретического обоснования основных свойств современных компьютеров, то и здесь Дж. Мочли и П. Эккерт не были первыми. Еще в 1936 г. об этом сказал Алан Тьюринг (1912–1953) – гениальный математик, опубликовавший тогда свою за-мечательную работу «О вычислимых числах» (в 24 года!).

Полагая, что наиболее важная черта алгоритма (задания на обработку ин-формации) – это возможность механического характера его выполнения, А. Тьюринг предложил для исследования алгоритмов абстрактную машину, по-лучившую название «машина Тьюринга». В ней он предвосхитил основные свойства современного компьютера. Данные должны были вводиться в машину с бумажной ленты, поделенной на клетки-ячейки. Каждая из них содержала символ или была пустой. Машина могла не только обрабатывать записанные на ленте символы, но и изменять их, стирая старые и записывая новые в соответ-ствии с инструкциями, хранимыми в ее внутренней памяти. Для этого она до-полнялась логическим блоком, содержащим функциональную таблицу, опреде-ляющую последовательность действий машины. Иначе говоря, А. Тьюринг предусмотрел наличие некоторого запоминающего устройства для хранения программы действий машины. Но не только этим определяются его выдающие-ся заслуги.

В 1942–1943 годах, в разгар Второй мировой войны в Англии в обстановке строжайшей секретности была построена и успешно эксплуатировалась первая в мире специализированная цифровая вычислительная машина «Колоссус» на электронных лампах (2000 ламп!). В Блечли–Парке А. Тьюринг создал совме-стно с Г. Уэлчманом и инженером Г. Кином дешифровочную машину «Бомба» для расшифровки секретных радиограмм немецких радиостанций. Она успешно справилась с поставленной задачей. Один из участников создания машины так оценил заслуги А. Тьюринга: «Я не хочу сказать, что мы выиграли войну бла-годаря Тьюрингу, но беру на себя смелость сказать, что без него мы могли ее и проиграть». После войны ученый принял участие в создании универсальной ламповой ЭВМ. Внезапная смерть на 41-м году жизни помешала реализовать в полной мере его выдающийся творческий потенциал. В память об А. Тьюринге установлена премия его имени за выдающиеся работы в области математики и информатики. ЭВМ «Колоссус» восстановлена и хранится в музее местечка Блечли–Парк, где она была создана.

Бывший сотрудник английской разведки Ми–5, инженер-электронщик То-ни Сейл переписал программы «Колоссуса» и «Бомба» для современного пер-сонального компьютера с «Пентиумом» внутри. Оказалось, что современный компьютер разгадывает начальное положение колесиков «Шлюссельцузатц–40» вдвое медленнее, чем это делал «Колоссус». А задача, которую «Бомба» в

43

1943 году разрешала за 15 минут, занимает у «Пентиума» 18 часов! Дело в том, что современные компьютеры задуманы как универсальные, предназначенные для выполнения самых разных задач, и не всегда могут спорить со специализи-рованными ЭВМ, умевшими делать только одно, зато очень быстро.

В практическом плане Дж. Мочли и П. Эккерт действительно оказались первыми, кто, поняв целесообразность хранения программы в оперативной па-мяти машины (независимо от А. Тьюринга), заложили это в реальную машину – свою вторую машину ЭДВАК. К сожалению, ее разработка задержалась, и она была введена в эксплуатацию только в 1951 г. В это время в Англии уже два года работала ЭВМ с хранимой в оперативной памяти программой! Дело в том, что в 1946 г. в разгар работ по ЭДВАК Дж. Мочли прочитал курс лекций по принципам построения ЭВМ в Пенсильванском университете. Среди слушате-лей оказался молодой ученый Морис Уилкс (родился в 1905 г.) из Кембридж-ского университета, того самого, где сто лет назад Ч. Беббидж предложил про-ект цифровой машины с программным управлением. Вернувшись в Англию, талантливый молодой ученый сумел за очень короткий срок создать ЭВМ ЭДСАК (электронный компьютер на линиях задержки) последовательного дей-ствия с памятью на ртутных трубках с использованием двоичной системы ис-числения и хранимой в оперативной памяти программой. В 1949 г. машина за-работала! Так М. Уилкс оказался первым в мире, кто сумел создать ЭВМ с хра-нимой в оперативной памяти программой. В 1951 г. он же предложил микро-программное управление операциями. ЭДСАК стал прототипом первой в мире серийной коммерческой ЭВМ ЛЕО (1953 г.). Сегодня М. Уилкс – единственный из оставшихся в живых компьютерных пионеров мира старшего поколения, тех, кто создавал первые ЭВМ. Дж. Мочли и П. Эккерт пытались организовать собственную компанию, но ее пришлось продать из-за возникших финансовых затруднений. Их новая разработка – машина УНИВАК, предназначенная для коммерческих расчетов, перешла в собственность фирмы Ремингтон Рэнд и во многом способствовала ее успешной деятельности.

Хотя Дж. Мочли и П. Эккерт не получили патента на ЭНИАК, его созда-ние стало, безусловно, золотой вехой в развитии цифровой вычислительной техники, отмечающей переход от механических и электромеханических к элек-тронным цифровым вычислительным машинам.

В 1996 г. по инициативе Пенсильванского университета многие страны мира отметили 50-летие информатики, связав это событие с 50-летием создания ЭНИАК. Для этого имелись многие основания – до ЭНИАКа и после ни одна ЭВМ не вызвала такого резонанса в мире и не имела такого влияния на разви-тие цифровой вычислительной техники, как замечательное детище Дж. Мочли и П. Эккерта.

Во второй половине XX века развитие технических средств пошло значи-тельно быстрее. Еще стремительней развивалась сфера программного обеспече-ния, новых методов численных вычислений, теория искусственного интеллекта.

44

Контрольные вопросы 1. Перечислите имена великих ученых и их идеи, которые внесли вклад в раз-

витие вычислительной техники. 2. Кто является автором аналитической машины? 3. Какие заслуги в развитии вычислительной техники принадлежат Чарльзу

Бэббиджу? 4. Что вы можете рассказать об аналитической машины Чарльза Бэббиджа? 5. Кто считается первым в мире программистом? 6. Что вы знаете о первом в мире программисте? 7. Какая машина может считаться первым в мире механическим компьютером? 8. Первые вычислительные машины с использованием реле. 9. Вычислительные машины на электронных лампах. 10. Назовите принципы построения ЭВМ, получившие название неймановских. 11. Заслуги А. Тьюринга в теории компьютеров.

45

Тема 5. Общие принципы построения современных ЭВМ

Основным принципом построения всех современных ЭВМ является прин-цип программного управления (ППУ). Этот принцип обеспечивает универсаль-ность использования компьютера: в определенный момент времени решается задача соответственно выбранной программе. После ее завершения в память за-гружается другая программа и т. д. В соответствии с принципом программного управления любая ЭВМ – это совокупность аппаратной (технической) и про-граммной частей.

Программа, требуемая для работы ЭВМ, предварительно размещается в памяти компьютера, а не вводится команда за командой. Память строится по принципу иерархии: для часто используемых данных выделяется память мень-шего объема, но большего быстродействия; для редко используемых данных выделяется память большего объема, но меньшего быстродействия.

Программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика ко-манд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды.

А так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно распо-ложенных ячеек памяти.

Если же нужно после выполнения команды перейти не к следующей, а к какой-то другой, используются команды условного или безусловного перехо-дов, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей сле-дующую команду. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды «стоп».

Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вме-шательства человека.

ППУ реализуется за счет наличия в компьютере устройства управления (УУ) и развитого запоминающего устройства (ЗУ). В ЗУ хранятся данные и программы.

Большинство современных ЭВМ базируется на принципах, предложенных Джоном фон Нейманом (см. Тема 4), и имеет структуру, ставшую к настоящему времени классической.

Обобщенная структурная схема ЭВМ первых поколений, отвечающая про-граммному принципу управления, представлена на рис. 5.1.

46

Рис. 5.1. Структурная схема ЭВМ первого и второго поколений

В любой ЭВМ имеются устройства ввода информации (УВв), с помощью которых пользователь вводит в ЭВМ программы и данные. Введенная инфор-мация полностью или частично сначала запоминается в оперативном запоми-нающем устройстве (ОЗУ), а затем переносится во внешнее запоминающее уст-ройство (ВЗУ), предназначенное для длительного хранения информации в виде файла.

Затем программа команда за командой считывается в устройство управле-ния (УУ). Устройство управления предназначается для автоматического вы-полнения программ путем синхронизации всех остальных устройств ЭВМ. Управляющие сигналы показаны на рис. 5.1 штриховыми линиями. Вызывае-мые из ОЗУ команды дешифрируются устройством управления: определяется код операции, которую необходимо выполнить следующей, и адреса операндов, принимающих участие в данной операции.

Все команды программы выполняются последовательно, команда за ко-мандой, в том порядке, как они записаны в памяти ЭВМ (естественный порядок следования команд). Возможно присутствие в программе команд условного пе-рехода, которые меняют последовательное выполнение команд в зависимости от значений данных.

АЛУ выполняет арифметические и логические операции над данными. Ре-зультаты выполнения отдельных операций сохраняются для последующего ис-пользования в одном из регистров АЛУ или записываются в память. Результа-ты, полученные после выполнения всей программы вычислений, передаются на устройства вывода (УВыв). В качестве УВыв могут использоваться экран мони-тора, принтер, графопостроитель и др.

Связь между устройствами ЭВМ осуществляется с помощью сопряжений, которые в ВТ называются интерфейсом. Интерфейс представляет собой сово-купность стандартизованных аппаратных и программных средств, обеспечи-вающих обмен информацией между устройствами. В основе построения интер-фейсов лежит унификация и стандартизация.

В персональных компьютерах (ПК), относящихся к ЭВМ четвертого поко-ления, используется структура с шинным интерфейсом: все устройства компь-ютера обмениваются информацией и управляющими сигналами через шину (рис. 5.2). Шина представляет собой систему функционально объединенных

47

проводов, обеспечивающих передачу трех потоков: данных, адресов и управ-ляющих сигналов.

Системная шина

Процессор Основная память

Контроллер Контроллер

ВнУ ВнУ ВнУ ВнУ . . .

. . .

Рис. 5.2. Структурная схема ПЭВМ Количество проводов в системной шине, предназначенных для передачи

данных, называется разрядностью шины. Разрядность шины определяет число битов информации, которые могут передаваться по шине одновременно. Коли-чество проводов для передачи адресов, или адресных линий, определяет, какой объем оперативной памяти может быть адресован.

Единая система аппаратурных соединений значительно упростила струк-туру, сделав ее более децентрализованной. Все передачи данных по шине осу-ществляются под управлением сервисных программ.

Ядро ПК образуют процессор и основная память (ОП) (поскольку на их основе реализуется ППУ), состоящая из оперативной памяти и постоянного за-поминающего устройства (ПЗУ). ПЗУ предназначается для постоянного хране-ния наиболее часто используемых программ управления. Подключение всех внешних устройств (ВнУ): дисплея, клавиатуры, внешних ЗУ и других обеспе-чивается через соответствующие контроллеры – специальные устройства управления периферийной аппаратурой.

Децентрализация построения и управления вызвала к жизни такие элемен-ты, которые являются общим стандартом структур современных ЭВМ: модуль-ность построения, магистральность, иерархия управления.

Модульность построения предполагает выделение в структуре ЭВМ дос-таточно автономных, функционально и конструктивно законченных устройств (процессор, модуль памяти, накопитель на жестком диске и другие).

Модульная конструкция ЭВМ делает ее открытой системой, способной к адаптации и совершенствованию. К ЭВМ можно подключать дополнительные устройства, улучшая ее технические и экономические показатели. Появляется возможность увеличения вычислительной мощности, улучшения структуры пу-тем замены отдельных устройств на более совершенные, изменения и управле-

48

ния конфигурацией системы, приспособления ее к конкретным условиям при-менения в соответствии с требованиями пользователей.

В современных ЭВМ принцип децентрализации и параллельной работы распространен как на периферийные устройства, так и на сами ЭВМ (процессо-ры). Появились вычислительные системы, содержащие несколько вычислите-лей (ЭВМ или процессоры), работающие согласованно и параллельно.

Все существующие типы ЭВМ выпускаются семействами, в которых раз-личают старшие и младшие модели. Всегда имеется возможность замены более слабой модели на более мощную. Это обеспечивается информационной, аппа-ратурной и программной совместимостью. Программная совместимость в се-мействах устанавливается по принципу снизу-вверх, т. е. программы, разрабо-танные для ранних и младших моделей, могут обрабатываться и на старших, но не обязательно наоборот.


1. Что является основным принципом построения современных ЭВМ? 2. Что обеспечивает принцип программного управления? 3. За счет наличия каких блоков в компьютере реализуется принцип программ-

ного управления? 4. Приведите структурную схему ЭВМ первых поколений. 5. Какие устройства имеются в архитектуре любой ЭВМ? Как они взаимодей-

ствуют? 6. Для чего предназначено устройство управления? 7. Для чего предназначено АЛУ? 8. Что такое интерфейс? 9. Что такое структура с шинным интерфейсом? В каких компьютерах она поя-

вилась? 10. Что представляет собой шина? 11. Приведите структурную схему ЭВМ четвертого поколения? 12. Что называется разрядностью шины и что она определяет? 13. Что образует ядро персональных ЭВМ? 14. Что включает в себя основная память? 15. Что такое контроллеры? Их назначение? 16. Могут ли программы, разработанные для старших моделей, обрабатываться

на младших моделях семейств ЭВМ?

49

Тема 6. Основные классы вычислительных машин

Вычислительные машины могут быть классифицированы по ряду призна-ков, в частности:

по принципу действия; по этапам создания и элементной базе; по назначению; по способу организации вычислительного процесса; по размеру и вычислительной мощности; по функциональным возможностям; по способности к параллельному выполнению программ и т. д.

Классификация ЭВМ по принципу действия По принципу действия вычислительные машины делятся на три больших

класса (рис. 6.1): аналоговые, цифровые и гибридные.

Рис. 6.1. Классификация вычислительных машин по принципу действия

Критерием деления вычислительных машин на эти три класса является

форма представления информации, с которой они работают (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Две формы представления информации в машинах

ЦВМ – цифровые вычислительные машины, или вычислительные маши-ны дискретного действия – работают с информацией, представленной в дискретной, а точнее, в цифровой форме.

АВМ – аналоговые вычислительные машины, или вычислительные ма-

Аналоговая форма Цифровая импульсная форма

Вычислительные машины

АВМ ГВМ ЦВМ

50

шины непрерывного действия, работают с информацией, представленной в непрерывной (аналоговой) форме, то есть в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины (чаще всего электрического напряжения).

ГВМ – гибридные вычислительные машины, или вычислительные маши-ны комбинированного действия – работают с информацией, представлен-ной и в цифровой, и в аналоговой форме; они совмещают в себе достоин-ства АВМ и ЦВМ. ГВМ целесообразно использовать для решения задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами. В экономике (да и в науке и технике) получили подавляюще широкое рас-

пространение ЦВМ с электрическим представлением дискретной информации – электронные цифровые вычислительные машины, обычно называемые просто электронными вычислительными машинами (ЭВМ), без упоминания об их цифровом характере.

Классификация ЭВМ по этапам создания и элементной базе По этапам создания и элементной базе компьютеры условно делятся на

поколения: □ 1-е поколение, 50-е годы: ЭВМ на электронных вакуумных лампах. □ 2-е поколение, 60-е годы: ЭВМ на дискретных полупроводниковых при-

борах (транзисторах). □ 3-е поколение, 70-е годы: компьютеры на полупроводниковых инте-

гральных схемах с малой и средней степенью интеграции (сотни–тысячи тран-зисторов в одном корпусе).

ПРИМЕЧАНИЕ Интегральная схема – электронная схема специального назначения, выполненная в ви-

де полупроводникового кристалла, объединяющего большое число активных элементов (диодов и транзисторов).

□ 4-е поколение, 80– 90-е годы: компьютеры на больших и сверхбольших интегральных схемах, основная из которых – микропроцессор (десятки тысяч – миллионы активных элементов на одном кристалле).

ПРИМЕЧАНИЕ Большие интегральные схемы столь плотно упаковывают активные элементы, что все

электронное оборудование компьютера 1-го поколения (монстра, занимавшего зал площадью 100–150 м2) размещается сейчас в одном микропроцессоре площадью 1,5–2 см2. Расстояния между активными элементами в сверхбольшой интегральной схеме составляют 0,11– 0,15 микрона (для сравнения, толщина человеческого волоса равна нескольким десяткам микронов).

□ 5-е поколение, настоящее время: компьютеры со многими десятками па-раллельно работающих микропроцессоров, позволяющих строить эффективные системы обработки знаний; компьютеры на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой, одновременно выполняющих десятки по-следовательных инструкций программы.

□ 6-е и последующие поколения: оптоэлектронные компьютеры с массо-вым параллелизмом и нейронной структурой, с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитек-туру нейронных биологических систем.

51

Развитие вычислительной техники в современном периоде принято рас-сматривать с точки зрения смены поколений компьютеров, вызванной перехо-дом на новую элементную базу.

Первое поколение компьютеров. Элементная база – электронные лампы. В 1946 году американские ученые Джон Мочли и Преспер Эккерт сконструи-ровали компьютер, названный ЭНИАК (электронный вычислительный интегра-тор и калькулятор). По сравнению с «Марк–1» скорость работы увеличилась в 1000 раз. Однако обнаружилось, что большую часть времени этот компьютер простаивал – ведь для задания метода расчетов (программы) в этом компьютере приходилось в течение нескольких часов или даже нескольких дней подсоеди-нять нужным образом провода. А сам расчет после этого мог занять всего лишь несколько минут или даже секунд.

Чтобы упростить и убыстрить процесс задания программ, Мочли и Эккерт стали конструировать новый компьютер, который мог бы хранить программу в своей памяти. К этой работе был привлечен американский математик Джон фон Нейман. Были разработаны общие принципы функционирования и элемен-ты архитектуры компьютеров, как универсальных вычислительных устройств, которые получили название принципы фон Неймана.

Компьютер, согласно принципам фон Неймана (см. рис. 6.3), должен иметь следующие устройства:

- арифметико-логическое устройство (АЛУ), выполняющее арифметиче-ские и логические операции;

- устройство управления (УУ), которое синхронизирует работу всего ком-пьютера;

- память для хранения программ и данных; - внешние устройства (ВУ) для ввода-вывода информации.

Рис. 6.3. Структурная схема компьютера

АЛУ и УУ объединены в единое устройство – процессор (центрально об-

рабатывающее устройство). Память компьютера состоит из ячеек, каждая из которых имеет свой уни-

кальный адрес. Каждая ячейка хранит команду программы или единицу обра-батываемой информации.

В любой момент процессор выполняет одну команду программы, адрес ко-торой находится в специальном регистре процессора – счетчике команд.

Информация в процессор поступает из памяти или от внешнего устройства. Процессор выполняет программу команду за командой в соответствии с

изменением счетчика команд до тех пор, пока не получит команду остановиться.

АЛУ УУ ВУ

Память

- информационные связи

- управляющие связи

52

В дальнейшем архитектура фон Неймана незначительно изменялась и до-полнялась, но исходные принципы управления работой компьютера с помощью хранящихся в памяти программ остались нетронутыми. Подавляющее боль-шинство современных компьютеров построено именно по архитектуре фон Неймана. Первый компьютер, в котором были воплощены принципы фон Ней-мана, был построен в 1949 г. английским исследователем Морисом Уилксом (см. Тема 4).

В 1951 году был создан первый компьютер, предназначенный для коммер-ческого использования, – УНИВАК (универсальный автоматический компью-тер), в котором были реализованы все принципы архитектуры фон Неймана.

Работа по созданию вычислительных машин велась и в СССР. Так, в 1950 году под руководством академика С. А. Лебедева была разработана МЭСМ (малая электронная счетная машина).

В компьютерах этого поколения использовался машинный язык – способ записи программ (команды в виде двоичных кодов), допускающий их непо-средственное исполнение на компьютере. Для каждого компьютера существо-вал свой собственный машинный язык, что ограничивало область применения компьютеров.

Компьютеры первого поколения имели невысокую производительность: до нескольких тысяч операций в секунду. Область применения была ограничена. Электронные лампы выделяли большое количество тепла, поглощали много электроэнергии, были громоздкими, дорогими и ненадежными.

В 1948 году был изобретен транзистор. Транзисторы выполняли те же функции, что и электронные лампы, но использовали электрические свойства полупроводников.

Второе поколение компьютеров. Элементная база – транзисторы. В то же время появляются новые устройства для организации памяти компьютеров – ферритовые сердечники. С изобретением транзистора и использованием новых технологий хранения данных в памяти появилась возможность значительно уменьшить размеры компьютеров, сделать их более надежными и быстрыми.

В 1954 году началось серийное производство транзисторов, а в 1956 году ученые Массачусетского технологического института создали первый полно-стью построенный на транзисторах компьютер.

Машинный язык, применявшийся во втором поколении компьютеров, был крайне неудобен для восприятия человеком. Для преодоления этих неудобств был придуман язык ассемблер. После ввода программы ассемблер сам заменяет символические имена на адреса памяти, а символические коды команд – на чи-словые. Использование ассемблера сделало процесс написания программ более наглядным.

К 1965 году большая часть крупных компаний обрабатывала финансовую информацию с помощью компьютеров.

Вскоре появилась потребность в более естественных языках, которые бы упрощали процесс программирования. Подобные языки программирования по-лучили названия языков высокого уровня. Для их использования необходимо

53

иметь транслятор (компилятор или интерпретатор), то есть программу, которая преобразует операторы языка в машинный язык.

Одним из первых языков программирования стал язык Фортран, который предназначался для математических алгоритмов. Затем появился Кобол, кото-рый предназначался для обработки финансово-экономических данных.

Со второго поколения компьютеров началось развитие индустрии про-граммного обеспечения.

В целом, данный период развития вычислительной техники характеризует-ся применением для создания компьютеров транзисторов и памяти на феррито-вых сердечниках, увеличением быстродействия компьютеров до нескольких со-тен тысяч операций в секунду, возникновением новых технологий программи-рования, языков программирования высокого уровня, операционных систем.

После появления транзисторов наиболее трудоемкой операцией при про-изводстве компьютеров было соединение и спайка транзисторов для создания электронных схем.

В 1959 году Роберт Нойс (будущий основатель фирмы Intel) изобрел спо-соб, позволяющий создавать на одной пластине кремния транзисторы и все не-обходимые соединения между ними. Полученные электронные схемы стали на-зываться интегральными схемами или чипами.

Третье поколение компьютеров. Элементная база – интегральные мик-росхемы. Первые интегральные микросхемы состояли всего из нескольких эле-ментов. Однако, используя полупроводниковую технологию, ученые довольно быстро научились размещать на одной интегральной микросхеме сначала де-сятки, а затем сотни и больше транзисторных элементов.

В 1964 году компания IBM выпустила компьютер IBM System 360, постро-енный на основе интегральных микросхем. Выпуск этих компьютеров можно считать началом массового производства вычислительной техники. IBM System 360 относится к классу так называемых мэйнфреймов. Компания DEC выпусти-ла в 1965 г. первый мини-компьютер PDP–8 размером с холодильник и стоимо-стью всего 20 тыс. долл. (для сравнения – компьютеры 1940–50-х годов обычно стоили миллионы долл.).

В 1970 г. фирма Intel начала продавать интегральные схемы памяти. В дальнейшем количество транзисторов, которое удавалось разместить на еди-нице площади интегральной схемы, увеличивалось приблизительно вдвое каж-дый год (этот эмпирический факт, замеченный в 1965 году соучредителем ком-пании Intel Гордоном Е. Муром, назвали по его имени Законом Мура), что и обеспечивает постоянное уменьшение стоимости компьютеров и повышение их быстродействия.

Основой для компьютеров этого поколения послужили интегральные мик-росхемы, что позволило значительно уменьшить стоимость и размеры компью-теров. Началось массовое производство компьютеров. Продолжалось увеличе-ние скорости обработки информации: до одного миллиона операций в секунду. Появились новые внешние устройства. Появились первые коммерческие опера-

54

ционные системы, специально разработанные для них языки программирова-ния высокого уровня.

В 1964 году появился язык программирования Бейсик (BASIC), предназна-ченный для обучения начинающих программистов. В 1970 году швейцарец Никлас Вирт разработал язык программирования Паскаль. Созданный как язык для обучения, Паскаль оказался очень удобен для решения многих прикладных задач.

В 1969 году компания Intel выпустила еще одно важное для развития вы-числительной техники устройство – микропроцессор. Микропроцессор пред-ставляет собой интегральную микросхему, аналогичную по своим функцио-нальным возможностям центральному процессору большого компьютера.

Четвертое поколение компьютеров. В течение следующих десятилетий продолжалось все большее увеличение скорости и интеграции микропроцессо-ров. Появились сверхбольшие интегральные схемы, включающие сотни тысяч и даже миллионы элементов на один кристалл. Это позволило продолжить уменьшение размеров и стоимости компьютеров и повысить их производитель-ность и надежность.

Практически одновременно с микропроцессорами появились микро- компьютеры, или персональные компьютеры, отличительной особенностью которых стали небольшие размеры и низкая стоимость. Компьютеры перестали быть прерогативой крупных компаний и государственных учреждений, а пре-вратились в товар массового потребления.

В 1975 году появился компьютер Альтаир 8800, родоначальник линии пер-сональных компьютеров.

Одним из пионеров персональных компьютеров была компания Apple. Ее основатели Стив Джобс и Стив Возняк собрали первую модель персональ-ного компьютера в 1976 году и назвали ее Apple I. В 1977 году компания Apple представила следующую модель персонального компьютера – Apple II, кото-рый стал первым массовым персональным компьютером. Это явилось пред-вестником бума всеобщей компьютеризации населения.

В конце 1970-х годов распространение персональных компьютеров даже привело к некоторому снижению спроса на большие компьютеры и мини-компьютеры (мини-ЭВМ). Это стало предметом серьезного беспокойства фир-мы IBM – ведущей компании по производству больших компьютеров, и в 1979 г. фирма IBM решила попробовать свои силы на рынке персональных компью-теров. Однако руководство фирмы недооценило будущую важность этого рын-ка и рассматривало создание персонального компьютера всего лишь как мелкий эксперимент – что-то вроде одной из десятков проводившихся в фирме работ по созданию нового оборудования. Чтобы не тратить на этот эксперимент слишком много денег, руководство фирмы предоставило подразделению, от-ветственному за данный проект, невиданную в фирме свободу. В частности, ему было разрешено не конструировать персональный компьютер «с нуля», а использовать блоки, изготовленные другими фирмами.

В качестве основного микропроцессора компьютера был выбран новейший тогда 16– разрядный микропроцессор Intel–8088. Его использование позволило

55

значительно увеличить потенциальные возможности компьютера, так как но-вый микропроцессор позволял работать с 1 мегабайтом памяти, а все имевшие-ся тогда компьютеры были ограничены 64 килобайтами. Программное обеспе-чение было поручено разработать небольшой фирме Microsoft.

В августе 1981 году новый компьютер под названием IBM PC (персональ-ный компьютер фирмы IBM) был представлен публике и вскоре приобрел большую популярность у пользователей. Через пару лет компьютер IBM PC за-нял ведущее место на рынке, вытеснив модели 8-битовых компьютеров.

Секрет популярности IBM PC в том, что фирма IBM не сделала свой ком-пьютер единым неразъемным устройством и не стала защищать его конструк-цию патентами. Наоборот, она собрала компьютер из независимо изготовлен-ных частей и не стала держать спецификации этих частей и способы их соеди-нения в секрете. Напротив, принципы конструкции IBM PC были доступны всем желающим. Этот подход, называемый принципом открытой архитекту-ры, обеспечил потрясающий успех компьютеру IBM PC, хотя и лишил фирму IBM возможности единолично пользоваться плодами этого успеха. Вот как от-крытость архитектуры IBM PC повлияла на развитие персональных компьютеров.

Перспективность и популярность IBM PC сделали весьма привлекатель-ным производство различных комплектующих и дополнительных устройств для IBM PC. Конкуренция между производителями привела к удешевлению комплектующих и устройств. Очень скоро многие фирмы стали сами собирать компьютеры, совместимые с IBM PC. Поскольку этим фирмам не требовалось нести огромные издержки фирмы IBM, они смогли продавать свои компьютеры значительно дешевле (иногда в 2–3 раза) аналогичных компьютеров фирмы IBM. Совместимые с IBM PC компьютеры вначале презрительно называли «клонами», но эта кличка не прижилась, так как многие фирмы–производители IBM PC–совместимых компьютеров стали реализовывать технические дости-жения быстрее, чем сама IBM. Пользователи получили возможность самостоя-тельно модернизировать свои компьютеры и оснащать их дополнительными устройствами сотен различных производителей. Все это привело к удешевле-нию IBM PC–совместимых компьютеров и стремительному улучшению их ха-рактеристик, и как следствие, к росту их популярности.

Это интересно. Ведущий инженер компании IBM Дэвид Бредли (David J. Bradley), в 1980 году входивший в «группу двенадцати» создателей первой персоналки IBM PC, имеет семь зарегистрированных в США патентов на изо-бретения, потребовавшие много знаний, сил и времени. Однако мировую из-вестность Бредли приобрел благодаря «изобретению» комбинации клавиш, ко-торая может вывести ПК из глубокой комы.

В период работы над своим первым компьютером инженеры пришли к вы-воду, что некорректно написанная программа неизбежно приводит к «зависа-нию» ПК, поэтому необходимо предусмотреть способ восстановления его функционирования после аварийного сбоя. Бредли работал тогда над програм-мированием ПЗУ BIOS. Для перезагрузки ПК он ввел комбинацию клавиш «ALT+CTRL+DEL», затратив на ее обдумывание и написание не более пяти

56

минут. Свой выбор он объяснил тем, что нажатие клавиш, одна из которых уда-лена от двух других, не может быть сделано пользователем нечаянно. Разра-ботчики IBM даже не собирались документировать в руководстве пользователя вызов аварийной перезагрузки машины тремя клавишами. Эта возможность первоначально описывалась только в руководстве для программиста.

На юбилейном праздновании двадцатилетней годовщины IBM PC, где присутствовали многие именитые персоны мира IT, Дэвид Бредли заметил, что хоть он придумал эту комбинацию и написал машинный код обработки BIOS, истинную славу сочетанию ALT+CTRL+DEL принесла компания Microsoft, а не он. Находившийся в зале Билл Гейтс на шутку никак не отреагировал.

Классификация ЭВМ по назначению По назначению компьютеры можно разделить на три группы (рис. 6.4):

универсальные (общего назначения), проблемно–ориентированные и специали-зированные.

Рис. 6.4. Классификация компьютеров по назначению Универсальные компьютеры предназначены для решения самых раз-

личных инженерно-технических, экономических, математических, информаци-онных и т. д. задач, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных.

Характерными чертами универсальных компьютеров являются: высокая производительность; разнообразие форм обрабатываемых данных: двоичных, десятичных, символьных, при большом диапазоне их изменения и высокой точности их представления;

обширная номенклатура выполняемых операций как арифметических, ло-гических, так и специальных;

большая емкость оперативной памяти; развитая организация системы ввода–вывода информации, обеспечиваю-щая подключение разнообразных видов внешних устройств. Проблемно –ориентированные компьютеры предназначены для реше-

ния более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением техноло-гическими объектами, с регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных, с выполнением расчетов по относительно неслож-


Универсальные Проблемно-ориентированные

Специализированные

57

ным алгоритмам; они обладают ограниченными по сравнению с универсальны-ми компьютерами аппаратными и программными ресурсами.

Специализированные компьютеры предназначены для решения опреде-ленного узкого круга задач, или реализации строго определенной группы функ-ций. Такая узкая ориентация компьютеров позволяет четко специализировать их структуру, существенно снизить их сложность и стоимость при сохранении высокой производительности и надежности их работы.

К этому классу ЭВМ относятся компьютеры, управляющие работой уст-ройств ввода–вывода и внешней памятью в современных компьютерах. Такие устройства называются адаптерами, или контроллерами.

Классификация ЭВМ по размерам и вычислительной мощности По размерам и вычислительной мощности компьютеры можно разде-

лить на сверхбольшие (суперкомпьютеры, суперЭВМ), большие, малые и сверх-малые (микрокомпьютеры или микроЭВМ) (рис. 6.5).

Рис. 6.5. Классификация компьютеров по размерам и вычислительной мощности Исторически первыми появились большие ЭВМ, элементная база которых

прошла путь от электронных ламп до интегральных схем со сверхвысокой сте-пенью интеграции. Первая большая ЭВМ – ENIAC (Electronic Numerical Integra-tor and Computer) была создана в 1946 году.

Производительность больших компьютеров оказалась недостаточной для ряда задач (прогнозирования метеообстановки, управления сложными оборон-ными комплексами, биологических исследований, моделирования экологиче-ских систем и др.). Это явилось предпосылкой для разработки и создания су-перкомпьютеров, самых мощных вычислительных систем, интенсивно разви-вающихся и в настоящее время. Появление в 70-х годах малых компьютеров обусловлено, с одной стороны, прогрессом в области электронной элементной базы, а с другой – избыточностью ресурсов больших ЭВМ для ряда приложе-ний. Малые компьютеры используются чаще всего для управления технологи-ческими процессами. Они более компактны и существенно дешевле больших компьютеров. Дальнейшие успехи в области элементной базы и архитектурных решений привели к возникновению супермини–компьютера – вычислительной машины, относящейся по архитектуре, размерам и стоимости к классу малых компьютеров, но по производительности сравнимой с большой ЭВМ.


СуперЭВМ Большие ЭВМ Малые ЭВМ МикроЭВМ

58

Изобретение в 1969 году микропроцессора (МП) привело к появлению в 70-х годах еще одного класса компьютеров – микрокомпьютеров. Именно на-личие МП послужило первоначально определяющим признаком микрокомпью-теров. Сейчас микропроцессоры используются во всех без исключения классах компьютеров.

Большие компьютеры

Большие компьютеры за рубежом часто называют мэйнфреймами (main-frame), характеризуются многопользовательским режимом (до 1000 пользова-телей одновременно могут решать свои задачи). Мейнфреймы отличаются ис-ключительной надежностью, высоким быстродействием, очень большой пропу-скной способностью устройств ввода и вывода информации.

Основные направления применения мэйнфреймов – решение научно-технических задач, работа с большими базами данных, управление вычисли-тельными сетями и их ресурсами (в качестве больших серверов вычислитель-ных сетей).

Термин мэйнфрейм используется в трех основных значения: 1. Большая универсальная ЭВМ – высокопроизводительный компьютер

со значительным объемом оперативной и внешней памяти, предназначенный для организации централизованных хранилищ данных большой емкости и вы-полнения интенсивных вычислительных работ.

2. Компьютер c архитектурой IBM System/360, 370, 390, zSeries. 3. Наиболее мощный компьютер (например удовлетворяющий признакам

значения (1)), используемый в качестве главного или центрального компьютера (например, в качестве главного сервера).

ПРИМЕЧАНИЕ Мэйнфреймы часто именуются большими серверами (серверами–мэйнфреймами).

В принципе это допустимо, но иногда вносит путаницу в терминологию. Дело в том, что сер-веры – это многопользовательские компьютеры, используемые в вычислительных сетях. Серверы обычно относят к микрокомпьютерам, но по своим характеристикам мощные сер-веры можно отнести и к малым компьютерам, и даже к мэйнфреймам, а суперсерверы при-ближаются к суперкомпьютерам. Сервер – это классификационная группа компьютеров, вы-деляемая по сфере применения компьютеров, а микрокомпьютеры, малые компьютеры, мэйнфреймы, суперкомпьютеры – это классификационные группы компьютеров, выделяе-мые по размерам и функциональным возможностям.

Историю мейнфреймов принято отсчитывать с появления в 1964 году уни-версальной компьютерной системы IBM System/360, на разработку которой корпорация IBM затратила 5 млрд долларов. Сам термин «мейнфрейм» проис-ходит от названия типовых процессорных стоек этой системы. В 1960–х – нача-ле 1980-х годов System/360 была безоговорочным лидером на рынке. Ее клоны выпускались во многих странах, в том числе – в СССР (серия ЕС ЭВМ).

Мейнфреймы IBM используются в более чем 25 000 организациях по все-му миру (без учета клонов), в России их по разным оценкам от 1500 до 7000 (с учетом клонов). Около 70% всех важных бизнес-данных обрабатываются на мейнфреймах.

59

В начале 1990-х начался кризис рынка мейнфреймов, пик которого при-шелся на 1993 год. Многие аналитики заговорили о полном вымирании мейн-фреймов, о переходе от централизованной обработки информации к распреде-ленной (с помощью персональных компьютеров, объединенных двухуровневой архитектурой «клиент–сервер»). Многие стали воспринимать мейнфреймы как вчерашний день вычислительной техники, считая Unix– и PC–серверы более современными и перспективными.

Важной причиной резкого уменьшения интереса к мейнфреймам в 80-х го-дах было бурное развитие PC и Unix–ориентированных машин, в которых бла-годаря применению новой технологии создания КМОП–микросхем (компле-ментарная логика на транзисторах металл–оксид–полупроводник; КМДП; англ. CMOS, Complementary–symmetry/metal–oxide semiconductor – технология по-строения электронных схем; КМОП– схемы обладают более высоким быстро-действием и меньшим энергопотреблением, однако при этом характеризуются более сложным технологическим процессом изготовления) удалось значитель-но уменьшить энергопотребление, а их размеры достигли размеров настольных станций. В то же время для установки мейнфреймов требовались огромные площади, а использование устаревших полупроводниковых технологий в мейнфреймах того времени влекло за собой необходимость жидкостного (на-пример, водяного) охлаждения. Так что, несмотря на их вычислительную мощь, из-за дороговизны и сложности обслуживания мейнфреймы все меньше поль-зовались спросом на рынке вычислительных средств.

Еще один аргумент против мейнфреймов состоял в том, что в них не со-блюдается основной принцип открытых систем, а именно – совместимость с другими платформами.

Отнесясь к критике конструктивно, руководство компании IBM, основного производителя аппаратного и программного обеспечения мейнфреймов, выра-ботало кардинально новую стратегию в отношении этой платформы с целью резко повысить производительность, снизить стоимость владения, а также до-биться высокой надежности и доступности систем. Достижению этих планов способствовали важные перемены в технологической сфере: на смену биполяр-ной технологии изготовления процессоров для мейнфреймов пришла техноло-гия КМОП. Переход на новую элементную базу позволил значительно снизить уровень энергопотребления мейнфреймов и упростить требования к системе электропитания и охлаждения (жидкостное охлаждение было заменено воз-душным). Мейнфреймы на базе КМОП–микросхем быстро прибавляли в про-изводительности и уменьшались в габаритах. Поворотным же событием стал переход на 64-разрядную архитектуру z/Architecture. Современные мейнфрей-мы перестали быть закрытой платформой: они способны поддерживать на од-ной машине сотни серверов с различными ОС.

C 1994 года вновь начался рост интереса к мейнфреймам. Стоимость мейнфреймов относительно высока: один компьютер с пакетом прикладных программ оценивается минимум в миллион долларов. Несмотря на это, они ак-тивно используются в финансовой сфере и оборонном комплексе, где занимают

60

от 20 до 30 процентов компьютерного парка, так как, как показала практика, использование мейнфреймов для централизованного хранения и обработки дос-таточно большого объема информации обходится дешевле, чем обслуживание распределенных систем обработки данных, состоящих из сотен и тысяч персо-нальных компьютеров.

На данный момент мейнфреймы IBM занимают доминирующее положение на мировом рынке. Также на рынке со своей продукцией присутствуют фирмы Hitachi, Amdahl и Fujitsu.

Малые компьютеры

Малые компьютеры (миниЭВМ) – надежные, недорогие и удобные в экс-плуатации компьютеры, обладающие несколько более низкими по сравнению с мэйнфреймами возможностями.

Все модели миникомпьютеров разрабатываются на основе микропроцес-сорных наборов интегральных микросхем.

К достоинствам миникомпьютеров можно отнести: специфичную архитектуру с большой модульностью; лучшее, чем у мэйнфреймов, соотношение производительность – цена; повышенную точность вычислений. Миникомпыотеры ориентированы на использование в качестве управляю-

щих вычислительных комплексов. Наряду с использованием миникомпьютеров для управления технологическими процессами, они успешно применяются для вычислений в многопользовательских вычислительных системах, в системах автоматизированного проектирования, в системах моделирования несложных объектов, в системах искусственного интеллекта.

Родоначальником современных миникомпьютеров можно считать компь-ютеры PDP–11 фирмы DEC (США), они явились прообразом и наших отечест-венных миниЭВМ – Системы Малых ЭВМ (СМ ЭВМ): СМ 1, 2, 3, 4, 1400, 1700 и т. д. В настоящее время семейство миникомпьютеров PDP–11 включает большое число моделей, начиная от VAX–11 до VAX–3600; мощные модели миникомпьютеров класса 8000 (VAX–8250, 8820); суперминикомпьютеры класса 9000 (VAX–9410, 9430) и т. д.

Основными производителями миникомпьютеров являются фирмы Ай–Ти– энд–Ти (AT&T), Хьюлетт–Паккард (Hewlett–Packard), Digital Equipment.

Микрокомпьютеры

Микрокомпьютеры весьма многочисленны и разнообразны. Среди них можно выделить несколько подклассов (рис. 6.6).

Многопользовательские микрокомпьютеры – это мощные микрокомпью-теры, оборудованные несколькими видеотерминалами и функционирующие в режиме разделения времени, что позволяет эффективно работать на них сразу нескольким пользователям.

Персональные компьютеры – однопользовательские микрокомпьютеры, удовлетворяющие требованиям общедоступности и универсальности применения.

Рабочие станции (workstation) представляют собой однопользовательские

61

микрокомпьютеры, часто специализированные для выполнения определенного вида работ (графических, инженерных, издательских и т. д.).

Серверы (server) – многопользовательские мощные микрокомпьютеры в вычислительных сетях, выделенные для обработки запросов от всех рабочих станций сети.

Рис. 6.6. Классификация микрокомпьютеров

Сетевые компьютеры (network computer) – упрощенные микрокомпьюте-ры, обеспечивающие работу в сети и доступ к сетевым ресурсам, часто специа-лизированные на выполнение определенного вида работ (защита сети от не-санкционированного доступа, организация просмотра сетевых ресурсов, элек-тронной почты и т. д.).

Персональные компьютеры (ПК) относятся к классу универсальных од-нопользовательских микроЭВМ и являются наиболее распространенными на данный момент. ПК для удовлетворения требованиям общедоступности и уни-версальности применения должны обладать следующими качествами:

малая стоимость ПК, находящаяся в пределах доступности для индивиду-ального покупателя;

автономность эксплуатации без специальных требований к условиям ок-ружающей среды;

гибкость архитектуры, обеспечивающая ее адаптируемость к разнообраз-ным применениям в сфере управления, науки, образования, в быту;

дружественность операционной системы и прочего программного обес-печения, обусловливающая возможность работы с ней пользователя без специ-альной профессиональной подготовки;

высокая надежность работы (более 5000 часов наработки на отказ).

МИКРОЭВМ

Универсальные

Многопользова-тельские

Однопользова-тельские

(персональные)

Специализированные

Многопользова-тельские (серверы)

Однопользо-вательские

(рабочие станции)

Сетевые компьютеры

62

Среди ПК в первую очередь следует отметить компьютеры американской фирмы IBM (International Business Machine Corporation).

Широко известны персональные компьютеры, выпускаемые американски-ми фирмами: Apple (компьютеры Macintosh), Compaq Computer, Hewlett–Packard, Dell, DEC (Digital Equipment Corporation), а также фирмами Велико-британии: Spectrum, Amstrad; Франции: Micral; Италии: Olivetti; Японии: Toshi-ba, Matsushita (Panasonic) и Partner.

Отечественная промышленность (страны СНГ) выпускала микрокомпьютеры: Apple–совместимые – диалоговые, вычислительные комплексы ДВК–1–

ДВК–4 на основе «Электроника МС–1201»; «Электроника 85», «Электроника 32» и т. п.;

IBM PC–совместимые – ЕС1840–ЕС1842, ЕС1845, ЕС1849, ЕС1861, «Искра 1030», «Истра 4816», «Нейрон И9.66» и т. д.

С каждым годом продажа ПК растет. Двигателем рынка, по прогнозу, должны стать мобильные персональные компьютеры, вклад которых в прирост составит 90% в течение следующих трех лет.

Ключевые изменения в архитектуре распространенных персональных ком-пьютеров:

появление extended memory (более 1 Мб); переход с 16-битных на 32-битные процессоры; замена шины ISA на шину PCI; внедрение шины AGP; появление стандарта ATX; переход с шины AGP (и PCI) на PCI-Express; внедрение многоядерных процессоров; переход с 32-битных на 64-битные процессоры.

По конструктивным особенностям ПК делятся на стационарные (настольные – тип DeskTop) и перенос-ные. В свою очередь переносные ПК встречаются различных типов, например, ноутбуки, органайзеры, карманные и т. д.

Первые персональные компьютеры (как и любые первые компьютеры вообще) не предназначались для переноски. То есть первые ПК были стационарными. Они состояли из отдельных конструктивно завершен-ных частей, как например системного блока, монито-

ра, клавиатуры соединенными интерфейсными кабелями с системным блоком. Это пример раздельной схемы построения ПК. Но в настоящее время широкое распространение получили ПК–моноблоки, в которых системный блок, мони-тор и, нередко, другие устройства (клавиатура, звуковая подсистема, веб–камера, микрофон) конструктивно объединены в одно устройство.

Ноутбуки. Компактные компьютеры, содержащие все необходимые ком-поненты (включая дисплей, клавиатуру и устройство указания – обычно сен-сорная панель, или тачпад) в одном небольшом корпусе, как правило, склады-

63

вающемся в виде книжки (отсюда и название дан-ного вида ПК). Приспособлены для работы в доро-ге, на небольшом свободном пространстве. Для достижения малых размеров в них применяются специальные технологии: специально разработан-ные специализированные микросхемы (ASIC), ОЗУ и жесткие диски уменьшенных габаритов, компактная клавиатура, не содержащая цифрового поля, внешние блоки питания, минимум интерфейсных гнезд для подключения внешних устройств.

Как правило, содержат развитые средства подключения к проводным и беспроводным сетям, встроенное мультимедийное оборудование (динамики, микрофон и веб–камеру). В последнее время вычислительная мощность и функциональность ноутбуков не сильно уступают стационарным ПК, а иногда и превосходит их. Очень компактные модели не оснащаются встроенным CD/DVD–дисководом.

Начало массового выпуска машин этого класса относится к первой поло-вине 1990– х годов. Ведущие мировые производители – компании IBM, Apple, Compaq, Dell, Toshiba.

Современные ноутбуки можно разделить на несколько основных классов: 1. Ультракомпактные ноутбуки (или субноутбуки) отличаются компакт-

ными размерами и служат для работы в «полевых условиях» (в дороге, в дли-тельных командировках и разъездах) и больше эксплуатируются на коленях, чем на столе. В свою очередь, они могут подразделяться на две категории:

SuperSlim (сверхтонкие, сверхпортативные) – занимают промежу-точное положение между Slim–ноутбками и КПК. Диагональ матри-цы не превышает 10–11", вес – не более 1 кг, клавиатура предельно уменьшена и для постоянной работы практически непригодна;

Slim (тонкие и легкие): диагональ матрицы (в последнее время попу-лярны широкоформатные) 12"–13", вес – менее 2 кг, клавиатура пол-нофункциональная, но из-за небольшого размера (определяемого, в первую очередь, габаритами корпуса) не всегда удобна.

2. Замена настольного компьютера (Desktop replacement), или дескноуты – высокопроизводительные ноутбуки, используемые не столько в качестве ноут-бука, сколько в качестве обычного ПК, полноценно заменяющего настольную рабочую станцию. Дескноуты отличаются значительными габаритами и весом (3,5 кг и более), достаточно большим экраном (чаще всего – 17" дюймов и бо-лее), высокой производительностью (зачастую – также и в «тяжелой» 3D–графике), полноразмерной клавиатурой (иногда даже с блоком цифровых кла-виш) и полным набором различных портов ввода–вывода. Все это превращает встроенную батарею такого ноутбука в своего рода интегрированный ИБП – о сколь-нибудь серьезном времени автономной работы столь мощного компью-тера говорить не приходится.

3. Разновидностью дескноутов для домашнего использования являются

64

мультимедийные ноутбуки (или мобильные медиацентры), имеющие, в полном соответствии со своим названием, расширенные возможности по работе с мультимедийным контентом.

4. Легкие и тонкие бизнес–ноутбуки являются достаточно производитель-ными и максимально функциональными, могут долго работать от батареи. Компактные размеры, определяемые 14"–15" матрицами (в последнее время сплошь и рядом – широкоформатными), и относительно небольшая масса (в пределах двух–трех кг) также являются одними из немаловажных достоинств этих мобильных компьютеров. Как правило, современные бизнес–ноутбуки об-ладают поддержкой ряда специфических функций корпоративного класса, на-пример, дополнительными средствами защиты от несанкционированного дос-тупа (вроде биометрической идентификации по отпечатку пальца).

5. Одной из разновидностей бизнес–ноутбуков являются дорогие имидже-вые (или элитные) ноутбуки, основной отличительной чертой которых является стильный и оригинальный (порой, даже вычурный) дизайн. Такие ноутбуки обычно выпускаются в небольших количествах и служат исключительно для подтверждения высокого социального статуса (или претензий на него) своего владельца. Весьма часто к этой категории относятся планшетные и «трансфор-мерные» модели.

6. На самой нижней ступени иерархической «лестницы» ноутбуков стоят дешевые и наиболее многочисленные бюджетные ноутбуки. Это портативные компьютеры по габаритам и массе располагаются примерно посередине между бизнес–ноутбуками и дескноутами, оснащены такими же матрицами (в смысле размера, но не всегда такого же качества), их функциональность не особо впе-чатляет и определяется, в первую очередь, максимально низкой ценой.

7. Так называемые UMPC (Ultra Mobile PC) – сверхлегкие компактнейшие модели, габаритами немногим более КПК или даже смартфонов, с экраном по-рядка пяти–семи дюймов – что-то вроде уменьшенных вариантов планшетных ПК, умудряющихся, тем не менее, оставаться x86-системами под управлением полноценных «стационарных» операционных систем вроде Windows Vista.

Нетбуки. Нетбуки как отдельная категория ноутбуков были выделены из категории субноутбуков в первом квартале 2008 года компанией Intel. Размер диагонали нетбуков от 7 до 12,1 дюйма. Нетбуки ориентированы на просмотр веб-страниц, работу с электронной почтой и офисными программами. Для этих ноутбуков разработаны специальные энергоэффективные процессоры Intel Atom, VIA C7, VIA Nano, AMD Geode. Малый размер экрана, небольшая клавиатура и низкая производительность подобных устройств компенсируется умеренной ценой и относительно большим временем автономной работы. Габа-риты обычно не позволяют установить в нетбук дисковод оптических дисков, однако Wi–Fi–адаптер является обязательным компонентом.

Планшетные ПК, или Tablet PC. Аналогичны ноутбукам, но содержат сенсорный, то есть чувствительный к нажатию, экран и не содержат механиче-ской клавиатуры. Ввод текста и управление осуществляются через экранный интерфейс, часто доработанный специально для удобного управления пальца-

65

ми. Некоторые модели могут распознавать рукопис-ный текст, написанный на экране.

Чаще всего корпус не раскрывается, как у ноут-буков, а экран расположен на внешней стороне верх-ней поверхности. Бывают и комбинированные моде-ли, у которых корпус может тем или иным образом раскрываться (например, как слайдер), предоставляя доступ к расположенной внутри клавиатуре.

По габаритам, да и основным возможностям, они, в основном, соответствуют Slim–ноутбукам – в них устанавливаются такие же процессоры, жесткие диски, интерфейсы.

По вычислительной мощи планшетные ПК уступают стационарным и но-утбукам, так как для длительной работы без внешнего источника питания при-ходится использовать энергосберегающие комплектующие, жертвуя их быст-родействием.

Карманные ПК (КПК, англ. Personal Digital Assistant, PDA, буквально «личный цифровой помощ-ник»; также палмтоп, palmtop computer) – самый ми-ниатюрный вид портативного микрокомпьютера, умещающийся в кармане или на человеческой ладони.

В английском языке словосочетание «карманный ПК» (Pocket PC) не является обозначением всего класса устройств, а является торговой маркой фирмы Майкрософт, т. е. относится лишь к моделям КПК, ба-зирующихся на операционных системах производства этой компании. Английское словосочетание Palm PC («наладонный компьютер») также ассоциируется с совершенно конкретной торговой маркой. Для обозначения всего класса устройств в английском языке используется словосочетание Personal Digital Assistant, PDA, что на русский можно перевести как «личный цифровой помощник».

Управление ими, как правило, происходит с помощью небольшого по раз-мерам и разрешению экрана, чувствительного к нажатию пальца или специаль-ной палочки-указки – стилуса, а клавиатура и мышь отсутствуют. Некоторые модели, впрочем, содержат миниатюрную фиксированную или выдвигающую-ся из корпуса клавиатуру.

Разрешение экрана стремится приблизиться к мониторам обычных компь-ютеров, в среднем около 800×480 в современных моделях.

В таких устройствах используются сверхэкономичные процессоры и флеш-накопители небольшого объема, поэтому их вычислительная мощь несо-поставима с другими ПК (особенно стационарными). Тем не менее, они содер-жат все признаки персонального компьютера: процессор, накопитель, опера-тивную память, монитор, операционную систему, прикладное ПО и даже игры и ориентированность на индивидуальное использование.

66

Все более популярными становятся КПК, содержащие также функции мо-бильного телефона (коммуникаторы). Встроенный коммуникационный модуль позволяет не только совершать звонки, но и подключаться к интернету в любой точке, где есть сотовая связь совместимого стандарта (GSM/GPRS/3G, CDMA).

Наиболее распространены карманные компьютеры фирм Эпл (Apple), Хьюлетт–Паккард (Hewlett–Packard), Сони (Sony), Псион (Psion).

Эра Apple. В ноябре 2001 года появился первый iPod. Новинка, безусловно, произвела фурор, но завоевала рынок не сразу, а лишь с выпуском в 2003 году iTunes для Windows. К этому же времени в iTunes появилась функция Music Store, не пользующаяся особой популярностью в России по причине ее отсутст-вия на территории нашей страны, но крайне прибыльная в США. В первый же год работы через iTunes было продано более 70 млн композиций. «Айподов» же за время существования плеера реализовано более ста миллионов!

В 2005 году, окончательно разочаровавшись в процессорах Motorola, Джобс снова решил проблему в свойственном ему бескомпромиссном стиле. Начиная с 2006 года Apple станет выпускать компьютеры на основе процессоров Intel! Публика в зале была в полуобморочном состоянии и не верила своим ушам, од-нако 10 января 2006 года увидел свет первый компьютер Apple с процессором Intel. За этот год Apple полностью перешла на производство x86– компьютеров. После того как один из известных хакеров сумел запустить Mac OS X на ПК, предназначенном для работы с Windows, и наоборот, на Apple «прижилась» система Windows, компании ничего не оставалось делать, как выпустить собст-венную программу Boot Camp, позволяющую загружать на компьютерах Apple обе операционные системы. Стоит ли удивляться, что и продажи, и акции ком-пании взлетели до небес?

В январе 2007 года на конференции MACWorld Стив объявил о выпуске те-лефона iPhone и телетранслятора AppleTV. В марте, в первые дни продаж iPhone, на улицах у магазинов Apple происходили драки, люди писали на руках номера в очереди, а продавцы выдавали по одному аппарату в руки. Парадок-сально, но Apple, не будучи первопроходцем в области смартфонов и не имея опыта их разработки, мгновенно вышла в безоговорочные лидеры этого рынка и, более того, преобразила его до неузнаваемости. Отныне смартфон стал не только дорогой игрушкой, но и рабочим инструментом, и модным аксессуаром, и даже объектом поклонения.

Как известно, на этом Apple не остановилась. Нащупав под ногами твердую почву, Джобс продолжил раздвигать слишком узкие для него горизонты: неко-гда провальная концепция планшетного компьютера была реализована Apple совершенно по-новому. Планшетник iPad был разработан в стиле iPhone: он был легче и компактнее традиционных TabletPC, заряда аккумулятора хватало на большее время, а экран был оснащен очень дорогой матрицей типа IPS. И, разумеется, никаких Windows внутри. Рынок снова был взорван: как грибы после дождя стали появляться планшетники, в разной степени похожие на iPad. То, что пять лет назад было никому и даром не нужно, получило повсеместное распространение; не в этом ли состоял гений Джобса? Наконец-то технологии

67

позволили ему реализовывать свои мечты об идеальном продукте, и на сей раз высокая цена уже не останавливала покупателей.

Так или иначе, Apple и после смерти Стивена Джобса какое-то время про-должит оставаться лидером в своих областях.

За последние десятилетия 20 века и начало 21 века микрокомпьютеры про-делали значительный эволюционный путь, многократно увеличили свое быст-родействие и объемы перерабатываемой информации, но окончательно вытес-нить миникомпьютеры и большие вычислительные системы – мейнфреймы – они не смогли. Более того, развитие больших вычислительных систем привело к созданию суперкомпьютера – суперпроизводительной и супердорогой маши-ны, способной просчитывать модель ядерного взрыва или крупного землетря-сения. В конце 20 века человечество вступило в стадию формирования гло-бальной информационной сети, которая способна объединить возможности различных компьютерных систем.

69

Рис. 6.7. Эра Apple

68

69

Суперкомпьютеры

К суперкомпьютерам относятся мощные многопроцессорные вычисли-тельные машины с быстродействием сотни миллионов – десятки миллиар-дов операций с плавающей точкой в секунду (FLOPS).

Столь громадные объемы вычис-лений нужны для решения задач в аэ-родинамике, метеорологии, физике высоких энергий, геофизике. Супер-компьютеры нашли свое применение и в финансовой сфере при обработке больших объемов сделок на биржах. Их от-личает высокая стоимость – от пятнадцати миллионов долларов, поэтому реше-ние о покупке таких машин нередко принимается на государственном уровне.

Создать такие высокопроизводительные компьютеры на одном микропро-цессоре (МП) не представляется возможным ввиду ограничения, обусловленно-го конечным значением скорости распространения электромагнитных волн (300 000 км/с), поскольку время распространения сигнала на расстояние не-сколько миллиметров (линейный размер стороны МП) при быстродействии 100 миллиардов операций в секунду становится соизмеримым со временем вы-полнения одной операции. Поэтому суперкомпьютеры создаются в виде высо-копараллельных многопроцессорных вычислительных систем (МПВС).

Главное в архитектуре суперкомпьютера – принцип параллельной обра-ботки данных, воплощающий в жизнь идею одновременного (параллельного) выполнения нескольких действий.

Высокопараллельные МПВС имеют несколько разновидностей. 1. Магистральные (конвейерные) МПВС, у которых процессор одновре-

менно выполняет разные операции над последовательным потоком обрабаты-ваемых данных. По принятой классификации такие МПВС относятся к систе-мам с многократным потоком команд и однократным потоком данных (МКОД, или MISD – Multiple Instruction Single Data).

2. Векторные МПВС, у которых все процессоры одновременно выпол-няют одну команду над различными данными – однократный поток команд с многократным потоком данных (ОКМД или SIMD – Single Instruction Multiple Data).

3. Матричные МПВС, у которых микропроцессор одновременно вы-полняет разные операции над последовательными потоками обрабатываемых данных – многократный поток команд с многократным потоком данных (МКМД, или MIMD – Multiple Instruction Multiple Data).

Условные структуры однопроцессорной (SISD) и названных многопроцес-сорных ВС показаны на рис. 6.7.

70

В суперкомпьютере используются все три варианта архитектуры МПВС: структура MIMD в классическом ее варианте (например, в суперкомпью-

тере BSP фирмы Burrought); параллельно-конвейерная модификация, иначе MMISD, то есть много-

процессорная (Multiple) MISD архитектура (например, в суперкомпьютере «Эльбрус 3»);

параллельно-векторная модификация, иначе MSIMD, то есть многопро-цессорная SIMD архитектура (например в суперкомпьютере Cray 2).

В общеупотребительный лексикон термин «суперкомпьютер» вошел бла-годаря распространенности компьютерных систем Сеймура Крея (Seymour Cray), таких как, CDC 6600, CDC 7600, Cray–1, Cray–2, Cray–3 и Cray–4. Сей-мур Крей разрабатывал вычислительные машины, которые по сути становились основными вычислительными средствами правительственных, промышленных и академических научно-технических проектов США с середины 60-х годов до 1996 года. Не случайно в то время одним из популярных определений супер-компьютера было следующее: «любой компьютер, который создал Сеймур Крей». Сам Крей никогда не называл свои детища суперкомпьютерами, пред-почитая использовать вместо этого обычное название «компьютер».

71

Компьютерные системы Крея удерживались на вершине рынка в течение 5 лет с 1985 по 1990 годы. 80-е годы XX века охарактеризовались появлением множества небольших конкурирующих компаний, занимающихся созданием высокопроизводительных компьютеров, однако к середине 90-х большинство из них оставили эту сферу деятельности, что даже заставило обозревателей за-говорить о «крахе рынка суперкомпьютеров». На сегодняшний день суперком-пьютеры являются уникальными системами, создаваемыми «традиционными» игроками компьютерного рынка, такими как IBM, Hewlett–Packard, NEC и дру-гими, которые приобрели множество ранних компаний вместе с их опытом и технологиями. Компания Cray по-прежнему занимает достойное место в ряду производителей суперкомпьютерной техники.

Из-за большой гибкости самого термина до сих пор распространены до-вольно нечеткие представления о понятии «суперкомпьютер». Шутливая клас-сификация Гордона Белла и Дона Нельсона, разработанная приблизительно в 1989 году, предлагала считать суперкомпьютером любой компьютер, весящий более тонны. Современные суперкомпьютеры действительно весят более 1 тон-ны, однако далеко не каждый тяжелый компьютер достоин чести считаться су-перкомпьютером. В общем случае, суперкомпьютер – это компьютер значи-тельно более мощный, чем доступные для большинства пользователей машины. При этом скорость технического прогресса сегодня такова, что нынешний ли-дер легко может стать завтрашним аутсайдером.

Архитектура также не может считаться признаком принадлежности к клас-су суперкомпьютеров. Ранние компьютеры CDC были обычными машинами, всего лишь оснащенными быстрыми для своего времени скалярными процессо-рами, скорость работы которых была в несколько десятков раз выше, чем у компьютеров, предлагаемых другими компаниями.

Большинство суперкомпьютеров 70-х оснащались векторными процессо-рами, а к началу и середине 80-х небольшое число (от 4 до 16) параллельно ра-ботающих векторных процессоров практически стало стандартным суперком-пьютерным решением. Конец 80-х и начало 90-х годов охарактеризовались сменой магистрального направления развития суперкомпьютеров от векторно– конвейерной обработки к большому и сверхбольшому числу параллельно со-единённых скалярных процессоров.

Массивно– параллельные системы стали объединять в себе сотни и даже тысячи отдельных процессорных элементов, причем ими могли служить не только специально разработанные, но и общеизвестные и доступные в свобод-ной продаже процессоры. Большинство массивно-параллельных компьютеров создавалось на основе мощных процессоров с архитектурой RISC, наподобие PowerPC или PA–RISC.

Начиная с 1993, самые быстрые компьютеры ранжируют в списке Top500 исходя из результатов прохождения теста LINPACK. Этот тест измеряет, на-сколько быстро компьютер решает N на N системы линейных уравнений Ax = b, являющейся общей задачей для машиностроения.

72

В конце 90-х годов высокая стоимость специализированных суперкомпью-терных решений и нарастающая потребность разных слоев общества в доступ-ных вычислительных ресурсах привели к широкому распространению компью-терных кластеров.

Кластерные суперкомпьютеры

В настоящее время развивается технология построения больших и супер-компьютеров на базе кластерных решений. По мнению многих специалистов, на смену отдельным, независимым суперкомпьютерам должны прийти группы высокопроизводительных серверов, объединяемых в кластер.

Кластер – группа компьютеров, объединенных высокоскоростными кана-лами связи и представляющая с точки зрения пользователя единую вычисли-тельную систему.

Эти системы характеризует использование отдельных узлов на основе де-шевых и широко доступных компьютерных комплектующих для серверов и персональных компьютеров и объединенных при помощи мощных коммуника-ционных систем и специализированных программно-аппаратных решений. Не-смотря на кажущуюся простоту, кластеры довольно быстро заняли достаточно большой сегмент суперкомпьютерного рынка, обеспечивая высочайшую про-изводительность при минимальной стоимости решений.

Удобство построения кластерных ВС заключается в том, что можно гибко регулировать необходимую производительность системы, подключая к класте-ру с помощью специальных аппаратных и программных интерфейсов обычные серийные серверы или ПК до тех пор, пока не будет получен суперкомпьютер требуемой мощности. Кластеризация позволяет манипулировать группой сер-веров как одной системой, упрощая управление и повышая надежность.

Все фирмы отмечают существенное снижение стоимости кластерных сис-тем по сравнению с локальными суперкомпьютерами, обеспечивающими ту же производительность.

Основные достоинства кластерных суперкомпьютерных систем: высокая суммарная производительность; высокая надежность работы системы; наилучшее соотношение производительность–стоимость; возможность динамического перераспределения нагрузок между серве-рами;

легкая масштабируемость, то есть наращивание вычислительной мощно-сти путем подключения дополнительных серверов;

удобство управления и контроля работы системы. Программное обеспечение суперкомпьютеров. Наиболее распростра-

ненными программными средствами суперкомпьютеров, также как и парал-лельных или распределенных компьютерных систем являются интерфейсы программирования приложений (API) на основе MPI и PVM и решения на базе открытого программного обеспечения, наподобие Beowulf и openMosix, позво-ляющего создавать виртуальные суперкомпьютеры даже на базе обыкновенных

73

рабочих станций и персональных компьютеров. Для быстрого подключения но-вых вычислительных узлов в узкоспециализированных кластерах применяются технологии наподобие ZeroConf. Примером может служить реализация ренде-ринга в программном обеспечении Shake, распространяемом компанией Apple. Для объединения ресурсов компьютеров, выполняющих программу Shake, дос-таточно разместить их в общем сегменте локальной вычислительной сети.

В настоящее время границы между суперкомпьютерным и общеупотреби-мым программным обеспечением сильно размыты и продолжают размываться еще более вместе с проникновением технологий параллелизации и многоядер-ности в процессорные устройства персональных компьютеров и рабочих стан-ций. Исключительно суперкомпьютерным программным обеспечением сегодня можно назвать лишь специализированные программные средства для управле-ния и мониторинга конкретных типов компьютеров, а также уникальные про-граммные среды, создаваемые в вычислительных центрах под «собственные», уникальные конфигурации суперкомпьютерных систем.


1. Перечислите классы, на которые подразделяются вычислительные машины по принципу действия. 2. Перечислите элементные базы, на основе которых строились компьютеры с 1-го по 4-е поколения. 3. Какие компьютеры первого поколения вы знаете? В чем их отличие? 4. Какой основной недостаток был у первых ЭВМ? 5. В чем заключаются принципы Джона фон Неймана? 6. В какое устройство в современных компьютерах объединены устройство управления и АЛУ? 7. Кто заложил основные учения об архитектуре вычислительных машин? 8. Какой язык использовался в компьютерах первого поколения? 9. Что является элементной базой второго поколения компьютеров? 10. Какие языки использовались в компьютерах второго поколения? 11. Что такое транслятор и какие типы трансляторов вы знаете? 12. С какого поколения началось развитие индустрии программного обеспечения? 13. Что является элементными базами третьего и четвертого поколений компьютеров? 14. Назовите первые компьютеры на интегральных схемах. 15. С каким поколением компьютеров связано появление первых коммерческих операционных систем? 16. Какие языки появились для компьютеров третьего поколения? 17. Назовите первые персональные компьютеры. 18. Когда появился первый персональный компьютер компании IBM? Какой процессор был в нем установлен? Кто разработал программное обеспечение для него? 19. Почему компьютеры IBM PC получили такой потрясающий успех? 20. В чем заключается принцип открытой архитектуры?

74

21. Перечислите классы, на которые подразделяются вычислительные машины по назначению. 22. Для чего предназначены универсальные компьютеры? 23. Для чего предназначены проблемно-ориентированные компьютеры? 24. Для чего предназначены специализированные компьютеры? 25. Перечислите классы, на которые подразделяются вычислительные машины по размерам и вычислительной мощности. 26. Дайте общую характеристику и определите область использования мэйн– фреймов. 27. Назовите примеры компьютеров, относящихся к классу больших компьютеров. 28. Дайте общую характеристику и определите область использования малых ЭВМ. 29. Назовите примеры компьютеров, относящихся к классу малых компьютеров. 30. Приведите классификацию микроЭВМ. 31. К какому классу микрокомпьютеров относятся рабочие станции и серверы? 32. К какому классу микрокомпьютеров относятся персональные компьютеры? 33. Какими качествами обладают персональные компьютеры? 34. Какие персональные компьютеры каких фирм вы знаете? 35. Перечислите виды ПК. 36. Дайте характеристику ноутбуков. Виды ноутбуков. 37. Дайте характеристику планшетных ПК. 38. Дайте характеристику карманных ПК. 39. Устройства фирмы Apple. 40. Дайте общую характеристику и определите область использования супер-компьютеров. 41. Что самое главное в архитектуре суперкомпьютера? 42. Какие разновидности высокопараллельных многопроцессорных вычисли-тельных систем вы знаете? 43. Назовите примеры компьютеров, относящихся к классу суперкомпьютеров. 44. Что такое кластер (кластерный суперкомпьютер)? 45. Перечислите достоинства кластерных суперкомпьютерных систем.

75

Тема 7. Аппаратное обеспечение

К аппаратному обеспечению компьютеров относятся устройства и прибо-ры, образующие аппаратную конфигурацию. Будем рассматривать аппаратную конфигурацию для персонального компьютера (ПК). ПК имеют блочно-модульную конструкцию, то есть аппаратную конфигурацию можно собирать из готовых узлов и блоков. Современный персональный компьютер может быть реализован в настольном, портативном (notebook) или карманном (handheld) ва-рианте (см. Тема 6).

Различают IBM PC–совместимые компьютеры (читается Ай–Би–Эм Пи–Си) и IBM PC–несовместимые компьютеры. В конце 1990-х годов IBM PC–совместимые микрокомпьютеры составляли более девяноста процентов миро-вого компьютерного парка. IBM PC был создан американской фирмой Ай– Би– Эм (IBM) в августе 1981. При его создании был применен принцип открытой архитектуры, который означает применение в конструкции при сборке компью-тера готовых блоков и устройств, а также стандартизацию способов соединения компьютерных устройств.

Единственный из IBM PC–несовместимых микрокомпьютеров, получив-ший относительно широкое распространение, – компьютер Макинтош (Macintosh). Начиная с 1980-х годов микрокомпьютеры Макинтош американ-ской фирмы Эпл (Apple) составляли достойную конкуренцию IBM PC–совместимым микрокомпьютерам, так как, несмотря на свою дороговизну, они обеспечивали пользователю наглядный графический интерфейс, были значи-тельно проще в эксплуатации и обладали большими возможностями. Начиная с 1990-х годов разница между возможностями Макинтошей и IBM PC все более нивелируется. Последние были оснащены операционными системами с графи-ческим интерфейсом, многочисленными рассчитанными на них прикладными программами. В настоящее время Макинтоши удерживают лидирующие пози-ции лишь на рынке настольных издательских систем.

Раздельная схема ПК (стационарный компьютер) предполагает, что ПК со-стоит из системного блока и разнообразных внешних, то есть конструктивно самостоятельных подключаемых к системному блоку извне через стандартные интерфейсы (например: USB, D–Sub, DVI, FireWire), устройств (монитор, кла-виатура, мышь, микрофоны, звуковые колонки, веб-камера, принтер, сканер, внешний модем, игровые устройства). Исторически такая схема ПК было самой первой. Она же до сих пор остается самой распространенной схемой стацио-нарных ПК. Например профессиональные рабочие станции практически всегда строятся по такой схеме.

Главное достоинство раздельной схемы – сравнительно легкая масштаби-руемость. То есть в любой момент можно без особых затруднений заменить любой из компонентов ПК. Но обратная сторона медали – наименьшая транс-портабельность и сравнительная громоздкость такого ПК. Естественно раз-дельная схема применяется тогда, когда главное требование к ПК – легкость и простота масштабирования.

76

Существует понятие базовой конфигурации стационарного ПК. В таком комплекте компьютер обычно поставляется. В базовой конфигурации рассмат-ривают четыре устройства:

• системный блок; • монитор; • клавиатуру; • мышь. Конструктивная схема ПК – системный блок, монитор и, в настоящее вре-

мя, микрофон, звуковая колонки, веб-камера конструктивно объединены в одно устройство – моноблок (мобильный компьютер). Такой ПК эргономичнее (за-нимает минимум пространства) и более привлекателен с эстетической точки зрения. Также такой ПК и более транспортабелен, чем стационарный ПК, по-строенные по раздельной схеме. Обратной стороной этой медали является сравнительно трудная масштабируемость такого ПК и, в том числе, сравни-тельно трудная самостоятельная техническая модернизация.

Функциональным ядром в раздельной схеме стационарного ПК является системный блок.

Системный блок Системный блок представляет собой основной узел, внутри которого раз-

мещаются: • материнская плата (motherboard); • дочерние платы (платы расширения); • внутренние накопители (жесткий диск, DVD–ROM); • блок питания. Устройства, находящиеся внутри системного блока, называют внутренни-

ми, а устройства, подключаемые к нему снаружи, называют внешними. Внеш-ние дополнительные устройства, предназначенные для ввода, вывода и дли-тельного хранения данных, также называют периферийными.

Платы расширения предназначены для подключения к шине ПК дополни-тельных устройств. Они устанавливаются в разъемы расширения на материнской плате.

Основные типы дочерних плат: • видеоадаптеры; • звуковые платы; • внутренние модемы и факс-

модемы; • адаптеры локальной сети; • SCSI-адаптеры.

Корпус системного блока

По внешнему виду системные блоки различаются формой корпуса. Корпу-са персональных компьютеров выпускают в горизонтальном (desktop) и верти-кальном (tower) исполнении. Десктопы применяются до сих пор, и до сих пор монитор ставят на десктоп. Однако из за уменьшения габаритов и веса ком-

77

плектующих и еще более резкого уменьшения веса и глубины мониторов (со-временные мониторы – сплошь ЖК-мониторы – сравнительно малы по весу и глубине), стало возможным создавать и использовать сравнительно компактные и дешевые десктопы. Cистемный блок типа Tower («башня») – высокий и по-тому обычно располагается под столом (часто в специально предназначенных для это нишах, или отделениях компьютерных столов). Корпуса в вертикаль-ном исполнении могут иметь разную высоту (Slim– , Mini– , Middle– , Midi– , Big– , Super–, Big– Tower и FileServer). Мini tower вышли из эксплуатации, усту-пив свое место системным блока middle tower, являющихся в настоящее время самой многочисленной подгруппой «башенных» системных блоков. А вот slim–tower безраздельно господствует в категории компактных «башенных» систем-ных блоков.

Корпуса персональных компьютеров поставляются вместе с блоком пита-ния, и, таким образом, мощность блока питания также является одним из па-раметров корпуса. Блок питания (БП) ПК обеспечивает электропитание всех ус-тройств системного блока. Мощность блока питания измеряется в вольт-амперах (VA). Чем больше устройств предполагается разместить в ПК, тем более мощным должен быть БП.

Основной параметр, определяющий «стандартность» корпуса, называется формфактором. Существует два стандарта на размещение компонентов ком-пьютера в корпусе: AT и ATX. Их основными отличиями являются:

• формат и способ размещения материнской платы; • конструкция блока питания; • способ подачи электропитания на материнскую плату. В настоящее время применяются только корпуса форм–фактора АТХ. На передней панели корпуса размещаются индикаторы состояния компью-

тера – Power (включено питание), Hard (работает накопитель на жестких дисках – «винчестер»); кнопки управления – выключатель питания компьютера, сброса Reset. Кнопка Reset предназначена для аварийного сброса программ и переза-пуска компьютера. Еще на переднюю панель выходят рабочие части дисковода DVD–ROM – здесь вставляются и вынимаются диски.

Задняя стенка корпуса системного блока компьютера используется для всевозможных подключений. В ней есть несколько щелей для доступа к разъе-мам плат расширения и отверстия для разъема клавиатуры, вентилятора и сете-вых разъемов блока питания.

Материнская плата

Материнская плата (или системная плата) – основная плата компьютера. На ней размещаются:

• процессор – основная микросхема, выпол-няющая большинство математических и логиче-ских операций;

• микропроцессорный комплект (чипсет) – набор микросхем, управляющих работой внутрен-

78

них устройств компьютера и определяющих основные функциональные воз-можности материнской платы;

• шины – наборы проводников, по которым происходит обмен сигналами между внутренними устройствами компьютера;

• оперативная память (оперативное запоминающее устройство, ОЗУ) – набор микросхем, предназначенных для временного хранения данных, когда компьютер включен;

• ПЗУ (постоянное запоминающее устройство с системой BIOS) – микро-схема, предназначенная для хранения программ и справочной информации, в том числе и когда компьютер выключен;

• энергонезависимая память CMOS (память с данными об аппаратных на-стройках и аккумулятором для ее питания);

• разъемы (слоты) для подключения дополнительных устройств – дочер-них плат.

Существуют материнские платы самых разных форматов (AT, ATX, LPX, NLX, Mini– , Micro– ATX, Micro–NLX, Flex–ATX и др.).

Основные характеристики материнских плат: • модель чипсета; • тип используемого процессора (зависит от разъема для установки процессора); • формат; • число и тип разъемов для установки дочерних плат; • возможность обновления BIOS.

Чипсет Чипсет – это набор микросхем, необходимых для взаимодействия процес-

сора со всем остальным электронным хозяйством. Первые чипсеты обычно со-стояли из четырех микросхем. Сегодня в основном чипсеты состоят из двух микросхем, одна из которых называется южным мостом, а другая – северным. По их маркировке можно определить производителя и марку чипсета.

От модели чипсета зависят все основные характеристики платы: поддержи-ваемые процессоры и виды микросхем памяти, тип системной шипы, порты для подключения внешних устройств. Современные чипсеты имеют множество встро-енных контроллеров (дисков, портов ввода–вывода, шин USB и IEEE 1394).

Чипсет материнской платы должен быть согласован с процессором. Это значит, что не всякому процессору подойдет любая материнская плата, и наоборот.

От чипсета, прежде всего, зависят частоты, на которых она может рабо-тать. От него зависит и возможный объем оперативной памяти, и количество дополнительных устройств, которые можно подключить к материнской плате.

Как видите, в материнских платах очень многое зависит от чипсета. Он выполняет множество функций, причем с каждым годом их становится все больше. Несколько лет назад в компьютерах можно было найти дочернюю пла-ту дискового контроллера – к ней подключались все дисководы. Сегодня такой платы уже нет. Функции этого контроллера отошли к «северному мосту» чип-сета, и все дисководы подключаются к материнской плате напрямую. То же са-

79

мое произошло со специальной платой, к которой подключали принтер. Сего-дня все порты для подключения внешних устройств входят в состав материн-ской платы.

Чипсеты развиваются, и интеграция продолжается. Сегодня все чаще встречаются материнские платы, чипсеты которых способны выполнять функ-ции видеокарты и/или звуковой карты. Принимая решение о покупке компью-тера с интегрированными звуком и видео, оцените свои планы и перспективы. Если вы стремитесь получить функциональную систему за минимальную цену, это решение для вас. Если же вы хотите сохранить перспективы дальнейшего развития от приобретения интегрированных систем лучше воздержаться. До-полнительные затраты окупятся через пару лет, когда встанет вопрос о модер-низации компьютера.

Процессор Процессор – основная микросхема компьюте-

ра, в которой и производятся все вычисления. Развитие процессоров, выполняющих главную

функцию компьютера по обработке информации (и называемых поэтому «мозгом компьютера»), во многом предопределяет развитие всей компьютер-ной техники. Процессоры первого поколения ком-пьютеров были построены на базе электронных ламп, второго – на базе транзи-сторов, третьего – на базе интегральных схем, четвертого – на основе больших и сверхбольших (БИС, СБИС) интегральных схем, объединяющих на неболь-шом кристалле миллионы полупроводниковых элементов (транзисторов), раз-меры которых постоянно сокращаются (до нанометров), а количество увеличи-вается. Процессоры на базе БИС и СБИС получили название микропроцессоров (МП).

Основные внутренние схемы процессора – арифметико-логическое уст-ройство, внутренняя память (так называемые регистры), кэш-память (сверхопе-ративная память) и схемы управления всеми операциями и внешними шинами.

Наиболее популярные процессоры сегодня производят фирмы Intel, AMD и IBM. Большинство процессоров, используемых в настоящее время, являются Intel–совместимыми, то есть имеют набор инструкций и интерфейсы програм-мирования, сходные с используемыми в процессорах компании Intel.

Среди процессоров от Intel: 8086, i286, i386, i486, Pentium, Pentium II, Pentium III, Celeron (упрощенный вариант Pentium), Pentium 4, Core 2 Quad, Core i7, Xeon (серия процессоров для серверов), Itanium, Atom (серия процессо-ров для встраиваемой техники) и др. AMD имеет в своей линейке процессоры архитектуры x86 (аналоги 80386 и 80486, семейство K6 и семейство K7 – Athlon, Duron, Sempron) и x86–64 (Athlon 64, Athlon 64 X2, Phenom, Opteron и др.). Процессоры IBM (POWER6, POWER7, Xenon, PowerPC) используются в суперкомпьютерах, в видеоприставках 7-го поколения, встраиваемой технике; ранее использовались в компьютерах фирмы Apple.

80

По данным компании IDC (International Data Corporation – компания зани-мающаяся аналитикой), на рынке микропроцессоров для настольных ПК, ноут-буков и серверов доли корпораций Intel и AMD:

Год Intel AMD Другие 2007 78,9% 13,1% 8,0% 2008 80,4% 19,3% 0,3% 2009 79,7% 20,1% 0,2% 2010 80,8% 18,9% 0,3%

Основные параметры процессоров. Основными параметрами процессо-ров являются: разрядность, рабочая тактовая частота, размер кэш-памяти, количество ядер.

Разрядность процессора показывает, сколько бит данных он может при-нять и обработать в своих регистрах за один раз (за один такт). Чем больше разрядов имеют все схемы процессора, тем больше информации он обработает за единицу времени, то есть от разрядности процессора напрямую зависит про-изводительность компьютера.

Кроме разрядности важную роль играет так называемая тактовая часто-та, на которую процессор рассчитан. Тактовая частота измеряется в герцах (МГц и ГГц). Один мегагерц – это миллион тактов в секунду. За один такт про-цессор выполняет какой-то фрагмент вычислительной операции, поэтому чем выше тактовая частота, тем быстрее процессор обрабатывает поступающие данные.

Обмен данными внутри процессора происходит в несколько раз быстрее, чем обмен с другими устройствами, например с оперативной памятью. Для того чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри про-цессора создают буферную область – так называемую кэш-память. Это как бы «сверхоперативная память». Когда процессору нужны данные, он сначала об-ращается в кэш-память, и только если там нужных данных нет, происходит его обращение в оперативную память. Принимая блок данных из оперативной па-мяти, процессор заносит его одновременно и в кэш-память. «Удачные» обра-щения в кэш-память называют попаданиями в кэш. Процент попаданий тем выше, чем больше размер кэш-памяти, поэтому высокопроизводительные про-цессоры комплектуют повышенным объемом кэш-памяти.

Использование кэш-памяти позволило значительно поднять производи-тельность компьютеров. Когда для 486-х процессоров впервые была применена технология кэширования, кэш-память располагалась на материнской плате как можно ближе к процессору. Сегодня кэш-память устанавливается «пирамидой». Самая быстрая по скорости, но самая малая по объему кэш-память первого уровня входит в состав кристалла процессора. Ее производят теми же техноло-гиями, что и регистры процессора, в результате она оказывается безумно доро-гой, но очень быстрой и, главное, надежной. Она играет очень важную роль в быстродействии. Кэш-память второго уровня может располагаться на том же кристалле процессора (в этом случае она работает с частотой ядра процессора), но может располагаться и в отдельной микросхеме рядом с процессором

81

(в этом случае она работает с половинной частотой ядра). Объем кэш-памяти второго уровня больше, чем первого. Самая большая, но и самая медленная кэш-память – третьего уровня. Она к процессору не относится, поскольку ус-танавливается на материнской плате и работает с ее частотой. Размер кэш-памяти первого и второго уровня очень сильно влияет на стоимость процессо-ра. Процессоры одной модели и с одной рабочей частотой могут различаться объемом кэш-памяти.

С каждым новым поколением процессоров кэш-память увеличивается. Многоядерные процессоры содержат несколько процессорных ядер в одном

корпусе (на одном или нескольких кристаллах). Это ведет к увеличению произво-дительности персонального компьютера.

На сегодняшний день основными производителями процессоров Intel и AMD дальнейшее увеличение числа ядер процессоров признано как одно из приоритет-ных направлений увеличения производительности.

В 2011 год освоено производство 8-ядерных процессоров для домашних ком-пьютеров и 16-ядерных для серверных систем.

Имеются экспериментальные разработки процессоров с большим количест-вом ядер (от 20 до 64 и выше). Некоторые из таких процессоров уже нашли при-менение в специфических устройствах.

Перспектива (см. Тема 9). В ближайшие 10- 20 лет, скорее всего, изменится материальная часть процессоров ввиду того, что технологический процесс дос-тигнет физических пределов производства. Возможно, это будут:

оптические компьютеры, в которых вместо электрических сигналов обработке подвергаются потоки света (фотоны, а не электроны);

квантовые компьютеры, работа которых всецело базируется на кванто-вых эффектах. В настоящее время ведутся работы над созданием рабо-чих версий квантовых процессоров;

молекулярные компьютеры – вычислительные системы, использующие вычислительные возможности молекул (преимущественно, органиче-ских). Молекулярными компьютерами используется идея вычисли-тельных возможностей расположения атомов в пространстве.

Шины материнской платы С остальными устройствами компьютера, и в первую очередь с оператив-

ной памятью, процессор связан несколькими группами проводников, называе-мых шинами.

Системная шина – основная интерфейсная система компьютера, обеспе-чивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой. Чем выше такто-вая частота системной шины, тем быстрее будет осуществляться передача ин-формации между устройствами и, как следствие, увеличится общая производи-тельность компьютера, т. е. повысится скорость компьютера.

Системная шина включает в себя: кодовую шину данных (КШД), содержащую провода и схемы сопряжения

для параллельной передачи всех разрядов числового кода (машинного

82

слова) операнда; кодовую шину адреса (КША), содержащую провода и схемы сопряжения

для параллельной передачи всех разрядов кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода–вывода внешнего устройства;

кодовую шину инструкций (КШИ), содержащую провода и схемы сопряжения для передачи инструкций (управляющих сигналов, импуль-сов) во все блоки машины;

шину питания, содержащую провода и схемы сопряжения для подклю-чения блоков ПК к системе энергопитания.

Системная шина обеспечивает три направления передачи информации: • между микропроцессором и основной памятью; • между микропроцессором и портами ввода–вывода внешних устройств; • между основной памятью и портами ввода–вывода внешних устройств (в режиме прямого доступа к памяти). Все блоки подключаются к шине через соответствующие унифицирован-

ные разъемы непосредственно или через контроллеры (адаптеры). Управление системной шиной осуществляется микропроцессором либо непосредственно, либо, что чаще, через дополнительную микросхему контроллера шины, форми-рующую основные сигналы управления. Обмен информацией между внешними устройствами и системной шиной выполняется с использованием ASCII–кодов.

Шины на материнской плате используются не только для связи с процес-сором. Все другие внутренние устройства материнской платы, а также устрой-ства, которые подключаются к ней, взаимодействуют между собой с помощью шин. От архитектуры этих элементов во многом зависит производительность ПК в целом.

Интерфейсы. Связь устройств друг с другом осуществляется с помощью средств сопряжения, которые называются интерфейсами. Интерфейс представляет собой совокупность линий и шин, сигналов, электронных схем и алгоритмов (про-токолов), предназначенную для осуществления обмена информацией между уст-ройствами.

Существует два типа шин: системная шина, соединяющая процессор с ОЗУ и кэш-памятью

2-го уровня; множество шин ввода–вывода, соединяющих процессор с различными

периферийными устройствами. Последние соединяет с системной шиной мост, который встроен в набор микросхем (чипсет), обеспечивающий функционирование процессора.

Системная шина при архитектуре DIB (Dual independent bus) физически разде-лена на две:

первичную шину (FSB, Frontside bus), связывающую процессор с ОЗУ и ОЗУ с периферийными устройствами;

вторичную шину (BSB, Backside bus) для связи с кэш-памятью L2.

83

Использование двойной независимой шины повышает производительность за счет возможности для процессора параллельно обращаться к различным уровням памяти. Обычно термины «FSB» и «системная шина» используют как синонимы.

Следует отметить, что терминология, используемая в настоящее время для описания интерфейсов, не является вполне однозначной и ясной. Системная шина часто упоминается как «главная шина», «шина процессора», или «локальная шина». Для шин ввода–вывода используются термины «шина расширения», «внешняя ши-на», «хост–шина» и опять же – «локальная шина».

Устройства, подключенные к шине, делятся на две основные категории – bus masters и bus slaves. Bus masters – это активные устройства, способные управлять работой шины, то есть инициировать запись/чтение и так далее Bus slaves – соот-ветственно, устройства, которые могут только отвечать на запросы.

С момента начала использования ПК применялись различные стандарты шинной архитектуры (ISA, EISA, MCA, VLB, PCI, PCMCIA (CardBus), AGP).

Интерфейсы, характеристики которых приводятся в таблице 7.1, относятся к внутренним.

Таблица 7.1

Основные характеристики внутренних интерфейсов Стандарт Типичное применение Пиковая пропускная спо-

собностьПримечания

ISA Звуковые карты, модемы От 2 до 8.33 Мбайт/с Практически не использу-ется, начиная с 1999 года

EISA Сети, адаптеры SCSI 33 Мбайт/с Практически не использу-ется, замещается PCI, LPC

LPC Последовательный и па-раллельный порты, клавиа-тура, мышь, контроллер НГМД

Как ISA/EISA Предложена Intel в 1998 году как замена для шины ISA

PCI Графические карты, адап-теры SCSI, звуковые карты новых поколений

133 Мбайт/с (32-битовая шина с частотой 33 МГц)

Стандарт для периферий-ных устройств

PCI– X Тоже 1 Гбайт/с (64-битовая шина с частотой 133 МГц)

Расширение PCI, предло-женное IBM, HP, Compaq. Увеличена скорость и ко-личество устройств

PCI Express

Тоже. До 16 Гбайт/с Разра-ботка «интерфейса 3– го поколения» (Third generation Input/Output – 3GIO), может заменить AGP. Последовательная шина

AGP Графические карты 528 Мбайт/с 2x– mode (2 графические карты)

Стандарт для Intel–PC, на-чиная с Pentium II сосуще-ствует с PCI

AGP PRO ЗD– графика 800 Мбайт/с (4x-mode) Поддерживает видеокарты, требующие мощность до 100 Вт (AGP – до 25 Вт)

HT (Ги-пер– Транспорт)

Универсальный интерфейс До 32 Гбайт/с Разработка AMD для про-цессоров К7– К8

84

Шина ISA – шина, применявшаяся с первых моделей PC и ставшая промыш-ленным стандартом.

Шина EISA. С появлением 32-разрядных микропроцессоров 80386 (версия DX) фирмами Compaq, NEC и рядом других фирм, была создана 32-разрядная шина EISA, полностью совместимая с ISA. Шина не получила широкого распространения в связи с ее высокой стоимостью и пропускной способностью, уступающей пропу-скной способности появившейся на рынке шины VESA.

Шина МСА – микроканальная архитектура – была введена в пику конкурентам фирмой IBM для своих компьютеров PS/2, начиная с модели 50. Шина МСА несо-вместима с ISA/EISA и другими адаптерами. Эта шина не обладала обратной со-вместимостью с ISA, но содержала ряд передовых для своего времени решений.

Шина LPC (Low Pin Count – «малоконтактный» интерфейс) используется на IBM–совместимых персональных компьютерах для подсоединения низкоскорост-ных устройств, таких как «преемственные» (legacy) устройства ввода– вывода (по-следовательный и параллельный порты, клавиатура, мышь, контроллер НГМД). Фи-зически LPC обычно подсоединяется к чипу «Южного моста». Шина LPC была предложена Intel в 1998 году как замена для шины ISA.

Локальные шины Попытки улучшить системные шины за счет создания шин MCA и EISA имели

ограниченный успех и кардинальным образом не решали проблемы. Все описанные ранее шины имеют общий неостаток – сравнительно низкую пропускную способ-ность, поскольку они разрабатывались в расчете на медленные процессоры. В даль-нейшем быстродействие процессора возрастало, а характеристики шин улучшались в основном экстенсивно, за счет добавления новых линий. Препятствием для повы-шения частоты шины являлось огромное количество выпущенных плат, которые не могли работать на больших скоростях обмена (МСА это касается в меньшей степе-ни, но в силу вышеизложенных причин эта архитектура не играла заметной роли на рынке). В то же время в начале 90-х годов в мире персональных компьютеров про-изошли изменения, потребовавшие резкого увеличения скорости обмена с устройствами:

создание процессоров Intel 80486, работающих на частотах до 66 МГц; увеличение емкости жестких дисков и создание более быстрых контрол-

леров; разработка и активное продвижение на рынок графических интерфейсов

пользователя (типа Windows или OS/2) привели к созданию новых гра-фических адаптеров, поддерживающих более высокое разрешение и большее количество цветов (VGA и SVGA).

Очевидным выходом из создавшегося положения является следующий: осуще-ствлять часть операций обмена данными, требующих высоких скоростей, не через шину ввода– вывода, а через шину процессора, примерно так же, как подключается внешний кэш. При этом шина работает с частотой, соответствующей тактовой час-тоте процессора. Передачей данных управляет не центральный процессор, а плата расширения (мост), который высвобождает микропроцессор для выполнения других работ. Локальная шина обслуживает наиболее быстрые устройства: память, дис-плей, дисковые накопители, при этом обслуживание сравнительно медленных уст-

85

ройств – мышь, модем, принтер и другое – производится системной шиной типа ISA (EISA).

Такая конструкция получила название локальной шины (Local Bus). Локальная шина VESA, или VLB предназначена для связи процессора с быст-

рыми периферийными устройствами и представляет собой расширение шины ISA для обмена видеоданными. Во времена преобладания на компьютерном рынке про-цессора CPU 80486 шина VLB была достаточно популярна, однако в настоящее время ее вытеснила более производительная шина PCI.

Шина РСI. Стандарт подключения внешних устройств, введенный в ПК на базе процессора Pentium. По своей сути, это интерфейс локальной шины с разъемами для подсоединения внешних компонентов. Важным нововведением этого стандарта яв-ляется поддержка механизма plug–and–play, суть которого состоит в том, что после физического подключения внешнего устройства к разъему шины PCI происходит автоматическая конфигурация этого устройства.

PCI–X не только увеличивает скорость PCI–шины, но также и число высоко-скоростных слотов.

PCI Express – компьютерная шина, использующая программную модель шины PCI и высокопроизводительный физический протокол, основанный на последова-тельной передаче данных. В отличие от шины PCI, использовавшей для передачи данных общую шину, PCI Express в общем случае является пакетной сетью с топо-логией типа звезда, устройства PCI Express взаимодействуют между собой через среду, образованную коммутаторами, при этом каждое устройство напрямую связа-но соединением типа точка–точка с коммутатором. Разработка стандарта PCI Express была начата фирмой Intel. Официально первая базовая спецификация PCI Express появилась в июле 2002 года. Шина PCI Express нацелена на использование только в качестве локальной шины.

Интерфейс PCMCIA. С появлением портативных компьютеров возникла про-блема универсального и компактного интерфейса для подключения внешних уст-ройств. В качестве такого интерфейса стандартом де-факто стал интерфейс PCMCIA, поддерживаемый Ассоциацией PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association), объединяющей компании, разрабатывающие периферий-ные устройства для портативных компьютеров. Аббревиатура PCMCIA вызывала много нареканий своей труднопроизносимостью. Существует даже шутливая ин-терпретация PCMCIA как «People Can't Memorize Computer Industry Acronyms», что переводится как «Люди не в состоянии запомнить компьютерные аббревиатуры». В результате для PCMCIA сегодня принято использовать более благозвучный тер-мин PC Card.

Устройства PC Card размером с обычную кредитную карточку являются аль-тернативой обычным платам расширения, подключаемым к шине ISA. В этом стан-дарте выпускаются модули памяти, модемы и факс–модемы, SCSI–адаптеры, сете-вые карты, звуковые карты, винчестеры (IBM Microdrive) и так далее.

Шина AGP – высокоскоростная локальная шина ввода/вывода, предназначен-ная исключительно для нужд видеосистемы. Она связывает видеоадаптер (ЗD–акселератор) с системной памятью ПК. Шина AGP была разработана на основе ар-

86

хитектуры шины PCI, поэтому она также является 32-разрядной. Однако при этом у нее есть дополнительные возможности увеличения пропускной способности, в ча-стности, за счет использования более высоких тактовых частот. В дальнейшем была выпущена версия AGP 2.0, которая поддерживала «4-х графику», или четырехкрат-ную передачу данных за один такт центрального процессора.

Контроллер HyperTransport. Фирмой AMD была (процессор Hammer) предло-жена архитектура ГиперТранспорт (HyperTransport), обеспечивающая внутреннее соединение процессоров и элементов чипсета для организации многопроцессорных систем и повышения скорости передачи данных более чем в 20 раз. В основу шины HyperTransport – универсальной шины межчипового соединения – положено две концепции: универсальность и масштабируемость. Универсальность шины HyperTransport заключается в том, что она позволяет связывать между собой не только процессоры, но и другие компоненты материнской платы. Масштабируе-мость шины состоит в том, что она дает возможность наращивать пропускную спо-собность в зависимости от конкретных нужд пользователя.

Принтеры, модемы и другое периферийное оборудование подключается к ком-пьютеру через стандартизированные интерфейсы, иногда называемые портами. В зависимости от способа передачи информации (параллельного или последова-тельного) между сопрягаемыми устройствами различают параллельные и последо-вательные интерфейсы.

Таблица 7.2 Характеристика основных внешних интерфейсов

Стандарт Год вы-пуска

Первона-чальная скорость, Мбит/с

Макси-мальное

расстояние связи, м

Макси-мальное

количество подключе-

ний

Необходи-мость элек-тропитания

Число линий

Последова-тельный порт (RS 232)

1960 0.02 15 1 Да 10

RS–485 – 10 1200 32 – 2 Параллельный порт (LPT)

1981 1.1 1.8 1 Да 25/30

MIDI 1982 31.25 Кбит/с 15 4 Да 3 USB 1.1 1995 12 5/25 127 Нет 4 FireWire 1995 400 4.5/72 63 Нет 6 USB2.0 2000 480 5/25 127 Нет 4 FireWire 800 2001 850 4.5/72 63 Нет 9 Последова-тельный SCSI

2004 320– 3200 6/500/3000 96/127/192 Да 1

eSATA 2004 2400 2 1 Да 7 IrDA 1995 0.115/4.0 15/1 Да Беспровод-

ной Bluetooth 1994 0.7– 2.1 1– 100 8– 127 Да Беспровод-

ной

87

Интерфейс IDE – интерфейс устройств со встроенным контроллером. При соз-дании этого интерфейса разработчики ориентировались на подключение дискового накопителя. За счет минимального удаления контролера от диска существенно по-вышается быстродействие. Существует несколько разновидностей интерфейса IDE, совместимых снизу вверх друг с другом. В целях развития возможностей интерфей-са IDE компанией Western Digital была предложена его расширенная спецификация Enhanced IDE (синонимы: E–IDE, Fast AТА, АТА– 2 и Fast АТА–2), которая обрела затем статус американского стандарта ANSI под названием АТА–2. Следующим шагом в развитии интерфейса IDE/ATA явился стандарт Ultra АТА (он же Ultra DMA, АТА–33, DMA–33, АТА–3).

IDE (Integrated Drive Electronics) – это название типа жестких дисков, имеющих интерфейс ATA (AT Attachment). Дешевая электроника в сочетании с параллельной передачей данных АТА позволяет производить недорогие нежесткие диски.

Один канал АТА может поддерживать до двух дисков, первичный – master и вторичный – slave. Сейчас все материнские платы имеют по два интегрированных канала IDE, а некоторые – три и даже четыре. Если это возможно, то лучше под-ключать жесткий диск как master на первый канал, a DVD–ROM – как master на вто-рой канал.

Сегодня на рынке присутствуют три основных стандарта IDE–дисков: ATA/33, ATА/66 и АТА/100. Эти три стандарта называют одним словом – UDMA.

Главным недостатком IDE по-прежнему остается малая скорость. Конечно, со-временные IDE–диски догнали по скоростным характеристикам старые модели SCSI–дисков, но с новыми SCSI–винчестерами им все равно не сравниться.

Последовательный интерфейс SATA (англ. Serial ATA) – последовательный интерфейс обмена данными с накопителями информации. SATA является развитием параллельного интерфейса ATA (IDE), который после появления SATA был пере-именован в PATA (Parallel ATA).

Интерфейс SCSI (читается «скази»). Разработан для объединения на одной шине различных по своему назначению устройств, таких как жесткие диски, нако-пители на магнитооптических дисках, приводы CD, DVD, стримеры, сканеры, прин-теры и т. д. Раньше имел неофициальное название SASI – Shugart Computer Systems Interface в честь создателя Алана Ф. Шугарта. К шине SCSI можно подключить до восьми устройств, включая основной контроллер SCSI (или хост–адаптер). После стандартизации в 1986 году SCSI начал широко применяться в компьютерах Apple Macintosh, Sun Microsystems. В компьютерах, совместимых с IBM PC, SCSI, не пользуется такой популярностью в связи со своей сложностью и сравнительно вы-сокой стоимостью и применяется преимущественно в серверах.

SCSI давно стал стандартным интерфейсом для рабочих станций и серверов. И хотя по деньгам SCSI обходится существенно дороже IDE, за эти деньги мы полу-чаем гораздо большую пропускную способность, поддержку большего количества устройств на одном канале, поддержку внешних устройств и многозадачность.

Главное преимущество SCSI выражается термином high–end, то есть самые быстрые, самые объемистые жесткие диски имеют интерфейс SCSI.

88

Fibre Channel (оптоволоконный канал). Fibre channel – это интерфейс, в корне отличающийся от SCSI и IDE. Вообще он ближе к Ethernet и InfiniBand. Этот интер-фейс предназначен не только для того, чтобы подсоединять жесткие диски и другую периферию к системе, а в первую очередь для организации сетей, объединения уда-ленных друг от друга массивов жестких дисков и прочих операций, требующих вы-сокой пропускной способности в сочетании с большими расстояниями. Fibre channel часто используется для соединения SCSI RAID–массивов с сетью рабочей группы либо сервером.

Существующие технологии обеспечивают пропускную способность Fibre channel в 100 Мб/с, а теоретический предел данной технологии лежит где-то в рай-оне 1.06 Гб/с. При этом уже сейчас ряд компаний занят разработкой устройств с пропускной способностью до 2.12 Гб/с. На сегодняшнем рынке также присутствуют решения, когда для достижения очень большой пропускной способности использу-ется целый ряд каналов Fibre channel одновременно.

В отличие от SCSI, Fibre channel обладает гораздо большей гибкостью. Если SCSI ограничивается всего 12 м, то Fibre channel позволяет иметь соединения про-тяженностью до 10 км при использовании оптического кабеля и несколько меньше при использовании относительно недорогих медных соединений.

Шина USB была разработана лидерами компьютерной и телекоммуникацион-ной промышленности Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft для подключения перифе-рийных устройств вне корпуса PC. Скорость обмена информацией по шине USB со-ставляет 12 Мбит/с или 15 Мбайт/с. К компьютерам, оборудованным шиной USB, можно подключать такие периферийные устройства, как клавиатура, мышь, джой-стик, принтер, не выключая питания. Шина USB поддерживает технологию Plug & Play. При подсоединении периферийного устройства его конфигурирование осуществляется автоматически. Все периферийные устройства должны быть обору-дованы разъемами USB и подключаться к ПК через отдельный выносной блок, на-зываемый USB–хабом, или концентратором, с помощью которого к ПК можно под-ключить до 127 периферийных устройств.

В 2000 году стандарт USB получил обновление. Им стала версия USB 2.0, ко-торая увеличила пропускную способность в 40 раз – до 480 Мбит/с в высокоскоро-стном режиме.

USB 3.0 представляет следующее поколение соединения между компьютером и периферией (цифровыми камерами, портативными медиаплеерами, мобильными телефонами, внешними жесткими дисками и тому подобное). Он призван заменить текущий стандарт USB 2.0 «Hi– Speed». Новая спецификация в 10 раз быстрее USB 2.0, имеющего максимальную пропускную способность 480 Мбит/с. Пиковая производительность – 5 Гбит/с. Это означает, что файл размером 25 Гб можно пере-дать приблизительно за 70 секунд – гигантский переход, ведь у соединения по предшествующему интерфейсу на то же задание уйдет 14 минут. А если некое уст-ройство довольствуется еще более старым USB 1.1, то пользователь будет вынуж-ден терпеть 9 часов. Поэтому обновление делает SuperSpeed USB идеальным реше-нием для массы задач, таких как копирование больших изображений, видео или ре-зервирование данных на внешний носитель.

89

Интерфейс Fire Ware (IEEE 1394) – это стандарт высокоскоростной локальной последовательной шины, разработанный фирмами Apple и Texas Instruments. Шина IEEE 1394 предназначена для обмена цифровой информацией между ПК и другими электронными устройствами, особенно для подключения жестких дисков и уст-ройств обработки аудио– и видеоинформации, а также работы мультимедийных приложений. Она способна передавать данные со скоростью до 1600 Мбит/с, рабо-тать одновременно с несколькими устройствами, передающими данные с разными скоростями, как и SCSI. Как и USB, шина IEEE 1394 полностью поддерживает тех-нологию Plug & Play, включая возможность установки компонентов без отключения питания ПК. Подключать к компьютеру через интерфейс IEEE 1394 можно практи-чески любые устройства, способные работать с SCSI. К ним относятся все виды на-копителей на дисках, включая жесткие, оптические, CD–ROM, DVD, цифровые ви-деокамеры, устройства записи на магнитную ленту и многие другие периферийные устройства. Благодаря таким широким возможностям, эта шина стала наиболее пер-спективной для объединения компьютера с бытовой электроникой. В настоящее время уже выпускаются адаптеры IEEE 1394 для шины PCI.

IrDA – интерфейс беспроводной связи. Ассоциация инфракрасной передачи данных (Infrared Data Association – IrDA), начиная с ее образования в 1993 году, ра-ботала над открытым стандартом инфракрасной передачи данных на короткие рас-стояния. В настоящее время IrDA–standart – один из самых распространенных стан-дартов для организации передачи информации по открытому инфракрасному каналу.

Bluetooth. Названная по имени датского короля X столетия – это спецификация для портативных устройств, обеспечивающая дешевую радиосвязь между мобиль-ными компьютерами, мобильными телефонами, цифровыми камерами, принтерами, консолями видеоигр и другими переносными устройствами, возможность подсое-динения к Internet. Главное преимущество систем Bluetooth перед инфракрасными портами состоит в том, что здесь не требуется прямая оптическая видимость.

С самого развития и до сих пор шина ввода/вывода является узким местом современных персональных компьютеров, что отрицательно сказывается на об-щих скоростных характеристиках системы. Появлялись новые шины, увеличи-валась разрядность, быстродействие шин, их пропускная способность.

Но разработки новых стандартов шин продолжаются. Многие фирмы объе-диняют свои усилия для разработки новых стандартов.

На примерах существующих стандартов видно, что у каждого стандарта шин есть свои достоинства, но есть и свои недостатки. Одни шины позволяют получать вполне удовлетворительное быстродействие, но очень дороги и слож-ны в изготовлении, и зачастую затраты не окупаются. Другие дешевы, но очень требовательны к системе в целом.

Среди интерфейсов передачи данных особняком стоят порты вво-да/вывода, использующиеся для подключения низкоскоростных периферийных устройств: последовательный порт (COM), параллельный порт (LPT), игровой порт/MIDI порт и инфракрасный порт (IrDA) .

Порт (канал ввода–вывода) – путь, по которому происходит обмен данными между микропроцессором и микросхемами внешних устройств. Последователь-

90

ный порт передает информацию побитно, а параллельный – побайтно. Обычно в ПК имеются один параллельный и два последовательных порта.

Ранее последовательные порты использовались для подключения мыши и внешних модемов, а параллельные – для подключения принтеров, сканеров и ключей защиты программ. В настоящее время последовательные и параллельные порты вытесняются шиной USB (Universal Serial Bus).

Оперативная память Оперативная память (RAM – Random Access Memorу –

память с произвольным доступом) – это быстрое запоми-нающее устройство не очень большого объема, непосред-ственно связанное с процессором и предназначенное для

записи, считывания и хранения выполняемых программ и данных, когда ком-пьютер включен.

В нее помещаются программы для выполнения и данные для работы про-граммы, которые используются микропроцессором. Она обладает большим бы-стродействием и является энергозависимой.

Оперативная память используется только для временного хранения данных и программ, так как, когда машина выключается, все, что находилось в ОЗУ, пропадает. Доступ к элементам оперативной памяти – прямой: означает, что каждый байт памяти имеет свой индивидуальный адрес.

Обычно ОЗУ исполняется из интегральных микросхем памяти SDRAM (синхронное динамическое ОЗУ). Они устанавливаются в корпуса и собирают-ся в модули памяти.

Большинство компьютеров комплектуются модулями типа DIMM (Dual– In–line Memory Module – модуль памяти с двухрядным расположением микро-схем). Существуют различные типы микросхем памяти: DDR SDRAM (син-хронная память с двойной скоростью передачи данных); RDRAM (Rambus DRAM), предназначенная для функционирования на более высоких частотах, чем SDRAM.

Модули памяти выпускает достаточно большое количество производите-лей, основными из которых стали SEC (Samsung), Corsair, Winbond и Kingston.

Для разных системных плат предусмотрена возможность использования мо-дулей памяти того или иного типа. Выбор основных устройств компьютера требу-ет знания многих нюансов, связанных с обеспечением их совместимости. Процес-сор, память и материнскую плату всегда необходимо выбирать одновременно. Здесь есть много деталей совместимости, которые должен пояснить специалист.

Микросхема ПЗУ и система BIOS ПЗУ (постоянное запоминающее устройство, ROM,

Read Only Memory – память только для чтения) – одна из важнейших микросхем материнской платы. Микросхема ПЗУ способна длительное время хранить информацию, да-же когда компьютер выключен. Программы, находящиеся

91

в ПЗУ, называют «зашитыми» – их записывают туда на этапе изготовления микросхемы.

Комплект программ, находящихся в ПЗУ, образует базовую систему вво-да–вывода (BIOS – Basic Input Output System). В BIOS записаны первичные про-граммы, с которых начинается работа компьютера. Как только на процессор поступает питание, он обращается в эту микросхему за своей самой первой программой. Если вы видели, как включается компьютер, и обращали внимание на белые буквы, пробегающие на черном фоне сразу после запуска, то знайте, что это вы наблюдали работу программ, записанных в BIOS.

Программы BIOS производят проверку основных систем компьютера сразу после включения, обеспечивают взаимодействие с клавиатурой и монитором, выполняют проверку дисководов и позволяют выполнить некоторые настройки конфигурации компьютера – программа Setup.

Микросхему BIOS легко найти. За исключением процессора это единст-венная микросхема, которая не впаяна в материнскую плату, а устанавливается на специальной колодке, так что ее можно вынуть и заменить. Самостоятельно этим лучше не заниматься.

Энергонезависимая память CMOS Выше мы отметили, что работа таких стандартных устройств, как клавиа-

тура, может обслуживаться программами, входящими в BIOS, но такими сред-ствами нельзя обеспечить работу со всеми возможными устройствами. Так, на-пример, изготовители BIOS абсолютно ничего не знают о параметрах наших жестких дисков, им не известны ни состав, ни свойства произвольной вычисли-тельной системы (компьютера). Для того чтобы начать работу с другим обору-дованием, программы, входящие в состав BIOS, должны знать, где можно найти нужные параметры. По очевидным причинам их нельзя хранить ни в оператив-ной памяти, ни в постоянном запоминающем устройстве.

Специально для этого на материнской плате есть микросхема «энергонеза-висимой памяти», называемая CMOS. От оперативной памяти она отличается тем, что ее содержимое не стирается во время выключения компьютера, а от ПЗУ она отличается тем, что данные в нее можно заносить и изменять само-стоятельно, в соответствии с тем, какое оборудование входит в состав системы. Эта микросхема постоянно подпитывается от небольшой батарейки, располо-женной на материнской плате. Заряда этой батарейки хватает на то, чтобы мик-росхема не теряла данные, даже если компьютер не будут включать несколько лет.

В микросхеме CMOS хранятся данные об архитектуре компьютера. Тот факт, что компьютер четко отслеживает время и календарь (даже и в вы-ключенном состоянии), тоже связан с тем, что показания системных часов по-стоянно хранятся (и изменяются) в CMOS.

Таким образом, программы, записанные в BIOS, считывают данные о со-ставе оборудования компьютера из микросхемы CMOS, после чего они могут выполнить обращение к жесткому диску и передать управление тем програм-мам, которые там записаны.

92

Жесткий диск

Жесткий диск (HDD – Hard Disk Drive) – основное устройство для долго-временного хранения больших объемов данных и программ. В обиходе его на-зывают «винчестером». Внутри жесткого диска с большой скоростью вращают-

ся диски, покрытые магнитным слоем. По поверхностям этих дисков перемещаются головки чтения/записи. Диски и головки размещены в герметичном и прочном корпусе.

Жесткий диск – сложное устройство «высоких техно-логий». Он требует аккуратного обращения и соблюдения правил эксплуатации. Во время вращения дисков с высокой скоростью между их поверхностями и головками чте-ния/записи возникает тонкая воздушная подушка, предот-

вращающая касание (и повреждение) головками магнитного слоя дисков. При ударе или сильном толчке головка может коснуться поверхности диска и по-вредить магнитный слой. В некоторых случаях повреждается и сама головка.

Управление работой жесткого диска выполняет специальное аппаратно– логическое устройство – контроллер жесткого диска. В прошлом оно пред-ставляло собой отдельную дочернюю плату, которую подключали к одному из свободных слотов материнской платы. В настоящее время функции контролле-ров дисков выполняют микросхемы, входящие в микропроцессорный комплект (чипсет), хотя некоторые виды высокопроизводительных контроллеров жест-ких дисков по-прежнему поставляются на отдельной плате.

К основным параметрам жестких дисков относятся емкость и производи-тельность.

Производительность НЖМД характеризуется скоростью чтения/записи и средним временем доступа. В целом же быстродействие диска в наибольшей сте-пени определяется скоростью вращения пластин.

Современные НЖМД обладают достаточно большой надежностью, а их ско-рость обычно достаточна для решения любых стандартных задач. Исключение со-ставляют задачи, требующие записи/считывания с диска большого потока дан-ных, например при записи на диск видеоданных с высоким разрешением. Высо-копроизводительные НЖМД требуются также для использования в серверах. Они значительно дороже, чем обычные накопители (IDE и SCSI – жесткие диски, см. раздел Шины материнской платы).

Данные с жесткого диска передаются медленнее, чем из оперативной па-мяти, зато остаются на нем после выключения питания.

RAID RAID (Redundant Array of Inexpensive Disks – избыточный массив недоро-

гих дисков) преследует две основные цели: повысить скорость и/или надеж-ность. Существует достаточно много типов RAID, но основные – это RAID 0, 1 и 0+1. RAID 0 позволяет объединить объем двух дисков в единое целое, так что операционная система будет видеть их и использовать как один физический диск. RAID 1 позволяет создавать «зеркало», то есть информация пишется сра-зу как на первый, так и на второй диск, и если первый, основной, диск выйдет

93

из строя, то все данные на втором будут в целости и сохранности. RAID 0+1 использует одновременно два описанных выше режима (не забывайте, что при этом требуется как минимум четыре жестких диска: два сливаются в массив, и два используются для «зеркала»). Есть еще другие варианты RAID для повы-шения надежности хранения информации, например контроль четности – для проверки целостности данных.

Накопители на DVD–дисках

(DVD–ROM, DVD–RW, DVD–RAM, DVD+RW и др. стандартов).

DVD (Digital Versatile Disk, ранее Digital Video Disk), т. е. многоцелевой цифровой диск – тип компакт-дисков, хранящий от 4,7 до 17 Гбайт информации. По размерам диски CD и DVD абсо-лютно одинаковы – DVD лишь немного тоньше.

Существует несколько физических форматов (или книг) DVD, которые ма-ло чем отличаются от различных «оттенков» CD:

DVD–ROM – среда хранения данных большой емкости, только для чтения;

DVD–R – однократная запись, многократное чтение; формат, родст-венный CD–R;

DVD–RAM – перезаписываемый (стираемый) вариант DVD, кото-рый первым появился на рынке и впоследствии нашел в качестве конкурентов форматы DVD–RW и DVD+RW.

DVD–Video применяется при записи видеоматериалов для их даль-нейшего просмотра на видеотехнике или с помощью присоединенно-го к компьютеру DVD–ROM-привода. Формат обеспечивает защиту от нелегального копирования информации;

DVD–Audio используется при записи высококачественного многока-нального звука.

Самое интересное в спецификациях DVD – это возможность создания двухсторонних и двухслойных дисков.

Двухсторонний диск делается просто: так как толщина диска DVD может составлять лишь 0,6 мм (половина толщины обычного CD–ROM), появляется возможность соединить два диска тыльными сторонами и получить двухсто-ронний DVD.

Технология создания двухслойных дисков чуть более сложна: данные за-писываются в двух слоях – нижнем и полупрозрачном верхнем. Работая на од-ной частоте, лазер считывает данные с полупрозрачного слоя, работая на дру-гой – получает данные «со дна».

Единственный достойный конкурент лазерной технологии – накопители на флэш-картах. При меньших емкостях памяти, они обладают рядом других су-щественных преимуществ: маленький корпус (размером с карманную зажигал-ку), автоматическая настройка, быстрота считывания и надежность хранения информации, низкое энергопотребление.

94

Видеокарта (видеоадаптер)

Чтобы подключить к компьютеру монитор, необходим специальный видеоадаптер. ВИДЕО-АДА́ПТЕР (видеокарта) – электронная плата, предназначенная для хранения видеоинформации и ее отображения на экране монитора. Она непо-средственно управляет монитором, а также про-цессом вывода информации на экран.

Обычно видеокарта является платой расширения и вставляется в разъем расширения, универсальный (PCI–Express, PCI, ISA, VLB, EISA, MCA) или специализированный (AGP), но бывает и встроенной (интегрированной) в сис-темную плату (как в виде отдельного чипа, так и в качестве составляющей час-ти северного моста чипсета или ЦПУ). В этом случае устройство, строго гово-ря, не может быть названо видеокартой.

Видеокарта не всегда была компонентом ПК. Для первых компьютеров IBM PC в оперативной памяти выделялась специальная область (экранная об-ласть памяти), в которую процессор заносил данные об изображении. Специ-альный контроллер экрана считывал данные о яркости отдельных точек из яче-ек памяти этой области и в соответствии с ними управлял разверткой горизон-тального луча электронной пушки монитора.

С переходом от черно-белых мониторов к цветным и с увеличением раз-решения экрана (количества точек по вертикали и горизонтали) области видео-памяти стало недостаточно для хранения графических данных, а процессор пе-рестал справляться с построением и обновлением изображения. Тогда и про-изошло выделение всех операций, связанных с построением изображения, в от-дельный блок, получивший название видеоадаптер.

Видеоадаптер взял на себя функции видеопроцессора (занимается расчета-ми выводимого изображения, освобождая от этой обязанности центральный процессор, производит расчеты для обработки команд трехмерной графики; яв-ляется основой графической платы, именно от него зависят быстродействие и возможности всего устройства), видеоконтроллера (отвечает за формирование изображения в видеопамяти, дает команды на формирование сигналов разверт-ки для монитора и осуществляет обработку запросов центрального процессора) и видеопамяти (выполняет роль кадрового буфера, в котором хранится изобра-жение, генерируемое и постоянно изменяемое графическим процессором и вы-водимое на экран монитора; видеопамять бывает нескольких типов, различаю-щихся по скорости доступа и рабочей частоте; современные видеокарты ком-плектуются памятью типа DDR, GDDR2, GDDR3, GDDR4 и GDDR5).

Графический пользовательский интерфейс, появившийся во многих опера-ционных системах, стимулировал новый этап развития видеоадаптеров. Появ-ляется понятие «графический ускоритель» (graphics accelerator). Это видеоадап-теры, которые производят выполнение некоторых графических функций на ап-паратном уровне. К числу этих функций относятся: перемещение больших бло-ков изображения из одного участка экрана в другой (например, при перемеще-

95

нии окна), заливка участков изображения, рисование линий, дуг, шрифтов, под-держка аппаратного курсора и т. п. Прямым толчком к развитию столь специа-лизированного устройства явилось то, что графический пользовательский ин-терфейс, несомненно, удобен, но его использование требует от центрального процессора немалых вычислительных ресурсов, и современный графический ускоритель как раз и призван снять с него львиную долю вычислений по окон-чательному выводу изображения на экран.

За время существования IBM PC–совместимых микрокомпьютеров смени-лось несколько поколений видеоадаптеров и связанных с ними стандартов представления изображения. Основными параметрами этих стандартов являют-ся разрешение (количество символов, или пикселей, размещающихся по гори-зонтали и вертикали экрана монитора), количество цветов и частота кадровой развертки (частота перерисовки изображения).

Известнейшими разработчиками видеопроцессоров являются такие гиган-ты, как NVIDIA и ATI Technologies. NVIDIA выпускает видеочипы серии GeForce, у ATI – видеочипы Radeon. Нельзя сказать, у кого чипы лучше, это все равно, что выбирать между процессорами фирм AMD и Intel.

Звуковая карта

Звуковая карта явилась одним из наиболее поздних усовершенствований персонального компьютера. Она под-ключается к одному из слотов материнской платы в виде дочерней карты и выполняет вычислительные операции, связанные с обработкой звука, речи, музыки. Звук воспро-изводится через внешние звуковые колонки, подключаемые к выходу звуковой карты. Специальный разъем позволяет отправить звуковой сигнал на внешний усилитель. Имеется также разъем для подключения микрофона, что позволяет записывать речь или музыку и сохранять их на жестком диске для последую-щей обработки и использования.

Основным параметром звуковой карты является разрядность, опреде-ляющая количество битов, используемых при преобразовании сигналов из ана-логовой в цифровую форму и наоборот. Чем выше разрядность, тем меньше по-грешность, связанная с оцифровкой, тем выше качество звучания.

В последнее время выбор подходящего звукового решения – дело доста-точно простое. Связано это с тем, что на многих материнских платах реализо-ваны интегрированные высококачественные звуковые, работающие со всеми существующими звуковыми стандартами.

Монитор Монитор – устройство, служащее для визуального

отображения текстовой и графической информации, ко-торую формирует видеоадаптер.

Классификация мониторов приведена на рис. 7.1. Мониторы на основе электроннолучевой трубки

96

(ЭЛТ, CRT) обладают рядом недостатков: значительные масса, габариты и энергопотребление; наличие тепловы-деления и излучения, потенциально вредного для здоровья человека. В связи с этим на смену ЭЛТ–мониторам прихо-дят плоскопараллельные мониторы: жидкокристалличе-ские (ЖКмониторы), плазменные, электролюминесцент-ные, мониторы электростатической эмиссии, органические светодиодные мониторы.

Рис. 7.1. Классификация мониторов

Основные параметры монитора:

1. Размер экрана. Измеряется между противоположными углами по диагонали. Единица измерения – дюймы. Чем больше диагональ, тем выше разрешение экрана и тем больше информации сможет монитор отображать.

2. Разрешение экрана. Эта характеристика связана с размером ото-бражаемого изображения и выражается в количестве точек по горизонтали и вертикали отображаемого изображения. Чем оно выше, тем больше ин-формации можно отобразить на экране, но тем меньше размер каждой от-дельной точки и, тем самым, тем меньше видимый размер элементов изо-

Виды дисплеев

По фактическим прин-ципам формирования

изображения

По количеству воспро-изводимых цветов

По функциональному назначению

Монохромные

Цветные

Дисплеи на базе электроннолуче-

вой трубки

Жидкокристал-лические панели

Дисплеи на плазменных (га-зоразрядных)

панелях

Светодиодные матрицы

Алфавитно-цифровые

Графические

97

бражения. Использование заниженного разрешения приводит к тому, что элементы изображения становятся крупными, но на экране их располагает-ся очень мало.

3. Глубина цвета (палитра) определяет количество различных оттен-ков, которые может принимать отдельная точка экрана. Максимально воз-можное цветовое разрешение зависит от свойств видеоадаптера и, в пер-вую очередь, от количества установленной на нем видеопамяти. Кроме то-го, оно зависит и от установленного разрешения экрана. При высоком раз-решении экрана на каждую точку изображения приходится отводить меньше места в видеопамяти, так что информация о цветах вынужденно оказывается более ограниченной. Наиболее комфортная работа достигает-ся при глубине цвета 16,7 млн цветов (режим True Color).

4. Для ЭЛТ–мониторов важным параметром является частота обнов-ления (регенерации) экрана (показывает, сколько раз в течение секунды монитор может полностью сменить изображение; чем выше частота об-новления кадров, тем более устойчиво изображение и менее заметно мер-цание экрана.). Желательной является частота обновления экрана для CRT-монитора не менее 100 Гц при достаточно высоком разрешении экрана, к примеру 1280х1024 или 1600х1200 точек.

5. Безопасность монитора. Самыми распространенными и известны-ми являются стандарты, разработанные в Швеции, – TCO и MPR. Суть стандартов TCO состоит не только в определении допустимых значений различного типа излучений, но и в определении минимально допустимых технических параметров мониторов, например, поддерживаемых разреше-ний, интенсивности свечения люминофора, запаса яркости, энергопотреб-ления и т. д. Более того, в документах TCO приводятся подробные методи-ки тестирования мониторов. В состав разработанных TCO рекомендаций сегодня входят четыре стандарта: TCO 92, TCO 95, TCO 99 и самый новый – ТСО 03. Цифры означают год принятия стандартов. На сегодняшний день наибольшее распространение получили жидкокри-

сталлические мониторы. LCD (Liquid Crystal Display, жидкокристаллические мониторы) сделаны

из вещества, которое находится в жидком состоянии, но при этом обладает неко-торыми свойствами, присущими кристаллическим телам. Жидкие кристаллы были открыты давным-давно, но изначально они использовались для других целей. Мо-лекулы жидких кристаллов под воздействием электричества могут изменять свою ориентацию и вследствие этого изменять свойства светового луча проходящего сквозь них. Основываясь на этом открытии и в результате дальнейших исследова-ний, стало возможным обнаружить связь между повышением электрического на-пряжения и изменением ориентации молекул кристаллов для обеспечения созда-ния изображения.

Первое свое применение жидкие кристаллы нашли в дисплеях для калькуля-торов и в кварцевых часах, а затем их стали использовать в мониторах для порта-

98

тивных компьютеров. Сегодня, в результате прогресса в этой области, LCD–мониторы используются для настольных компьютеров.

Для вывода цветного изображения необходима подсветка монитора сзади. Это необходимо для того, чтобы можно было наблюдать изображение хорошего качества, даже если окружающая среда не является светлой. Цвет получается в ре-зультате использования трех фильтров, которые выделяют из излучения источника белого света три основные компоненты. Комбинация трех основных цветов для каждой точки, или пикселя экрана дает возможность воспроизвести любой цвет.

Для того, чтобы получить изображение, нужно адресовать отдельные LCD– элементы. Различают два вида адресации и, соответственно, два вида матриц: пас-сивную и активную.

В активной матрице к каждому электроду добавлен запоминающий транзи-стор, который может хранить цифровую информацию (двоичные значения 0 или 1), и в результате изображение сохраняется до тех пор, пока не поступит другой сигнал. Запоминающие транзисторы производятся из прозрачных материалов, что позволяет световому лучу проходить сквозь них, а значит, транзисторы можно располагать на стеклянной панели, которая содержит жидкие кристаллы. Для этих целей используются пластиковые пленки, называемые «Thin Film Transistor» (или просто TFT).

Активная матрица имеет массу преимуществ по сравнению с пассивной мат-рицей. Например, лучшая яркость и возможность смотреть на экран даже при угле обзора 120°–140° без ущерба качеству изображения, что невозможно в случае с пассивной матрицей, которая позволяет видеть качественное изображение только с фронтальной позиции по отношению к экрану. В случае с активной матрицей можно отображать движущиеся изображения без видимого дрожания, так как вре-мя реакции дисплея с активной матрицей около 50 мс против 300 мс для пассивной матрицы, и качество контрастности лучше, чем у CRT–мониторов.

Яркость отдельного элемента экрана остается неизменной на всем интер-вале времени между обновлениями картинки, а не представляет собой короткий импульс света, излучаемый элементом люминофора CRT–монитора сразу после похождения по этому элементу электронного луча. Именно поэтому для LCD– мониторов достаточной является частота регенерации 60 Гц.

В LCD–мониторах каждая точка формируется свечением одного элемента экрана (транзистора). Поэтому каждый монитор имеет свое максимальное физи-ческое разрешение (его еще называют native). Именно в native–разрешении LCD– монитор воспроизводит изображение лучше всего. Это разрешение определяется размером пикселей, который у LCD–монитора фиксирован. При этом есть возмож-ность использовать и более низкое, чем native, разрешение. Для этого есть два спо-соба. Первый называется центрированием; суть метода в том, что для отображения изображения используется только то количество пикселей, которое необходимо для формирования изображения с более низким разрешением. В результате изображе-ние получается не во весь экран, а только в середине. Все неиспользуемые пиксели остаются черными, т. е. вокруг изображения образуется широкая черная рамка. Второй метод называется растяжением. Суть его в том, что при воспроизведении

99

изображения с более низким, чем native, разрешением используются все пиксели, т. е. изображение занимает весь экран. Однако из-за того, что изображение растяги-вается на весь экран, возникают небольшие искажения и ухудшается резкость.

Достоинствами LCD–мониторов являются компактные размеры; низкое энер-гопотребление; отсутствие мерцания, следовательно, несравнимо меньшая утом-ляемость зрения и общая усталость при работе; намного меньший уровень вредных электромагнитных излучений и полное отсутствие рентгеновских; превосходные антибликовые покрытия; отсутствие искажения на экране. Недостатками являются необходимость работать в одном разрешении (благодаря технологиям аппаратного и программного сглаживания недостаток снижения качества изображения при пе-реходе к разрешению, отличному от рекомендованного, уже практически полно-стью устранен); трудно добиться равномерной подсветки по всей площади панели с жидкими кристаллами, что приводит к неравномерности в яркости изображения, вследствие чего на экране монитора возникают светлые и темные пятна, что очень хорошо заметно на однородном светло-сером фоне; некоторые LCD–мониторы могут не обеспечивать достаточного уровня яркости, что очень мешает при силь-ном солнечном свете; может быть недостаточна глубина контрастности.

Другими типами мониторов являются плазменные панели (Plasma Display Panel–PDF, высокая яркость и контрастность наряду с отсутствием дрожания яв-ляются большими преимуществами таких мониторов), FED–мониторы (монито-ры электростатической эмиссии – Field Emission Displays, являются сочетанием традиционной технологии, основанной на использовании ЭЛТ и жидкокристалли-ческой, данная технология обеспечивает наилучшее качество изображения среди всех плоскопанельных мониторов и самую низкую инерционность (около 5 мкс)), LEP –мониторы (Light Emission Plastics – светоизлучающий пластик, принцип работы основан на технологии светоизлучающего пластика).

Клавиатура Клавиатура – основное устройство ручного ввода информации. Бывают

полноразмерные (настольные ПК) и уменьшенные (портативные ПК). Нажатие клавиши передает процессору код (условный номер) нажатой клавиши, кото-рый в зависимости от используемой программы может по-разному интерпрети-роваться. Поэтому одна и та же клавиатура может использоваться для ввода ла-тинских символов, кириллицы, японских, китайских и прочих иероглифов. Но для этого нужны соответствующие программы. Некоторые клавиши само-стоятельного кода не формируют и обычно используются совместно с другими клавишами. Подключаются клавиатуры через интерфейсы PS/2 или USB. Бы-вают и беспроводные клавиатуры. Передача информации в беспроводных сис-темах осуществляется инфракрасным лучом. Обычный радиус действия таких клавиатур составляет несколько метров. Источником сигнала является клавиатура.

Клавиатура относится к стандартным средствам персонального компьюте-ра. Ее основные функции не нуждаются в поддержке специальными системны-ми программами (драйверами). Необходимое программное обеспечение для на-чала работы с компьютером уже имеется в микросхеме ПЗУ в составе базовой

100

системы ввода–вывода (BIOS), и потому компьютер реагирует на нажатия кла-виш сразу после включения.

Состав клавиатуры. Стандартная клавиатура имеет более 100 клавиш, функционально распределенных по нескольким группам (рис. 7.2).

Группа алфавитно–цифровых клавиш предназначена для ввода знаковой информации и команд, набираемых по буквам. Каждая клавиша может работать в нескольких режимах (регистрах) и, соответственно, может использоваться для ввода нескольких символов. Переключение между нижним регистром (для ввода строчных символов) и верхним регистром (для ввода прописных симво-лов) выполняют удержанием клавиши SHIFT (нефиксированное переключе-ние). При необходимости жестко переключить регистр используют клавишу CAPS LOCK (фиксированное переключение). Если клавиатура используется для ввода данных, абзац закрывают нажатием клавиши ENTER. При этом авто-матически начинается ввод текста с новой строки. Если клавиатуру используют для ввода команд, клавишей ENTER завершают ввод команды и начинают ее исполнение.

Рис. 7.2. Группы клавиш стандартной клавиатуры

Для разных языков существуют различные схемы закрепления символов

национальных алфавитов за конкретными алфавитно–цифровьми клавишами. Такие схемы называются раскладками клавиатуры. Переключения между раз-личными раскладками выполняются программным образом – это одна из функ-ций операционной системы. Соответственно, способ переключения зависит от того, в какой операционной системе работает компьютер. Например, в ОС Windows для этой цели могут использоваться следующие комбинации: ALT+SHIFT, или CTRL+SHIFT. При работе с другой операционной системой способ переключения можно установить по справочной системе той програм-мы, которая выполняет переключение.

101

Группа функциональных клавиш включает двенадцать клавиш (от F1 до F12), размещенных в верхней части клавиатуры. Функции, закрепленные за данными клавишами, зависят от свойств конкретной работающей в данный мо-мент программы, а в некоторых случаях и от свойств операционной системы. Общепринятым для большинства программ является соглашение о том, что клавиша F1 вызывает справочную систему, в которой можно найти справку о действии прочих клавиш.

Служебные клавиши располагаются рядом с клавишами алфавитно–цифровой группы. В связи с тем, что ими приходится пользоваться особенно часто, они имеют увеличенный размер. К ним относятся рассмотренные выше клавиши SHIFT и ENTER, регистровые клавиши ALT и CTRL (их используют в комбинации с другими клавишами для формирования команд), клавиша TAB (для ввода позиций табуляции при наборе текста), клавиша ESC (от английско-го слова Escape) для отказа от исполнения последней введенной команды и клавиша BACKSPACE для удаления только что введенных знаков (она нахо-дится над клавишей ENTER и часто маркируется стрелкой, направленной влево).

Служебные клавиши PRINT SCREEN и PAUSE/BREAK размещаются справа от группы функциональных клавиш и выполняют специфические функ-ции, зависящие от действующей операционной системы. Общепринятыми яв-ляются следующие действия:

• PRINT SCREEN – печать текущего состояния экрана на принтере (для MS–DOS) или сохранение его в специальной области оперативной памяти, на-зываемой буфером обмена (для Windows);

• PAUSE/BREAK – приостановка/прерывание текущего процесса. Две группы клавиш управления курсором расположены справа от алфавит-

но–цифровой панели. Курсором называется экранный элемент, указывающий место ввода знаковой информации. Курсор используется при работе с програм-мами, выполняющими ввод данных и команд с клавиатуры. Клавиши управле-ния курсором позволяют управлять позицией ввода.

Четыре клавиши со стрелками выполняют смещение курсора в направле-нии, указанном стрелкой. Действие прочих клавиш описано ниже.

PAGE UP/PAGE DOWN – перевод курсора на одну страницу вверх или вниз. Понятие «страница» обычно относится к фрагменту документа, видимому на экране. В графических операционных системах (например Windows) этими клавишами выполняют «прокрутку» содержимого в текущем окне. Действие этих клавиш во многих программах может быть модифицировано с помощью служебных регистровых клавиш, в первую очередь SHIFT и CTRL. Конкретный результат модификации зависит от конкретной программы и/или операционной системы.

Клавиши HOME и END переводят курсор в начало или конец текущей строки, соответственно. Их действие также модифицируется регистровыми клавишами.

Традиционное назначение клавиши INSERT состоит в переключении ре-жима ввода данных (переключение между режимами вставки и замены). Если

102

текстовый курсор находится внутри существующего текста, то в режиме встав-ки происходит ввод новых знаков без замены существующих символов (текст как бы раздвигается). В режиме замены новые знаки заменяют текст, имевший-ся ранее в позиции ввода.

В современных программах действие клавиши INSERT может быть иным. Конкретную информацию следует получить в справочной системе программы. Возможно, что действие этой клавиши является настраиваемым – это также за-висит от свойств конкретной программы.

Клавиша DELETE предназначена для удаления знаков, находящихся спра-ва от текущего положения курсора. При этом положение позиции ввода остает-ся неизменным.

Клавиша BACKSPACE служит для удаления знаков, но при ее использова-нии позиция ввода смещается влево, и, соответственно, удаляются символы, находящиеся не справа, а слева от курсора.

Группа клавиш дополнительной панели дублирует действие цифровых и некоторых знаковых клавиш основной панели. Во многих случаях для исполь-зования этой группы клавиш следует предварительно включать клавишу– пере-ключатель NUM LOCK (о состоянии переключателей NUM LOCK, CAPS LOCK и SCROLL LOCK можно судить по светодиодным индикаторам, обычно расположенным в правом верхнем углу клавиатуры).

За дополнительной клавиатурой сохраняется важная функция ввода сим-волов, для которых известен расширенный код ASCII, но неизвестно закрепле-ние за клавишей клавиатуры. Так, например, известно, что символ «§» (пара-граф) имеет код 0167, а символ «°» (угловой градус) имеет код 0176, но соот-ветствующих им клавиш на клавиатуре нет. В таких случаях для их ввода ис-пользуют дополнительную панель.

Порядок ввода символов по известному ALT–коду. 1. Нажать и удержать клавишу ALT. 2. Убедиться в том, что включен переключатель NUM LOCK. 3. Не отпуская клавиши ALT, набрать последовательно на дополнительной

панели ALT–код вводимого символа, например: 0167. 4. Отпустить клавишу ALT. Символ, имеющий код 0167, появится на экра-

не в позиции ввода.

Манипулятор Мышь Мышь – основное устройство позициониро-

вания настольных ПК при работе с графическим режимом отображения данных на мониторе. Представляет собой плоскую коробочку с двумя и более кнопками и, возможно, дополнительны-ми органами управления. Перемещение мыши по плоской поверхности синхронизировано с

перемещением графического объекта (указателя мыши) на экране монитора.

103

В отличие от рассмотренной ранее клавиатуры, мышь не является стан-дартным органом управления, и базовые средства ввода и вывода (BIOS) ком-пьютера, размещенные в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ), не со-держат программных средств для обработки прерываний мыши.

В связи с этим в первый момент после включения компьютера мышь не работает. Она нуждается в поддержке специальной системной программы – драйвера мыши. Драйвер устанавливается либо при первом подключении мы-ши, либо его обеспечивает операционная система компьютера. Драйвер мыши предназначен для интерпретации сигналов, поступающих от нее. Кроме того, он обеспечивает механизм передачи информации о положении и состоянии мыши операционной системе и работающим программам.

По принципу работы они делятся на оптомеханические, оптические (вариан-том данной технологии является лазерная мышь), гироскопические мыши (мышь, оснащенная гироскопом, распознает движение не только на поверхности, но и в пространстве: ее можно взять со стола и управлять движением кисти в воздухе).

В 2009 году фирмой Apple представлена мышь Magic Mouse, являющаяся первой в мире мышью с сен-сорным управлением и поддержкой технологии мульти-тач. Вместо кнопок, колесиков и прочих элементов управления в этой мыши используется сенсорный тач-пад, позволяющий при помощи различных жестов осу-ществлять нажатия, прокрутку в любом направлении, масштабирование картинки, переходы по истории документов и пр.

Основная часть современных мышей имеет интерфейс USB, иногда – с адап-тером для PS/2. Фирма Apple для своих компьютеров в настоящее время поставляет мыши только с интерфейсом Bluetooth, хотя возможно использование и мышей USB.

Беспроводная мышь отличается от обычной наличием устройства беспро-водной связи с системным блоком.

Другие манипуляторы: Трекбол – встроенный в клавиатуру шар, вращение которого вызывает тот же

эффект, что и перемещение мыши. TouchPad – устройство ввода данных, обычно используемое в ноутбуках, в

которых управление курсором осуществляется путем слежения за движениями пальца пользователя.

Джойстик – широко используются в компьютерных играх и тренажерах. Дигитайзер (со световым пером), или графический планшет – это устрой-

ство для ввода рисунков от руки непосредственно в компьютер. Сенсорный экран – предназначен для управления устройствами с помощью

простого прикосновения к экрану. Используются в платежных терминалах, ин-формационных киосках, оборудовании для автоматизации торговли, карманных компьютерах, операторских панелях в промышленности.

104

Другие устройства персонального компьютера

Устройства ввода графических данных

Сканер – устройство автоматического ввода в компью-тер и преобразования в цифровую форму изображений (фо-тографий, рисунков, слайдов), а также текстовых докумен-тов. Сканируемое изображение освещается белым светом (черно-белые сканеры) или тремя цветами (красным, зеле-

ным и синим). Отраженный свет проецируется на линейку фотоэлементов, кото-рая движется, последовательно считывает изображение и преобразует его в ком-пьютерный формат.

Системы распознавания текстовой информации позволяют преобразовать отсканированный текст из графического формата в текстовый. Такие системы способны распознавать текстовые документы на различных языках, представлен-ные в различных формах (например, таблицах) и с различным качеством печати (начиная от машинописных документов).

Сканеры подразделяются на планшетные, рулонные и ручные. Наиболее удоб-ны планшетные сканеры.

Сканеры подключаются к компьютеру различными способами: с помощью SCSI адаптеров, к параллельному или USB портам компьютера.

Устройства вывода данных

К ним относятся принтеры и графопостроители (плоттеры). Принтер формирует изображение построчно. Бумага или другой носитель по-

следовательно протягивается под печатающими головками, которые отображают условную строку изображения.

Основной параметр принтера – разрешение (плотность точек на единицу по-верхности). Чем меньше размер точки, тем выше плотность точек и четче изобра-жение. Плотность точек измеряется в dpi (dots per inch – число точек на квадрат-ный дюйм изображения). Чем выше значение показателя dpi у принтера, тем выше качество печати.

Современные принтеры подключаются к системному блоку через параллель-ный порт или шину USВ.

По способу печати принтеры делятся на струйные, лазерные, ударные, терми-ческие и специальные.

Ударные (матричные) принтеры формируют точки, выталкивая тонкий стер-жень из печатающей головки. Он, ударяя по красящей ленте, оставляет оттиск точки на бумаге. Это самая старая разновидность принтеров. В настоящее время они используются только в специальных целях (печать чеков в кассовых аппара-тах, банкоматах и т. д.). У матричных принтеров размер точек изображения зна-чительно больше, чем у струйных и лазерных. Поэтому существенно хуже качест-во печати.

105

Струйные принтеры формируют точки изображения, выплескивая микро-скопические капли специальных чернил на бумагу. Каждая капля – одна точка изображения.

Почти все современные струйные принтеры поддерживают функцию цвет-ной печати. Цветные струйные принтеры формируют точку изображения, выпле-скивая несколько капель базовых цветов в одну точку.

Лазерные принтеры формируют точки изображения, нагревая лазером или линейкой светодиодов мельчайшие пылинки специального порошка – тонера. Там, где должна быть выведена точка изображения, лазер включается, нагревает тонер, и частица нагретого тонера отпечатывается на бумаге. Технически они яв-ляются более сложными устройствами, чем струйные принтеры. Большинство из них имеют свой мощный процессор и память.

Достоинствами лазерных принтеров являются: быстрая печать текстов и изо-бражений, состоящих из элементов, отображаемых оттенками серого цвета; четкая качественная печать даже на обычной бумаге.

Термические принтеры используют нагрев красителя и перенос его на бумагу в жидкой или газообразной форме. При охлаждении краситель застыва-ет на бумаге, формируя изображение. Термические принтеры позволяют печа-тать высококачественные цветные изображения фотографического качества.

Специализированные принтеры являются частью различных технических устройств и предназначены для печати не только на бумаге, но и на иных носите-лях – картоне, ткани, металле и пр.

Графопостроители (плоттеры) – устройство вывода графических изображений (чертежей, графи-ков, схем, диаграмм).

Бывают планшетные и рулонные. В планшетных устройствах бумага закрепляется

на большом планшете и рисующее перо перемещает-ся вверх–вниз и вправо–влево. В рулонных устройствах перо перемешается толь-ко вправо–влево, а лист протягивается вдоль линии пера. Графопостроители – достаточно дорогие устройства и применяются только в специальных целях – для вычерчивания сложных чертежей, широкоформатных плакатов и т. д.

Флэш-память

Флеш-память – особый вид энергонезависимой (энергия нужна только для записи) перезаписываемой полупроводниковой памяти. Свое название получила благодаря тому, как производится запись и стирание данного вида памяти. Сегодня словосочетание «флеш– память» обозначает широкий класс твердотельных уст-ройств накопителей информации. Отличаются дешевиз-ной, компактностью, механической прочностью, а так-же большим объемом, скоростью работы и низким энергопотреблением.

Самый востребованный вид накопителя информации – USB флеш накопители.

106

USB Flash Drive («флэшка») – тип внешнего носителя информации для компьютера. По функциональному назначению флэш-диски ничем не отлича-ются от всех остальных компьютерных дисков (жесткого диска): это устройства для долговременного энергонезависимого хранения информации с возможно-стью многократной перезаписи. Самое главное их отличие от тривиальных винчестеров заключается в отсутствии каких-либо подвижных механических деталей конструкции. Для хранения информации во флэш-дисках используются микросхемы памяти, выполненные по технологии Flash, которую еще в начале 80-х годов разработала фирма Intel. Емкость этих микросхем постоянно растет при весьма малых габаритах.

При включении устройства в разъем оно автоматически распознается сис-темой и регистрируется. При завершении работы необходимо выполнить от-ключение устройства, после этого оно будет удалено из системы и может быть снято.

Различные современные устройства (цифровые камеры, радиотелефоны, диктофоны) имеют флеш-память – карты памяти. Сегодня можно встретить их различные форматы: Compact Flash, SD (Secure Digital Card), XD – Picture Card, Memory Stick, MMC (Multimedia Card) / SD (Secure Digital Card), MMC (Multi-media Card), Smart Media Card.

Модем Модем – устройство для преобразования данных из цифрового формата в

аналоговый и обратно для передачи их по телефонным линиям. Различают внутренние и внешние модемы. Внутренние модемы выполне-

ны в виде дочерней платы и устанавливаются в PCI–разъем на материнской плате, а внешние подключаются к ПК через последовательный порт или шину USB. В ноутбуках модем может быть интегрирован на материнскую плату или может подключаться через интерфейс PCMCIA.

Существуют также ISDN и ADSL–модемы, которые поддерживают более высокую скорость приема/передачи данных.

Устройство бесперебойного питания (УБП) УБП – устройство, позволяющее выравнивать напряжение электрической

сети и выступать в качестве источника электропитания при временном отклю-чении энергии.

Необходимость использования УБП обусловлена тем, что многие серьез-ные сбои в работе компьютерных систем происходят из-за сбоев в электропи-тании. Особенно это касается сетевых серверов. Поэтому они практически все-гда подключаются к электросети не напрямую, а через УБП.

Интеллектуальные устройства бесперебойного питания могут посылать информацию о переходе на автономное питание процессору, и специальные программы могут обрабатывать эти сообщения для корректного завершения работы компьютерной системы и сохранения данных на энергонезависимых устройствах.

107

Контрольные вопросы 1. Что означают понятия IBM-совместимые и IBM-несовместимые ПК? 2. Что входит в базовую конфигурацию стационарного ПК? 3. Входит ли принтер в базовую конфигурацию компьютера и почему? 4. Входит ли сканер в базовую конфигурацию компьютера и почему? 5. Отличия (достоинства, недостатки) мобильного ПК от стационарного. 6. Что располагается в системном блоке? 7. Какие дочерние платы вы знаете? 8. Перечислите параметры корпуса системного блока. 9. Что располагается на материнской плате? 10. Перечислите основные характеристики материнских плат. 11. Что представляет собой чипсет материнской платы? 12. Что зависит от модели чипсета? 13. Что представляет собой процессор? 14. Из каких основных внутренних схем состоит процессор? 15. Какие фирмы изготавливают процессоры? 16. Перечислите основные параметры процессора. 17. Что характеризует разрядность процессора? 18. Что характеризует тактовая частота процессора? 19. Назначение кэш-памяти процессора. 20. Что вы знаете о «пирамиде» кэш-памяти? 21. Что такое многоядерные процессоры? 22. Что такое шина ПК? 23. Что включает в себя системная шина материнской платы? 24. Какие стандарты используются для подключения дочерних плат? 25. Какие интерфейсы используются для подключения внутренних накопите-

лей? Их отличия. 26. Охарактеризуйте шины USB. 27. Охарактеризуйте шины FireWire. 28. Что представляет собой интерфейс IrDA? 29. Чем отличается последовательный порт ввода–вывода от параллельного? 30. Для чего ранее использовались последовательные и параллельные порты? 31. Что такое оперативная память? Ее назначение. 32. Содержимое какой памяти очищается после выключения компьютера? 33. Что такое ПЗУ? Назначение. 34. Что такое BIOS? Где размещается? 35. Для чего служат программы BIOS? 36. Отличия ПЗУ от ОЗУ. 37. Что такое CMOS? 38. Какие данные хранятся в CMOS? 39. В какой памяти хранится информация о составе оборудования компьютера? 40. Что такое жесткий диск? 41. Опишите принцип действия жесткого диска. 42. Перечислите основные параметры жесткого диска.

108

43. Какое устройство предназначено для долговременного хранения больших объемов данных?

44. Чем отличаются диск с интерфейсом SCSI от диска с интерфейсом IDE? 45. Что выше: скорость доступа к данным, расположенным в оперативной па-

мяти или скорость доступа к данным на жестком диске? 46. Что такое HDD? 47. Что такое видеодаптер? Его назначение. 48. Через какие интерфейсы подключается видеодаптер? 49. Какие функции взял на себя видеоадаптер? 50. Что означает понятие «графический ускоритель»? 51. Назначение звуковой карты. 52. Назовите основной параметр звуковой карты. 53. Что определяет разрядность звуковой карты. 54. От чего зависит качество звука в ПК (параметр)? 55. Приведите классификацию мониторов. 56. Перечислите основные параметры монитора. 57. К чему приводит использование завышенного разрешения экрана? 58. К чему приводит использование заниженного разрешения экрана? 59. Что означает разрешение экрана? 60. Что означает параметр монитора – глубина цвета? 61. Перечислите типы мониторов по принципу формирования изображения. 62. Принцип работы LCD–мониторов. 63. Почему в LCD–мониторах достаточна частота регенерации 60 Гц? Какая

частота желательна в CRT–мониторах? 64. Достоинства и недостатки LCD–мониторов. 65. Через какие интерфейсы подключается клавиатура? 66. Почему клавиатура, в отличие от мыши, реагирует на нажатие клавиш

почти сразу после включения компьютера? 67. Перечислить и охарактеризовать основные группы клавиш клавиатуры. 68. Какие клавиши удаления символов на клавиатуре вы знаете? Их отличия. 69. Как выполнить переключение между нижним и верхним регистрами кла-

виатуры? 70. Какие служебные клавиши вы знаете? Их назначение. 71. Как ввести символ по его коду? 72. Почему мышь, в отличие от клавиатуры, не активна в первый момент по-

сле включения компьютера? 73. Через какие интерфейсы подключается мышь? 74. Перечислите устройства позиционирования. 75. Что такое сканер? 76. Какие типы сканеров вы знаете? 77. Как сканеры подключаются к ПК? 78. Какие устройства вывода данных вы знаете? 79. Какие типы принтеров вы знаете? 80. Назовите основной параметр принтера. В чем он измеряется?

109

81. Как принтеры подключаются к ПК? 82. Назначение плоттера. 83. Назовите типы графопостроителей и их отличия. 84. Охарактеризуйте USB-флеш-накопители. 85. Для чего предназначен модем? 86. Какие типы модемов знаете? 87. Чем отличается внешний модем от внутреннего? Как они подключаются к ПК? 88. Для чего предназначено устройство бесперебойного питания?

110

Логотип проекта GNU

Тема 8. Программное обеспечение

Правовая охрана программ Говоря о создании и распространении программного обеспечения, следует

отметить две основных стратегии, применяемых в этой области. Собственническое, или проприета́рное программное обеспечение

(proprietary software) – это программное обеспечение, которое имеет ограниче-ния на его использование и копирование, обычно требуемые собственником. Предотвращение использования, копирования или модификации могут быть достигнуты правовыми или техническими средствами. Технические средства включают в себя выпуск только машинно-читаемых двоичных файлов, и со-крытия читаемого человеком исходного кода. Правовые средства могут вклю-чать в себя лицензирование ПО, копирайт (copyright, ©) и патенты.

Но, по мнению многих, программирование – это такая же наука, как и хи-мия, физика, математика. Все достижения в этих областях обнародованы. Не нужно открывать еще раз теорему Пифагора и изобретать заново колесо. Если человек живет в обществе, то все его открытия должны стать достоянием этого общества, ведь именно так происходит прогресс. То же можно сказать и о программном обеспечении.

В семидесятых годах 20 века программное обеспечение зачастую разраба-тывалось свободными объединениями программистов и бесплатно передава-лось другим нуждающимся в нем пользователям. Нередко этим занимались да-же крупные фирмы. К 1983 году положение изменилось – наступила эра персо-нальных компьютеров, коммерческие программы и операционные системы (в частности, DOS от Microsoft) начали свое победное шествие по миру. Чуть позже идея коммерциализации проникла и в мир «больших» машин и «серьез-ного» программирования.

Ричард Столлмен, один из основателей ОС Unix, в 1983 году основал проект GNU (проект по разработке сво-бодного программного обеспечения), целью которого было вернуть прежние взаимоотношения производителей и потре-бителей программного обеспечения. GNU (рекурсивный ак-роним от англ. GNU is Not Unix – «GNU – это не Unix») – проект по созданию свободной UNIX–подобной операцион-ной системы.

В рамках проекта GNU в 1988 г. Столлмен совместно с юристами разрабо-тал лицензию GNU General Public License (Открытое лицензионное соглашение GNU) для программного обеспечения. Ее также сокращенно называют GNU GPL, или даже просто GPL, если из контекста понятно, что речь идет именно о данной лицензии.

В манифесте GNU отличию свободных программ от бесплатных уделено очень много места – по-русски же это можно сказать гораздо короче, поскольку эти понятия не обозначаются, как в английском, одним словом free. Получив в

111

Логотип проекта Open Source

пользование или купив свободную программу, вы легально, не нарушая ничьих авторских прав, можете:

сколько угодно копировать, как угодно широко ее распространять; изменять или совершенствовать ее исходный код (программа, рас-

пространяемая по публичной лицензии GNU, всегда поставляется вместе с исходным кодом разработчика – этой самой строго охра-няемой и никогда не раскрываемой частью коммерческих программ);

и, наконец, свободно распоряжаться измененной версией – хоть раз-давать ее даром, хоть запрашивать за нее миллиард.

Только на одну вещь пользователь такого программного обеспечения не имеет права ни в коем случае. Он не может при дальнейшем распространении скрыть исходный код программы, объявив себя его владельцем, и остановить, таким образом, свободное совершенствование и развитие программы. Специ-ально для таких программ проект GNU ввел в обиход понятие copyleft (в отли-чие от copyright), когда создатель продукта сохраняет на него практически все авторские и имущественные права при любых обстоятельствах – даже если и распространяет его совершенно бесплатно.

Итак, свобода программного обеспечения состоит из: свободы читать (изучать) код; свободы писать (модифицировать) код; свободы распространять (публиковать, тиражировать) код.

ПО с открытым кодом (Open source) Программное обеспечение с открытым исходным кодом

(Open source) – способ разработки ПО, при котором создавае-мый исходный код программ открыт, т. е. общедоступен для просмотра и изменения. Это позволяет всем желающим ис-пользовать уже созданный код для своих нужд и, возможно, помочь в разработке открытой программы.

«Открытая» лицензия не требует, чтобы ПО всегда пре-доставлялось бесплатно. Но многие из наиболее успешных проектов «открытого» ПО, тем не менее, бесплатны.

Подавляющее большинство открытых программ является одновременно свободными (GNU GPL) и наоборот, ибо определения открытого и свободного ПО близки, а большинство лицензий соответствуют обоим.

Отличие между движениями открытого ПО и свободного ПО заключается в основном в приоритетах. Сторонники открытого ПО делают упор на эффек-тивность открытых исходных кодов программ как метода разработки, модерни-зации и сопровождения программ. Сторонники свободного ПО исходят из идеологических соображений и считают, что именно права на распространение, модификацию и изучение программ являются главным достоинством свободного ПО.

Используя нелицензионное (пиратское) ПО, защищенное лицензией copyright, вы нарушаете законодательство о защите авторских прав.

112

Уровни программного обеспечения В соответствии с принципом программного управления любой компьютер

можно рассматривать как совокупность аппаратной (или технической) и про-граммной частей. Программное и аппаратное обеспечение в компьютере рабо-тают в неразрывной связи и взаимодействии. Многие программы работают, опираясь на другие программы более низкого уровня, т. е. мы можем говорить

о пирамиде программного обеспечения (ПО). Каждый следующий уровень опирается на

программное обеспечение предшествующих уров-ней. Каждый вышележащий уровень повышает функциональность всей системы. Так, например, вычислительная система с программным обеспе-чением базового уровня не способна выполнять большинство функций, но зато позволяет устано-вить системное программное обеспечение.

Базовый уровень. Самый низкий уровень программного обеспечения представляет базовое программное обеспечение. Оно отвечает за взаимодейст-вие с базовыми аппаратными средствами. Базовые программные средства (к ним относится BIOS), как правило, непосредственно входят в состав базового оборудования и хранятся в специальных микросхемах, называемых постоян-ными запоминающими устройствами (ПЗУ – Read Only Memory, ROM). Про-граммы и данные записываются («прошиваются») в микросхемы ПЗУ на этапе производства и не могут быть изменены в процессе эксплуатации.

Системный уровень. Системный уровень – переходный. Программы, ра-ботающие на этом уровне, обеспечивают взаимодействие прочих программ компьютерной системы с программами базового уровня и непосредственно с аппаратным обеспечением, то есть выполняют «посреднические» функции.

От программного обеспечения этого уровня во многом зависят эксплуата-ционные показатели всей вычислительной системы в целом. Так, например, при подключении к вычислительной системе нового оборудования на системном уровне должна быть установлена программа, обеспечивающая для других про-грамм взаимосвязь с этим оборудованием. Конкретные программы, отвечаю-щие за взаимодействие с конкретными устройствами, называются драйверами устройств – они входят в состав программного обеспечения системного уровня.

Совокупность программного обеспечения системного уровня образует яд-ро операционной системы компьютера. Полное понятие операционной системы мы рассмотрим несколько позже, а здесь только отметим, что если компьютер оснащен программным обеспечением системного уровня, то он уже подготов-лен к установке программ более высоких уровней, к взаимодействию про-граммных средств с оборудованием и, самое главное, к взаимодействию с поль-зователем. Наличие операционной системы – непременное условие для воз-можности практической работы человека с вычислительной системой.

Служебный уровень. Программное обеспечение этого уровня взаимодей-ствует как с программами базового уровня, так и с программами системного

113

уровня. Служебные программы (их также называют утилитами) используются для расширения или улучшения функций системных программ. Некоторые служебные программы (как правило, это программы обслуживания) изначально включают в состав операционной системы, но большинство служебных про-грамм являются для операционной системы внешними и служат для расшире-ния ее функций.

Прикладной уровень. Программное обеспечение прикладного уровня представляет собой комплекс прикладных программ, с помощью которых на данном рабочем месте выполняются конкретные задания. Спектр этих заданий необычайно широк – от производственных до творческих и развлекательно-обучающих.

Классификация программных средств Мы рассмотрели взаимодействие между собой различных уровней ПО.

Рассмотрим общую классификацию ПО (см. рис. 8.1). Программное обеспечение, можно условно разделить на три категории: 1) системное ПО (программы общего пользования), обеспечивающее ра-

боту компьютера и его взаимодействие с пользователем; 2) инструментальное ПО (системы программирования), обеспечивающее

разработку новых программ для компьютера на языке программирования; 3) прикладное ПО, обеспечивающее выполнение конкретных работ на ПК:

редактирование текстовых документов, создание рисунков или карти-нок, обработка информационных массивов и т. д.

По признаку – длительность нахождения в оперативной памяти – про-

граммы делятся на резидентные и нерезидентные. Резидентные программы – это программы, на протяжении всей работы

компьютера находящиеся в его оперативной памяти. Их постоянное присутст-вие в ОЗУ связано с тем, что эти программы на протяжении всего периода включения компьютера следят за его состоянием. Это операционная система, антивирусные программы.

Нерезидентные программы – это программы, которые по окончании своей работы выгружаются полностью или частично из ОЗУ. Это, например, при-кладные программы.

114

Рис. 8.1. Классификация программного обеспечения

Системное ПО (system software)

Это программы общего пользования не связаны с конкретным применени-ем ПК и выполняют традиционные функции: планирование и управление зада-чами, управления вводом–выводом и т. д.

К системному ПО (СПО) относятся: операционные системы – обязательная и самая важная часть СПО, обес-

печивающая эффективное функционирование ПК в различных режимах, орга-низующая выполнение программ и взаимодействие пользователя и внешних устройств с компьютером (загружается в ОЗУ с жесткого диска после включе-ния компьютера и выполнения базовых программ BIOS);

операционные оболочки – интерфейсные системы, которые используют-ся для создания графических интерфейсов (в настоящее время, когда операци-онные системы обладают высокоразвитым графическим интерфейсом и имеют встроенные средства для выполнения системных операций, наличие операци-онных оболочек – скорее дань традиции, чем необходимость);

драйверы (программы, предназначенные для управления периферийны-ми устройствами);

утилиты (вспомогательные или служебные программы, которые пред-ставляют пользователю ряд дополнительных услуг);

системы технического обслуживания (облегчающие диагностику, тести-рование оборудования и поиск неисправностей в ПК).

115

Операционные системы (ОС) При включении компьютера ядро ОС переписывается с жесткого диска во

внутреннюю память и там находится на протяжении всего сеанса работы ком-пьютера.

Операционная система – это совокупность программ, управляющих рабо-той всех устройств ПК и процессом выполнения прикладных программ.

Операционная система обеспечивает: выполнение прикладных программ; управление ресурсами компьютера – памятью, процессором и всеми

внешними устройствами; взаимодействие человека с компьютером.

Важной частью операционной системой является файловая система ОС (см. Раздел «Файловая система»).

К наиболее известным операционным системам относятся: MS–DOS, OS/2, Unix, Linux, Windows.

На начальном этапе развития средств вычислительной техники на боль-шинстве ПК была установлена операционная система MS DOS (MS Disk Operat-ing System – дисковая операционная система фирмы Microsoft) или один из ее аналогов, например PC DOS (Personal Computer Disk Operating System – диско-вая операционная система персональных компьютеров) фирмы IBM либо Novell DOS фирмы Novell. Операционные системы семейства DOS, несмотря на свою простоту и экономичность, морально устарели, и на смену им пришли операци-онные системы нового поколения.

Главным требованием, предъявляемым к операционной системе, является способность выполнения основных функций: эффективное управление ресур-сами и обеспечение удобного интерфейса для пользователя и прикладных про-грамм. В связи с этим современные операционные системы должны обеспечивать:

• многозадачность – способность обеспечивать выполнение нескольких программ одновременно;

• развитый графический пользовательский интерфейс; • использование всех возможностей, предоставляемых современными мик-

ропроцессорами; • устойчивость в работе и защищенность; • полная независимость от аппаратуры (поддержка всех видов периферий-

ного оборудования); • средства обеспечения компьютерной безопасности и др.; • поддержку сетевых функций

Классификация операционных систем Операционные системы различаются особенностями реализации алгорит-

мов управления ресурсами компьютера, областями использования и по многим другим признакам. В зависимости от особенностей алгоритма управления про-цессором операционные системы делятся на однозадачные и многозадачные,

116

однопользовательские и многопользовательские, на однопроцессорные и мно-гопроцессорные.

Поддержка многозадачности. По числу одновременно выполняемых за-дач операционные системы делятся на два класса:

однозадачные (например, MS DOS); многозадачные (OS/2, Unix, ОС семейства Windows).

Многозадачные ОС управляют разделением совместно используемых ре-сурсов, таких как процессор, оперативная память, файлы и внешние устройства.

В зависимости от областей использования многозадачные ОС подразделя-

ются на три типа: системы пакетной обработки (OC EC) системы с разделением времени (Unix, Windows, Linux); системы реального времени (QNX, RT–11, Android –ОС РВ на осно-

ве Linux для мобильных устройств). Системы пакетной обработки – без непосредственного доступа пользова-

теля, а с предварительным сбором и формированием всего блока (пакета) про-грамм, подлежащих выполнению.

Главной целью и критерием эффективности систем пакетной обработки является максимальная пропускная способность, то есть решение максимально-го числа задач в единицу времени. Для достижения этой цели в системах пакет-ной обработки используется следующая схема функционирования: в начале ра-боты формируется пакет заданий, каждое задание содержит требование к сис-темным ресурсам; из этого пакета заданий формируется множество одновре-

Многозадачные ОС

системы пакетной обработки

системы разделения времени

системы реального времени

максимальная пропускная способность

удобство и эффектив-ность работы пользователя

выдерживать заранее заданные интервалы времени между

запуском программы и получением результата

критерий эффективности

117

менно выполняемых задач. Для одновременного выполнения выбираются зада-чи, предъявляющие отличающиеся требования к ресурсам, так, чтобы обеспе-чивалась сбалансированная загрузка всех устройств вычислительной машины; так, например, в мультипрограммном множестве желательно одновременное присутствие вычислительных задач и задач с интенсивным вводом–выводом. Таким образом, выбор нового задания из пакета заданий зависит от внутренней ситуации, складывающейся в системе, то есть выбирается «выгодное» задание. Следовательно, в таких ОС невозможно гарантировать выполнение того или иного задания в течение определенного периода времени. Таким образом, взаи-модействие пользователя с вычислительной машиной, на которой установлена система пакетной обработки, сводится к тому, что он приносит задание, отдает его диспетчеру–оператору, а в конце дня после выполнения всего пакета зада-ний получает результат. Очевидно, что такой порядок снижает эффективность работы пользователя.

Первые ОС были системами пакетной обработки, которые просто автома-тизировали запуск одной программы за другой и тем самым увеличивали коэф-фициент загрузки процессора.

В системах с разделением времени каждой задаче выделяется небольшой квант процессорного времени, ни одна задача не занимает процессор надолго, и время ответа оказывается приемлемым. Если квант выбран достаточно не-большим, то это предполагает параллельное выполнение нескольких программ, существующих в рамках одной вычислительной системы. Ясно, что подобные системы обладают меньшей пропускной способностью, чем системы пакетной обработки, так как на выполнение принимается каждая запущенная пользовате-лем задача, а не та, которая «выгодна» системе. Критерием эффективности сис-тем с разделением времени является не максимальная пропускная способность процессора, а эффективность работы пользователя в интерактивном режиме.

Системы реального времени (ОС РВ) применяются для управления раз-личными техническими объектами (таким, как станок, спутник, научная экспе-риментальная установка) или технологическими процессами (гальваническая линия, доменный процесс и т. п.). Применяют ОС РВ и в банковском деле. Кри-терием эффективности для систем реального времени является их способность выдерживать заранее заданные интервалы времени между запуском программы и получением результата (управляющего воздействия). Это время называется временем реакции системы, а соответствующее свойство системы – реактивностью.

Некоторые операционные системы могут совмещать в себе свойства сис-тем разных типов, например, часть задач может выполняться в режиме пакет-ной обработки, а часть – в режиме реального времени или в режиме разделения времени. В таких случаях режим пакетной обработки часто называют фоновым режимом.

Поддержка многопользовательского режима. По числу одновременно работающих пользователей ОС могут быть разделены на

однопользовательские (MS DOS, Windows 3.x, ранние версии OS/2); многопользовательские (Unix, Windows NT).

118

Главным отличием многопользовательских систем от однопользователь-ских является наличие средств защиты информации каждого пользователя от несанкционированного доступа других пользователей. Не всякая многозадачная система является многопользовательской и не всякая однопользовательская ОС является однозадачной.

Многопроцессорная обработка. Другим важным свойством ОС является отсутствие или наличие в ней средств поддержки многопроцессорной обработ-ки. В наши дни становиться общепринятым введение в ОС функций поддержки многопроцессорной обработки данных.

Многопроцессорные ОС могут классифицироваться по способу организа-ции вычислительного процесса в системе с многопроцессорной архитектурой: асимметричные ОС и симметричные ОС. Асимметричная ОС целиком выпол-няется только на одном из процессоров системы, распределяя прикладные зада-чи по остальным процессорам. Симметричная ОС полностью децентрализована и использует все количество процессоров, разделяя их между системными и прикладными задачами.

Мы рассмотрели характеристики ОС, связанные с управлением только од-ним типом ресурсов – процессором.

На свойства операционной системы непосредственное влияние оказывают аппаратные средства, на которые она ориентирована. По типу аппаратуры раз-личают операционные системы персональных компьютеров, мини-компьютеров, мейнфреймов, кластеров и сетей ЭВМ. Очевидно, что ОС боль-шой машины является более сложной и функциональной, чем ОС персонального компьютера.

Одним из важных признаков классификации ОС является поддержка се-тевых возможностей. По этому признаку ОС делятся на сетевые и локальные. Сетевые ОС предназначены для управления ресурсами компьютера, объеди-ненных в сеть с целью совместимого использования данных. Они представляют мощное средство разграничения доступа к информации, ее целостности и со-хранности, а также другие возможности использования сетевых ресурсов. Сете-вая ОС составляет основу любой вычислительной сети. В сетевой ОС отдель-ной машины можно выделить несколько частей:

средства управления локальными ресурсами компьютера: функции рас-пределения оперативной памяти между планированием и диспетчеризацией процессов, управление процессорами в многопроцессорных машинах, управле-ние периферийными устройствами и другие функции управления ресурсами локальных ОС;

средства предоставления собственных ресурсов и услуг в общее пользо-вание – серверная часть ОС (сервер). Эти средства обеспечивают, например, блокировку файлов и записей, что необходимо для их совместного использова-ния; введение справочников имен сетевых ресурсов; обработку запросов уда-ленного доступа к собственной файловой системе и базе данных; управление очередями запросов удаленных пользователей к своим периферийным устрой-ствам;

119

средства запроса доступа к удаленным ресурсам и услугам и их исполь-зование – клиентская часть ОС. Эта часть выполняет распознавание и перена-правление в сеть запросов к удаленным ресурсам от приложений и пользовате-лей, при этом запрос поступает от приложения в локальной форме, а передается в сеть в другой форме, соответствующей требованиям сервера. Клиентская часть также осуществляет прием ответов от сервера и преобразования их в ло-кальный формат, так что для приложения выполнение локальных и удаленных запросов не различимо;

коммуникационные средства ОС, с помощью которых происходит об-мен сообщениями в сети. Эта часть обеспечивает адресацию и буферизацию сообщения, выбор маршрута передачи сообщения по сети, надежность переда-чи и т. п., т. е. является средством транспортировки сообщений.

В зависимости от функций, возлагаемых на конкретный компьютер, в его ОС может отсутствовать либо клиентская, либо серверная часть.

Примерами сетевых ОС являются операционные системы семейства NetWare фирмы Novell (Novell – это крупнейшая фирма, которой принадлежит, согласно различным источникам, от 65% до 75% рынка сетевых операционных систем для локальных вычислительных сетей), ОС Windows NT фирмы Microsoft, различные версии операционной системы UNIX.

По типу организации интерфейса ОС делятся на ОС: с командным интерфейсом – пользователь должен хорошо знать

файловую систему и команды операционной системы и вводить их с кла-виатуры в командную строку, имеющуюся на экране монитора (MS DOS, UNIX, Linux);

с интерфейсом в виде графических меню – пользователь должен ориентироваться в многочисленных меню и панелях инструментов и уметь выбрать в этих меню нужные команды и файлы по условным графическим значкам; интерфейс этого типа реализуется операционными системами с графическим интерфейсом (Windows, начиная с 9x и выше).

Роль и место UNIX в истории ОС ОС UNIX имеет долгую и интересную историю. Начавшись как несерьез-

ный и почти «игрушечный» проект молодых исследователей, UNIX стал мно-гомиллионной индустрией, включив в свою орбиту университеты, многонацио-нальные корпорации, правительства и международные организации стандартизации.

За полвека существования операционные системы прошли сложный путь, огромное влияние на который оказало развитие вычислительной аппаратуры. Хотя большинство алгоритмов и подходов в операционных системах было раз-работано в 1960–1970-х годах, в настоящее время операционные системы про-должают развиваться и видоизменяться согласно потребностям пользователей. Можно выделить три основные характеристики, ставшие уже обязательными для большинства операционных систем: переносимость между различными ап-паратными архитектурами, многозадачность и многопользовательский режим работы.

120

В этом разделе не будет излагаться подробная и полная история операци-онных систем вообще и даже долгая и запутанная история самой UNIX – за этим стоит обратиться к специальным изданиям. Здесь будет только обозначена роль UNIX в развитии самого представления о том, что такое «операционная система» и основные этапы распространения UNIX в разных типах вычисли-тельных систем.

Что было до операционных систем. С середины 1950-х годов началось бурное развитие вычислительной техники, связанное с появлением полупро-водниковых элементов. В эти годы появились первые алгоритмические языки (Фортран, Кобол), а следовательно и первые системные программы – компиля-торы. Появились первые системы пакетной обработки, которые просто автома-тизировали запуск одной программ за другой и тем самым увеличивали коэф-фициент загрузки процессора. Системы пакетной обработки явились прообра-зом современных операционных систем, они стали первыми системными про-граммами, предназначенными для управления вычислительным процессом. Со-вокупность нескольких заданий, как правило, в виде колоды перфокарт, полу-чила название пакета заданий.

Операционные системы для мэйнфреймов. Следующий важный период развития вычислительных машин относится к 1965–1980 годам. В это время в технической базе произошел переход от отдельных полупроводниковых эле-ментов типа транзисторов к интегральным микросхемам, что дало гораздо большие возможности новому, третьему поколению компьютеров.

Для этого периода характерно также создание семейств программно-совместимых машин. Первым семейством программно-совместимых машин, построенных на интегральных микросхемах, явилась серия машин IBM/360.

Программная совместимость требовала и совместимости операционных систем. Такие операционные системы должны были бы работать и на больших, и на малых вычислительных системах, с большим и с малым количеством раз-нообразной периферии, в коммерческой области и в области научных исследований.

Несмотря на необозримые размеры и множество проблем, OS/360 и другие ей подобные операционные системы машин третьего поколения действительно удовлетворяли большинству требований потребителей. Важнейшим достиже-нием ОС данного поколения явилась реализация мультипрограммирования – способа организации вычислительного процесса, при котором в памяти компь-ютера одновременно находится несколько программ, попеременно выполняю-щихся на одном процессоре. Наряду с мультипрограммной реализацией систем пакетной обработки появился новый тип ОС – системы разделения времени. Вариант мультипрограммирования, применяемый в системах разделения вре-мени, нацелен на создание для каждого отдельного пользователя иллюзии еди-ноличного использования вычислительной машины.

Появление операционной системы UNIX. В середине 1970-х годов наря-ду с мэйнфреймами получили широкое распространение мини– компьютеры, такие как PDP–11. Архитектура таких компьютеров была заметно упрощена по сравнению с мэйнфреймами (что значительно снижало стоимость – с миллио-

121

нов до сотен тысяч долларов), что сказалось на операционных системах для этих компьютеров.

Важным этапом в истории мини-компьютеров и операционных систем в целом явилось появление операционной системы UNIX в лаборатории Bell Labs компании AT&T.

Изначально она была разработана для мини-компьютера PDP–7 и включа-ла в себя множество архитектурных особенностей более сложных операцион-ных систем, такие как разделение времени и многопользовательская работа. В 1970-х годах началось массовое использование операционной системы UNIX, к этому времени она была переписана на языке программирования высокого уровня С, что заметно облегчило ее переносимость. Поскольку эта операцион-ная система распространялась вместе с исходными текстами, она стала первой операционной системой, в которую могли вносить изменения энтузиасты. Очень значительную роль открытые исходные тексты UNIX сыграли в распро-странении этой системы в образовательной и научной среде, прежде всего в университетах. Наиболее известен в этой области проект BSD (Berkley Software Distribution) – академическая версия UNIX, созданная в университете Беркли. Впоследствии BSD стал основой для очень многих коммерческих и некоммер-ческих проектов, в том числе широко распространенной сегодня свободной реализации UNIX – FreeBSD.

Удачные архитектурные решения UNIX, гибкость, элегантность, мощные функциональные возможности и открытость позволили этой операционной системе завоевать рынок не только мини-компьютеров, но и мэйнфреймов, сер-веров, рабочих станций на базе RISC–процессоров. Многие появившиеся впо-следствии операционные системы позаимствовали некоторые ключевые идеи UNIX: переносимость на основе языка C, иерархическую файловую систему, интерфейс командной строки.

Развитие операционных систем в глобальных сетях. В начале 1980-х годов в рамках экспериментальной сети ARPANET впервые появился рабочий вариант стека протоколов TCP/IP. Переход на TCP/IP был ускорен еще и тем, что его первая реализация была создана в рамках BSD UNIX . Новая глобальная сеть, получившая название интернет, стала средой для развития информацион-ных технологий, создания всевозможных сообществ разработчиков и развития открытых систем. Кроме того, несколько позже BSD стала основой свободной сегодня широко распространенной реализации UNIX – FreeBSD.

В этот период появляется множество коммерческих версий операционной системы UNIX: SunOS (в дальнейшем Solaris), HP–UX, Irix, AIX и многие дру-гие. Разнообразие версий породило проблему их несовместимости, которую пе-риодически пытались решать различные организации. В результате были при-няты стандарты POSIX (Portable Operation System Interface based on uniX – ин-терфейс для переносимых операционных систем, основанных на UNIX), вклю-чающие формальное описание программного интерфейса операционной систе-мы, описание командной оболочки, политики безопасности и т. п.

122

Операционные системы для персональных компьютеров. Следующий период в эволюции операционных систем связан с появлением больших инте-гральных схем (БИС). В эти годы произошло резкое возрастание степени инте-грации и удешевление микросхем. Компьютер стал доступен отдельному чело-веку, и наступила эра персональных компьютеров. С точки зрения архитектуры персональные компьютеры ничем не отличались от класса миникомпьютеров типа PDP–11, но вот цена у них существенно отличалась. Если миникомпьютер дал возможность иметь собственную вычислительную машину отделу пред-приятия или университету, то персональный компьютер сделал это возможным для отдельного человека.

Первые операционные системы для персональных компьютеров были очень просты, хотя бы в силу весьма ограниченных ресурсов. Наглядным при-мером может служить DOS, получивший весьма широкое распространение в версии MS–DOS. По сравнению с операционными системами для «настоящих» компьютеров операционные системы для ПК не имели многих существенных свойств: в частности многозадачности и многопользовательской работы. Одна-ко основные области применения ПК требовали не этого, поэтому недостатки в функциональности ОС компенсировались активным развитием графического интерфейса пользователя. В частности, MacOS для компьютеров Macintosh (в ранних версиях называвшаяся попросту System Software) была одной из пер-вых операционных систем, которая вообще не имела интерфейса командной строки, а управлялась исключительно средствами графического интерфейса. Со временем подобные операционные системы (например, Microsoft Windows) получили сетевую подсистему и возможность работать с несколькими про-граммами одновременно.

В первую очередь, благодаря низкой стоимости аппаратного и программ-ного обеспечения, персональные компьютеры начали вытеснять прежде рас-пространенные рабочие станции и мэйнфреймы. На домашних и офисных ком-пьютерах в 1980-е повсеместно распространились персональные компьютеры в основном от IBM/PС, а вместе с ними и операционные системы компании Microsoft. В этот период наследники UNIX занимали более «промышленную» нишу в вычислительных технологиях (крупные вычислительные центры, сети).

К концу 1980-х персональные компьютеры были уже далеко не так огра-ничены в ресурсах, как на десять лет раньше, развивалась и архитектура про-цессоров, что в целом создало возможность реализации на ПК многозадачных и многопользовательских систем. К таким системам относятся OS/2 фирмы IBM (не получила широкого распространения) и Windows NT. Кроме того, появилась и была реализована возможность перенести на ПК и UNIX. Первый такой опыт был сделан Эндрю Танненбаумом в образовательных целях: он создал систему MINIX (MINimal unIX), которую можно было использовать на IBM/PC в обра-зовательных целях для демонстрации некоторых основных принципов опера-ционных систем. Однако MINIX никогда не был полноценной операционной системой для повседневной работы.

123

Логотип ОС GNU/Linux –

пингвиненок Tux

Заслуга полноценного переноса UNIX на IBM/PC принадлежит Линусу Торвальдсу, который в 1991 году опубликовал первую версию написанной им реализации ядра UNIX–совместимой операционной системы для IBM/PC x386, известной сегодня как Linux. Благодаря открытой публикации и активному уча-стию множества этузиастов, Linux динамично развивался и быстро стал полно-ценной и современной операционной системой и дал путь широкому распро-странению идей и технологий UNIX в том числе и на персональных компьюте-рах. Linux как реализация UNIX был в свою очередь перенесен и на другие вы-числительные архитектуры.

Технологии UNIX пришли и на современные персональные компьютеры Macintosh: начиная с версии 10 (Mac OS X), вся базовая часть операционной системы Mac OS, работающая с ресурсами и оборудованием, представляет со-бой один из вариантов FreeBSD – Darwin.

Операционные системы для встраиваемых систем. В начале 21-го века широкое распространение получили встраиваемые и мобильные устройства. Благодаря развитию вычислительных систем такие устройства, как мобильные телефоны или домашние бытовые приборы обрели возможности, сравнимые с персональными компьютерами. В настоящее время в этой области существует множество операционных систем, среди которых все большую роль начинают играть открытые операционные системы, наследующие архитектуру и принци-пы работы UNIX. Например, с 2005 года Linux устанавливается уже более чем на половине всех встраиваемых устройств, а сфера бытовых роботов сейчас почти полностью занята этой операционной системой.

Такой разный UNIX. Операционная система UNIX оказала значительное влияние на все операционные системы последних десятилетий. Однако многие из них являются прямыми наследниками той операционной системы, что была создана в стенах Bell Labs. Само же слово «unix» (здесь слово сознательно на-писано с маленькой буквы, так как термин «UNIX» является зарегистрирован-ной торговой маркой и, строго говоря, может ставиться в соответствие только сертифицированным системам) стало обозначать целый класс операционных систем со схожей архитектурой, интерфейсом и набором программного обеспече-ния.

Итак, UNIX – многопользовательская, многозадачная ОС, включает в себя достаточно мощные средства защиты программ и файлов различных пользова-телей. Большая часть системных программ ОС UNIX написана на языке С (а не на ассемблере, как в DOS и OS/2) и она (за исключением не-большого ядра) является машинно-независимой, что обеспечи-вает высокую мобильность ОС и легкую переносимость при-кладных программ на универсальные компьютеры, мини-компьютеры и ПК различной архитектуры. Для небольших од-нопользовательских систем на базе ПК она чаще всего является избыточной.

ОС GNU/Linux. Операционная система GNU/Linux (про-износится «гну ли́нукс») – свободная UNIX–подобная операци-

124

онная система. Обычно, по историческим причинам и для краткости, эта систе-ма называется просто «Linux». Это самая мощная альтернатива MS Windows, популярная в качестве серверной и резко набирающая популярность в качестве настольной (desktop) операционной системы в последние годы, в связи с усиле-нием контроля за соблюдением лицензионного использования ОС Windows со стороны Microsoft.

К операционной системе GNU/Linux также часто относят программы, до-полняющие эту операционную систему, и прикладные программы, делающие её полноценной многофункциональной операционной средой.

В отличие от большинства других операционных систем, GNU/Linux не имеет единой «официальной» комплектации. Вместо этого GNU/Linux постав-ляется в большом количестве так называемых дистрибутивов, в которых про-граммы GNU соединяются с ядром Linux и другими программами.

GNU/Linux не имеет географического центра разработки. Нет и организа-ции, которая владела бы этой системой; нет даже единого координационного центра. Программы для GNU/Linux – результат работы тысяч проектов. Неко-торые из этих проектов централизованы, некоторые сосредоточены в фирмах, но большинство объединяют программистов со всего света, которые знакомы только по переписке. Создать свой проект или присоединиться к уже сущест-вующему может любой, и, в случае успеха, результаты работы станут известны миллионам пользователей. Пользователи принимают участие в тестировании свободных программ, общаются с разработчиками напрямую, что позволяет быстро находить и исправлять ошибки и реализовывать новые возможности.

Операционные системы Windows

Операционные системы Windows – это семейство операционных систем, включающее: Windows 3.1, Windows for Workgroups 3.11, Windows 9x (95, 99), Windows NT, Windows 2000, Windows ME, Windows XP, Windows Vista, Win-dows 7 (первые две обычно называют операционными оболочками, поскольку они работали поверх ОС DOS).

Windows 95 – гибридная 16- и 32-разрядная графическая операционная система, выпущенная 24 августа 1995 года корпорацией Microsoft. Русская вер-сия поступила в продажу 10 ноября 1995 года. Это первая система семейства Windows, интерфейс которой используется во всех последующих версиях Windows: именно в ней появились такие элементы графического интерфейса, как рабочий стол со значками, панель задач и меню «Пуск».

Windows 95 – результат объединения продуктов MS–DOS и Windows, ко-торые ранее распространялись отдельно.

Windows 98 – графическая операционная система, выпущенная корпора-цией Майкрософт 25 июня 1998 года. По сути, данная операционная система – это обновленная версия Windows 95, по-прежнему являющаяся гибридным 16/32-разрядным продуктом, основанном на MS–DOS.

При работе в Windows 9x можно использовать длинные, достаточно ин-формативные имена файлов, можно перемещать любые объекты в любое место

125

экрана и в любом месте экрана вызвать контекстное меню и получить контек-стную помощь.

Windows Me (Windows Millennium Edition) – смешанная 16/32-разрядная операционная система, выпущенная корпорацией Microsoft 14 сентября 2000 года. Была названа так в честь нового III тысячелетия (лат. millennium – тысячелетие). От своих предшественниц – Windows 95 и Windows 98 отличает-ся относительно небольшими обновлениями. Одно из наиболее заметных изме-нений в Windows ME – в стандартной конфигурации системы заблокирован ре-альный режим MS–DOS, из-за чего нельзя пользоваться программами, требую-щими этот режим. Однако с помощью специальных утилит эту функцию можно разблокировать.

Windows NT (NT – New Technology) – линейка операционных систем (ОС) производства корпорации Microsoft и название первых версий ОС. Перед новой ОС были поставлены задачи повышения надежности и эффективной поддержки сетевой работы.

Windows NT была разработана «с нуля», развивалась отдельно от других ОС семейства Windows (Windows 3.x и Windows 9x) и, в отличие от них, пози-ционировалась как надежное решение для рабочих станций (Windows NT Workstation) и серверов (Windows NT Server).

Windows NT дала начало семейству операционных систем, в которое вхо-дят Windows 2000, Windows XP, Windows Server 2003, Windows Vista, Windows Server 2008, Windows 7.1.

История разработки Разработка Windows NT под рабочим названием NT OS/2 была начата в

ноябре 1988 года группой специалистов во главе с Дэвидом Катлером (англ. Dave Cutler), которая перешла в Microsoft из DEC, где они разрабатывали VAX и VMS. Работа шла параллельно с разработкой фирмой IBM собственной ОС – OS/2 2.0, которая окончательно вышла только в апреле 1992 года. Одновремен-но с этим фирма Microsoft продолжала разрабатывать свои ОС семейства DOS и Windows, отличающиеся меньшими требованиями к ресурсам компьютера, чем IBM OS/2. После того, как в мае 1990 года была выпущена Windows 3.0, Microsoft решила добавить в NT OS/2 программный интерфейс (API), совмес-тимый с Windows API. Это решение вызвало серьезные трения между фирмами Microsoft и IBM, которые закончилась разрывом совместной работы. IBM про-должила разработку OS/2 самостоятельно, а Microsoft стала работать над сис-темой, которая была в итоге выпущена под названием Windows NT. Хотя эта система не принесла немедленной популярности, подобно DOS или Windows, Windows NT оказалась существенно более успешной, чем OS/2.

Отличительными чертами операционной системы Windows NT являются: встроенная сетевая поддержка – в отличие от других ОС, Windows NT

изначально создавалась с учетом работы в вычислительной сети, поэтому в ин-терфейс пользователя встроены функции совместного использования сетевых файлов, устройств и объектов;

приоритетная многозадачность, позволяющая приложениям с более вы-

126

соким приоритетом вытеснять менее приоритетные приложения, что приводит, в частности, к более эффективному использованию машинного времени ввиду автоматической ликвидации зависания системы при выполнении «сбойного» приложения;

присутствие достаточно мощных средств защиты файлов различных пользователей от несанкционированного доступа; наличие многоуровневого доступа к ресурсам с назначением пользователям уровня доступа в соответст-вии с их компетенцией;

поддержка нескольких файловых систем кроме файловой системы FAT, понимаемой всеми версиями Windows, Windows NT имеет собственную файло-вую систему (NTFS);

поддержка широкого спектра компьютерных платформ, в том числе и мультипроцессорных вычислительных систем.

Windows 2000 (Windows NT 5.0) – операционная система семейства Windows NT компании Microsoft, предназначенная для работы на компьютерах с 32-битными процессорами.

Первая бета-версия системы была выпущена 27 сентября 1997 года. Изна-чально система носила название Windows NT 5.0, поскольку была следующей крупной версией Windows NT после Windows NT 4.0. Однако 27 октября 1998 года она получила собственное название Windows 2000. Финальная версия системы была выпущена для широкой общественности 17 февраля 2000 года.

Windows XP. 25 октября 2001 года вышла знаменитая Windows XP, про-должательница Windows 2000 Professional. Совершенно новый интерфейс, вы-сокая отказоустойчивость, универсальность, мультимедийность, мобильность (имеются ввиду ноутбуки), многочисленные издания: для дома или для работы – сделали эту систему одной из самых популярных в мире. В отличие от преды-дущей системы Windows 2000, которая поставлялась как в серверном, так и в клиентском вариантах, Windows XP является исключительно клиентской сис-темой. Ее серверным вариантом является выпущенная позже система Windows Server 2003. Windows XP и Windows Server 2003 построены на основе одного и того же ядра операционной системы, в результате их развитие и обновление идет более или менее параллельно.

Microsoft с 14 апреля 2009 года прекратила бесплатную поддержку опера-ционной системы (ОС) Windows XP, теперь пользователи Windows XP не смо-гут обращаться в Microsoft за бесплатной технической поддержкой в случае инцидентов, для изменения дизайна и в других ситуациях. Теперь придется для этого пользоваться услугами «продленной поддержки» – это значит, что все об-ращения станут платными. Расширенная поддержка будет осуществляться до 8 апреля 2014 года.

Windows Vista – операционная система семейства Microsoft Windows NT, линейки операционных систем, используемых на пользовательских персональ-ных компьютерах. В линейке продуктов Windows NT Windows Vista носит но-мер версии 6.0 (Windows 2000 – 5.0, Windows XP – 5.1, Windows Server 2003 – 5.2).

127

Windows Vista, как и Windows XP – исключительно клиентская система. Microsoft также выпустила серверную версию Windows Vista – Windows Server 2008. 30 ноября 2006 года Microsoft официально выпустила Windows Vista и Office 2007 для корпоративных клиентов. 30 января 2007 года начались прода-жи системы для обычных пользователей.

Windows 7 – операционная система семейства Windows NT, следующая за Windows Vista. В линейке Windows NT система носит номер версии 6.1.

Операционная система поступила в продажу 22 октября 2009 года, меньше чем через три года после выпуска предыдущей операционной системы, Windows Vista. В состав Windows 7 вошли как некоторые разработки, исклю-ченные из Windows Vista, так и новшества в интерфейсе и встроенных про-граммах. Одной из главных целей, выделяемых Microsoft при создании данной версии Windows, была завоевание рынка ноутбуков и нетбуков.

Линейка ОС компании Microsoft: MSX–DOS; MS–DOS; Xenix – лицензированная версия Unix; продана SCO в 1990-х; Microsoft Windows:

Windows 1.0; Windows 2.0 (для 80286); Windows 3.0 – первая версия, имевшая коммерческий успех; Windows 3.1 – выпущена 18 марта 1992 года; Windows for Workgroups 3.11;

Windows 9x – версии Windows 4.x, новое семейство, сохранявшее преемст-венность с Windows 3.x: Windows 95 (версия Windows 4.00.950); Windows 98 (версия Windows 4.10.1998); Windows Me (версия Windows 4.90.3000);

Windows NT – ОС, разрабатываемая в Майкрософт с 1988 года командой во главе с Дэвидом Катлером под рабочим названием OS/2 Version 3: Windows NT 3.1 – первая версия Windows NT, выпущена 27 июля 1993 г.; Windows NT 3.5 (варианты поставки: Workstation – для рабочих станций и

Server – для серверов); Windows NT 4.0 (варианты поставки: Workstation – для рабочих станций и

Server – для серверов); Windows 2000 (версия Windows NT 5.0); Windows XP (версия Windows NT 5.1 – внутренне основана на ядре

Windows 2000); варианты поставки: Home, Professional, Tablet PC Edition, Media Center Edition, Embedded: Windows Server 2003 (версия Windows NT 5.2) – вариант Windows

XP для работы на серверах; Windows Compute Cluster Server 2003 – вариант Windows XP для ра-боты в кластерных системах;

128

Windows XP Embedded – вариант Windows XP для встраиваемых систем;

Windows Vista (версия Windows NT 6.0): Windows Server 2008 (версия Windows NT 6.0) – вариант Windows Vista для работы на серверах;

Windows HPC Server 2008 – замена Windows Compute Cluster Server 2003 для кластерных систем;

Windows Home Server; Windows Vista for Embedded Systems – вариант Windows Vista для встраиваемых систем;

Windows 7 (версия Windows NT 6.1): Windows Server 2008 R2 (версия Windows NT 6.1) – вариант Windows 7 для работы на серверах;

Windows CE (compact edition – компактная редакция) – операционная система реального времени для встраиваемых систем, мобильных телефонов, наладон-ных компьютеров и даже роботов:

Windows Mobile, Pocket PC – версии Windows CE для мобильных телефо-нов и наладонных компьютеров;

Windows Embedded – версии Windows CE для встраиваемых систем, включая роботов.

Краткая хронология операционных систем Наиболее древняя из успешных операционных систем – UNIX (1969 г.).

Она до сих пор остается одной из основных систем на компьютерах, которые мощнее персональных и от нее порождено множество UNIX–подобных ОС.

В 1981 г. фирма IBM выпустила персональный компьютер (IBM PC), архи-тектура которого стала стандартом в мире. Все персональные компьютеры при-нято разделять на IBM–совместимые (абсолютное большинство) и IBM–несовместимые, например компьютер Macintosh, производимый фирмой Apple. Компьютеры Macintosh работают под управлением операционной системы MacOS.

В 1982 г. – фирма Microsoft выпустила ставшую на долгие годы самой по-пулярной для IBM– совместимых ПК операционную систему MS–DOS (Disc Operating System).

В 1985 г. все та же Microsoft выпустила первую версию Windows, которая развилась и на сегодня является самой распространенной операционной систе-мой с самыми популярными прикладными программами.

1991 г. – год рождения операционной системы Linux – основного конку-рента Windows, получающего все более широкое распространение.

Кроме того, можно перечислить много названий операционных систем различных производителей, например: Netware (Novell), OS/2 (IBM), SunOS (Sun Microsystems), Java Desktop System (Sun Microsystems), FreeBSD (одно из open source ответвлений UNIX) и т. п.

129

Структура диска: (A) дорожка

(B) геометрический сектор

(C) сектор дорожки (D) кластер

Файловая система Файловая система – это часть операционной системы для хранения фай-

лов и организации каталогов, которая необходима для упорядоченного разме-щения данных и программ во внешней памяти.

На каждом носителе информации может храниться большое количество файлов. Порядок хранения файлов на диске определяется установленной фай-ловой системой.

Понятие «файловая система» включает комплекс системных программных средств, реализующих управление файлами, в частности: создание, уничтоже-ние, чтение, запись, именование, поиск и другие операции над файлами.

Конкретная файловая система определяет размер имени файла (папки), максимальный возможный размер файла и раздела, набор атрибутов файла. Не-которые файловые системы предоставляют сервисные возможности, например, разграничение доступа или шифрование файлов.

Все современные дисковые операционные системы обеспечивают создание файловой системы, предназначенной для хранения данных на дисках и обеспе-чения доступа к ним. Принцип организации файловой системы зависит от опе-рационной системы. Наиболее распространенный тип – табличный.

Диск представляется как набор поверхностей. Каждая поверхность диска разделяется на кольцевые дорожки, а каждая дорожка – на секторы. У боль-шинства устройств размер сектора составляет 512 байт (например, у жестких и гибких дисков), ли-бо 2048 байт (например, у оптических дисков).

Се́ктор диска – минимальная адресуемая едини-ца хранения информации на дисковых запоминаю-щих устройствах. Для более эффективного использо-вания места на диске файловая система может объе-динять секторы в кластеры, размером от 512 байт (один сектор) до 64 кбайт (128 секторов). Переход к кластерам произошел потому, что размер таблицы FAT был ограничен, а размер диска увеличивался. В случае FAT16 для диска объемом 512 Мб кластер будет составлять 8 Кб, до 1 Гб – 16 Кб, до 2 Гб – 32 Кб и так далее.

Кластер (англ. cluster) – логическая единица хранения данных в таблице размещения файлов, объединяющая группу соседних секторов. Размер кластера зависит от размера жесткого диска. Чем больше диск, тем большим назначается размер кластера.

Таким образом, кластер – минимальный объем дискового пространства, который может быть выделен для размещения файла. Все файловые системы, используемые Windows для работы с жесткими дисками, основаны на класте-рах, которые состоят из одного или нескольких смежных секторов. Если при форматировании диска размер кластера не указан в явном виде, Windows выби-

130

рает одно из стандартных значений, исходя из размера тома. Стандартные зна-чения подобраны таким образом, чтобы снизить потерю дискового пространст-ва и степень возможной фрагментации тома. Размер кластера называется также единицей выделения памяти.

Комментарий. В класификации компьютеров термин кластер используется для определения группы компьютеров, объединенных высокоскоростными ка-налами связи и представляющей с точки зрения пользователя единую вычисли-тельную систему (см. Тема 6).

Понятие кластер используется в файловых системах FAT и NTFS. Другие файловые системы оперируют схожими понятиями (зоны в Minix – свободная Unix–подобная микроядерная операционная система, распространяемая по ли-цензии BSD; блоки в Unix).

В некоторых файловых системах Unix последний блок файла может быть поделен на подфрагменты, в которые могут быть помещены «хвосты» других файлов. В NTFS маленькие файлы могут быть записаны в Master File Table (MFT). В файловой же системе FAT из-за примитивного алгоритма степень фрагментации постоянно растет и требуется периодическая дефрагментация. Маленький кластер лучше подходит для маленьких файлов. Так экономнее рас-ходуется место. Большой кластер позволяет достичь более высоких скоростей, но на мелких файлах место будет использоваться нерационально (многие сек-тора будут не полностью заполненными, но будут считаться занятыми).

Каждый файл, в зависимости от размера, получает для хранения своих данных один или несколько кластеров, которые могут располагаться подряд, один за другим или же в разброс по всему диску. Свободные кластеры выделя-ются для файла по мере необходимости, это когда фактически выполняется за-пись на диск.

Операционная система обеспечивает возможность работы пользователя с данными, поддерживая на разделах диска ту или иную файловую систему. Ка-ждая операционная система может работать с одной или несколькими файло-выми системами. Все файловые системы включают таблицу расположения файлов и выполняют следующие основные функции:

отслеживание занятого и свободного пространства на диске, а также дефектных секторов;

поддержка папок и имен файлов; отслеживание физического расположения файлов на диске.

Наиболее распространенными на персональных компьютерах являются три файловые системы: FAT16, FAT32 и NTFS.

FAT (англ. File Allocation Table – «таблица размещения файлов») – класси-ческая архитектура файловой системы, которая из-за своей простоты все еще широко используется для флеш-дисков и карт памяти. В недавнем прошлом ис-пользовалась в дискетах, на жестких дисках и других носителях информации.

Разработана Биллом Гейтсом и Марком МакДональдом в 1976–1977 годах. Использовалась в качестве основной файловой системы в операционных систе-мах семейств DOS и Windows (до версии Windows 2000).

131

В файловой системе FAT данные о том, в каком кластере диска начинается тот или иной файл, хранятся в системной области диска в специальных табли-цах размещения файлов (FAT–таблицах). Поскольку нарушение FAT–таблицы приводит к невозможности воспользоваться данными, записанными на диске, к ней предъявляются особые требования надежности, и она существует в двух эк-земплярах, идентичность которых регулярно контролируется средствами опе-рационной системы.

Операционные системы MS–DOS, OS/2, Windows 95 реализуют 16-разрядные поля в таблицах размещения файлов. Такая файловая система на-зывается FAT 16. Она позволяет разместить в FAT–таблицах не более 65 536 записей (216) о местоположении данных. Из-за этого ограничения дан-ные операционные системы не позволяют работать с жесткими дисками разме-ром более 2 Гбайт.

Начиная с Windows 98 ОС обеспечивают более совершенную файловую систему – FAT 32 с 32-разрядными полями в таблице размещения файлов. Это позволяет работать с любыми современными жесткими дисками.

ОС Windows NT поддерживает следующие файловые системы: FAT (File Allocation Table) – стандарт для MS DOS; NTFS (New Technology File System) – систему, разработанную специ-

ально для Windows NT. Кроме того, Windows NT Server поддерживает в NTFS–разделах файловую

систему Macintoch. NTFS (New Technology File System) – основная файловая система

Windows NT. NTFS превосходит FAT по скорости работы и по эффективности использования ресурсов.

NTFS хранит информацию о файлах в главной файловой таблице – Master File Table (MFT). NTFS имеет встроенные возможности разграничивать доступ к данным для различных пользователей и групп пользователей.

Различают несколько версий NTFS: v1.2 используется в Windows NT 3.51 и Windows NT 4.0, v3.0 поставляется с Windows 2000, v3.1 – с Windows XP, Windows Server 2003,Windows Server 2003 R2, Windows Vista, Windows 7 и Windows Server 2008, Windows Server 2008 R2.

Ранние сборки Windows 8 свидетельствуют о том, что следующая ОС Windows получит поддержку новой файловой системы в дополнение к FAT, FAT32 и NTFS. Неофициальное тестирование Windows 8 указывает на файло-вую систему Protogon, присутствие которой в следующей версии Windows компания Microsoft еще должна подтвердить.

Пользователи, имевшие дело с Protogon, указывают, что файловая система пока еще не вполне готова для постоянного использования, как и сама Windows 8 – она находится в процессе разработки.

Новая файловая система обещает стать не только гораздо быстрее по срав-нению с NTFS, но и позволит использовать больше дискового пространства. В то же время сейчас ясно, что реализация Protogon пока находится на ранней стадии, так что появление ее в финале Windows 8 не очевидно.

132

Напомним, что Microsoft уже пыталась представить новую файловую сис-тему, хотя впоследствии отказалась от проекта. Еще с Windows Vista пользова-тели должны были получить файловую систему WinFS. Но в конечной опера-ционной системе какой-либо реализации ее не нашлось.

Драйверы C ПК могут сопрягаться разнообразные устройства: видеокарта, звуковая

карта, принтер, сканер, манипуляторы, дисководы, цифровые фотоаппараты, сотовые телефоны и т. д. Каждое из них имеет свой набор команд – свой «язык». Чтобы конкретная операционная система могла управлять конкретным устройством, прибегают к помощи программ-«переводчиков», знающих с од-ной стороны язык команд конкретного устройства, а с другой – язык конкрет-ной операционной системы, под управлением которой должно работать это устройство.

Такая программа называется драйвером (driver) и поставляется вместе с устройством его производителем. Производители аппаратного ПО, как правило, также размещают драверы, созднных ими устройств, на своих web-сайтах.

Служебные программы (утилиты) Утилиты – это служебные программы, которые предоставляют пользова-

телю ряд дополнительных услуг и расширяют или улучшают функции опера-ционных систем. Некоторые служебные программы (как правило, это програм-мы обслуживания) изначально включают в состав операционной системы, но большинство служебных программ являются для операционной системы внеш-ними и служат для расширения ее функций. К утилитам относят следующие программные средства: дисковые дефрагментаторы; программы резервного ко-пирования данных; архиваторы; диспетчеры файлов или файловые менеджеры, программы защиты и восстановления данных; антивирусные программы и др.

Дадим им краткую характеристику. Утилита дефрагментации диска предназначена для оптимизации работы

диска и повышения скорости доступа к нему. При копировании, удалении и пе-ремещении файлов на жестком или гибком диске возникают пустые места, ко-торые затем заполняются фрагментами других файлов. Файловая система Windows дает возможность хранить файлы фрагментами. Если файл разбит на несколько фрагментов, скорость доступа к нему уменьшается, поскольку на пе-ремещение головок диска к очередному фрагменту требуется намного больше времени, чем на его считывание. Дефрагментация диска состоит в том, что фрагменты файла собираются в один блок.

Можно выбрать один из трех способов дефрагментации: полную дефраг-ментацию, дефрагментацию только файлов, объединение свободных участков диска.

В первом случае фрагменты файлов объединяются так, чтобы файлы зани-мали непрерывный участок диска. Все свободное пространство на диске также объединяется в один участок. Этот режим работы требует максимального вре-мени. Во втором случае выполняется объединение только фрагментов файлов.

133

Они будут занимать последовательные участки на диске, но между ними может быть свободное пространство, доступное для размещения других файлов. В третьем случае отдельные свободные участки на диске собираются в один большой блок.

Средства сжатия данных (архиваторы). Архиваторы – это программы, позволяющие создавать за счет специальных методов сжатия копии файлов меньшего размера и объединять копии нескольких файлов в один архивный файл, а также распаковывать архивы (извлекать файлы из архива). Архивиро-вание данных упрощает их хранение за счет того, что большие группы файлов и каталогов сводятся в один архивный файл. При этом повышается и эффек-тивность использования носителя за счет того, что архивные файлы обычно имеют повышенную плотность записи информации. Архиваторы часто исполь-зуют для создания резервных копий ценных данных. Примеры программ – WinRAR, Zip, 7–Zip.

Диспетчеры файлов (файловые менеджеры). С помощью программ данно-го класса выполняется большинство операций, связанных с обслуживанием файловой структуры: копирование, перемещение и переименование файлов, создание каталогов (папок), удаление файлов и каталогов, поиск файлов и на-вигация в файловой структуре. Базовые программные средства, предназначен-ные для этой цели, обычно входят в состав программ системного уровня и ус-танавливаются вместе с операционной системой. Однако для повышения удоб-ства работы с компьютером большинство пользователей устанавливают допол-нительные служебные программы (Far, Total Commander, Frigate, Sky Commander).

Средства коммуникации (коммуникационные программы). С появлением электронной связи и компьютерных сетей программы этого класса приобрели очень большое значение. Они позволяют устанавливать соединения с удален-ными компьютерами, обслуживают передачу сообщений электронной почты, работу с телеконференциями (группами новостей), обеспечивают пересылку факсимильных сообщений и выполняют множество других операций в компьютерных сетях.

Средства обеспечения компьютерной безопасности. К этой весьма широ-кой категории относятся средства пассивной и активной защиты данных от по-вреждения, а также средства защиты от несанкционированного доступа, про-смотра и изменения данных.

В качестве средств пассивной защиты используют служебные программы, предназначенные для резервного копирования. Нередко они обладают и базо-выми свойствами диспетчеров архивов (архиваторов). В качестве средств ак-тивной защиты применяют антивирусное программное обеспечение. Для защи-ты данных от несанкционированного доступа, их просмотра и изменения слу-жат специальные системы, основанные на криптографии.

134

Инструментальное ПО

Инструментальные программные средства (системы программирования) – это программные продукты, предназначенные для эффективной разработки и отладки ПО.

В самом общем случае для создания программы на выбранном языке про-граммирования (языке высокого уровня) нужно иметь следующие компоненты:

Текстовый редактор для создания файла с исходным текстом программы. Компилятор или интерпретатор. Исходный текст с помощью программы-

компилятора переводится в промежуточный объектный код. Исходный текст большой программы состоит из нескольких модулей (файлов с исходными тек-стами). Каждый модуль компилируется в отдельный файл с объектным кодом, которые затем надо объединить в одно целое.

Отладчик. Для обнаружения и исправления программы. Редактор связей или сборщик, который выполняет связывание объектных

модулей и формирует на выходе работоспособное приложение – исполнимый код. Исполнимый код – это законченная программа, которую можно запустить на любом компьютере, где установлена операционная система, для которой эта программа создавалась. Как правило, итоговый файл имеет расширение .ЕХЕ или .СОМ.

Программа, написанная на алгоритмическом языке, должна быть преобра-зована (переведена) в объектную программу (объектный модуль) на языке ма-шины (двоичные коды). Подобное преобразование выполняется трансляторами: компиляторами или интерпретаторами. Интерпретаторы, в отличии от компи-ляторов, не создают объектный модуль, а при каждом очередном выполнении программы преобразуют каждую ее отдельную строку или оператор на машин-ный язык; формируют машинные команды с последующим непосредственным выполнением предписанных этими командами.

Объектный модуль, созданный компилятором, затем обрабатывается за-грузчиком – редактором связей (Link), преобразующим его в исполняемую ма-шинную программу, с объединением воедино отдельно скомпилированных его частей и привлечением дополнительных системных библиотек, содержащих стандартные подпрограммы и процедуры. На этапах трансляции, интерпрета-ции и редактирования связей выполняется, как правило, синтаксический кон-троль программы с выдачей сообщений об обнаруженных ошибках.

Интерактивную отладку программы целесообразно осуществлять с помо-щью специальных программных средств отладки (Debug). Средства отладки позволяют выполнять трассировку программ (пошаговое ее исполнение с выда-чей информации о результатах исполнения содержимом регистров и ячеек па-мяти), производить проверку промежуточных результатов в точках останова, осуществлять модификацию значений переменных в этих точках.

В последнее время получили распространение визуальный методы про-граммирования, ориентированные на создание Windows–приложений. При этом используются готовые визуальные компоненты, которые настраиваются соот-ветствующим образом.

135

Наиболее популярные системы визуального проектирования: Borland Delphi, Borland C++, Microsoft Visual Basic, Microsoft Visual C++.

Прикладное ПО (application Software)

Программное обеспечение, которое предназначено для решения опреде-ленных классов задач пользователя, называют прикладным. Прикладные про-граммы могут использоваться автономно или в составе прикладных программ-ных пакетов (ППП).

Пакеты прикладных программ – это система программ, которые по сфере применения делятся на проблемно – ориентированные, пакеты общего назначе-ния и интегрированные пакеты. Современные интегрированные пакеты содер-жат до пяти функциональных компонентов: тестовый и табличный процессор, СУБД, графический редактор, телекоммуникационные средства.

К прикладному ПО, например, относятся: комплект офисных приложений MS OFFICE; бухгалтерские системы (специализированные системы, сочетающие

в себе функции текстовых и табличных редакторов, электронных таблиц и систем управления базами данных; предназначены для ав-томатизации подготовки и ведения бухгалтерской документации);

финансовые аналитические системы (используются в банковских и биржевых структурах);

интегрированные пакеты делопроизводства (программные средства автоматизации рабочего места руководителя);

CAD–системы (системы автоматизированного проектирования; предназначены для автоматизации проектно-конструкторских работ);

редакторы HTML, или Web-редакторы (предназначены для создания и редактирования так называемых Web-документов);

браузеры (средства просмотра Web-страниц; примеры: Internet Explorer, Opera, Mozilla Firefox, Google Chrome, Avant Browser, Safari);

графические редакторы; экспертные системы (интеллектуальные системы, основанные на

знаниях); и другие.

Графические редакторы Это обширный класс программ, предназначенных для создания и (или) об-

работки графических изображений. В данном классе различают следующие ка-тегории: растровые редакторы, векторные редакторы (в зависимости от того, какое внутреннее представление этих объектов в них поддерживается) и про-граммные средства для создания и обработки трехмерной графики (3D-редакторы).

136

Растровый графический редактор – специализированная программа, предназначенная для создания и обработки растровых изображений. Растровое изображение хранится с помощью точек различного цвета (пикселей), которые образуют строки и столбцы. Каждый пиксель имеет определенное положение и цвет. Хранение каждого пикселя требует определенного количества битов ин-формации, которое зависит от количества цветов в изображении. Качество рас-трового изображения зависит от размера изображения (количества пикселей по горизонтали и вертикали) и количества цветов, которые можно задать для каж-дого пикселя. Растровые изображения очень чувствительны к масштабирова-нию (увеличению или уменьшению). При уменьшении растрового изображения несколько соседних точек преобразуются в одну, поэтому теряется различи-мость мелких деталей изображения. При увеличении изображения увеличива-ется размер каждой точки и появляется ступенчатый эффект, который можно увидеть невооруженным глазом.

Растровые графические редакторы являются наилучшим средством обра-ботки фотографий и рисунков, поскольку растровые изображения обеспечива-ют высокую точность передачи градаций цветов и полутонов.

Растровые графические редакторы позволяют пользователю рисовать и ре-дактировать изображения на экране компьютера, а также сохранять их в раз-личных растровых форматах, таких как, например, JPEG и TIFF, позволяющих хранить растровую графику с незначительным снижением качества за счет ис-пользования алгоритмов сжатия с потерями; PNG и GIF, поддерживающими хорошее сжатие без потерь; и BMP, также поддерживающем сжатие, но в об-щем случае представляющем собой несжатое «попиксельное» описание изо-бражения.

Большинство современных растровых редакторов содержат векторные ин-струменты редактирования в качестве вспомогательных.

Среди растровых графических редакторов есть простые, например стан-дартное приложение Paint, и мощные профессиональные графические системы, например Adobe Photoshop, Microsoft Photo Editor.

Векторные графические редакторы позволяют пользователю создавать и редактировать векторные изображения непосредственно на экране компьютера, а также сохранять их в различных векторных форматах, например, CDR, AI, EPS, WMF или SVG.

Векторные графические изображения являются оптимальным средством хранения высокоточных графических объектов (чертежи, схемы и пр.), для ко-торых имеет значение сохранение четких и ясных контуров. С векторной гра-фикой вы сталкиваетесь, когда работаете с системами компьютерного черчения и автоматизированного проектирования (САПР), программами обработки трехмерной графики и др.

Векторные изображения формируются из объектов (точка, линия, окруж-ность, прямоугольник и пр.), которые хранятся в памяти компьютера в виде графических примитивов и описывающих их математических формул.

137

Достоинством векторной графики является то, что файлы, хранящие век-торные графические изображения, имеют сравнительно небольшой объем.

Важно также, что векторные графические изображения могут быть увели-чены или уменьшены без потери качества. Это возможно, так как масштабиро-вание изображений производится с помощью простых математических опера-ций (умножения параметров графических примитивов на коэффициент мас-штабирования).

К векторным графическим редакторам относятся графический редактор, встроенный в текстовый редактор Word. Среди профессиональных векторных графических систем наиболее распространены CorelDRAW, Adobe Illustrator.

3D-редакторы позволяют работать с трехмерной векторной (или 3D) гра-фикой. К данному классу ПО относится, например, программа 3D–MAX Studio.

По сравнению с традиционными для графических программ двумерными векторными и растровыми объектами работа с 3D-графикой предполагает ис-пользование более сложных понятий и процедур, таких как сцена, камеры, ис-точники света.

Возможности программ для работы с трехмерной графикой достаточно широки. Это и изготовление спецэффектов для кино и телевидения, получение реалистичных фотоизображений, технических иллюстраций в программах ав-томатизированного проектирования для разработки новых реальных объектов и т. д. Использование 3D–программ напоминает съемку с помощью видеокаме-ры комнаты, полной сконструированных вами объектов. Они позволяют смоде-лировать комнату и ее содержимое с использованием разнообразных базовых трехмерных объектов (кубы, сферы, цилиндры, конусы). После того, как моде-ли всех объектов созданы и размещены на сцене, можно выбрать им оформле-ние с помощью имеющихся в программе встроенных средств или создать соб-ственное оформление. Затем можно создать и расставить воображаемые каме-ры, которые будут наблюдать и снимать виртуальный трехмерный мир. После всех приготовлений можно анимировать сцену, заставив двигаться объекты, ис-точники света и камеры. В завершении можно визуализировать анимацию и за-фиксировать результат в виде видеофайла.

Комплект офисных приложений MS OFFICE Microsoft Office – офисный пакет приложений, созданных корпорацией

Microsoft для операционных систем Microsoft Windows и Apple Mac OS X. В со-став этого пакета входит программное обеспечение для работы с различными типами документов: текстами, электронными таблицами, базами данных и др. Microsoft Office является сервером OLE–объектов (OLE – технология связыва-ния и внедрения объектов в другие документы и объекты, разработанные кор-порацией Майкрософт; OLE позволяет передавать часть работы от одной про-граммы редактирования к другой и возвращать результаты назад), и его функ-ции могут использоваться другими приложениями, а также самими приложе-ниями Microsoft Office. Поддерживает скрипты и макросы, написанные на VBA (Visual Basic for Applications, Visual Basic для приложений; упрощенная реали-

138

зация языка программирования Visual Basic, встроенная в линейку продуктов Microsoft Office).

Microsoft Office поставляется в нескольких редакциях. Отличия редакций в составе пакета и цене.

Основные приложения: Microsoft Office Word – текстовый процессор; главные конкуренты –

OpenOffice.org Writer, StarOffice Writer, Corel WordPerfect и Apple Pages (только на платформе Mac OS);

Microsoft Office Excel – табличный процессор; главные конкуренты – OpenOffice.org Calc, StarOffice, Gnumeric, Corel Quattro Pro и Apple Numbers (только на платформе Mac OS);

Microsoft Office Access – система управления базами данных; Microsoft Office Power Point – система подготовки презентаций; Главные конкуренты – OpenOffice.org Impress, Corel WordPerfect и Apple Keynote.

Версии продукта и их поддержка: Версии, выпущенные до Microsoft Office 97 (включая Outlook 97) более не

поддерживаются. Office 97 (включая Outlook 98) – расширенная поддержка закончилась

16 января 2004. Выпуск исправлений (hotfix) в рамках основной поддержки прекращен 31 августа 2001 года.

Office 2000 – базовая поддержка продукта прекращена 30 июля 2004. Рас-ширенная поддержка закончилась 14 июля 2009.

Office XP – базовая поддержка продукта прекращена 11 июля 2006. Расши-ренная поддержка прекращена 12 июля 2011.

Office 2003 – базовая поддержка продукта прекращена 13 января 2009. Расширенная поддержка будет доступна до 14 января 2014.

Для (Office 2007) и будущих версий MS Office – продолжительность базо-вой поддержки 5 лет после выпуска продукта или 2 года после выпуска сле-дующей версии продукта (что наступит позднее), расширенная поддержка бу-дет доступна в течение 5 лет после окончания срока основной поддержки.

Microsoft Office 2010 – текущая версия офисного пакета, базовая поддерж-ка продукта будет прекращена 15 июля 2015 года.

Контрольные вопросы 1. Что такое проприетарное ПО? 2. Что представляет проект GNU? 3. Перечислите уровни программного обеспечения. 4. Охарактеризуйте базовый уровень программного обеспечения. 5. Охарактеризуйте системный уровень программного обеспечения. 6. К какому уровню программного обеспечения принадлежат операционные

системы? 7. Что такое драйверы устройств, и какому уровню программного обеспечения

они принадлежат? 8. К какому уровню программного обеспечения принадлежат утилиты?

139

9. Охарактеризуйте прикладной уровень ПО. 10. Приведите классификацию программного обеспечения ЭВМ. 11. Охарактеризуйте резидентные программы. 12. Охарактеризуйте нерезидентные программы. 13. Что такое системное ПО? 14. Какие программы относятся к системному ПО? 15. Назначение операционной системы. Какие ОС вы знаете? 16. Какие ОС и каких фирм использовались на начальном этапе развития

средств вычислительной техники? 17. Основное требование, предъявляемое к ОС. 18. Что должны обеспечивать современные операционные системы? 19. Классификация ОС. Характеристика. Примеры ОС. 20. На какие типы подразделяются многозадачные ОС? Охарактеризовать их.

Привести примеры. 21. На какие ОС могут быть разделены системы, поддерживающие многопро-

цессорную обработку данных по способу организации вычислительного процесса? Охарактеризовать их.

22. Охарактеризовать сетевые ОС. Их отличие от локальных. 23. На какие классы делятся ОС по типу организации интерфейса? Охарактери-

зовать их. Привести примеры ОС. 24. История ОС. 25. Охарактеризовать ОС UNIX. 26. Охарактеризовать ОС Linux. 27. Охарактеризовать операционные системы Windows. 28. Отличительные черты ОС Windows NT. 29. Что такое файловая система? Какие файловые системы вы знаете? 30. Что такое сектор, кластер? От чего зависит размер кластера? 31. Что является минимальным объемом дискового пространства, который мо-

жет быть выделен для размещения файла? 32. Когда более эффективно используется дисковая память при большем или

меньшем размере кластера? Ответ обосновать. 33. Что такое FAT–таблицы? Их назначение. 34. Отличие файловой системы FAT 32 от FAT 16. 35. Перечислить файловые системы, используемые в ОС MS–DOS и семействах

Windows. 36. Охарактеризуйте файловую систему NTFS. 37. Что такое драйверы? Их назначение. К какому классу программного обес-

печения относятся? 38. Что такое утилиты? Какие программные средства к ним относятся? 39. Для чего предназначена утилита дефрагментации диска? Способы дефраг-

ментации. 40. Назначение архиваторов. Примеры программ. 41. Что такое файловые менеджеры? Приведите примеры таких программ.

140

42. Какие программы относятся к средствам пассивной и активной защиты данных от повреждения, а также средствам защиты от несанкционированно-го доступа?

43. Назначение инструментального ПО. 44. Что включают в свой состав инструментальные программные средства? 45. Что такое трансляторы? Отличие компилятора от интерпретатора? 46. Назначение загрузчика – редактора связей (Link)? 47. Что позволяют выполнить средства отладки? 48. Назначение систем технического обслуживания? 49. Назначение прикладного ПО? 50. Перечислите основные классы прикладных программ. 51. Охарактеризовать растровый графический редактор. 52. Для каких задач лучше использовать растровый графический редактор? 53. Перечислите растровые форматы графических файлов. 54. Перечислите растровые и векторные графические редакторы. 55. Охарактеризовать векторный графический редактор. 56. Достоинства векторных графических редакторов. 57. Охарактеризовать 3D-редакторы. 58. Что означают слова: application Software, system software? 59. Перечислите основные приложения пакета Microsoft Office и их назначение. 60. К какому классу программ относятся архиваторы? 61. К какому классу программ относятся операционные системы? 62. К какому классу программ относятся программа дефрагментатор диска? 63. К какому классу программ относятся файловые менеджеры? 64. К какому классу программ относятся антивирусные программы? 65. К какому классу программного обеспечения принадлежат электронные

таблицы? 66. К какому классу программного обеспечения принадлежат текстовые редак-

торы? 67. К какому классу программного обеспечения принадлежат текстовые систе-

мы автоматизированного проектирования? 68. К какому классу программного обеспечения принадлежат браузеры?

141

Тема 9. КОМПЬЮТЕР БУДУЩЕГО – тенденции Будущее может быть разным, и путей к нему тоже

много, но ни то, ни другое предсказать невозможно. И все же кое-какие широкие штрихи набросать можно, причем в большинстве сценариев прогресс приводит к изменению способа нашего общения, объема информа-ции, с которой нам придется иметь дело, и, возможно, даже наших природных способностей.

Технология микропроцессоров уже приближается к фундаментальным ог-раничениям. Главную роль в работе компьютера играют электроны. «Оседая» в ячейках памяти и регистрах процессора, они формируют информацию, с кото-рой работает пользователь. Но скорость электронов конечна и не очень велика. И время, которое необходимо электрону для прохождения по системе, стано-вится решающей преградой в дальнейшем повышении производительности компьютеров.

Выход можно найти либо в уменьшении размеров устройств, либо в новом подходе к их системам. И поскольку уменьшать размеры компьютера беско-нечно нельзя – в ход идут новые алгоритмы работы и попытки заменить элек-троны другими частицами.

К технологиям, способным экспоненциально увеличивать обрабатываю-щую мощность компьютеров, следует отнести молекулярные или атомные тех-нологии; ДНК и другие биологические материалы; трехмерные технологии; технологии, основанные на фотонах вместо электронов; и, наконец, квантовые технологии, в которых используются элементарные частицы. Если на каком– нибудь из этих направлений удастся добиться успеха, то компьютеры могут стать вездесущими. А если таких успешных направлений будет несколько, то они распределятся по разным нишам. Например, квантовые компьютеры будут специализироваться на шифровании и поиске в крупных массивах данных, мо-лекулярные – на управлении производственными процессами и микромашинах, а оптические – на средствах связи.

Молекулярные компьютеры. В основе молекулярных компьютеров ле-жат бистабильные молекулы, которые могут находится в двух устойчивых тер-модинамических состояниях. Каждое такое состояние характеризуется своими химическими и физическими свойствами. Переводить молекулы из одного со-стояния в другое можно с помощью света, тепла, химических агентов, электри-ческих и магнитных полей. По сути, эти молекулы являются транзисторами размером в несколько нанометров.

Благодаря малым размерам бистабильных молекул можно увеличить коли-чество элементов на единицу площади. Другим достоинством молекул является малое время отклика, которое составляет порядка 10–15с. Сами бистабильные переключатели управляются световыми, электрическими импульсами или элек-трохимическими реакциями. Соединяют функциональные элементы нанотруб-ки или сопряженные полимеры.

142

Компания Hewlett–Packard объявила о первых успехах в изготовлении компонентов, из которых могут быть построены мощные молекулярные ком-пьютеры. Ученые из HP и Калифорнийского университета в Лос–Анджелесе (UCLA) объявили о том, что им удалось заставить молекулы ротаксана перехо-дить из одного состояния в другое – по существу, это означает создание моле-кулярного элемента памяти.

Следующим шагом должно стать изготовление логических ключей, спо-собных выполнять функции И, ИЛИ и НЕ. Весь такой компьютер может состо-ять из слоя проводников, проложенных в одном направлении, слоя молекул ро-таксана и слоя проводников, направленных в обратную сторону. Конфигурация компонентов, состоящих из необходимого числа ячеек памяти и логических ключей, создается электронным способом. По оценкам ученых HP, подобный компьютер будет в 100 млрд раз экономичнее современных микропроцессоров, занимая во много раз меньше места.

Сама идея этих логических элементов не является революционной: крем-ниевые микросхемы содержат миллиарды таких же. Но преимущества в по-требляемой энергии и размерах способны сделать компьютеры вездесущими. Молекулярный компьютер размером с песчинку может содержать миллиарды молекул. А если научиться делать компьютеры не трехслойными, а трехмерны-ми, преодолев ограничения процесса плоской литографии, применяемого для изготовления микропроцессоров сегодня, преимущества станут еще больше.

Биокомпьютеры. Другой тип компьютеров нового поколения также основан на молекулах, но уже молеку-лах ДНК. Впервые ДНК–вычисления были проведены в 1994 г. Леонардом Эдлеманом, профессором Университе-та Южной Калифорнии, для решения задачи торгового агента. В ДНК–компьютерах роль логических вентилей играют подборки цепочек ДНК, которые образуют друг с

другом прочные соединения. Для наблюдения состояния всей системы в после-довательность внедрялись флуоресцирующие молекулы. При определенных со-четаниях свечения молекул подавляли друг друга, что соответствовало нулю в двоичной системе. Единице же соответствовало усиленное свечение флюорес-центов. Возможно строить последовательности цепочек, в которых выходной сигнал одной цепочки служит входным сигналом другой.

Применение в вычислительной технике биологических материалов позво-лит со временем уменьшить компьютеры до размеров живой клетки. Пока это чашка Петри, наполненная спиралями ДНК, или нейроны, взятые у пиявки и подсоединенные к электрическим проводам. По существу, наши собственные клетки – это не что иное, как биомашины молекулярного размера, а примером биокомпьютера, конечно, служит наш мозг.

Ихуд Шапиро (Ehud Shapiro) из Вейцманоского института естественных наук соорудил пластмассовую модель биологического компьютера высотой 30 см. Если бы это устройство состояло из настоящих биологических молекул, его размер был бы равен размеру одного из компонентов клетки – 0,000025 мм.

143

По мнению Шапиро, современные достижения в области сборки молекул по-зволяют создавать устройства клеточного размера, которое можно применять для биомониторинга.

Более традиционные ДНК–компьютеры в настоящее время используются для расшифровки генома живых существ. Пробы ДНК применяются для опре-деления характеристик другого генетического материала: благодаря правилам спаривания спиралей ДНК, можно определить возможное расположение четы-рех базовых аминокислот (A, C, T и G).

Чтобы давать полезную информацию, цепочки ДНК должны содержать по одному базовому элементу. Это достигается при помощи луча света и маски. Для получения ответа на тот или иной вопрос, относящийся к геному, может потребоваться до 80 масок, при помощи которых создается специальный чип стоимостью более 12 тыс. дол. Здесь-то и пригодилась микросхема DMD от Texas Instruments: ее микрозеркала, направляя свет, исключают потребность в масках.

Билл Дитто (Bill Ditto) из Технологического института штата Джорджия провел интересный эксперимент, подсоединив микродатчики к нескольким нейронам пиявки. Он обнаружил, что в зависимости от входного сигнала ней-роны образуют новые взаимосвязи. Вероятно, биологические компьютеры, со-стоящие из нейроподобных элементов, в отличие от кремниевых устройств, смогут искать нужные решения посредством самопрограммирования. Дитто намерен использовать результаты своей работы для создания мозга роботов бу-дущего.

Оптические (фотонные) компьютеры. По срав-нению с тем, что обещают молекулярные или биологи-ческие компьютеры, оптические ПК могут показаться не очень впечатляющими. Такой компьютер работает на оптических процессах, и все операции в нем выпол-няются посредством манипуляции оптическим пото-ком. Преимущества такого компьютера заключаются в свойствах световых потоков. Скорость их распространения выше, чем у элек-тронов, к тому же взаимодействие световых потоков с нелинейными средами не локализовано, а распределено по всей среде, что дает новые степени свободы (по сравнению с электронными системами) в организации связей и создании параллельных архитектур. Производительность оптического процессора может составлять 1013– 1015 операций в секунду. На сегодняшний день есть прототипы оптических процессоров, способные выполнять элементарные операции, но полноценных и готовых к производству компьютеров нет.

Целиком оптические компьютеры появятся через десятилетия, но работа в этом направлении идет сразу на нескольких фронтах. Например, ученые из университета Торонто создали молекулы жидких кристаллов, управляющие светом в фотонном кристалле на базе кремния. Они считают возможным созда-ние оптических ключей и проводников, способных выполнять все функции электронных компьютеров.

144

Квантовые компьютеры. Квантовый компьютер будет состоять из ком-понентов субатомного размера и работать по принципам квантовой механики. Квантовый мир – очень странное место, в котором объекты могут занимать два

разных положения одновременно. Но именно эта странность и открывает новые возможности.

Например, один квантовый бит, называемый q-битом (кубит) может принимать несколько значений одновременно, то есть находиться сразу в состояниях «включено», «выключено» и в переходном состоя-нии. Такое свойство кубитов позволяет квантовому компьютеру за единицу времени проводить больше

вычислений. 32 кубита могут образовать свыше 4 млрд комбинаций – вот ис-тинный пример массово-паралельного компьютера. Однако, чтобы q-биты ра-ботали в квантовом устройстве, они должны взаимодействовать между собой. Пока ученым удалось связать друг с другом только три электрона.

Теоретики утверждают, что компьютер, построенный на принципах кван-товой механики, будет давать точные ответы, исключая возможность ошибки. Так как в основе квантовых вычислений лежат вероятностные законы, каждый q-бит на самом деле представляет собой и «1», и «0» с разной степенью вероят-ности. В результате действия этих законов менее вероятные (неправильные) значения практически исключаются.

Над созданием квантового компьютера работают в лабораториях всего ми-ра, в том числе и российских. Например, с 2001 года в Казанском физико-техническом институте начали вести работы в области квантовой памяти и на сегодняшний день исследуют новые твердотельные материалы, пригодные для хранения кубитов. Также решается задача длительности хранения информации, но пока что это время составляет всего несколько миллисекунд.

Что же касается текущей ситуации в мире, то уже есть модель, работающая на двух кубитах. Конечно это не 1000, к которым стремятся ученые, но он уже может найти множители, на которые разлагается число. Потенциал же килоку-битного квантового компьютера огромен. Он сможет за минуты просчитывать данные, на которые у нынешних систем уйдут годы, а то и десятилетия. С точ-ки зрения информационной безопасности, как только будет построен кванто-вый компьютер, все системы защиты данных с открытым ключом рухнут, так как квантовый алгоритм позволяет быстро взломать коды. Самый производи-тельный современный компьютер, если и решит эту задачу, то за несколько лет. Сегодня криптозащита держится только по той причине, что квантовый компьютер находится в самом начале своего развития и 2-3-х кубитов не доста-точно для взлома шифров.

Предвидя такое развитие событий, компании задумываются о квантовой криптографии, против которой компьютер нового поколения будет бессилен. Особенность квантовой криптозащиты в том, что при попытке «подслушать» информацию она разрушается по закону неопределенности Гейзенберга. Таким образом, при попытке получить доступ к зашифрованному потоку, информация

145

в нем будет утеряна. Однако не стоит считать неуязвимость квантовой крипто-защиты абсолютной, как и в любой системе, в ней есть свои слабые места.

В Швейцарии уже действует квантовый интернет, уже три года сеть про-тяженностью 100 км связывает Женеву и Цюрих. В основе передачи информа-ции такой сетью лежит квантовая сцепленность – явление, при котором кванто-вые состояния двух или более объектов влияют друг на друга, даже если они разнесены в пространстве. Достоинство сети – в ее безопасности. При попытке получить доступ к трафику сети извне сигнал искажается, что сигнализирует принимающей стороне о попытке перехвата. Для того чтобы проложить такой интернет на больших расстояниях, требуется квантовый репитер, который бу-дет пересылать сигнал, и в Европе уже созданы сообщества по работе над ним.

Специалисты утверждают, что ближайшая реализация квантового компью-тера – система finger printing в научном мире известная, как метод характери-стических признаков. Она будет содержать примерно 20-30 кубитов и предна-значена для выделения «струны» – последовательности данных из базы данных, содержащей небольшой бит информации с некими характерными признаками. И если сравнить эту «струну» со «струной» из другой базы, то с определенной долей вероятности можно определить, одинаковые эти базы данных или нет. В течение нескольких ближайших лет фирма HP собирается представить такой компьютер, работающий на квантовых точках. Нити с определенной вероятно-стью довольно точно описывают исходную базу. И если две выбранные после-довательности признаков совпадают, то можно предположить, что и исходные базы данных одинаковы. Например, при сканировании сетчатки глаза в системе контроля доступа можно снимать информацию не обо всей сетчатке, а только определенные параметры. Совокупность таких параметров и будет «струной». При последующей идентификации можно снять те же параметры с представ-ленной сетчатки, и, если последовательности параметров совпадут, можно предположить, что сетчатки одинаковы, а стало быть – принадлежат одному человеку.

Квантовый компьютер не будет конкурентом нынешним, скорее он пред-назначен для решения задач с огромным количеством исходной информации и большим числом переменных. Такие задачи характерны для систем криптогра-фии и безопасной передачи данных, биологии и медицины, моделирования квантовых систем, оптимизации различных процессов.

Что дальше? Пофантазируем. Термин «квантовый скачок» означает, что в квантовом мире изменения происходят скачками. Похоже, что где-то около 2020 года, если не раньше, подобный скачок произойдет и в вычислительной технике: к тому времени мы перейдем от традиционных кремниевых полупро-водников к более совершенным технологиям.

Результатом станут намного более компактные, быстродействующие и де-шевые компьютеры. Появится возможность наделять любые промышленные продукты определенными интеллектуальными и коммуникационными способ-ностями. Каждый человек ежесекундно будет пользоваться Сетью, хотя за большинством обращений к нему будут следить специальные устройства, ав-

146

томатически отвечая на вызовы или переадресовывая их в службу передачи со-общений.

К 2030 году может начаться распространение вживленных устройств с прямым доступом к нейронам. Ближе к середине столетия в мире киберпро-странства будут царить микро- и наноустройства (интеллектуальная пыль). К тому времени интернет будет представлять собой отображение всего реаль-ного мира. Представьте себе мир, окутанный беспроводной сетью данных, по которой путешествуют огромные объемы информации. Тогда такие фантасти-ческие и мистические явления, как телепатия и телекинез, станут самым про-стым проявлением Всемирной сети. Грубо говоря, телепатия будет выглядеть как сгенерированная вашими нейронами информация, путешествуя в пакетах к другим нейронам для расшифровки. Почти как протокол TCP/IP сегодня. А те-лекинез (передвижение мыслью физических объектов) будут производить на-ноустройства, активированные вашей мысленной командой. Простейшие уст-ройства, реагирующие на мысленные команды, существуют уже и сегодня. Хо-тя к тому времени вам вряд ли захочется передвигать реальные объекты, если возможно будет просто переместить их цифровые копии. Без шлемов виртуаль-ной реальности можно будет совершить полноценный круиз в любой уголок земного шара, не покидая своей квартиры. Мысленно можно будет вызвать цифровую проекцию любого места, причем события в нем будут отображаться в реальном времени. Или, наоборот, спроецировать себя, в любую точку нашей планеты. Таким образом, грань между кибер- и реальным пространством исчезнет.

На биологическом фронте исследования в области клетки приближают возможность замены тканей или органов, включая нейроны, которые раньше считались незаменимыми. Более того, клетки и ткани можно будет наделять способностями обработки и передачи данных. Подобный контроль над живыми процессами дает надежду на увеличение продолжительности жизни: ученые не видят принципиальных препятствий к тому, чтобы люди жили по несколько со-тен лет.

К концу 21-го века, благодаря достижениям генной инженерии в сочетании с биоинженерными тканями и имплантантами, люди станут совсем не похожи-ми на современных. Пока не ясно, какой процент населения пожелает принять участие в подобных усовершенствованиях, но отказавшиеся рискуют остаться сторонними наблюдателями, следя с обочины за тем, как люди, развитые био-инженерными методами, гигантскими шагами устремляются вперед рука об ру-ку с разумными машинами.

Конечно, заглянуть вперед более чем на несколько лет можно лишь чисто умозрительно, хотя в том что ко второй половине этого века обрабатывающая мощность компьютеров превысит интеллектуальные способности человека, можно не сомневаться.

Пока здравый смысл не приспособился к переменчивому миру квантовой механики, это будущее кажется чуждым такому знакомому современному ми-ру. Путешествие во времени может завести и в рай, и в ад, но во всяком случае скучным его не назовешь.

147


1. Тенденции развития компьютерной техники. 2. Особенность молекулярных компьютеров. 3. Особенность биокомпьютеров. 4. Особенность оптических компьютеров. 5. Особенность квантовых компьютеров. Библиографический список

1. Кадырова, Г. Р. Курс лекций по информатике: учебное пособие. В 2 час-тях. Часть 1 / Г. Р. Кадырова. – Ульяновск : УлГТУ, 2008. – 100 с.

2. Кадырова, Г. Р. Курс лекций по информатике : учебное пособие. В 2 час-тях. Часть 2 / Г. Р. Кадырова. – Ульяновск : УлГТУ, 2008. – 132 с.

3. Кадырова, Г. Р. Компьютерный практикум. Часть 1 : учебное пособие / Г. Р. Кадырова. – Ульяновск : УлГТУ, 2006.

4. Кадырова, Г. Р. Компьютерный практикум. Часть 2 : учебное пособие / Г. Р. Кадырова. – Ульяновск : УлГТУ, 2006.

5. Кадырова, Г. Р. Информатика : учебно-методический комплекс / Г. Р. Ка-дырова ; Ульян. гос. техн. ун-т. – Ульяновск : УлГТУ, 2005.

Интернет– ресурсы 1. http://www.computer-museum.ru/index.php – виртуальный компьютерный

музей. 2. http://www.osys.ru/index.shtml – операционные системы. 3. http://www.itstan.ru/ – информационные технологии. 4. www.computerbild.ru – «ComputerBild» 5. http://ru.wikipedia.org/wiki/Заглавная_страница – Википедию.

148

Учебное издание

КАДЫРОВА Гульнара Ривальевна

ИНФОРМАЦИОННОЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ. ОБЗОР ЛЕКЦИЙ ПО ИНФОРМАТИКЕ

(В ДВУХ ЧАСТЯХ) ЧАСТЬ 1

Учебное пособие

Редактор М. В. Штаева

Подписано в печать 27.12.2011. Формат 60×84/16. Усл. печ. л. 8,60. Тираж 200 экз. Заказ 133.

Ульяновский государственный технический университет

432027, г. Ульяновск, ул. Сев. Венец, д. 32.

Типография УлГТУ. 432027, г. Ульяновск, ул. Сев. Венец, д. 32.

В двух частях Часть 1 - ulstu.ruvenec.ulstu.ru/lib/disk/2012/Kadyrova.pdf ·...

Documents

Transcript of В двух частях Часть 1 - ulstu.ruvenec.ulstu.ru/lib/disk/2012/Kadyrova.pdf ·...