Технические средства реализации информационных процессов

Тема 5. Технические средства реализации информационных процессов.

История развития ЭВМ; поколения ЭВМ.
Классификация ЭВМ.
Основные принципы строения персонального компьютера.
Микропроцессор.
Внутренняя память.
Устройства ввода информации и их характеристики.
Устройства вывода информации и их характеристики.
Запоминающие устройства и их характеристики.
Устройства передачи информации и их характеристики.
Организационные формы использования и режимы работы ЭВМ.

5.1. История развития ЭВМ. Поколения ЭВМ.

Первое поколение (1946 – середина 50-х годов).

Элементная база: электронно-вакуумные лампы, резисторы и конденсаторы. Габариты: громадные шкафы, занимающие целые залы. Скорость работы: 10-20 тыс. операций в секунду. Программирование: в машинных кодах.

Второе поколение (конец 50-х – конец 60-х годов).

Элементная база: полупроводниковые транзисторы, диоды. Габариты: стойки чуть выше человеческого роста. Производительность: до 1 млн. операций в секунду. Введен принцип разделения времени для совмещения во времени работы разных устройств. Программирование: появились алгоритмические языки. Программы вводились с помощью перфокарт или перфолент. Задачи решались в пакетном режиме: друг за другом по мере освобождения устройств обработки.

Третье поколение (конец 60-х – конец 70-х годов).

Элементная база: интегральные схемы. Габариты: схожи с ЭВМ второго поколения. Скорость: несколько миллионов операций в секунду. В структуре ЭВМ появился принцип модульности и магистральности. Увеличился объем памяти, память разделилась на ОЗУ и ПЗУ, появились магнитные диски, ленты, дисплеи и графопостроители. Программирование: такое же, как во втором поколении. Наряду с пакетной обработкой появился режим работы с разделением времени.

Четвертое поколение (от конца 70-х по настоящее время).

Элементная база: большие и сверхбольшие интегральные схемы, содержащие сотни тысяч элементов на одном кристалле. Габариты: персональный компьютер. Скорость: до миллиарда операций в секунду. Программирование: новые языки и среды программирования, новые принципы программирования. Развитие операционных систем, а также широкого класса программ прикладного характера.

Пятое поколение (начало 80-х годов по наше время) – искусственный интеллект.

5.2. Классификация ЭВМ.

Классификация по принципу действия:

цифровые – вычислительные машины дискретного действия, работающие с информацией, представленной в цифровой (дискретной) форме;
аналоговые – вычислительные машины непрерывного действия, работающие с информацией, представленной в аналоговой форме;
гибридные – вычислительные машины смешанного действия, позволяющие обрабатывать информацию, представленную как в цифровой, так и в аналоговой форме.

Классификация по назначению:

универсальные ЭВМ – предназначены для выполнения экономических, инженерных, информационных и других задач, связанных со сложными алгоритмами и большими объемами данных. Они характеризуются большой емкостью оперативной памяти, высокой производительностью, обширным спектром выполняемых задач (арифметических, логических, специальных) и разнообразием форм обрабатываемых данных;
проблемно-ориентированные ЭВМ – обладают ограниченными по сравнению с универсальными ЭВМ аппаратными и программными ресурсами и служат для решения задач, связанных с управлением технологическими процессами, регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных, выполнения расчетов с относительно несложным алгоритмом;
специализированные ЭВМ – служат для решения строго определенных групп задач. Высокая производительность и надежность работы обеспечивается наличием возможности специализировать их структуру.

Классификация по размерам и функциональным возможностям учитывает важнейшие технико-эксплуатационные характеристики компьютера, такие, как быстродействие; разрядность и формы представления чисел; номенклатура, емкость и быстродействие запоминающих устройств; типы и пропускная способность устройств связи и сопряжения узлов; возможность работы в многопользовательском и мультипрограммном режиме; наличие и функциональные возможности программного обеспечения; программная совместимость с другими типами ЭВМ; система и структура машинных команд; возможность подключения к каналам связи и вычислительной сети; эксплуатационная надежность и др.

Согласно перечисленным выше критериям ЭВМ делятся на следующие группы:

микроЭВМ;
малые ЭВМ;
большие ЭВМ;
суперЭВМ.

МикроЭВМ – класс ЭВМ, действие которых основано на микропроцессорах. Внутри своего класса микроЭВМ делятся на универсальные (многопользовательские и персональные) и специализированные (серверы и рабочие станции).

Многопользовательские – мощные микроЭВМ, оборудованные несколькими видеотерминалами и функционирующие в режиме разделения времени, что позволяет эффективно работать сразу нескольким пользователям.

Персональные – микроЭВМ, удовлетворяющие требованиям общедоступности и универсальности применения, ориентированные на работу в однопользовательском режиме. Современные персональные компьютеры имеют два вида исполнения: настольный (стационарный) и портативный (переносной).

Портативные компьютеры представляют собой быстроразвивающийся подкласс, который, по некоторым оценкам, в ближайшее время будет занимать превалирующие позиции среди микроЭВМ. Главной отличительной чертой портативных компьютеров является наличие блока автономного питания и LCD-монитора. Среди существующих в настоящее время портативных компьютеров различают:

компьютеры типа Lap Тор;
компьютеры-блокноты типа Note book;
карманные компьютеры типа Palm Тор;
электронные секретари типа PDA (Personal Digital Assistant);
электронные записные книжки (органайзеры – organizer).

Серверы (server) – особо интенсивно развивающаяся группа микроЭВМ, применяемая в вычислительных сетях. Сервер представляет собой компьютер, выделенный для обработки запросов со всех станций сети, а также предоставляющий этим станциям доступ к общим системным ресурсам. Кроме того, на сервер возлагаются функции распределителя ресурсов.

Для решения конкретных задач, связанных с устранением узких мест в работе сети, серверы часто подразделяются на следующие виды:

сервер приложений – универсальный сервер, занимающийся обработкой запросов с рабочих станций сети, распределением и обеспечением доступа к общим ресурсам сети;
файл-сервер – используется для работы с файлами данных, характеризуется большими объемами дисковых запоминающих устройств;
архивационный сервер – служит для резервного копирования информации в крупных многосерверных сетях. Как правило, на такого рода серверах применяются стримеры со сменными картриджами. Сжатие и архивирование информации производится чаще всего один раз в день в автоматическом режиме по сценарию, заданному администратором;
почтовый сервер – выделенная рабочая станция, предназначенная для организации электронной почты, с электронными почтовыми ящиками и специализированной системой защиты от несанкционированного доступа;
факс-сервер – выделенная рабочая станция для организации высокоэффективной многоадресной факсимильной связи. Такие компьютеры, как правило, оснащаются несколькими факсмодемными платами и специализированной системой защиты от несанкционированного доступа в процессе передачи;
сервер печати – предназначен для организации эффективного использования системных принтеров;
сервер телеконференций – сервер, снабженный системой автоматической обработки видеоизображений.

Рабочие станции (work station) – однопользовательские микроЭВМ, специализированные для выполнения определенного вида работ.

Малые ЭВМ (мини-ЭВМ) – класс ЭВМ, разрабатывающихся на основе микропроцессорных наборов интегральных микросхем 16, 32, 64-разрядных микропроцессоров. Компьютеры этого класса характеризуются широким диапазоном производительности в конкретных условиях применения, аппаратной реализацией большинства функций ввода-вывода информации, достаточно простой реализацией микропроцессорных и многомашинных систем, возможностью работы с форматами данных различной длины. МиниЭВМ ориентированы на использование в качестве управляющих вычислительных комплексов. Кроме того, они могут быть использованы для вычислений в многопользовательских вычислительных системах, системах автоматизированного проектирования и моделирования несложных объектов, в системах искусственного интеллекта.

К основным характеристикам машин этого класса относятся количество процессоров (от 1 до 16), производительность (от 1 до 600 MIPS), емкость основной памяти (от 4 Мбайт до 2 Гбайт), емкость дисковой памяти (2-300 Гбайт), количество каналов ввода-вывода (до 32).

Большие ЭВМ (mainframe) – класс ЭВМ, предназначенных для решения научно-технических задач и задач, связанных с управлением вычислительными сетями и их ресурсами, работы в вычислительных системах с пакетной обработкой информации и большими базами данных. В последнее время наметилась тенденция использования этого класса ЭВМ в качестве больших серверов вычислительных сетей.

Основными характеристиками больших ЭВМ являются производительность (не менее 10 MIPS), емкость основной памяти (до 10 Гбайт), внешняя память (не менее 50 Гбайт), многопроцессорность (от 4 до 8 векторных процессоров), многоканальность (до 256 каналов ввода-вывода), многопользовательский режим работы (обслуживание до 1000 пользователей одновременно). На больших ЭВМ сейчас находится около 70% компьютерной информации.

СуперЭВМ – класс мощных многопроцессорных вычислительных машин с быстродействием в десятки миллиардов операций в секунду. ЭВМ этого класса представляют собой многопроцессорные вычислительные системы и структурно делятся на следующие группы:

магистральные (конвейерные), снабженные процессорами, одновременно выполняющими разные операции над последовательными потоками обрабатываемых данных. Такие системы называют системами с многократным потоком команд и однократным потоком данных;
векторные, работа которых характеризуется тем, что все их процессоры одновременно выполняют одну команду над различными данными (однократный поток команд и многократный поток данных);
матричные, в которых процессорами одновременно выполняются действия над несколькими последовательными потоками обрабатываемых данных.

5.3. Основные принципы строения персонального компьютера.

Компьютер – это электронная машина, которая состоит из согласованно работающих аппаратных и программных средств.

Основные принципы функционирования компьютера были предложены американским ученым Джоном фон Нейманом. К ним относятся:

возможность ввода программы в память ЭВМ;
считывание первой команды программы из ячейки памяти и организация ее выполнения;
организация управления последовательностью выполнения последующих команд в любой очередности, что позволяло многократно использовать одни и те же последовательности команд в программе (организовывать циклы) или выполнять различные последовательности команд в зависимости от выполнения каких-либо условий (разветвление команды).

Для реализации этих принципов компьютер должен быть снабжен:

внешними устройствами для ввода-вывода информации;
арифметико-логическим устройством для выполнения арифметических и логических операций;
устройством управления для организации процесса выполнения программ;
запоминающим устройством для хранения программ и данных.

«Минимальная конфигурация ПК»: системный блок, монитор, клавиатура.

В основу устройства персонального компьютера положены магистрально-модульный принцип и принцип открытой архитектуры. Магистрально-модульный принцип строения персонального компьютера состоит в следующем: на системной (материнской) плате размещаются микропроцессор и оперативная память. Эти основные микросхемы связаны с внешними (периферийными) устройствами магистралями (шинами). Соединение происходит с помощью контроллеров (адаптеров), которые согласовывают сигналы устройства с сигналами шины и осуществляют управление устройством по командам, поступающим от центрального процессора.

Шины бывают трех типов (в зависимости от передаваемых сигналов): шина адреса (адреса устройств и ячеек памяти), шина данных (данные), управляющая шина (управляющие сигналы). Основной характеристикой шин является разрядность. Разрядность – максимальное количество бит, передаваемое по шине одновременно. Бывают 8-, 16-, 32-, 64-разрядные шины. Еще одной характеристикой является быстродействие – количество бит, передаваемых в единицу времени.

Функции платы могут быть расширены дополнительными модулями (дочерними платами), имеющими специальное назначение, например расширение оперативной памяти, управление накопителями на дисках. Эти платы подключаются к системной через разъемы стандартной шины.

Другим принципом является принцип открытой архитектуры, который проявляется в возможности дополнения или замены имеющихся аппаратных средств новыми устройствами. Этот принцип впервые применила фирма IBM, что повлияло на ускорение темпов развития вычислительной техники.

Все внешние устройства можно условно разделить на следующие группы: устройства ввода, устройства вывода, устройства хранения, устройства передачи.

5.4. Микропроцессор.

Микропроцессор – электронная схема, выполняющая все вычисления и обработку информации.

В состав микропроцессора входят арифметико-логическое устройства (АЛУ), устройство управления (УУ), регистры памяти. Арифметико-логическое устройство отвечает за выполнение базовых арифметических и логических операций. Устройство управления формирует управляющие сигналы и координирует работу всех устройств и выполнение всех процессов в компьютере.

К характеристикам микропроцессоров относятся тактовая частота, разрядность, адресное пространство.

Такт – это промежуток времени между импульсами, которые периодически вырабатывает генератор тактовой частоты. На выполнение каждой операции отводится определенное количество тактов. Операция разбивается на определенные действия, на выполнение каждого из которых отводится один такт. Тактовая частота – количество элементарных операций, производимых в секунду. Она измеряется в кило-, мега-, гигагерцах. От тактовой частоты зависит быстродействие компьютера. Однако его нельзя свести только к одной характеристике.

Разрядность – максимальное количество бит, которые могут обрабатываться одновременно. Разрядность процессора – длина машинного слова – определяется разрядностью регистров процессора и разрядность шины данных. Теоретически эти величины могут не совпадать, однако на практике их делают одинаковыми.

Адресное пространство – это диапазон адресов, которыми может оперировать микропроцессор. Его размер определяется разрядностью шины адреса: , где n - разрядность адресной шины.

Часто также устанавливается сопроцессор, который выполняет все арифметические операции. Многоядерный процессор – центральный процессор, содержащий два и более вычислительных ядра на одном процессорном кристалле или в одном корпусе.

5.5. Внутренняя память.

Внутренняя память состоит из нескольких частей: оперативное запоминающее устройство (ОЗУ, оперативная память), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ, постоянная память), кэш-память.

Внутренняя память дискретна. Элементарной (минимальной) единицей хранения информации является бит. Он может содержать 02 или 12. Однако компьютер при работе с памятью для размещения или выборки данных из нее оперирует не битами, а байтами и более крупными единицами – словами и двойными словами. В зависимости от класса компьютера слово – это два или четыре байта памяти. Для обращения к элементам памяти они снабжаются адресами, начиная с нуля. Максимальный адрес основной памяти определяется функциональными возможностями того или иного компьютера.

ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) – энергозависимое устройство, предназначенное для чтения и записи, в котором хранятся программы и данные, обрабатываемые в настоящее время. Обозначается RAM – Random Access Memory – память с произвольным доступом. Главными достоинствами оперативной памяти являются ее высокое быстродействие и возможность обращения к каждой ячейке памяти отдельно (прямой адресный доступ к ячейке). В качестве недостатка ОЗУ следует отметить невозможность сохранения информации в ней после выключения питания машины. В настоящее время для нормальной работы компьютера необходимо не менее 512 Мбайт памяти.

Существует два вида ОЗУ, отличающиеся техническими характеристиками: динамическое ОЗУ (DRAM) и статическое (SRAM). Быстродействие динамического ОЗУ на порядок ниже, чем у статического, но на одной СБИС уменьшается больший ее объем.

ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) – энергонезависимое устройство, предназначенное только для чтения. Обозначается ROM – Read Only Memory – память только для чтения. Данные в нее заносятся при изготовлении. Важнейшая микросхема постоянной памяти – модуль BIOS. BIOS (Basic Input/Output System – базовая система ввода-вывода) – совокупность программ, предназначенных для:

автоматического тестирования устройств после включения питания компьютера;
загрузки операционной системы в оперативную память.

Разновидность постоянного запоминающего устройства – CMOS RAM. Это память с невысоким быстродействием и минимальным энергопотреблением от батарейки. Используется для хранения информации о конфигурации и составе оборудования компьютера, а также о режимах его работы.

Кэш-память (от англ. caсhe – тайник). Она служит буфером между RAM и микропроцессором и позволяет увеличить скорость выполнения операций, т.к. является сверхбыстродействующей. В нее помещаются данные, которые процессор получил и будет использовать в ближайшие такты своей работы. Эта память хранит копии наиболее часто используемых участков RAM. При обращении микропроцессора к памяти сначала ищутся данные в кэш-памяти, а затем, если остается необходимость, в оперативной памяти.

Для хранения графической информации используется видеопамять. Видеопамять (VRAM) – разновидность оперативного запоминающего устройства, в котором хранятся закодированные изображения. Это ЗУ организовано так, что его содержимое доступно сразу двум устройствам – процессору и дисплею. Поэтому изображение на экране меняется одновременно с обновлением видеоданных в памяти.

5.6. Устройства ввода информации и их характеристики.

1. Клавиатура. Клавиши клавиатуры подключены к матрице контактов. Каждой клавише или комбинации клавиш присвоен свой номер (код). Внутри клавиатуры находится отдельный микропроцессор. Каждое нажатие на клавишу замыкает контакт. При этом в соответствии с матрицей контактов микропроцессор генерирует код нажатой клавиши. Этот код запоминается в специальной области (буфере микропроцессора) и становится доступным для обработки программными средствами. Драйвер клавиатуры, как правило, поставляется вместе с операционной системой. Эта программа позволяет пользователю выбрать алфавит, осуществить раскладку клавиш.

Все клавиши можно разбить на следующие группы:

буквенно-цифровые клавиши;
клавиши управления курсором;
специальные управляющие клавиши;
функциональные клавиши;
дополнительная клавиатура.

Home	Перемещение курсора в первую позицию строки
End	Перемещение курсора в последнюю позицию строки
PgUp	Перемещение по тексту в направлении его начала на одну страницу (обычно на 25 строк)
PgDn	Перемещение по тексту в направлении его конца на одну страницу вперед
Ins	Переключение клавиатуры из режима замены в режим вставки и обратно
Delete	Удаление на экране указанного курсором символа
Esc	Отмена каких либо действий или выхода из программы
Ctrl	Используется с другими клавишами, изменяя их действия
Alt	Используется с другими клавишами, изменяя их действия
Enter	Клавиша ввода информации и возврата каретки, служит для завершения ввода очередной строки
Backspace	Возврат на одну позицию по экрану влево с удалением предыдущего символа
Tab	Перемещение курсора вправо на задаваемое по запросу количество позиций или, заранее предопределенное программой, перемещение
Shift	Клавиша смены регистра
Print Screen	Распечатка на принтере информации, выведенной на экране
Caps Lock	Фиксация прописных/строчных букв
Num Lock	Фиксация режимов работы малой цифровой клавиатуры
Scroll Lock	Переключение режима вывода на экран дисплея
Pause/Break	Прерывание (приостановка) выполнения программ и процедур, например вывода информации на экран

Функциональные клавиши F1-F12 размещены в верхней части клавиатуры. Эти клавиши предназначены для различных специальных действий; они программируются и для каждого программного продукта имеют свое назначение.

2. Манипуляторы. Манипулятор мышь – устройство для ввода команд, представляющее собой небольшое устройство с несколькими клавишами. Перемещение указателя мыши по экрану производится передвижением мыши по столу. Различают механические, оптические и беспроводные устройства. Механическое устройство состоит из резинового шарика, вращающегося при перемещении мыши, и двух взаимно перпендикулярных роликов. Датчики поворота ролика передают сигналы в компьютер. «Хвост» из проводов, по которым идут сигналы, дал устройству имя «мышь». Электронные устройства перемещения используют принцип обработки отраженных световых импульсов от поверхности, по которой перемещается мышь. Такие устройства значительно надежнее механических. Выпускаются мыши, передающие информацию в компьютер по инфракрасному каналу (беспроводные). Характеристикой мыши является разрешение. Оно измеряется в dpi (dot per inch – количество точек на дюйм). Если мышь имеет разрешение 900 dpi и её передвинули на 1 дюйм (2,53 см) вправо, то привод мыши получает через микроконтроллер информацию о смещении на 900 единиц вправо. Баллистическим эффектом называется зависимость точности позиционирования мыши от скорости её перемещения. Драйвер мыши поставляется вместе с устройством. Современные операционные системы содержат драйверы для большинства манипуляторов этого типа и автоматически при включении компьютера подбирают наиболее подходящий из них.

Разновидностью мыши можно считать трэкбол, который можно сравнить с перевернутой мышью,.

Джойстик – устройство управления в компьютерных играх. Представляет собой рычаг на подставке, который можно отклонять в двух плоскостях. На рычаге могут быть разного рода гашетки и переключатели. Также словом «джойстик» в обиходе называют рычажок управления, например, в мобильном телефоне.

Световое перо – один из инструментов ввода графических данных в компьютер. Внешне имеет вид шариковой ручки или карандаша, соединённого проводом с одним из портов ввода-вывода компьютера. Обычно на световом пере имеется одна или несколько кнопок, которые могут нажиматься рукой, удерживающей перо. Ввод данных с помощью светового пера заключается в прикосновениях или проведении линий пером по поверхности экрана монитора. В наконечнике пера устанавливается фотоэлемент, который регистрирует изменение яркости экрана в точке, с которой соприкасается перо, за счёт чего соответствующее программное обеспечение вычисляет позицию, «указываемую» пером на экране и может, в зависимости от необходимости, интерпретировать её тем или иным образом, обычно как указание на отображаемый на экране объект или как команду рисования. Кнопки используются аналогично кнопкам манипулятора мышь – для выполнения дополнительных операций и включения дополнительных режимов.

3. Сканер – устройство для перевода графической информации в цифровую. Функция сканера – получение электронной копии документа, созданного на бумаге. Лампа освещает сканируемый текст, отражённые лучи попадают на фотоэлемент, состоящий из множества светочувствительных ячеек. Каждая из них под действием света приобретает электрический заряд. Аналого-цифровой преобразователь ставит в соответствие каждой ячейке числовое значение, и эти данные передаются в компьютер. Сканеры бывают ручные и настольные (портативно-страничные или листовые, планшетные, слайд-сканеры, барабанные); они могут быть чёрно-белые (до 64 оттенков серого) и цветные (256 - 16 млн. цветов).

Ручные сканеры внешне напоминают «мышь» большого размера, которую пользователь двигает по сканируемому изображению. Однако ручное перемещение устройства по бумаге, небольшой размер охватываемой области сканирования не обеспечивают достаточной скорости и требуют тщательной состыковки отдельных участков изображения.

Основной отличительный признак планшетного сканера – сканирующая головка перемещается относительно неподвижной бумаги. Они просты и удобны в эксплуатации, позволяют сканировать изображения, как с отдельных листов, так и с книг, журналов.

У портативно-страничных сканеров бумага перемещается относительно сканирующей головки. Они довольно компактны, но отсканировать с их помощью рисунок из книги вряд ли получится. Этот тип сканеров используется для ввода страниц документов форматом от визитной карточки до А4, система автоматической подачи бумаги обеспечивает равномерное сканирование по всей ширине листа.

Слайд-сканеры – это узкоспециализированные устройства, предназначенные для ввода изображения с прозрачного материала (фотопленки) с высоким разрешением и качеством изображения. Они обладают ярко выраженной профессиональной направленностью и высокой стоимостью.

Барабанные сканеры представляют собой профессиональные стационарные устройства, предназначенные для применения в полиграфии и сканировании крупноформатных изображений. Основными преимуществами являются высокая скорость и точность сканирования благодаря стационарно закрепленному сканирующему элементу и высокой равномерности вращения барабана с размещенным на нем сканируемым изображением.

Основными характеристиками являются:

разрешающая способность (оптическое разрешение), то есть количество распознаваемых точек (пикселей) на дюйм;
скорость сканирования – показатель быстродействия, который равен времени, затрачиваемому на обработку одной строки изображения;
размеры сканируемого листа (область сканирования);
разрядность битового представления – определяет максимальное число цветов или оттенков серого, которые может воспринимать сканер.

Драйвер сканера предназначен для управления процессом сканирования и настройки основных параметров сканера. Иногда драйверы дополняются средствами манипулирования отсканированными изображениями (изменить яркость, контрастность и т. п.). Сканеры могут использоваться для простого переноса картинок (фотографий, рисунков и пр.) в память компьютера или на экран дисплея, или же для быстрого ввода текстовых документов. Во втором случае из графического изображения необходимо выделить (распознать) буквы, цифры, пробелы, знаки табуляции, столбцы, то есть перевести изображение в текстовый формат. Для преобразования отсканированных текстов в текстовые коды предназначены программы оптического распознавания символов.

4. Сенсорные устройства. Дигитайзер (графический планшет) – это устройство для ввода рисунков от руки непосредственно в компьютер. Состоит из пера и плоского планшета, чувствительного к нажатию или близости пера.

Основные пользовательские характеристики:

рабочая площадь обычно приравнивается к одному из стандартных бумажных форматов (А7-А0);
разрешение – шаг считывания информации;
число степеней свободы описывает число характеристик взаимного положения планшета и пера. Минимальное число степеней свободы – 2 (X и Y положения проекции чувствительного центра пера), дополнительные степени свободы могут включать давление, наклон пера относительно плоскости планшета.

Тачпад (сенсорная панель) – указательное устройство ввода, применяемое, чаще всего, в ноутбуках. Работа тачпадов основана на измерении емкости пальца или измерении емкости между сенсорами. Емкостные сенсоры расположены вдоль вертикальной и горизонтальной осей тачпада, что позволяет определить положение пальца с нужной точностью. Поскольку работа устройства основана на измерении ёмкости, тачпад не будет работать, если водить по нему каким-либо непроводящим предметом, например, основанием карандаша.

Сенсорный экран предназначен для управления устройствами с помощью простого прикосновения к экрану. Применение сенсорных экранов имеет ряд преимуществ, недоступных при использовании любых других устройств ввода: повышенную надёжность, устойчивость к жёстким внешним воздействиям, интуитивно понятный интерфейс. Они используются в платежных терминалах, информационных киосках, оборудовании для автоматизации торговли, карманных компьютерах, операторских панелях в промышленности. Сенсорный экран представляет собой стеклянную конструкцию, размещаемую на поверхности дисплея, отображающего систему навигации. Выбор необходимой функции системы происходит при прикосновении к соответствующему изображению на экране. Контроллер сенсорного экрана обрабатывает координаты точки прикосновения и передает их в компьютер. Специальное программное обеспечение запускает выбранную функцию.

5. Цифровые фото- и видеокамеры – устройства ввода графической и видеоинформации.

6. Микрофон – устройство ввода звуковой информации.

5.7. Устройства вывода информации и их характеристики.

1. Монитор (дисплей) относится к основным устройствам любого ПК, без которого невозможна эффективная работа. В процессе работы на экране дисплея отображаются как вводимые пользователем команды и данные, так и реакция системы на них.

Мониторы могут работать в двух режимах: текстовом и графическом. В тестовом режиме мониторы способны воспроизводить только ограниченный набор символов, причём символы могут выводиться только в определенные позиции экрана (чаще всего на экран можно вывести 24 или 25 строк по 40 или 80 символов в строке); в графическом –отображают как графическую, так и текстовую информацию, при этом экран разбит на множество точек (пикселей), каждая из которых может иметь тот или иной цвет. Из этих светящихся точек и формируется изображение.

По количеству воспроизводимых цветов мониторы бывают монохромными и цветными. Монохромные устройства способны воспроизводить информацию только в каком-либо одном цвете, возможно, с различными оттенками (градациями яркости). Цветные дисплеи обеспечивают отображение информации в нескольких оттенках цвета (от 16 оттенков до более чем 16 млн). Фактически, современные дисплеи могут отображать столько оттенков, сколько позволяет видеокарта, память которой хранит информацию о цветах точек экрана.

По принципам формирования изображения различают дисплеи на основе электронно-лучевой трубки, жидкокристаллические, плазменные, светодиодные.

Дисплеи на электронно-лучевой трубке (ЭЛТ) работают подобно телевизору. Под воздействием электрических полей в «электронной пушке» разгоняется поток электронов. Далее при помощи электромагнитных полей пучок отклоняется в нужную сторону. Затем этот поток фокусируется, доходит до экрана и заставляет светиться маленькое пятнышко люминофора (зерно экрана) с яркостью, пропорциональной интенсивности пучка. Так работают монохромные устройства. В цветных мониторах зерно экрана составляют три пятнышка люминофора разного цвета (красного, зелёного и синего) и потоки электронов посылаются тремя «пушками», причём электронный луч для каждого цвета должен попадать на свой люминофор. Преимущества: современные ЭЛТ-дисплеи имеют высокое качество изображения, достаточно дёшевы и надёжны. Недостатки: такие дисплеи достаточно громоздки, потребляют много энергии, имеют более высокий уровень излучения, чем дисплеи других типов.

Жидкокристаллические дисплеи или LCD-дисплеи. Их действие основано на эффекте потери жидкими кристаллами своей прозрачности при пропускании через них электрического тока. Преимущества: жидкокристаллические дисплеи не создают вредного для здоровья пользователя излучения, наиболее экономичны в потреблении энергии, обеспечивают хорошее качество изображения. Недостатки: если смотреть на экран сбоку, то почти ничего нельзя разглядеть.

Газо-плазменные дисплеи. Действие основано на свечении газа при пропускании через него электрического тока. Схема такова: имеются два листа, между ними инертный газ; один из листов прозрачный, а на втором расположены электроды, на которые подаётся напряжение. Обычно газо-плазменные индикаторы состоят из нескольких подобных элементарных ячеек, число точек в каждой из которых подобрано наиболее оптимальным образом для отображения одиночных символов.

Светодиодные матрицы (LED-дисплеи). Обычно применяются во встроенных ЭВМ (используемых в автоматизированных линиях на промышленном производстве, в робототехнике и так далее) для отображения небольших объёмов текстовой информации.

Основные пользовательские характеристики:

размер экрана по диагонали;
размер зерна экрана – расстояние в миллиметрах между двумя соседними люминофорами одного цвета;
разрешающая способность – число пикселей (точек экрана) по горизонтали и вертикали. Она зависит от размера экрана и размера зерна экрана, но может изменяться (в определённых пределах) с помощью программной настройки;
число передаваемых цветов (зависит от объема памяти видеокарты);
частота кадровой развёртки (частота синхронизации) – это число изображений на экране монитора, перерисовываемых лучом электронной трубки за единицу времени. Измеряется в герцах.
соответствие стандартам безопасности: мониторы с внутренним экранированием и пониженным уровнем излучения, допустимый уровень излучения монитора, антибликовое покрытие и т.д.

2. Видеокарта – это устройство, управляющее дисплеем и обеспечивающее вывод изображений на экран. Она определяет разрешающую способность дисплея и количество отображаемых цветов. Сигналы, которые получает дисплей формируются именно видеокартой.

Возможности ПК по отображению информации определяются совокупностью (и совместимостью) технических характеристик дисплея и его видеокарты, то есть видеосистемы в целом. Практически все современные видеокарты принадлежат к комбинированным устройствам и помимо главной своей функции – формирования видеосигналов – осуществляют ускорение выполнения графических операций. Для этого на видеокарте устанавливаются специальные процессоры, позволяющие выполнять многие операции с графическими данными без использования центрального процессора. Такие устройства называются видеоадаптерами. Они значительно ускоряют вывод информации на экран дисплея при работе с графическими программными оболочками, трёхмерной графикой и при воспроизведении динамических изображений.

3. Принтер – печатающее устройство для получения «твёрдой» копии документа. Все печатающие устройства подразделяются по принципу работы на матричные, струйные, лазерные.

Принцип действия матричных принтеров состоит в том, что головка с иголками, ударяя по красящей ленте, оставляет на бумаге сформированный из набора точек символ. Достоинствами принтеров данного типа является высокая надежность и низкая стоимость расходного материала. Недостатки: сильный шум, низкое качество и скорость печати, отсутствие автоматической подачи бумаги.

В струйных принтерах через специальные отверстия – сопелы – под давлением выдуваются чернила, тем самым формируя изображение. Их производительность заметно выше, чем у матричных принтеров. Работают они бесшумно, имеют достаточно высокое качество печати а автоматическую подачу бумаги. Основное достоинство – доступная цветная печать. Недостатки: высокая стоимость расходного материала, при попадании влаги на изображение ведет к его растеканию.

Работа лазерных принтеров основана на принципе ксерографии – изображение переносится на бумагу со специального барабана, к которому электрически притягиваются частички специальной краски (тонера). При прокатывании листа бумаги вдоль барабана рисунок переносится на бумагу, а затем фиксируется за счёт нагрева или давления. Лазерные принтеры работают очень тихо и значительно быстрее матричных и струйных принтеров и дают отпечатки высокого качества – очень чёткие, контрастные. Недостатки: требует бумагу очень высокого качества, дорогая цветная печать.

Основные пользовательские характеристики:

разрешающая способность;
скорость печати определяется двумя факторами – временем механической протяжки бумаги и скоростью обработки поступающих данных;

объем памяти; принтеры, как правило, оборудованы процессором и внутренней памятью (буфером), которые принимают и обрабатывают данные.

4. Плоттер или графопостроитель. Плоттер является устройством вывода, которое применяется только в специальных областях. Он предназначен для вывода таких графических материалов, как чертежи, графики, схемы, диаграммы, входящие в комплект конструкторской или технологической документации. Пишущий узел имеет несколько штифтов для закрепления специальных фломастеров. Штифты могут подниматься над бумагой (линия не рисуется) или опускаться для рисования. Узел перемещается вдоль бумаги по специальным направляющим. Плоттеры бывают планшетными и рулонными.

5. Видеопроекторы – устройства вывода информации на светлую вертикальную поверхность (экран, стену).

6. Колонки, наушники – устройства вывода звуковой информации.

5.8. Запоминающие устройства и их характеристики.

Внешняя память компьютера или ВЗУ – важная составная часть электронно-вычислительной машины, обеспечивающая долговременное хранение программ и данных на различных носителях информации. Для работы с внешней памятью необходимо наличие накопителя (устройства, обеспечивающего запись и (или) считывание информации) и устройства хранения – носителя.

По принципам функционирования различают следующие виды устройств: магнитные, оптические и смешанные – магнитооптические. Каждый тип устройств организован на основе соответствующей технологии хранения/воспроизведения/записи цифровой информации. Основные характеристики накопителей и носителей:

информационная ёмкость;
скорость обмена информацией;
надёжность хранения информации;
стоимость.

Общая технология магнитных запоминающих устройств состоит в намагничивании переменным магнитным полем участков носителя и считывания информации, закодированной как области переменной намагниченности. Дисковые носители, как правило, намагничиваются вдоль концентрических полей – дорожек, расположенных по всей плоскости дискоидального вращающегося носителя. Намагничивание достигается за счет создания переменного магнитного поля при помощи головок чтения/записи. Головки представляют собой два или более магнитных управляемых контура с сердечниками, на обмотки которых подается переменное напряжение. Изменение величины напряжения вызывает изменение направления линий магнитной индукции магнитного поля и, при намагничивании носителя, означает смену значения бита информации с 1 на 0 или с 0 на 1.

Считывание информации с оптического диска происходит за счёт регистрации изменений интенсивности отражённого от алюминиевого слоя излучения маломощного лазера. Фотодатчик определяет, отразился ли луч от гладкой поверхности, был рассеян или поглощён. Рассеивание или поглощение луча происходит в местах, где в процессе записи были нанесены углубления. Фотодатчик воспринимает рассеянный луч, и эта информация в виде электрических сигналов поступает на микропроцессор, который преобразует эти сигналы в двоичные данные или звук.

Полупроводниковая память Flash-память – это энергонезависимый тип памяти, позволяющий записывать и хранить данные в микросхемах. Устройства на основе flash-памяти не имеют в своём составе движущихся частей, что обеспечивает высокую сохранность данных при их использовании в мобильных устройствах.

1. Накопитель на жёстких магнитных дисках (HDD – Hard Disk Drive, винчестер) – это запоминающее устройство большой ёмкости, в котором носителями информации являются круглые алюминиевые пластины, обе поверхности которых покрыты слоем магнитного материала. Используется для постоянного хранения информации – программ и данных. HDD обычно называют «винчестером.

Поверхность диска рассматривается как последовательность точечных позиций, каждая из которых считается битом и может быть установлена в 0 или 1. Так как расположения точечных позиций определяется неточно, то для записи требуются заранее нанесенные метки, которые помогают записывающему устройству находить позиции записи. Процесс нанесения таких меток называется физическим форматированием и является обязательным перед первым использованием накопителя. На каждой стороне каждой пластины размечены тонкие концентрические окружности, которые называются дорожками. Группы дорожек (треков) одного радиуса, расположенных на поверхностях магнитных дисков, называются цилиндрами. Номер цилиндра совпадает с номером образующей дорожки. Каждая дорожка разбивается на секторы. Сектор – наименьшая адресуемая единица обмена данными дискового устройства с оперативной памятью. Операционная система при работе с диском использует, как правило, собственную единицу дискового пространства, называемую кластером. Кластер (ячейка размещения данных) – объем дискового пространства, участвующий в единичной операции чтения/записи, осуществляемой операционной системой.

2. Накопитель на гибких магнитных дисках – гибкий диск, дискета (англ. floppy disk) – устройство для хранения небольших объёмов информации, представляющее собой гибкий пластиковый диск в защитной оболочке. Наиболее распространены – «трехдюймовые дискеты». Дискета 3,5 имеет 2 рабочие поверхности, 80 дорожек на каждой стороне, 18 секторов на каждой дорожке (512 байт – каждый сектор).

Информация записывается по концентрическим дорожкам (трекам), которые делятся на секторы. Количество дорожек и секторов зависит от типа и формата дискеты. Сектор хранит минимальную порцию информации, которая может быть записана на диск или считана. Емкость сектора постоянна и составляет 512 байтов.

3. Сменные носители. Довольно популярным накопителем является Zip. Он выпускается в виде встроенных или автономных блоков, подключаемых к параллельному порту. Эти накопители могут хранить 100 и 250 Мб данных на картриджах, напоминающих дискету формата 3,5’’.

4. Накопители на магнитной ленте (стримеры). Стример (англ. tape streamer) – устройство для резервного копирования больших объёмов информации. В качестве носителя здесь применяются кассеты с магнитной лентой ёмкостью 1-2 Гбайта и больше. Недостатком стримеров является последовательный доступ к данным, их сравнительно низкая скорость записи, поиска и считывания информации.

5. Оптические диски. CD-ROM – это оптический носитель информации, предназначенный только для чтения, на котором может храниться до 650 Мб данных. Доступ к данным на CD-ROM осуществляется быстрее, чем к данным на дискетах, но медленнее, чем на жёстких дисках. Компакт-диск диаметром 120 мм (около 4,75’’) изготовлен из полимера и покрыт металлической плёнкой. Информация считывается именно с этой металлической плёнки, которая покрывается полимером, защищающим данные от повреждения. CD-ROM является односторонним носителем информации. Информация заносится на такие диски при изготовлении. Кроме того существуют диски CD-R, предназначенные для однократной записи. Более популярными являются накопители CD-RW, которые позволяют записывать и перезаписывать диски CD-RW, записывать диски CD-R, читать диски CD-ROM, т.е. являются в определённом смысле универсальными.

DVD – универсальный цифровой диск. Имея те же габариты, что обычный компакт-диск, и весьма похожий принцип работы, он вмещает чрезвычайно много информации – от 4,7 до 17 Гбайт. Разброс ёмкостей возникает так: в отличие от CD-ROM, диски DVD записываются с обеих сторон. Более того, с каждой стороны могут быть нанесены один или два слоя информации.

6. Flash-память представляет собой микросхему, помещенную в миниатюрный корпус. Для записи или считывания информации накопители подключаются к компьютеру через USB-порт. Информационная емкость карт памяти достигает нескольких гигабайтов.

5.9. Устройства передачи информации и их характеристики.

Для подключения компьютеров к среде передачи используются специализированные устройства. Основными функциями этих устройств является физическое кодирование и декодирование данных, а также синхронизация приема и передачи. Наиболее известными в настоящее время устройствами являются модемы и сетевые адаптеры.

1. Модем (МОдулятор/ДЕМодулятор) представляет собой устройство, осуществляющее физическое кодирование данных методом модуляции. Существуют различные типы модемов для подключения к сетям по разным физическим каналам, как правило, не предназначенным для построения компьютерных сетей. Так, для подключения по телефонным линиям используются телефонные модемы (или – просто модемы, поскольку исторически под этим термином понималось устройство для подключения по телефонным линиям), для подключения по кабельным каналам – кабельные модемы, для подключения по радиоканалам – радиомодемы. Технические характеристики используемого канала накладывают ограничения на правила формирования сигналов (модуляции).

2. Сетевой адаптер (сетевая плата) – это устройство, которое предназначено для подключения компьютера к высококачественным физическим каналам компьютерных сетей. Сетевые адаптеры реализуют также определенное число логических функций организации взаимодействия, например, адресации абонентов и упорядочивания одновременного доступа нескольких к общей физической линии и т.д.

5.10. Организационные формы использования и режимы работы ЭВМ.

По мере развития вычислительной техники совершенствуются и формы ее использования. В зависимости от размещения средств ВТ различают централизованную и децентрализованную формы использования. Централизованная форма предполагает сосредоточенность ВТ и средств подготовки данных в одном пункте обработки информации, называемом вычислительным центром (ВЦ). Децентрализованные формы предполагают размещение ВТ непосредственно в местах возникновения и потребления информации, т.е. в подразделениях предприятия. На базе мини- и персональных ЭВМ создаются автоматизированные рабочие места специалистов (АРМ-бухгалтера, АРМ-финансиста, АРМ-управленца и т.д.)

Следующей организационной формой использования ВТ являются сети ЭВМ, которые предполагают объединение вычислительных средств с помощью каналов связи в единую систему. Сети бывают локальные и глобальные. Локальные сети характеризуются размещением средств ВТ на ограниченной территории (в пределах одного здания), а глобальные практически не имеют ограничения по территории размещения.

Режим обработки информации – это развитая программно-адаптивная система управления ЭВМ, которая определяет порядок доступа пользователя к аппаратным ресурсам компьютера. Основными режимами обработки информации на ЭВМ являются:

1. Однопрограммный: все ресурсы компьютера работают с одной задачей (программой) и находятся в распоряжении одного пользователя. Этот режим не рационален, а потому и не современен. Стремление повысить производительность ЭВМ и ликвидировать простые отдельные блоки и узлы привело к появлению мультипрограммного режима.

2. Мультипрограммный: ЭВМ может одновременно выполнять несколько программ. При нем процессор может прервать выполнение одной задачи и перейти к другой. При этом состояние первой задачи сохраняется с целью в дальнейшем вернуться к ней. Такой режим предполагает наличие управляющей программы, которая определяет последовательность выполнения программ и распределение вычислительных ресурсов между ними. Распределение ресурсов ЭВМ между программами в этом режиме определяется приоритетом задачи и характером выполняемых операций.

3. Режим разделения времени: характеризуется тем, что ресурсы компьютера поочередно принадлежат нескольким пользователям. При этом осуществление переключения между задачами настолько быстрое, что у каждого из пользователей создается эффект безраздельного владения всеми ресурсами машины. Этот режим возможен при одновременном допуске к ЭВМ нескольких пользователей. Принцип разделения времени заключается в следующем: одновременно запускаются на выполнение несколько пользовательских программ. Между программами машинное время распределяется малыми отрезками, т.е. квантами. В этом случае ЭВМ за небольшой промежуток времени обрабатывает программы всех пользователей, создавая этим у них иллюзию монопольного владения всеми ресурсами машины.

4. Режим пакетной обработки программ предполагает создание группы однотипных программ, то есть пакетов, запускаемых на выполнение совместно. При нем подготовленные пользователями программы передаются персональному вычислительному центру. По определенным признакам задачи подбираются в пакеты. Пакеты запускаются на выполнение. Задачи решаются в порядке их нахождения в пакете. Пакетный режим может быть реализован как в однопрограммном, так и в мультизадачном режиме. Недостатком в данном режиме является то, что пользователь отстранен от непосредственного контакта с ЭВМ.

5. Режим реального времени используется для непосредственного управления какими-либо процессами синхронно с их осуществлением. Особенность данного режима состоит в том, что у него жесткие временные рамки. Этот режим характерен для систем управления технологическим оборудованием или техническими процессами. Он работает в реальном времени. Через определенные промежутки времени происходит корректировка управляемого технологического процесса посредством получения от него информации через специальные датчики, обработки этой информации и принятие определенных решений.

6. Режим телеобработки характеризуется значительным удалением источника информации от места ее обработки. Связь между пользователем и ЭВМ осуществляется через специальные каналы связи и техническое оборудование, входящее в комплект абонентных пунктов и терминальных устройств.

7. Режим диалога характеризуется взаимодействием ЭВМ и пользователя по принципу «вопрос-ответ». Он организуется с помощью меню, а так же диалоговых окон, позволяющих выбрать нужные команды или режимы из перечня предлагаемых. Меню – предлагаемый пользователю набор директив, из которых он может выбирать для исполнения необходимую в данный момент времени директиву. В режиме «запрос-ответ» диалог может быть активным и пассивным. В активном пользователь задает вопросы ЭВМ и получает ответы. В пассивном наоборот машина задает вопросы, а пользователь отвечает.

8. Интерактивный режим характеризуется тем, что пользователь может влиять на обработку информации. Режим предполагает возможность двухстороннего взаимодействия пользователя с вычислительной системой.

PAGE 16

Технические средства реализации информационных процессов