Глава 5 организация внешней памяти


Содержание

Урок 6
Назначение и устройство компьютера. Принципы организации внутренней и внешней памяти

§5. Назначение и устройство компьютера
§6. Компьютерная память

Назначение и устройство компьютера

Основные темы, параграфа:

— что общего между компьютером и человеком;
— какие устройства входят в состав компьютера;
— что такое данные и программа;
— принципы фон Неймана.

Изучаемые вопросы:

— Компьютер как модель человека, работающего с информацией.
— Схема информационного обмена в компьютере.
— Отличие программы и данных.
— Отличие внутренней и внешней памяти компьютера.
— Принцип двоичной кодировки информации.
— Структура внутренней памяти компьютера, её свойства.
— Носители и устройства внешней памяти.

Что общего между компьютером и человеком

С этого урока мы начинаем знакомство с компьютером. Для информатики компьютер — это не только инструмент для работы с информацией, но и объект изучения. Вы узнаете, как компьютер устроен, какую работу с его помощью можно выполнять, какие для этого существуют программные средства.

С давних времен люди стремились облегчить свой труд. С этой целью создавались различные машины и механизмы, усиливающие физические возможности человека. Электронная вычислительная машина (в современной терминологии — компьютер) (рис. 2.1) была изобретена в середине XX века для усиления возможностей умственной работы человека, т. е. работы с информацией.

Из истории науки и техники известно, что идеи многих своих изобретений человек «подглядел» в природе.

Например, еще в XV веке великий итальянский ученый и художник Леонардо да Винчи изучал строение тел птиц и использовал эти знания для конструирования летательных аппаратов.

Русский ученый Н. Е. Жуковский, основоположник аэродинамики, также исследовал механизм полета птиц. Результаты этих исследований используются при расчетах конструкций самолетов.

А есть ли в природе прототип у компьютера? Да! Таким прототипом является сам человек. Только изобретатели стремились передать компьютеру не физические, а интеллектуальные возможности человека.

По своему назначению компьютер — универсальное техническое средство для работы человека с информацией.

По принципам устройства компьютер — это модель человека, работающего с информацией.

Какие устройства входят в состав компьютера

Информационная деятельность человека делится на составляющие:

• прием (ввод) информации;
• запоминание информации (сохранение в памяти);
• процесс мышления (обработка информации);
• передача (вывод) информации.

В состав компьютера входят устройства, выполняющие аналогичные функции:

• устройства ввода;
• устройства запоминания — память;
• устройство обработки — процессор;
• устройства вывода.

В ходе работы компьютера информация через устройства ввода попадает в память; процессор извлекает из памяти обрабатываемую информацию, работает с ней и помещает в память результаты обработки; полученные результаты через устройства вывода сообщаются человеку.

Чаще всего в качестве устройства ввода используется клавиатура, а устройства вывода — монитор или принтер (устройство печати).

Что такое данные и программа

И все-таки нельзя отождествлять «ум компьютера» с умом человека. Важнейшее отличие состоит в том, что работа компьютера строго подчинена заложенной в него программе, человек же сам управляет своими действиями.

В памяти компьютера хранятся данные и программы.

Данные — это обрабатываемая информация, представленная в памяти компьютера в специальной форме.

Программа — это описание последовательности действий, которые должен выполнить компьютер для решения поставленной задачи обработки данных.

Если информация для человека — это знания, которыми он обладает, то информация для компьютера — это данные и программы, хранящиеся в памяти. Данные — это «декларативные знания», программы — «процедурные знания» компьютера.

Принципы фон Неймана

В 1946 году американский ученый Джон фон Нейман сформулировал основные принципы устройства и работы ЭВМ. Описанный выше состав устройств ЭВМ и взаимодействие между ними называют архитектурой фон Неймана. Для неймановской архитектуры характерно наличие одного процессора, который управляет работой всех остальных устройств. С другими принципами фон Неймана вам еще предстоит познакомиться.

Коротко о главном

Компьютер — это программно управляемое устройство для выполнения любых видов работы с информацией.

В состав компьютера входят: процессор, память, устройства ввода, устройства вывода.

В памяти компьютера хранятся данные и программы.

Компьютер работает по программам, созданным человеком.

Вопросы и задания

1. Какие возможности человека воспроизводит компьютер?

2. Перечислите основные устройства, входящие в состав компьютера. Какое назначение каждого из них?

3. Опишите процесс обмена информацией между устройствами компьютера.

4. Что такое компьютерная программа?

5. Чем отличаются данные от программы?

6. Подготовьте доклад о принципах, сформулированных фон Нейманом.

Компьютерная память

Основные темы, параграфа:

— внутренняя и внешняя память;
— структура внутренней памяти компьютера;
— программа в памяти компьютера;
— носители и устройства внешней памяти.

Изучаемые вопросы:

— Компьютер как модель человека, работающего с информацией.
— Схема информационного обмена в компьютере.
— Отличие программы и данных.
— Отличие внутренней и внешней памяти компьютера.
— Принцип двоичной кодировки информации.
— Структура внутренней памяти компьютера, её свойства.
— Носители и устройства внешней памяти.

Внутренняя и внешняя память

Работая с информацией, человек пользуется не только своими знаниями, но и книгами, справочниками и другими внешними источниками. В главе I «Человек и информация» было отмечено, что информацию можно хранить в памяти человека и на внешних носителях. Заученную информацию человек может забыть, а записи сохраняются надежнее.

У компьютера тоже есть два вида памяти: внутренняя (оперативная) и внешняя (долговременная) память.

Внутренняя память — это электронное устройство, которое хранит информацию пока питается электроэнергией. При отключении компьютера от сети информация из оперативной памяти исчезает. Программа во время ее выполнения хранится во внутренней памяти компьютера.

Сформулированное правило относится к принципам Неймана. Это правило называют принципом хранимой программы.

Внешняя память — это различные магнитные носители (ленты, диски), оптические диски, флеш-карты памяти. Сохранение информации на внешних носителях не требует постоянного электропитания.

В современных компьютерах имеется еще один вид внутренней памяти, который называется постоянным запоминающим устройством — ПЗУ. Это энергонезависимая память, информация из которой может только читаться.

На рисунке 2.2 показан состав устройств компьютера. Стрелки указывают направления информационного обмена.

Структура внутренней памяти компьютера

Устройства компьютера производят определенную работу с информацией (данными и программами). А как же представляется в компьютере сама информация? Для ответа на этот вопрос «заглянем» внутрь машинной памяти. Структуру внутренней памяти компьютера можно условно изобразить так, как показано на рис. 2.3.

Наименьший элемент памяти компьютера называется битом памяти. На рисунке 2.3 каждая клетка изображает бит. Вы видите, что у слова «бит» есть два значения: единица измерения количества информации и частица памяти компьютера. Покажем, как связаны между собой эти понятия.

В каждом бите памяти может храниться в данный момент одно из двух значений: нуль или единица. Использование двух знаков для представления информации называется двоичной кодировкой.

Данные и программы в памяти компьютера хранятся в виде двоичного кода.

Один символ двухсимвольного алфавита несет 1 бит информации.

В одном бите памяти содержится один бит информации.

Битовая структура определяет первое свойство внутренней памяти компьютера — дискретность. Дискретные объекты составлены из отдельных частиц. Например, песок дискретен, так как состоит из песчинок. «Песчинками» компьютерной памяти являются биты.

Второе свойство внутренней памяти компьютера — адресуемость. Восемь расположенных подряд битов памяти образуют байт. Вы знаете, что это слово также обозначает единицу количества информации, равную восьми битам. Следовательно, в одном байте памяти хранится один байт информации.

Во внутренней памяти компьютера все байты пронумерованы. Нумерация начинается с нуля.

Порядковый номер байта называется его адресом.

Принцип адресуемости означает, что:

Запись информации в память, а также чтение ее из памяти производится по адресам.

Программа в памяти компьютера

Несколько последовательно расположенных байтов памяти образуют ячейку памяти, адресом которой является адрес младшего байта, т. е. байта с наименьшим номером. На рисунке 2.4 показан принцип адресации на примере 4-байтовых ячеек памяти.

Одна ячейка памяти может хранить одну команду программы или элемент данных, обрабатываемых программой (например, число). Машинная программа — это множество команд, расположенных в последовательных ячейках памяти (рис. 2.5).

Команда программы состоит из операционной части — кода операции и адресной части — адресов размещения в памяти обрабатываемых данных. Код операции определяет действие, выполняемое процессором по команде. Работа процессора заключается в автоматическом выполнении последовательности команд программы до ее завершения (команды остановки).

Носители и устройства внешней памяти

Устройства внешней памяти — это устройства чтения и записи информации на внешние носители. Информация на внешних носителях хранится в виде файлов. Что такое файлы, вы подробнее узнаете позже.

Важнейшими устройствами внешней памяти в современных компьютерах являются накопители на магнитных дисках (НМД), или дисководы.

Принцип магнитной записи был изобретен в 20-х годах прошлого столетия. Тогда появились акустические магнитофоны, которые позволяли записывать на магнитную ленту речь, музыку, а затем воспроизводить записанные звуки. Первым видом устройств внешней памяти на ЭВМ были накопители на магнитной ленте — аналоги акустических магнитофонов.

Современный НМД работает аналогично магнитофону. На поверхности диска, покрытой тонким ферромагнитным слоем, записывается двоичный код: намагниченный участок — единица, ненамагни- ченный — нуль. При чтении с диска эта запись превращается в нули и единицы в битах внутренней памяти.

К магнитной поверхности диска подводится записывающая головка (рис. 2.6), которая может перемещаться по радиусу. Во время работы НМД диск вращается. В каждом фиксированном положении головка взаимодействует с круговой дорожкой. На эти концентрические дорожки и производится запись двоичной информации.

Другим видом внешних носителей являются оптические диски (другое их название — лазерные диски). На них используется не магнитный, а оптико-механический способ записи и чтения информации.

Сначала появились лазерные диски, на которые информация записывается только один раз. Стереть или перезаписать ее невозможно. Такие диски называются CD-ROM — Compact Disk-Read Only Memory, что в переводе означает «компактный диск — только для чтения». Позже были изобретены перезаписываемые лазерные диски — CD-RW. На них, как и на магнитных носителях, хранимую информацию можно стирать и записывать заново.

Носители, которые пользователь может извлекать из дисковода, называют сменными.

Наибольшей информационной емкостью из сменных носителей обладают лазерные диски типа DVD (Digital Versatile Disk — универсальный цифровой диск). Иногда их называют видеодисками. Объем информации, хранящейся на DVD, измеряется в гигабайтах. Видеофильмы, записанные на DVD, можно просматривать с помощью компьютера, как по телевизору.

Сравнительно новым видом устройств внешней памяти является флеш-память. Устройство флеш-памяти подключается к компьютеру через универсальный разъем USB.

Коротко о главном

В состав компьютера входят внутренняя и внешняя память.

Исполняемая программа хранится во внутренней памяти (принцип хранимой программы).

Информация в памяти компьютера имеет двоичную форму.


Наименьшим элементом внутренней памяти компьютера является бит. Один бит памяти хранит один бит информации: значение О или 1.

Восемь подряд расположенных битов образуют байт памяти. Байты пронумерованы, начиная с нуля. Порядковый номер байта называется его адресом.

Во внутренней памяти запись и чтение информации производятся по адресам.

Машинная программа — множество команд, расположенных в последовательных ячейках памяти.

Внешняя память: магнитные диски; оптические (лазерные) диски — CD, DVD; флеш-память.

Вопросы и задания

1. Постарайтесь объяснить, зачем компьютеру нужны два вида памяти: внутренняя и внешняя. Подготовьте сообщение.

2. Что такое принцип хранимой программы?

3. В чем заключается свойство дискретности внутренней памяти компьютера?

4. Какие два значения имеет слово «бит»? Как они связаны между собой?

5. В чем заключается свойство адресуемости внутренней памяти компьютера?

6. Что представляет собой машинная программа? Какая информация содержится в команде программы?

7. Назовите устройства внешней памяти компьютера и сделайте их фотографии.

8. Какие типы оптических дисков вы знаете?

Электронное приложение к уроку

Вернуться к материалам урока
Презентации, плакаты, текстовые файлы Ресурсы ЕК ЦОР
Видео к уроку

Cкачать материалы урока

Виды и организация внешней памяти. Параметры, влияющие на быстродействие винчестера.

Внешняя память — это память, реализованная в виде внешних, относительно материнской платы, устройств с разными принципами хранения информации и типами носителя, предназначенных для долговременного хранения информации. В частности, в внешней памяти хранится все программное обеспечение компьютера. Устройства внешней памяти могут размещаться как в системном блоке компьютера, так и в отдельных корпусах. Физически, внешняя память реализована в виде накопителей. Накопители — это запоминающие устройства, предназначенные для продолжительного (что не зависит от электропитания) хранения больших объемов информации. Емкость накопителей в сотни раз превышает емкость оперативной памяти или вообще неограниченная, когда речь идет о накопителях со сменными носителями.

Производительность жестких дисков зависит в первую очередь от таких параметров, как плотность записи, скорость вращения, время поиска, объем и эффективность работы кэш-памяти, пропускная способность интерфейса. В технических характеристиках большинство параметров приводится в явном виде. Некоторые, как, например, плотность записи в расчете на одну рабочую поверхность, можно легко оценить, разделив емкость на число головок. Эффективность работы кэш-памяти, которая очень сильно влияет на производительность, остается неизвестной величиной. Имеется также множество других, трудно учитываемых факторов, например, организация данных и метод доступа, время переключения между цилиндрами.

18 Периферийные устройства ПК. Классы, основные характеристики

Видеомонитор (дисплей или просто монитор) – устройство отображениятекстовой и графической информации в стационарных ПК – на экране электронно-лучевой трубки, а в портативных ПК – на жидкокристаллическом плоском экране.

Клавиатура – один из важнейших элементов связи человека с компьютером.Клавиатура является основным устройством ввода информации в персональный компьютер. Данные, которые требуется обработать, и команды, подлежащиевыполнению, сообщаются компьютеру посредством клавиатуры. Кроме того, через нее производится управление работой компьютера во время выполненияпрограммы.

Принтер (или печатающее устройство) предназначен для вывода информациина бумагу. Все принтеры могут выводить текстовую информацию, многие из нихмогут выводить также рисунки и графики, а некоторые принтеры могут выводитьи цветные изображения.

Мышь– это манипулятор для ввода информации в компьютер. Мышь представляет собой небольшую коробочку с двумя или тремя клавишами, легко уменьшающуюся в ладони.

Графопостроитель (плоттер) – устройство для вывода графической информации на бумагу.

Модем – устройство для обмена информацией с другими компьютерами черезтелефонную сеть.

Факс-модем – устройство, сочетающее возможности модема, и средства для обмена факсимильными изображениями с другими факс-модемами и обычнымителефаксными аппаратами.

Сканер – устройство для считывания графической и текстовой информации в компьютер.

Аудиоплата дает возможность исполнять музыку и воспроизводить звуки с помощью компьютера.

Устройство для чтения компакт-дисков позволяет читать данные со специальных компакт-дисков (CD-ROM).

Трекбол – манипулятор в форме шара на подставке, используется длязамены мыши, особенно часто в портативных компьютерах.

Графический планшет – устройство для ввода контурных изображений(диджитайзер). Используется, как правило, в системах автоматическогопроектирования (САПР) для ввода чертежей в компьютер.

19 Программное обеспечения компьютера. Классификация. Пакет прикладных программ.

Программным обеспечением ВС (ПО, software) называют совокупность программ, описаний и инструкций по их применению, позволяющую использовать ВС как универсальную систему для хранения, обработки и обмена информацией.ПО является необходимым дополнением к техническим средствам ВС, обеспечивающим общую эффективную работу системы.Все программы, устанавливаемые (инсталлируемые) в ВС, делятся на несколько классов в зависимости от решаемых с их помощью задач и функций, которые они выполняют. Программное обеспечение принято делить на две основные группы: прикладное и системное ПО.

Пакеты прикладных программ(ППП) служат программным инструментарием решения функциональных задач и являются самым многочисленным классом программных продуктов. В данный класс входят программные продукты, выполняющие обработку информации различных предметных областей.

Пакет прикладных программ – комплекс взаимосвязанных программ для решения задач определенного класса конкретной предметной области.

Характеристика пакетов прикладных программ. Классифицируются:

1. Проблемно-ориентированные пакеты;

2. Методо-ориентированные пакеты;

3. Общего назначения;

4. Автоматизированного проектирования;

6. Программные средства мультимедиа;

7. Настольные издательские системы;

8. Интеллектуальные системы;

20 Операционная система: задачи, основные функции. Примеры операционных систем.

Операционная система — это программа, координирующая действия вычислительной машины; под ее управлением осуществляется выполнение программ.

Основные функции операционной системы:

1. Обмен данными между компьютером и различными периферийными устройствами (терминалами, принтерами, гибкими дисками, жесткими дисками и т.д.). Такой обмен данными называется «ввод/вывод данных».

2. Обеспечение системы организации и хранения файлов.

3. Загрузка программ в память и обеспечение их выполнения.

4. Организация диалога с пользователем.

ОС –это комплекс взаимосвязанных системных программ, назначение которого – организовать взаимодействие пользователя с компьютером и выполнение всех других программ.

Состав операционной системы.

Примеры:

DOS, Windows 3.1 (3.11), Windows 95, Windows 98 (SE), WindowsNT, WindowsME, WindowsXP, Windows 2000, Windows 2003, WindowsVista, unix, bsd, Mandrake, Mandriva, FedoraCore, RedHat, ASPLinux, Ubuntu, Gentoo, Debian, FreeBSD, OpenBSD, NetBSD, SuseLinux, Qnix, Novell.

Глава 5 организация внешней памяти

Организация внешней и внутренней памяти.

Внутренняя память . К физическим свойствам внутренней памяти относятся следующие свойства:

  • это память, построенная на электронных элементах (микросхемах), которая хранит информацию только при наличии электропитания; по этой причине внутреннюю память можно назвать энергозависимой;
  • это быстрая память; время занесения (записи) в нее информации и извлечения (чтения) очень маленькое — микросекунды;
  • это память небольшая по объему (по сравнению с внешней памятью).

Быструю энергозависимую внутреннюю память называют оперативной памятью, или ОЗУ — оперативное запоминающее устройство.

В компьютере имеется еще один вид внутренней памяти — постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Основное его отличие от ОЗУ — энергонезависимость, т.е. при отключении компьютера от электросети информация в ПЗУ не исчезает. Кроме того, однажды записанная информация в ПЗУ не меняется, — это память, предназначенная только для чтения, в то время как ОЗУ — и для чтения, и для записи. Обычно ПЗУ по объему существенно меньше ОЗУ.

Внешняя память . По аналогии с отмеченными выше физическими свойствами внутренней памяти, свойства внешней памяти описываются так:

  • вешняя память энергонезависима, т.е. информация в ней сохраняется независимо от того, включен или выключен компьютер, вставлен носитель в компьютер или лежит на столе;
  • внешняя память — медленная по сравнению с оперативной; в порядке возрастания скорости чтения/записи информации, устройства внешней памяти располагаются так: магнитные ленты – магнитные диски – оптические диски;
  • объем информации, помещающейся во внешней памяти больше, чем во внутренней; а с учетом возможности смены носителей неограничен.

Принципы организации информации.

1. Компьютер работает со следующими видами данных (обрабатываемой информации): символьными, числовыми, графическими, звуковыми;

2. Любая информация в памяти компьютера (в том числе и программы) представляется в двоичном виде. Двоичный вид обозначает то, что любая информация в памяти компьютера представляется с помощью всего двух символов: нуля и единицы. Как известно, один символ из двухсимвольного алфавита несет 1 бит информации. Поэтому двоичную форму представления информации еще называют битовой формой. В электронных элементах компьютера происходит передача и преобразование электрических сигналов. Двоичные символы распознаются так: есть сигнал — единица, нет сигнала — нуль.

Организация внутренней памяти .

Информационную структуру внутренней памяти следует представлять как последовательность двоичных ячеек — битов. Схематически такое представление изображено в таблице:

Тема 5. Системы внешней памяти

Читайте также:

  1. A. Характеристика внешней среды
  2. A.4.1 Подсистемы
  3. CMMS и EAM системы
  4. CRM системы
  5. DOS Fn 49H: Освободить распределенный блок памяти
  6. DSS — системы поддержки принятия решений — СППР
  7. ERP-системы
  8. GSM — Global System for Mobile — цифровые системы сетей сотовой связи поколения 2G
  9. I. Автоматизированные информационные системы .
  10. I. Виды, формы и системы оплаты труда.
  11. I. Особенности политической системы Украины в 1991 – 2004 гг.
  12. II. НЕКОНКУРЕНТНЫЕ партийные системы.

Системы внешней памяти — это hard disc, то есть жесткий диск, floppy disc, то есть гибкий диск или дискета, CD-ROM и некоторые другие.

Жесткий диск, или винчестер (название пошло от совпадения oбозначения первого жесткого диска с обозначением винтовки XIX века фирмы Winchester) предназначен для хранения той информации, которая более или менее часто используется в работе: программы операционной системы, компиляторов, сервисных программ, прикладных программ пользователя, текстовых документов, файлов базы данных и пр. Винчестер обеспечивает более быстрый доступ к данным, чем дискета, и значительно превосходит ее в емкости и надежности.

Жесткий диск — это одна или более жестких пластинок, покрытых материалом, позволяющим делать магнитную запись компьютерных данных. По его поверхности двигаются считывающе-записывающие головки. Между ними и поверхностью диска есть воздушный зазор, предохраняющий диск от повреждений и загрязнений.

Каждая машина располагает одним или двумя дисководами для гибких магнитных дисков. Дискеты используются для обмена программами и данными между компьютерами, для хранения программ, не используемых в работе, или запасных копий данных на случай их разрушения в винчестере. Можно использовать их для обычной работы на компьютере, однако это резко замедляет исполнение программ.

Floppy disc — это круглое плоское изделие из майлара (полиэтилен-перифталат), покрытое оксидом железа; субстанцией, содержащей крошечные частицы, которые удерживают магнитное поле. Дискета упакована в защитную пластиковую оболочку.

Данные считываются и записываются с помощью считывающе-записывающие головки, которая сменяет магнитное ориентирование частиц. Направление в одну сторону представляет собой двоичную 1, а в противоположную ей — двоичный 0. В зависимости от емкости, дискета может вмещать от нескольких сотен до миллиона байт данных, например, 3.5-дюймовые дискеты обладают емкостью 1.44 Мбайт, 5.25-дюймовые дискеты практически исчезли из употребления, так как они менее вместительны, менее надежны и менее долговечны.

CD-ROM (CD-R) — это аббревиатура, обозначающая Compact Disc Read Only Memory. С них можно только считывать информацию, так как она наносится на поверхность диска в виде желобков. Хотя кроме этого незначительного минуса, у них есть много плюсов. Во-первых, они обладают большой вместительностью — около 600 Мбайт. Во-вторых, использование лазерной оптики значительно ускоряет процесс считывания данных по сравнению с магнитными средствами.

Существую также CD-диски для чтения и записи информации (пишущие CD или CD-RW).

Глава 5. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ СИСТЕМЫ ПРЕРЫВАНИЯ ПРОГРАММ

Во время работы ЭВМ внутри нее самой или во внешней среде (в объекте, управляемом ЭВМ) могут возникнуть события, требующие немедленных ответных действий.

Прерывание программы – это способность ЭВМ при возникновении определенных ситуаций, требующих немедленной реакции ЭВМ, прекратить выполнение текущей программы и передать управление программе, реализующей реакцию ЭВМ на возникшую ситуацию.

Устройства, требующие вмешательства ЭВМ называются источниками прерываний.

Каждое событие, требующее прерывание, сопровождается сигналом, который называется запросом прерывания.


Программу, затребованную запросом прерывания, называют прерывающей программой.

Реакция ЭВМ состоит в том, что процессор формирует управляющий сигнал, требуемый прекращения выполнения текущей программы, а затем формирует управляющий сигнал перехода к обработке другой программы, соответствующей происходящему событию. По завершении этой программы ЭВМ возвращается к выполнению текущей программы.

Так происходит и при реализации мультипрограммного режима работы, когда обязательно наличие системы приоритетных прерываний.

Мультипрограммный режимоснован на том, что выполнение огромного большинства программ включает в себя операции, связанные с приостановкой работы ЦП (операции по вводу исходных данных, выводу результатов, загрузка программы с ВЗУ и тому подобное). Паузы же в работе ЦП используются для решения других задач. Чем больше одновременно обрабатывается программ (выше коэффициент мультипрограммирования), тем больше вероятность того, что в любой момент времени либо микропроцессор, либо то или иное устройство будет задействовано, вследствие чего производительность возрастает.

Запросы прерывания могут возникать внутри самой ЭВМ или во внешней среде. К первым относятся: запросы при переполнении разрядной сетки, при попытке деления на 0, при выходе из установленной для программы области памяти, затребование периферийным устройством операции ввода/вывода, завершение операции ввода/вывода устройством или возникновение особой ситуации при этой операции. Запросы во внешней среде возникаю от других ЭВМ, от аварийных и некоторых других датчиков управления объектами и другое. Таким образом, запросы прерывания генерируются несколькими развивающимися параллельно во времени процессами, которые в некоторые моменты времени требуют вмешательства процессора. К этим параллельным процессам в частности, относят процесс выполнения текущей программы, процесс контроля правильности работы ЭВМ, операции ввода/вывода, технологические процессы в управляемом машиной объекте и другие.

Возможность прерывания программ позволяет эффективно использовать производительность процессора при наличии нескольких, протекающих параллельно во времени процессов, требующих в произвольные моменты времени вмешательства центрального процессора. В первую очередь это относится к организации параллельной во времени работы процессора и пункта управления машины, а также к использованию ЭВМ для управления в реальном времени технологического процесса. В некоторых ЭВМ, наряду или вместо прерывания с переключением управления на другую программу, используется так называемая приостановка, когда по соответствующему запросу приостанавливается выполнение программы и с помощью аппаратных средств выполняется некоторая процедура без изменения содержания счетчика команды, а по ее окончании продолжается выполнение приостановленной программы. Чтобы ЭВМ могла реализовывать прерывания программ с достаточно высоким быстродействием, не требуя при этом больших усилий от программиста, необходимо придать соответствующие аппаратурные и программные средства, совокупность которых получила название система прерывания программ. В качестве аппаратных средств используется блок прерывания (контроллер прерывания). Программные средства – специальные программы, каждая из которых соответствует определенному прерыванию.

Основные функции системы прерывания:

¨ запоминание состояния прерываемой программы и переход к прерывающей программе;

¨ восстановление состояния прерванной программы и возврат к ней.

При наличии нескольких источников запросов прерывания, между ними должны быть установлены приоритетные соотношения. Приоритет определяет, какой из поступивших запросов подлежит обработке в первую очередь, и устанавливает, имеет ли данный запрос (прерывающая программ) право прерывать ту или иную программу.

Дата добавления: 2014-01-20 ; Просмотров: 112 ; Нарушение авторских прав? ;

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Глава 2. Общие принципы организации и работы компьютеров

2.1. Что такое компьютер?

Компьютер (англ. computer — вычислитель) представляет собой программируемое электронное устройство, способное обрабатывать данные и производить вычисления, а также выполнять другие задачи манипулирования символами [51] .

Существует два основных класса компьютеров:

  • цифровые компьютеры, обрабатывающие данные в виде двоичных кодов;
  • аналоговые компьютеры, обрабатывающие непрерывно меняющиеся физические величины (электрическое напряжение, время и т.д.), которые являются аналогами вычисляемых величин.

Поскольку в настоящее время подавляющее большинство компьютеров являются цифровыми, далее будем рассматривать только этот класс компьютеров и слово «компьютер» употреблять в значении «цифровой компьютер«.

Основу компьютеров образует аппаратура (HardWare), построенная, в основном, с использованием электронных и электромеханических элементов и устройств. Принцип действия компьютеров состоит в выполнении программ (SoftWare) — заранее заданных, четко определённых последовательностей арифметических, логических и других операций.

Любая компьютерная программа представляет собой последовательность отдельных команд.

Команда — это описание операции, которую должен выполнить компьютер. Как правило, у команды есть свой код (условное обозначение), исходные данные (операнды) и результат.

Например, у команды «сложить два числа» операндами являются слагаемые, а результатом — их сумма. А у команды «стоп» операндов нет, а результатом является прекращение работы программы.

Результат команды вырабатывается по точно определенным для данной команды правилам, заложенным в конструкцию компьютера.

Совокупность команд, выполняемых данным компьютером, называется системой команд этого компьютера.

Компьютеры работают с очень высокой скоростью, составляющей миллионы — сотни миллионов операций в секунду.

2.2. Как устроен компьютер?

Разнообразие современных компьютеров очень велико. Но их структуры основаны на общих логических принципах, позволяющих выделить в любом компьютере следующие главные устройства:

  • память (запоминающее устройство, ЗУ), состоящую из перенумерованных ячеек;
  • процессор, включающий в себя устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ);
  • устройство ввода;
  • устройство вывода.

Эти устройства соединены каналами связи, по которым передается информация.

Основные устройства компьютера и связи между ними представлены на схеме (рис. 2.1). Жирными стрелками показаны пути и направления движения информации, а простыми стрелками — пути и направления передачи управляющих сигналов.

Рис. 2.1. Общая схема компьютера

Функции памяти:

  • приём информации из других устройств;
  • запоминание информации;
  • выдача информации по запросу в другие устройства машины.

Функции процессора:

  • обработка данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операций;
  • программное управление работой устройств компьютера.

Та часть процессора, которая выполняет команды, называется арифметико-логическим устройством (АЛУ), а другая его часть, выполняющая функции управления устройствами, называется устройством управления (УУ).

Обычно эти два устройства выделяются чисто условно, конструктивно они не разделены.

В составе процессора имеется ряд специализированных дополнительных ячеек памяти, называемых регистрами.

Регистр выполняет функцию кратковременного хранения числа или команды. Над содержимым некоторых регистров специальные электронные схемы могут выполнять некоторые манипуляции. Например, «вырезать» отдельные части команды для последующего их использования или выполнять определенные арифметические операции над числами.

Основным элементом регистра является электронная схема, называемая триггером, которая способна хранить одну двоичную цифру (разряд двоичного кода). Логическая схема триггера описана в разделе 5.7.

Регистр представляет собой совокупность триггеров, связанных друг с другом определённым образом общей системой управления.

Существует несколько типов регистров, отличающихся видом выполняемых операций. Некоторые важные регистры имеют свои названия, например:

  • сумматор — регистр АЛУ, участвующий в выполнении каждой операции;
  • счетчик команд — регистр УУ, содержимое которого соответствует адресу очередной выполняемой команды; служит для автоматической выборки программы из последовательных ячеек памяти;
  • регистр команд — регистр УУ для хранения кода команды на период времени, необходимый для ее выполнения. Часть его разрядов используется для хранения кода операции, остальные — для хранения кодов адресов операндов.

2.3. На каких принципах построены компьютеры?

В основу построения подавляющего большинства компьютеров положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом.

Рис. 2.2. Джон фон Нейман, 1945 г.

1. Принцип программного управления. Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. 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 расположенных ячеек памяти.

Если же нужно после выполнения команды перейти не к следующей, а к какой-то другой, используются команды условного или безусловного переходов, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды “стоп”.

Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.

2. Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти — число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. Это открывает целый ряд возможностей. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей (так в программе организуется выполнение циклов и подпрограмм). Более того, команды одной программы могут быть получены как результаты исполнения другой программы. На этом принципе основаны методы трансляции — перевода текста программы с языка программирования высокого уровня на язык конкретной машины.

3. Принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен.

Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-неймановских. Но существуют компьютеры, принципиально отличающиеся от фон-неймановских. Для них, например, может не выполняться принцип программного управления, т.е. они могут работать без “счетчика команд”, указывающего текущую выполняемую команду программы. Для обращения к какой-либо переменной, хранящейся в памяти, этим компьютерам не обязательно давать ей имя. Такие компьютеры называются не-фон-неймановскими.

2.4. Что такое команда?

Команда — это описание элементарной операции, которую должен выполнить компьютер.

В общем случае, команда содержит следующую информацию:

  • код выполняемой операции;
  • указания по определению операндов (или их адресов);
  • указания по размещению получаемого результата.

В зависимости от количества операндов, команды бывают:

  • одноадресные;
  • двухадресные;
  • трехадресные;
  • переменноадресные.

Команды хранятся в ячейках памяти в двоичном коде.

В современных компьютерах длина команд переменная (обычно от двух до четырех байтов), а способы указания адресов переменных весьма разнообразные. В адресной части команды может быть указан, например:

  • сам операнд (число или символ);
  • адрес операнда (номер байта, начиная с которого расположен операнд);
  • адрес адреса операнда (номер байта, начиная с которого расположен адрес операнда), и др.

Рассмотрим несколько возможных вариантов команды сложения (англ. add — сложение), при этом вместо цифровых кодов и адресов будем пользоваться условными обозначениями:

    одноадресная команда add x (содержимое ячейки x сложить с содержимым сумматора, а результат оставить в сумматоре)
Илон Маск рекомендует:  Предопределённые константы imap
add x


двухадресная команда add x, y (сложить содержимое ячеек x и y, а результат поместить в ячейку y)

add x y


трехадресная команда add x, y, z (содержимое ячейки x сложить с содержимым ячейки y, сумму поместить в ячейку z)

add x y z

2.5. Как выполняется команда?

Выполнение команды можно проследить по схеме:

Общая схема компьютера

Как пpавило, этот процесс разбивается на следующие этапы:

  • из ячейки памяти, адрес которой хранится в счетчике команд, выбирается очередная команда; содержимое счетчика команд при этом увеличивается на длину команды;
  • выбранная команда передается в устройство управления на регистр команд;
  • устройство управления расшифровывает адресное поле команды;
  • по сигналам УУ операнды считываются из памяти и записываются в АЛУ на специальные регистры операндов;
  • УУ расшифровывает код операции и выдает в АЛУ сигнал выполнить соответствующую операцию над данными;
  • результат операции либо остается в процессоре, либо отправляется в память, если в команде был указан адрес результата;
  • все предыдущие этапы повторяются до достижения команды “стоп”.

2.6. Что такое архитектура и структура компьютера?

При рассмотрении компьютерных устройств принято различать их архитектуру и структуру.

Архитектурой компьютера называется его описание на некотором общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и т.д. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного ЗУ, внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.

Структура компьютера — это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые различные устройства — от основных логических узлов компьютера до простейших схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации.

Наиболее распространены следующие архитектурные решения.

· Классическая архитектура (архитектура фон Неймана) — одно арифметико-логическое устройство (АЛУ), через которое проходит поток данных, и одно устройство управления (УУ), через которое проходит поток команд — программа (рис. 2.1). Это однопроцессорный компьютер. К этому типу архитектуры относится и архитектура персонального компьютера с общей шиной, подробно рассмотренная в разделе 2.18 (рис. 2.26). Все функциональные блоки здесь связаны между собой общей шиной, называемой также системной магистралью.

Физически магистраль представляет собой многопроводную линию с гнездами для подключения электронных схем. Совокупность проводов магистрали разделяется на отдельные группы: шину адреса, шину данных и шину управления.

Периферийные устройства (принтер и др.) подключаются к аппаратуре компьютера через специальные контроллеры — устройства управления периферийными устройствами.

Контроллер — устройство, которое связывает периферийное оборудование или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредственного управления функционированием данного оборудования.

· Многопроцессорная архитектура. Наличие в компьютере нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и много потоков команд. Таким образом, параллельно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи. Структура такой машины, имеющей общую оперативную память и несколько процессоров, представлена на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Архитектура многопроцессорного компьютера


· Многомашинная вычислительная система. Здесь несколько процессоров, входящих в вычислительную систему, не имеют общей оперативной памяти, а имеют каждый свою (локальную). Каждый компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру, и такая система применяется достаточно широко. Однако эффект от применения такой вычислительной системы может быть получен только при решении задач, имеющих очень специальную структуру: она должна разбиваться на столько слабо связанных подзадач, сколько компьютеров в системе.

Преимущество в быстродействии многопроцессорных и многомашинных вычислительных систем перед однопроцессорными очевидно.

· Архитектура с параллельными процессорами. Здесь несколько АЛУ работают под управлением одного УУ. Это означает, что множество данных может обрабатываться по одной программе — то есть по одному потоку команд. Высокое быстродействие такой архитектуры можно получить только на задачах, в которых одинаковые вычислительные операции выполняются одновременно на различных однотипных наборах данных. Структура таких компьютеров представлена на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Архитектура с параллельным процессором

В современных машинах часто присутствуют элементы различных типов архитектурных решений. Существуют и такие архитектурные решения, которые радикально отличаются от рассмотренных выше.

2.7. Что такое центральный процессор?

Центральный процессор (CPU, от англ. Central Processing Unit) — это основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера.

Центральный процессор в общем случае содержит в себе:

  • арифметико-логическое устройство;
  • шины данных и шины адресов;
  • регистры;
  • счетчики команд;
  • кэш — очень быструю память малого объема (от 8 до 512 Кбайт);
  • математический сопроцессор чисел с плавающей точкой.

Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров. Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему — тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора. Кристалл-пластинка обычно помещается в пластмассовый или керамический плоский корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к системной плате компьютера.

Микропроцессор Intel Pentium 4 — наиболее совершенный и мощный процессор выпуска 2001 г. с тактовой частотой до 2 Гигагерц, представлен на рисунке 2.5 примерно в натуральную величину. Он предназначен для работы приложений, требующих высокой производительности процессора, таких, как передача видео и звука по Интернет, создание видео-материалов, распознавание речи, обработка трехмерной графики, игры.

Рис. 2.5. Микропроцессор Pentium 4. Вид сверху (слева) и вид снизу (справа)

В вычислительной системе может быть несколько параллельно работающих процессоров; такие системы называются многопроцессорными.

2.8. Как устроена память?

Память компьютера построена из двоичных запоминающих элементов — битов, объединенных в группы по 8 битов, которые называются байтами. (Единицы измерения памяти совпадают с единицами измерения информации). Все байты пронумерованы. Номер байта называется его адресом.

Байты могут объединяться в ячейки, которые называются также словами. Для каждого компьютера характерна определенная длина слова — два, четыре или восемь байтов. Это не исключает использования ячеек памяти другой длины (например, полуслово, двойное слово). Как правило, в одном машинном слове может быть представлено либо одно целое число, либо одна команда. Однако, допускаются переменные форматы представления информации. Разбиение памяти на слова для четырехбайтовых компьютеров представлено в таблице:

Байт 0 Байт 1 Байт 2 Байт 3 Байт 4 Байт 5 Байт 6 Байт 7
ПОЛУСЛОВО ПОЛУСЛОВО ПОЛУСЛОВО ПОЛУСЛОВО
СЛОВО СЛОВО
ДВОЙНОЕ СЛОВО

Широко используются и более крупные производные единицы объема памяти: Килобайт, Мегабайт, Гигабайт, а также, в последнее время, Терабайт и Петабайт.

Современные компьютеры имеют много разнообразных запоминающих устройств, которые сильно отличаются между собой по назначению, временным характеристикам, объёму хранимой информации и стоимости хранения одинакового объёма информации. Различают два основных вида памяти — внутреннюю и внешнюю.

2.9. Какие устройства образуют внутреннюю память?

В состав внутренней памяти входят оперативная память, кэш-память и специальная память.

1. Оперативная память

Оперативная память (ОЗУ, англ. RAM, Random Access Memory — память с произвольным доступом) — это быстрое запоминающее устройство не очень большого объёма, непосредственно связанное с процессором и предназначенное для записи, считывания и хранения выполняемых программ и данных, обрабатываемых этими программами.

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 — это означает, что каждый байт памяти имеет свой индивидуальный адрес.

Объем ОЗУ обычно составляет от 32 до 512 Мбайт. Для несложных административных задач бывает достаточно и 32 Мбайт ОЗУ, но сложные задачи компьютерного дизайна могут потребовать от 512 Мбайт до 2 Гбайт ОЗУ.

Обычно ОЗУ исполняется из интегральных микросхем памяти SDRAM (синхронное динамическое ОЗУ). Каждый информационный бит в SDRAM запоминается в виде электрического заряда крохотного конденсатора, образованного в структуре полупроводникового кристалла. Из-за токов утечки такие конденсаторы быстро разряжаются, и их периодически (примерно каждые 2 миллисекунды) подзаряжают специальные устройства. Этот процесс называется регенерацией памяти (Refresh Memory). Микросхемы SDRAM имеют ёмкость 16 — 256 Мбит и более. Они устанавливаются в корпуса и собираются в модули памяти.

Большинство современных компьютеров комплектуются модулями типа DIMM (Dual-In-line Memory Module — модуль памяти с двухрядным расположением микросхем). В компьютерных системах на самых современных процессорах используются высокоскоростные модули Rambus DRAM (RIMM) и DDR DRAM.

Рис. 2.6. Микросхемы памяти RIMM (сверху) и DIMM (снизу)

Модули памяти характеризуются такими параметрами, как объем —(16, 32, 64, 128, 256 или 512 Мбайт), число микросхем, паспортная частота(100 или 133 МГц), время доступа к данным (6 или 7 наносекунд) и число контактов (72, 168 или 184). В 2001 г. начинается выпуск модулей памяти на 1 Гбайт и опытных образцов модулей на 2 Гбайта.

2. Кэш-память

Кэш (англ. cache), или сверхоперативная память — очень быстрое ЗУ небольшого объёма, которое используется при обмене данными между микропроцессором и оперативной памятью для компенсации разницы в скорости обработки информации процессором и несколько менее быстродействующей оперативной памятью.

Кэш-памятью управляет специальное устройство — контроллер, который, анализируя выполняемую программу, пытается предвидеть, какие данные и команды вероятнее всего понадобятся в ближайшее время процессору, и подкачивает их в кэш-память. При этом возможны как «попадания», так и «промахи». В случае попадания, то есть, если в кэш подкачаны нужные данные, извлечение их из памяти происходит без задержки. Если же требуемая информация в кэше отсутствует, то процессор считывает её непосредственно из оперативной памяти. Соотношение числа попаданий и промахов определяет эффективность кэширования.

Кэш-память реализуется на микросхемах статической памяти SRAM (Static RAM), более быстродействующих, дорогих и малоёмких, чем DRAM (SDRAM). Современные микропроцессоры имеют встроенную кэш-память, так называемый кэш первого уровня размером 8, 16 или 32 Кбайт. Кроме того, на системной плате компьютера может быть установлен кэш второго уровня ёмкостью 256, 512 Кбайт и выше.

3. Специальная память

К устройствам специальной памяти относятся постоянная память (ROM), перепрограммируемая постоянная память (Flash Memory), память CMOS RAM, питаемая от батарейки, видеопамять и некоторые другие виды памяти.

Постоянная память (ПЗУ, англ. ROM, Read Only Memory — память только для чтения) — энергонезависимая память, используется для хранения данных, которые никогда не потребуют изменения. Содержание памяти специальным образом «зашивается» в устройстве при его изготовлении для постоянного хранения. Из ПЗУ можно только читать.

Перепрограммируемая постоянная память (Flash Memory) — энергонезависимая память, допускающая многократную перезапись своего содержимого с дискеты.

Прежде всего в постоянную память записывают программу управления работой самого процессора. В ПЗУ находятся программы управления дисплеем, клавиатурой, принтером, внешней памятью, программы запуска и остановки компьютера, тестирования устройств.

Важнейшая микросхема постоянной или Flash-памяти — модуль BIOS. Роль BIOS двоякая: с одной стороны это неотъемлемый элемент аппаратуры, а с другой строны — важный модуль любой операционной системы.

BIOS (Basic Input/Output System — базовая система ввода-вывода) — совокупность программ, предназначенных для автоматического тестирования устройств после включения питания компьютера и загрузки операционной системы в оперативную память.

Разновидность постоянного ЗУ — CMOS RAM.

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.

Интегральные схемы BIOS и CMOS

Содержимое CMOS изменяется специальной программой Setup, находящейся в BIOS (англ. Set-up — устанавливать, читается «сетап»).

Для хранения графической информации используется видеопамять.

Видеопамять (VRAM) — разновидность оперативного ЗУ, 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.

2.10. Какие устройства образуют внешнюю память?

Внешняя память (ВЗУ) предназначена для длительного хранения программ и данных, и целостность её содержимого не зависит от того, включен или выключен компьютер. В отличие от оперативной памяти, внешняя память не имеет прямой связи с процессором. Информация от ВЗУ к процессору и наоборот циркулирует примерно по следующей цепочке:

ОЗУ Кэш Процессор»>

В состав внешней памяти компьютера входят:

  • накопители на жёстких магнитных дисках;
  • накопители на гибких магнитных дисках;
  • накопители на компакт-дисках;
  • накопители на магнито-оптических компакт-дисках;
  • накопители на магнитной ленте (стримеры) и др.

1. Накопители на гибких магнитных дисках

Гибкий диск (англ. floppy disk), или лискета, — носитель небольшого объема информации, представляющий собой гибкий пластиковый диск в защитной оболочке. Используется для переноса данных с одного компьютера на другой и для распространения программного обеспечения.

Дискета состоит из круглой полимерной подложки, покрытой с обеих сторон магнитным окислом и помещенной в пластиковую упаковку, на внутреннюю поверхность которой нанесено очищающее покрытие. В упаковке сделаны с двух сторон радиальные прорези, через которые головки считывания/записи накопителя получают доступ к диску.

Способ записи двоичной информации на магнитной среде называется магнитным кодированием. Он заключается в том, что магнитные домены в среде выстраиваются вдоль дорожек в направлении приложенного магнитного поля своими северными и южными полюсами. Обычно устанавливается однозначное соответствие между двоичной информацией и ориентацией магнитных доменов.

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. Ёмкость сектора постоянна и составляет 512 байтов.

Рис. 2.7. Поверхность
магнитного диска

В настоящее время наибольшее распространение получили дискеты со следующими характеристиками: диаметр 3,5 дюйма (89 мм), ёмкость 1,44 Мбайт, число дорожек 80, количество секторов на дорожках 18.

Дискета устанавливается в накопитель на гибких магнитных дисках (англ. floppy-disk drive), автоматически в нем фиксируется, после чего механизм накопителя раскручивается до частоты вращения 360 мин -1 . В накопителе вращается сама дискета, магнитные головки остаются неподвижными. Дискета вращается только при обращении к ней. Накопитель связан с процессором через контроллер гибких дисков.

В последнее время появились трехдюймовые дискеты, которые могут хранить до 3 Гбайт информации. Они изготовливаются по новой технологии Nano2 и требуют специального оборудования для чтения и записи.

2. Накопители на жестких магнитных дисках

Если гибкие диски — это средство переноса данных между компьютерами, то жесткий диск — информационный склад компьютера.

Накопитель на жёстких магнитных дисках (англ. HDD — Hard Disk Drive) или винчестерский накопитель — это наиболее массовое запоминающее устройство большой ёмкости, в котором носителями информации являются круглые алюминиевые пластины — платтеры, обе поверхности которых покрыты слоем магнитного материала. Используется для постоянного хранения информации — программ и данных.

Рис. 2.8. Винчестерский накопитель
со снятой крышкой корпуса

Как и у дискеты, рабочие поверхности платтеров разделены на кольцевые концентрические дорожки, а дорожки — на секторы. Головки считывания-записи вместе с их несущей конструкцией и дисками заключены в герметически закрытый корпус, называемый модулем данных. При установке модуля данных на дисковод он автоматически соединяется с системой, подкачивающей очищенный охлажденный воздух. Поверхность платтера имеет магнитное покрытие толщиной всего лишь в 1,1 мкм, а также слой смазки для предохранения головки от повреждения при опускании и подъёме на ходу. При вращении платтера над ним образуется воздушный слой, который обеспечивает воздушную подушку для зависания головки на высоте 0,5 мкм над поверхностью диска.

Винчестерские накопители имеют очень большую ёмкость: от 10 до 100 Гбайт. У современных моделей скорость вращения шпинделя (вращающего вала) обычно составляет 7200 об/мин, среднее время поиска данных 9 мс, средняя скорость передачи данных до 60 Мбайт/с. В отличие от дискеты, жесткий диск вращается непрерывно. Все современные накопители снабжаются встроенным кэшем (обычно 2 Мбайта), который существенно повышает их производительность. Винчестерский накопитель связан с процессором через контроллер жесткого диска.

3. Накопители на компакт-дисках

Здесь носителем информации является CD-ROM (Сompact Disk Read-Only Memory — компакт диск, из которого можно только читать).

CD-ROM представляет собой прозрачный полимерный диск диаметром 12 см и толщиной 1,2 мм, на одну сторону которого напылен светоотражающий слой алюминия, защищенный от повреждений слоем прозрачного лака. Толщина напыления составляет несколько десятитысячных долей миллиметра.

Информация на диске представляется в виде последовательности впадин (углублений в диске) и выступов (их уровень соответствует поверхности диска), расположеных на спиральной дорожке, выходящей из области вблизи оси диска. На каждом дюйме (2,54 см) по радиусу диска размещается 16 тысяч витков спиральной дорожки. Для сравнения — на поверхности жесткого диска на дюйме по радиусу помещается лишь несколько сотен дорожек. Емкость CD достигает 780 Мбайт. Информация наносится на диск при его изготовлении и не может быть изменена.

CD-ROM обладают высокой удельной информационной емкостью, что позволяет создавать на их основе справочные системы и учебные комплексы с большой иллюстративной базой. Один CD по информационной емкости равен почти 500 дискетам. Cчитывание информации с CD-ROM происходит с достаточно высокой скоростью, хотя и заметно меньшей, чем скорость работы накопителей на жестком диске. CD-ROM просты и удобны в работе, имеют низкую удельную стоимость хранения данных, практически не изнашиваются, не могут быть поражены вирусами, c них невозможно случайно стереть информацию.

В отличие от магнитных дисков, компакт-диски имеют не множество кольцевых дорожек, а одну — спиральную, как у грампластинок. В связи с этим, угловая скорость вращения диска не постоянна. Она линейно уменьшается в процессе продвижения читающей лазерной головки к краю диска.

Рис. 2.9. Накопитель CD-ROM

Для работы с CD-ROM нужно подключить к компьютеру накопитель CD-ROM (рис. 2.9), преобразующий последовательность углублений и выступов на поверхности CD-ROM в последовательность двоичных сигналов. Для этого используется считывающая головка с микролазером и светодиодом. Глубина впадин на поверхности диска равна четверти длины волны лазерного света. Если в двух последовательных тактах считывания информации луч света лазерной головки переходит с выступа на дно впадины или обратно, разность длин путей света в этих тактах меняется на полуволну, что вызывает усиление или ослабление совместно попадающих на светодиод прямого и отраженного от диска света.

Если в последовательных тактах считывания длина пути света не меняется, то и состояние светодиода не меняется. В результате ток через светодиод образует последовательность двоичных электрических сигналов, соответствующих сочетанию впадин и выступов на дорожке.

Профиль дорожки CD-ROM

> Различная длина оптического пути луча света в двух последовательных тактах считывания информации соответствует двоичным единицам. Одинаковая длина соответствует двоичным нулям.

Сегодня почти все персональные компьютеры имеют накопитель CD-ROM. Но многие мультимедийные интерактивные программы слишком велики, чтобы поместиться на одном CD. На смену технологии СD-ROM стремительно идет технология цифровых видеодисков DVD. Эти диски имеют тот же размер, что и обычные CD, но вмещают до 17 Гбайт данных, т.е. по объему заменяют 20 стандартных дисков CD-ROM. На таких дисках выпускаются мультимедийные игры и интерактивные видеофильмы отличного качества, позволяющие зрителю просматривать эпизоды под разными углами камеры, выбирать различные варианты окончания картины, знакомиться с биографиями снявшихся актеров, наслаждаться великолепным качеством звука.

4. Записывающие оптические и магнитооптические накопители

· Записывающий накопитель CD-R (Compact Disk Recordable) способен, наряду с прочтением обычных компакт-дисков, записывать информацию на специальные оптические диски емкостью 650 Мбайт. В дисках CD-R отражающий слой выполнен из золотой пленки. Между этим слоем и поликарбонатной основой расположен регистрирующий слой из органического материала, темнеющего при нагревании. В процессе записи лазерный луч нагревает выбранные точки слоя, которые темнеют и перестают пропускать свет к отражающему слою, образуя участки, аналогичные впадинам. Накопители CD-R, благодаря сильному удешевлению, приобретают все большее распространение.

Рис.2.10. Накопитель CD-MO

· Накопитель на магнито-оптических компакт-дисках СD-MO (Compact Disk — Magneto Optical) (рис. 2.10). Диски СD-MO можно многократно использовать для записи. Ёмкость от 128 Мбайт до 2,6 Гбайт.

· Записывающий накопитель CD-R (Compact Disk Recordable) способен, наряду с прочтением обычных компакт-дисков, записывать информацию на специальные оптические диски. Ёмкость 650 Мбайт.

· Накопитель WARM (Write And Read Many times), позволяет производить многократную запись и считывание.

5. Накопители на магнитной ленте (стримеры) и накопители на сменных дисках

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.


Рис. 2.11. Накопитель
на сменных дисках

Стримеры позволяют записать на небольшую кассету с магнитной лентой огромное количество информации. Встроенные в стример средства аппаратного сжатия позволяют автоматически уплотнять информацию перед её записью и восстанавливать после считывания, что увеличивает объём сохраняемой информации.

Недостатком стримеров является их сравнительно низкая скорость записи, поиска и считывания информации.

В последнее время всё шире используются накопители на сменных дисках, которые позволяют не только увеличивать объём хранимой информации, но и переносить информацию между компьютерами. Объём сменных дисков — от сотен Мбайт до нескольких Гигабайт.

2.11. Что такое аудиоадаптер?

Аудиоадаптер (Sound Blaster или звуковая плата) это специальная электронная плата, которая позволяет записывать звук, воспроизводить его и создавать программными средствами с помощью микрофона, наушников, динамиков, встроенного синтезатора и другого оборудования.

Аудиоадаптер содержит в себе два преобразователя информации:

  • аналого-цифровой, который преобразует непрерывные (то есть, аналоговые) звуковые сигналы (речь, музыку, шум) в цифровой двоичный код и записывает его на магнитный носитель;
  • цифро-аналоговый, выполняющий обратное преобразование сохранённого в цифровом виде звука в аналоговый сигнал, который затем воспроизводится с помощью акустической системы, синтезатора звука или наушников.

Профессиональные звуковые платы позволяют выполнять сложную обработку звука, обеспечивают стереозвучание, имеют собственное ПЗУ с хранящимися в нём сотнями тембров звучаний различных музыкальных инструментов. Звуковые файлы обычно имеют очень большие размеры. Так, трёхминутный звуковой файл со стереозвучанием занимает примерно 30 Мбайт памяти. Поэтому платы Sound Blaster, помимо своих основных функций, обеспечивают автоматическое сжатие файлов.

Область применения звуковых плат — компьютерные игры, обучающие программные системы, рекламные презентации, «голосовая почта» (voice mail) между компьютерами, озвучивание различных процессов, происходящих в компьютерном оборудовании, таких, например, как отсутствие бумаги в принтере и т.п.

2.12. Что такое видеоадаптер и графический акселератор?

Видеоадаптер — это электронная плата, которая обрабатывает видеоданные (текст и графику) и управляет работой дисплея. Содержит видеопамять, регистры ввода вывода и модуль BIOS. Посылает в дисплей сигналы управления яркостью лучей и сигналы развертки изображения.

Наиболее распространенный видеоадаптер на сегодняшний день — адаптер SVGA (Super Video Graphics Array — супервидеографический массив), который может отображать на экране дисплея 1280х1024 пикселей при 256 цветах и 1024х768 пикселей при 16 миллионах цветов.

С увеличением числа приложений, использующих сложную графику и видео, наряду с традиционными видеоадаптерами широко используются разнообразные устройства компьютерной обработки видеосигналов:

Рис. 2.12. Графический акселератор

· Графические акселераторы (ускорители) — специализированные графические сопроцессоры, увеличивающие эффективность видеосистемы. Их применение освобождает центральный процессор от большого объёма операций с видеоданными, так как акселераторы самостоятельно вычисляют, какие пиксели отображать на экране и каковы их цвета.

· Фрейм-грабберы, которые позволяют отображать на экране компьютера видеосигнал от видеомагнитофона, камеры, лазерного проигрывателя и т. п., с тем, чтобы захватить нужный кадр в память и впоследствии сохранить его в виде файла.

· TV-тюнеры — видеоплаты, превращающие компьютер в телевизор. TV-тюнер позволяет выбрать любую нужную телевизионную программу и отображать ее на экране в масштабируемом окне. Таким образом можно следить за ходом передачи, не прекращая работу.

2.13. Что такое клавиатура?

Клавиатура компьютера — устройство для ввода информации в компьютер и подачи управляющих сигналов. Содержит стандартный набор клавиш печатной машинки и некоторые дополнительные клавиши — управляющие и функциональные клавиши, клавиши управления курсором и малую цифровую клавиатуру.

Все символы, набираемые на клавиатуре, немедленно отображаются на мониторе в позиции курсора (курсор — светящийся символ на экране монитора, указывающий позицию, на которой будет отображаться следующий вводимый с клавиатуры знак).

Наиболее распространена сегодня клавиатура c раскладкой клавиш QWERTY (читается «кверти»), названная так по клавишам, расположенным в верхнем левом ряду алфавитно-цифровой части клавиатуры:

Рис. 2.13. Клавиатура компьютера

Такая клавиатура имеет 12 функциональных клавиш, расположенных вдоль верхнего края. Нажатие функциональной клавиши приводит к посылке в компьютер не одного символа, а целой совокупности символов. Функциональные клавиши могут программироваться пользователем. Например, во многих программах для получения помощи (подсказки) задействована клавиша F1, а для выхода из программы — клавиша F10.

Управляющие клавиши имеют следующее назначение:

  • Enter — клавиша ввода;
  • Esc (Escape — выход) клавиша для отмены каких-либо действий, выхода из программы, из меню и т.п.;
  • Ctrl и Alt — эти клавиши самостоятельного значения не имеют, но при нажатии совместно с другими управляющими клавишами изменяют их действие;
  • Shift (регистр) — обеспечивает смену регистра клавиш (верхнего на нижний и наоборот);
  • Insert (вставлять) — переключает режимы вставки (новые cимволы вводятся посреди уже набранных, раздвигая их) и замены (старые символы замещаются новыми);
  • Delete (удалять) — удаляет символ с позиции курсора;
  • Back Space или — удаляет символ перед курсором;
  • Home и End — обеспечивают перемещение курсора в первую и последнюю позицию строки, соответственно;
  • Page Up и Page Down — обеспечивают перемещение по тексту на одну страницу (один экран) назад и вперед, соответственно;
  • Tab — клавиша табуляции, обеспечивает перемещение курсора вправо сразу на несколько позиций до очередной позиции табуляции;
  • Caps Lock — фиксирует верхний регистр, обеспечивает ввод прописных букв вместо строчных;
  • Print Screen — обеспечивает печать информации, видимой в текущий момент на экране.
  • Длинная нижняя клавиша без названия — предназначена для ввода пробелов.
  • Клавиши , , и служат для перемещения курсора вверх, вниз, влево и вправо на одну позицию или строку.

Малая цифровая клавиатура используется в двух режимах — ввода чисел и управления курсором. Переключение этих режимов осуществляется клавишей Num Lock.

Клавиатура содержит встроенный микроконтроллер (местное устройство управления), который выполняет следующие функции:

  • последовательно опрашивает клавиши, считывая введенный сигнал и вырабатывая двоичный скан-код клавиши;
  • управляет световыми индикаторами клавиатуры;
  • проводит внутреннюю диагностику неисправностей;
  • осуществляет взаимодействие с центральным процессором через порт ввода-вывода клавиатуры.

Клавиатура имеет встроенный буфер — промежуточную память малого размера, куда помещаются введённые символы. В случае переполнения буфера нажатие клавиши будет сопровождаться звуковым сигналом — это означает, что символ не введён (отвергнут). Работу клавиатуры поддерживают специальные программы, «зашитые» в BIOS, а также драйвер клавиатуры, который обеспечивает возможность ввода русских букв, управление скоростью работы клавиатуры и др.

2.14. Что такое видеосистема компьютера?

Видеосистема компьютера состоит из трех компонент:

  • монитор (называемый также дисплеем);
  • видеоадаптер;
  • программное обеспечение (драйверы видеосистемы).

Видеоадаптер посылает в монитор сигналы управления яркостью лучей и синхросигналы строчной и кадровой развёрток. Монитор преобразует эти сигналы в зрительные образы. А программные средства обрабатывают видеоизображения — выполняют кодирование и декодирование сигналов, координатные преобразования, сжатие изображений и др.

Монитор — устройство визуального отображения информации (в виде текста, таблиц, рисунков, чертежей и др.).

Рис. 2.14. Монитор

Подавляющее большинство мониторов сконструированы на базе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), и принцип их работы аналогичен принципу работы телевизора. Мониторы бывают алфавитно-цифровые и графические, монохромные и цветного изображения. Современные компьютеры комплектуются, как правило, цветными графическими мониторами.

1. Монитор на базе электронно-лучевой трубки

Основной элемент дисплея — электронно-лучевая трубка. Её передняя, обращенная к зрителю часть с внутренней стороны покрыта люминофором — специальным веществом, способным излучать свет при попадании на него быстрых электронов.

Рис. 2.15. Схема электронно-лучевой трубки

Люминофор наносится в виде наборов точек трёх основных цветов — красного, зелёного и синего. Эти цвета называют основными, потому что их сочетаниями (в различных пропорциях) можно представить любой цвет спектра.

Рис. 2.16. Пиксельные триады

Наборы точек люминофора располагаются по треугольным триадам. Триада образует пиксел — точку, из которых формируется изображение (англ. pixel — picture element, элемент картинки).

Расстояние между центрами пикселов называется точечным шагом монитора. Это расстояние существенно влияет на чёткость изображения. Чем меньше шаг, тем выше чёткость. Обычно в цветных мониторах шаг составляет 0,24 мм. При таком шаге глаз человека воспринимает точки триады как одну точку «сложного» цвета.

На противоположной стороне трубки расположены три (по количеству основных цветов) электронные пушки. Все три пушки «нацелены» на один и тот же пиксел, но каждая из них излучает поток электронов в сторону «своей» точки люминофора. Чтобы электроны беспрепятственно достигали экрана, из трубки откачивается воздух, а между пушками и экраном создаётся высокое электрическое напряжение, ускоряющее электроны. Перед экраном на пути электронов ставится маска — тонкая металлическая пластина с большим количеством отверстий, расположенных напротив точек люминофора. Маска обеспечивает попадание электронных лучей только в точки люминофора соответствующего цвета.

Рис. 2.17. Ход электронного пучка по экрану

Величиной электронного тока пушек и, следовательно, яркостью свечения пикселов, управляет сигнал, поступающий с видеоадаптера.

На ту часть колбы, где расположены электронные пушки, надевается отклоняющая система монитора, которая заставляет электронный пучок пробегать поочерёдно все пикселы строчку за строчкой от верхней до нижней, затем возвращаться в начало верхней строки и т.д.

Количество отображённых строк в секунду называется строчной частотой развертки. А частота, с которой меняются кадры изображения, называется кадровой частотой развёртки. Последняя не должна быть ниже 85 Гц, иначе изображение будет мерцать.

2. Жидкокристаллические мониторы

Все шире используются наряду с традиционными ЭЛТ-мониторами. Жидкие кристаллы — это особое состояние некоторых органических веществ, в котором они обладают текучестью и свойством образовывать пространственные структуры, подобные кристаллическим. Жидкие кристаллы могут изменять свою структуру и светооптические свойства под действием электрического напряжения. Меняя с помощью электрического поля ориентацию групп кристаллов и используя введённые в жидкокристаллический раствор вещества, способные излучать свет под воздействием электрического поля, можно создать высококачественные изображения, передающие более 15 миллионов цветовых оттенков.

Большинство ЖК-мониторов использует тонкую плёнку из жидких кристаллов, помещённую между двумя стеклянными пластинами. Заряды передаются через так называемую пассивную матрицу — сетку невидимых нитей, горизонтальных и вертикальных, создавая в месте пересечения нитей точку изображения (несколько размытого из-за того, что заряды проникают в соседние области жидкости).

Рис. 2.18. Жидкокри-
сталлический монитор

Активные матрицы вместо нитей используют прозрачный экран из транзисторов и обеспечивают яркое, практически не имеющее искажений изображение. Экран при этом разделен на независимые ячейки, каждая из которых состоит из четырех частей (для трёх основных цветов и одна резервная). Количество таких ячеек по широте и высоте экрана называют разрешением экрана. Современные ЖК-мониторы имеют разрешение 642х480, 1280х1024 или 1024х768. Таким образом, экран имеет от 1 до 5 млн точек, каждая из которых управляется собственным транзистором. По компактности такие мониторы не знают себе равных. Они занимают в 2 — 3 раза меньше места, чем мониторы с ЭЛТ и во столько же раз легче; потребляют гораздо меньше электроэнергии и не излучают электромагнитных волн, воздействующих на здоровье людей.

3. Сенсорный экран

Рис. 2.19. Сенсорный экран

Общение с компьютером осуществляется путём прикосновения пальцем к определённому месту чувствительного экрана. Этим выбирается необходимый режим из меню, показанного на экране монитора. (Меню — это выведенный на экран монитора список различных вариантов работы компьютера, по которому можно сделать конкретный выбор.) Сенсорными экранами оборудуют рабочие места операторов и диспетчеров, их используют в информационно-справочных системах и т.д.

2.15. Что такое принтер, плоттер, сканер?

Принтер — печатающее устройство. Осуществляет вывод из компьютера закодированной информации в виде печатных копий текста или графики.

Существуют тысячи наименований принтеров. Но основных видов принтеров три: матричные, лазерные и струйные.

· Матричные принтеры используют комбинации маленьких штырьков, которые бьют по красящей ленте, благодаря чему на бумаге остаётся отпечаток символа. Каждый символ, печатаемый на принтере, формируется из набора 9, 18 или 24 игл, сформированных в виде вертикальной колонки. Недостатками этих недорогих принтеров являются их шумная работа и невысокое качество печати.
&nbsp

· Лазерные принтеры работают примерно так же, как ксероксы. Компьютер формирует в своей памяти «образ» страницы текста и передает его принтеру. Информация о странице проецируется с помощью лазерного луча на вращающийся барабан со светочувствительным покрытием, меняющим электрические свойства в зависимости от освещённости.

После засветки на барабан, находящийся под электрическим напряжением, наносится красящий порошок — тонер, частицы которого налипают на засвеченные участки поверхности барабана. Принтер с помощью специального горячего валика протягивает бумагу под барабаном; тонер переносится на бумагу и «вплавляется» в неё, оставляя стойкое высококачественное изображение. Цветные лазерные принтеры пока очень дороги.

· Струйные принтеры генерируют символы в виде последовательности чернильных точек. Печатающая головка принтера имеет крошечные сопла, через которые на страницу выбрызгиваются быстросохнущие чернила. Эти принтеры требовательны к качеству бумаги. Цветные струйные принтеры создают цвета, комбинируя чернила четырех основных цветов — ярко-голубого, пурпурного, желтого и черного.

Принтер связан с компьютером посредством кабеля принтера, один конец которого вставляется своим разъёмом в гнездо принтера, а другой — в порт принтера компьютера. Порт — это разъём, через который можно соединить процессор компьютера с внешним устройством.

Каждый принтер обязательно имеет свой драйвер — программу, которая способна переводить (транслировать) стандартные команды печати компьютера в специальные команды, требующиеся для каждого принтера.

Плоттер (графопостроитель) — устройство, которое чертит графики, рисунки или диаграммы под управлением компьютера.

Плоттеры используются для получения сложных конструкторских чертежей, архитектурных планов, географических и метеорологических карт, деловых схем. Плоттеры рисуют изображения с помощью пера.

Роликовые плоттеры прокручивают бумагу под пером, а планшетные плоттеры перемещают перо через всю поверхность горизонтально лежащей бумаги.

Плоттеру, так же, как и принтеру, обязательно нужна специальная программа — драйвер, позволяющая прикладным программам передавать ему инструкции: поднять и опустить перо, провести линию заданной толщины и т.п.

Сканер — устройство для ввода в компьютер графических изображений. Создает оцифрованное изображение документа и помещает его в память компьютера.

Если принтеры выводят информацию из компьютера, то сканеры, наоборот, переносят информацию с бумажных документов в память компьютера. Существуют ручные сканеры, которые прокатывают по поверхности документа рукой, и планшетные сканеры, по внешнему виду напоминающие копировальные машины.

Если при помощи сканера вводится текст, компьютер воспринимает его как картинку, а не как последовательность символов. Для преобразования такого графического текста в обычный символьный формат используют программы оптического распознавания образов.

2.16. Что такое модем и факс-модем?

Модем — устройство для передачи компьютерных данных на большие расстояния по телефонным линиям связи.

Цифровые сигналы, вырабатываемые компьютером, нельзя напрямую передавать по телефонной сети, потому что она предназначена для передачи человеческой речи — непрерывных сигналов звуковой частоты.

Модем обеспечивает преобразование цифровых сигналов компьютера в переменный ток частоты звукового диапазона — этот процесс называется модуляцией, а также обратное преобразование, которое называется демодуляцией. Отсюда название устройства: модем — модулятор/демодулятор.

Рис. 2.24. Схема реализации модемной связи

Для осуществления связи один модем вызывает другой по номеру телефона, а тот отвечает на вызов. Затем модемы посылают друг другу сигналы, согласуя подходящий им обоим режим связи. После этого передающий модем начинает посылать модулированные данные с согласованными скоростью (количеством бит в секунду) и форматом. Модем на другом конце преобразует полученную информацию в цифровой вид и передает её своему компьютеру. Закончив сеанс связи, модем отключается от линии.

Илон Маск рекомендует:  Что такое код msql_affected_rows

Рис. 2.25 Внешний модем

Управление модемом осуществляется с помощью специального коммутационного программного обеспечения.

Модемы бывают внешние, выполненные в виде отдельного устройства, и внутренние, представляющие собой электронную плату, устанавливаемую внутри компьютера. Почти все модемы поддерживают и функции факсов.

Факс — это устройство факсимильной передачи изображения по телефонной сети. Название «факс» произошло от слова «факсимиле» (лат. fac simile — сделай подобное), означающее точное воспроизведение графического оригинала (подписи, документа и т.д.) средствами печати. Модем, который может передавать и получать данные как факс, называется факс-модемом.

2.17. Что такое манипуляторы?

Манипуляторы (мышь, джойстик и др.) — это специальные устройства, которые используются для управления курсором.

Мышь имеет вид небольшой коробки, полностью умещающейся на ладони. Мышь связана с компьютером кабелем через специальный блок — адаптер, и её движения преобразуются в соответствующие перемещения курсора по экрану дисплея. В верхней части устройства расположены управляющие кнопки (обычно их три), позволяющие задавать начало и конец движения, осуществлять выбор меню и т.п.


Джойстик — обычно это стержень-ручка, отклонение которой от вертикального положения приводит к передвижению курсора в соответствующем направлении по экрану монитора. Часто применяется в компьютерных играх. В некоторых моделях в джойстик монтируется датчик давления. В этом случае, чем сильнее пользователь нажимает на ручку, тем быстрее движется курсор по экрану дисплея.

Трекбол — небольшая коробка с шариком, встроенным в верхнюю часть корпуса. Пользователь рукой вращает шарик и перемещает, соответственно, курсор. В отличие от мыши, трекбол не требует свободного пространства около компьютера, его можно встроить в корпус машины.

Дигитайзер — устройство для преобразования готовых изображений (чертежей, карт) в цифровую форму. Представляет собой плоскую панель — планшет, располагаемую на столе, и специальный инструмент — перо, с помощью которого указывается позиция на планшете. При перемещении пера по планшету фиксируются его координаты в близко расположенных точках, которые затем преобразуются в компьютере в требуемые единицы измерения.

2.18. Как устроен компьютер?

Рассмотрим устройство компьютера на примере самой распространенной компьютерной системы — персонального компьютера. Персональным компьютером (ПК) называют сравнительно недорогой универсальный микрокомпьютер, рассчитанный на одного пользователя. Персональные компьютеры обычно проектируются на основе принципа открытой архитектуры.

Принцип открытой архитектуры заключается в следующем:

  • Регламентируются и стандартизируются только описание принципа действия компьютера и его конфигурация (определенная совокупность аппаратных средств и соединений между ними). Таким образом, компьютер можно собирать из отдельных узлов и деталей, разработанных и изготовленных независимыми фирмами-изготовителями.
  • Компьютер легко расширяется и модернизируется за счёт наличия внутренних расширительных гнёзд, в которые пользователь может вставлять разнообразные устройства, удовлетворяющие заданному стандарту, и тем самым устанавливать конфигурацию своей машины в соответствии со своими личными предпочтениями.

Упрощённая блок-схема, отражающая основные функциональные компоненты компьютерной системы в их взаимосвязи, изображена на рисунке 2.26.

Рис. 2.26. Общая структура персонального компьютера с подсоединенными периферийными устройствами

Для того, чтобы соединить друг с другом различные устройства компьютера, они должны иметь одинаковый интерфейс (англ. interface от inter — между, и face — лицо).

Интерфейс — это средство сопряжения двух устройств, в котором все физические и логические параметры согласуются между собой.

Если интерфейс является общепринятым, например, утверждённым на уровне международных соглашений, то он называется стандартным.

Каждый из функциональных элементов (память, монитор или другое устройство) связан с шиной определённого типа — адресной, управляющей или шиной данных.

Для согласования интерфейсов периферийные устройства подключаются к шине не напрямую, а через свои контроллеры (адаптеры) и порты примерно по такой схеме:

Контролер или адаптер Порт Шина»>

Контроллеры и адаптеры представляют собой наборы электронных цепей, которыми снабжаются устройства компьютера с целью совместимости их интерфейсов. Контроллеры, кроме этого, осуществляют непосредственное управление периферийными устройствами по запросам микропроцессора.

Порты устройств представляют собой некие электронные схемы, содержащие один или несколько регистров ввода-вывода и позволяющие подключать периферийные устройства компьютера к внешним шинам микропроцессора.

Портами также называют устройства стандартного интерфейса: последовательный, параллельный и игровой порты (или интерфейсы).

Последовательный порт обменивается данными с процессором побайтно, а с внешними устройствами — побитно. Параллельный порт получает и посылает данные побайтно.

К последовательному порту обычно подсоединяют медленно действующие или достаточно удалённые устройства, такие, как мышь и модем. К параллельному порту подсоединяют более «быстрые» устройства — принтер и сканер. Через игровой порт подсоединяется джойстик. Клавиатура и монитор подключаются к своим специализированным портам, которые представляют собой просто разъёмы.

Основные электронные компоненты, определяющие архитектуру процессора, размещаются на основной плате компьютера, которая называется системной или материнской (MotherBoard). А контроллеры и адаптеры дополнительных устройств, либо сами эти устройства, выполняются в виде плат расширения (DаughterBoard — дочерняя плата) и подключаются к шине с помощью разъёмов расширения, называемых также слотами расширения (англ. slot — щель, паз).

2.19. Какие основные блоки входят в состав компьютера?

Современный персональный компьютер состоит из нескольких основных конструктивных компонент:

Рис. 2.27. Виды корпусов
системного блока

  • системного блока;
  • монитора;
  • клавиатуры;
  • манипуляторов.

В системном блоке размещаются:

  • блок питания;
  • накопитель на жёстких магнитных дисках;
  • накопитель на гибких магнитных дисках;
  • системная плата;
  • платы расширения;
  • накопитель CD-ROM;
  • и др.

Корпус системного блока может иметь горизонтальную (DeskTop) или вертикальную (Tower — башня) компоновку. Типичный системный блок со снятой крышкой корпуса — на рис. 2.28.

Рис. 2.28. Системный блок со снятой крышкой корпуса

1 — Системная плата.
2 — Разъём дополнительного второго процессора.
3 — Центральный процессор с радиатором для отвода тепла.
4 — Разъёмы оперативной памяти.
5 — Накопитель на гибких магнитных дисках.
6 — Накопитель CD-ROM.
7 — Сетевая карта.
8 — Графический акселератор.
9 — Блок питания, преобразующий переменное напряжение электросети в постоянное напряжение различной полярности и величины, необходимое для питания системной платы и внутренних устройств. Блок питания содержит вентилятор, создающий циркулирующие потоки воздуха для охлаждения системного блока.

2.20. Что собой представляет системная плата?

Системная плата является основной в системном блоке. Она содержит компоненты, определяющие архитектуру компьютера:

  • центральный процессор;
  • постоянную (ROM) и оперативную (RAM) память, кэш-память;
  • интерфейсные схемы шин;
  • гнёзда расширения;
  • обязательные системные средства ввода-вывода и др.

Системные платы исполняются на основе наборов микросхем, которые называются чипсетами (ChipSets). Часто на системных платах устанавливают и контроллеры дисковых накопителей, видеоадаптер, контроллеры портов и др. В гнёзда расширения системной платы устанавливаются платы таких периферийных устройств, как модем, сетевая плата, видеоплата и т.п.

Рис. 2.29. Системная плата компьютера класса Pentium

1 — Разъём под центральный процессор;
2 — Дополнительный кэш объёмом 256 Кбайт;
3 — Разъём под дополнительный кэш;
4 — Контроллеры внешних устройств;
5 — Разъёмы накопителей на жёстких магнитных дисках;
6 — Разъёмы под оперативную память, 4 планки;
7 — Коннектор (соединитель) клавиатуры и мыши;
8 — Микросхема, обслуживающая флоппи-дисковод, последовательные порты и параллельный порт;
9 — Разъёмы 32-битной шины (для видеокарты, карты Интернет и др.);
10 — Перезаписываемая BIOS (Flash-память);
11 — Мультимедийная шина;
12 — Разъёмы 16-битной шины.

2.21. Как организуется межкомпьютерная связь?

Назовём задачи, которые трудно или невозможно решить без организации информационной связи между различными компьютерами:

  • перенос информации на большие расстояния (сотни, тысячи километров);
  • совместное использование несколькими компьютерами дорогостоящих аппаратных, программных или информационных ресурсов — мощного процессора, ёмкого накопителя, высокопроизводительного лазерного принтера, баз данных, программного обеспечения и т.д.;
  • перенос информации с одного компьютера на другой при несовместимых флоппи-дисководах (5,25 и 3,5 дюйма);
  • совместная работа над большим проектом, когда исполнили должны всегда иметь последние (актуальные) копии общих данных во избежание путаницы, и т.д.

Есть три основных способа организации межкомпьютерной связи:

  • объединение двух рядом расположенных компьютеров через их коммуникационные порты посредством специального кабеля;
  • передача данных от одного компьютера к другому посредством модема с помощью проводных или спутниковых линий связи;
  • объединение компьютеров в компьютерную сеть.

Часто при организации связи между двумя компьютерами за одним компьютером закрепляется роль поставщика ресурсов (программ, данных и т.д.), а за другим — роль пользователя этих ресурсов. В этом случае первый компьютер называется сервером, а второй — клиентом или рабочей станцией. Работать можно только на компьютере-клиенте под управлением специального программного обеспечения.

Сервер (англ. serve — обслуживать) — это высокопроизводительный компьютер с большим объёмом внешней памяти, который обеспечивает обслуживание других компьютеров путем управления распределением дорогостоящих ресурсов совместного пользования (программ, данных и периферийного оборудования).

Клиент (иначе, рабочая станция) — любой компьютер, имеющий доступ к услугам сервера.

Сетевой сервер
HP LD PRO

Например, сервером может быть мощный компьютер, на котором размещается центральная база данных, а клиентом — обычный компьютер, программы которого по мере необходимости запрашивают данные с сервера. В некоторых случаях компьютер может быть одновременно и клиентом, и сервером. Это значит, что он может предоставлять свои ресурсы и хранимые данные другим компьютерам и одновременно использовать их ресурсы и данные.

Клиентом также называют прикладную программу, которая от имени пользователя получает услуги сервера. Соответственно, программное обеспечение, которое позволяет компьютеру предоставлять услуги другому компьютеру, называют сервером — так же, как и сам компьютер. Для преодоления несовместимости интерфейсов отдельных компьютеров вырабатывают специальные стандарты, называемые протоколами коммуникации.

Протокол коммуникации — это согласованный набор конкретных правил обмена информацией между разными устройствами передачи данных. Имеются протоколы для скорости передачи, форматов данных, контроля ошибок и др.

Для работы с сетью необходимо наличие специального сетевого программного обеспечения, которое обеспечивает передачу данных в соответствии с заданным протоколом. Протоколы коммуникации предписывают разбить весь объём передаваемых данных на пакеты — отдельные блоки фиксированного размера. Пакеты нумеруются, чтобы их затем можно было собрать в правильной последовательности. К данным, содержащимся в пакете, добавляется дополнительная информация примерно такого формата:

Адрес получателя Адрес отправителя Длина Данные Поле контрольной суммы

Контрольная сумма данных пакета содержит информацию, необходимую для контроля ошибок. Первый раз она вычисляется передающим компьютером. После того, как пакет будет передан, контрольная сумма повторно вычисляется принимающим компьютером. Если значения не совпадают, это означает, что данные пакета были повреждены при передаче. Такой пакет отбрасывается, и автоматически направляется запрос повторно передать пакет.

При установлении связи устройства обмениваются сигналами для согласования коммуникационных каналов и протоколов. Этот процесс называется подтверждением установления связи (англ. HandShake — рукопожатие).

2.22. Что такое компьютерная сеть?

Компьютерная сеть (англ. Computer NetWork, от net — сеть и work — работа) — совокупность компьютеров, соединенных с помощью каналов связи и средств коммутации в единую систему для обмена сообщениями и доступа пользователей к программным, техническим, информационным и организационным ресурсам сети.

Компьютерную сеть представляют как совокупность узлов (компьютеров и сетевого оборудования) и соединяющих их ветвей (каналов связи). Ветвь сети — это путь, соединяющий два смежных узла. Различают узлы оконечные, расположенные в конце только одной ветви, промежуточные, расположенные на концах более чем одной ветви, и смежные — такие узлы соединены по крайней мере одним путём, не содержащим никаких других узлов. Компьютеры могут объединяться в сеть разными способами.

Логический и физический способы соединения компьютеров, кабелей и других компонентов, в целом составляющих сеть, называется ее топологией. Топология характеризует свойства сетей, не зависящие от их размеров. При этом не учитывается производительность и принцип работы этих объектов, их типы, длины каналов, хотя при проектировании эти факторы очень важны.

СПРАВКА. Топология как математическое понятие:
Топология (от греч. topos — место и . логия), раздел математики, изучающий топологические свойства фигур, т. е. свойства, не изменяющиеся при любых деформациях, производимых без разрывов и склеиваний. Примерами топологических свойств фигур являются размерность, число кривых , ограничивающих данную область и т. д. Так, окружность, эллипс, контур квадрата имеют одни и те же топологические свойства, т. к. эти линии могут быть деформированы одна в другую описанным выше образом; в то же время кольцо и круг обладают различными топологическими свойствами: круг ограничен одним контуром, а кольцо —двумя.
(Советский энциклопедический словарь. «Советская энциклопедия», 1979).

Наиболее распространенные виды топологий сетей:

Линейная сеть . Содержит только два оконечных узла, любое число промежуточных узлов и имеет только один путь между любыми двумя узлами.

Кольцевая сеть. Сеть, в которой к каждому узлу присоединены две и только две ветви.

Древовидная сеть . Сеть, которая содержит более двух оконечных узлов и по крайней мере два промежуточных узла, и в которой между двумя узлами имеется только один путь.

Звездообразная сеть. Сеть, в которой имеется только один промежуточный узел.

Ячеистая сеть . Сеть, которая содержит по крайней мере два узла, имеющих два или более пути между ними.

Полносвязанная сеть. Сеть, в которой имеется ветвь между любыми двумя узлами. Важнейшая характеристика компьютерной сети — её архитектура.

Архитектура сети — это реализованная структура сети передачи данных, определяющая её топологию, состав устройств и правила их взаимодействия в сети. В рамках архитектуры сети рассматриваются вопросы кодирования информации, её адресации и передачи, управления потоком сообщений, контроля ошибок и анализа работы сети в аварийных ситуациях и при ухудшении характеристик.

Наиболее распространённые архитектуры:

  • Ethernet (англ. ether — эфир) — широковещательная сеть. Это значит, что все станции сети могут принимать все сообщения. Топология — линейная или звездообразная. Скорость передачи данных 10 или 100 Мбит/сек.
  • Arcnet (Attached Resource Computer Network — компьютерная сеть соединённых ресурсов) — широковещательная сеть. Физическая топология — дерево. Скорость передачи данных 2,5 Мбит/сек.
  • Token Ring (эстафетная кольцевая сеть, сеть с передачей маркера) — кольцевая сеть, в которой принцип передачи данных основан на том, что каждый узел кольца ожидает прибытия некоторой короткой уникальной последовательности битов — маркера — из смежного предыдущего узла. Поступление маркера указывает на то, что можно передавать сообщение из данного узла дальше по ходу потока. Скорость передачи данных 4 или 16 Мбит/сек.
  • FDDI (Fiber Distributed Data Interface) — сетевая архитектура высокоскоростной передачи данных по оптоволоконным линиям. Скорость передачи — 100 Мбит/сек. Топология — двойное кольцо или смешанная (с включением звездообразных или древовидных подсетей). Максимальное количество станций в сети — 1000. Очень высокая стоимость оборудования.
  • АТМ (Asynchronous Transfer Mode) — перспективная, пока ещё очень дорогая архитектура, обеспечивает передачу цифровых данных, видеоинформации и голоса по одним и тем же линиям. Скорость передачи до 2,5 Гбит/сек. Линии связи оптические.

2.23. Как соединяются между собой устройства сети?

Для этого используется специальное оборудование:

Рис. 2.30. Сетевой
интерфейсный адаптер

  • Сетевые кабели (коаксиальные, состоящие из двух изолированных между собой концентрических проводников, из которых внешний имеет вид трубки; оптоволоконные; кабели на витых парах, образованные двумя переплетёнными друг с другом проводами, и др.).
  • Коннекторы (соединители) для подключения кабелей к компьютеру; разъёмы для соединения отрезков кабеля.
  • Сетевые интерфейсные адаптеры для приёма и передачи данных. В соответствии с определённым протоколом управляют доступом к среде передачи данных. Размещаются в системных блоках компьютеров, подключенных к сети.
    К разъёмам адаптеров подключается сетевой кабель.
  • Трансиверы повышают уровень качества передачи данных по кабелю, отвечают за приём сигналов из сети и обнаружение конфликтов.
  • Хабы (концентраторы) и коммутирующие хабы (коммутаторы) расширяют топологические, функциональные и скоростные возможности компьютерных сетей. Хаб с набором разнотипных портов позволяет объединять сегменты сетей с различными кабельными системами. К порту хаба можно подключать как отдельный узел сети, так и другой хаб или сегмент кабеля.
  • Повторители (репитеры) усиливают сигналы, передаваемые по кабелю при его большой длине.
  • 2.24. Как классифицируют компьютерные сети по степени географического распространения?

    По степени географического распространения сети делятся на локальные, городские, корпоративные, глобальные и др.

    Локальная сеть (ЛВС или LAN — Local Area NetWork) — сеть, связывающая ряд компьютеров в зоне, ограниченной пределами одной комнаты, здания или предприятия.

    Небольшая офисная локальная сеть

    Глобальная сеть (ГВС или WAN — World Area NetWork) — сеть, соединяющая компьютеры, удалённые географически на большие расстояния друг от друга. Отличается от локальной сети более протяженными коммуникациями (спутниковыми, кабельными и др.). Глобальная сеть объединяет локальные сети.

    Городская сеть (MAN — Metropolitan Area NetWork) — сеть, которая обслуживает информационные потребности большого города.


    2.25. Как соединяются между собой локальные сети?

    Для соединения локальных сетей используются следующие устройства, которые различаются между собой по назначению и возможностям:

    Мост (англ. Bridge) — связывает две локальные сети. Передаёт данные между сетями в пакетном виде, не производя в них никаких изменений. Ниже на рисунке показаны три локальные сети, соединённые двумя мостами.

    Соединение локальных сетей посредством мостов

    Здесь мосты создали расширенную сеть, которая обеспечивает своим пользователям доступ к прежде недоступным ресурсам. Кроме этого, мосты могут фильтровать пакеты, охраняя всю сеть от локальных потоков данных и пропуская наружу только те данные, которые предназначены для других сегментов сети.

    Маршрутизатор (англ. Router) объединяет сети с общим протоколом более эффективно, чем мост. Он позволяет, например, расщеплять большие сообщения на более мелкие куски, обеспечивая тем самым взаимодействие локальных сетей с разным размером пакета.

    Маршрутизатор может пересылать пакеты на конкретный адрес (мосты только отфильтровывают ненужные пакеты), выбирать лучший путь для прохождения пакета и многое другое. Чем сложней и больше сеть, тем больше выгода от использования маршрутизаторов.

    Мостовой маршрутизатор (англ. Brouter) — это гибрид моста и маршрутизатора, который сначала пытается выполнить маршрутизацию, где это только возможно, а затем, в случае неудачи, переходит в режим моста.

    Шлюз (англ. GateWay), в отличие от моста, применяется в случаях, когда соединяемые сети имеют различные сетевые протоколы. Поступившее в шлюз сообщение от одной сети преобразуется в другое сообщение, соответствующее требованиям следующей сети. Таким образом, шлюзы не просто соединяют сети, а позволяют им работать как единая сеть. C помощью шлюзов также локальные сети подсоединяются к мэйнфреймам — универсальным мощным компьютерам.

    2.26. Как работают беспроводные сети?

    Беспроводные сети используются там, где прокладка кабелей затруднена, нецелесообразна или просто невозможна. Например, в исторических зданиях, промышленных помещениях с металлическим или железобетонным полом, в офисах, полученных в краткосрочную аренду, на складах, выставках, конференциях и т.п. [48]

    В этих случаях сеть реализуется при помощи сетевых радио-адаптеров, снабжённых всенаправленными антеннами и использующих в качестве среды передачи информации радиоволны. Такая сеть реализуется топологией “Все-Со-Всеми” и работоспособна при дальности 50–200 м.

    Для связи между беспроводной и кабельной частями сети используется специальное устройство, называемое точкой входа (или радиомостом). Можно использовать и обычный компьютер, в котором установлены два сетевых адаптера — беспроводной и кабельный.

    Другой важной областью применения беспроводных сетей является организация связи между удалёнными сегментами локальных сетей при отсутствии инфраструктуры передачи данных (кабельных сетей общего доступа, высококачественных телефонных линий и др.), что типично для нашей страны. В этом случае для наведения беспроводных мостов между двумя удалёнными сегментами используются радиомосты с антенной направленного типа.

    Топология типа «звезда»

    Если в сеть нужно объединить несколько сегментов, то используется топология типа “звезда”. При этом в центральном узле устанавливается всенаправленная антенна, а удалённых узлах — направленные. Сети звездообразной топологии могут образовывать сети разнообразной конфигурации.

    Сетевая магистраль с беспроводным доступом позволяет отказаться от использования медленных модемов.

    2.27. Что такое сеть Интернет и как она работает?

    Интернет — гигантская всемирная компьютерная сеть, объединяющая десятки тысяч сетей всего мира. Её назначение — обеспечить любому желающему постоянный доступ к любой информации. Интернет предлагает практически неограниченные информационные ресурсы, полезные сведения, учёбу, развлечения, возможность общения с компетентными людьми, услуги удалённого доступа, передачи файлов, электронной почты и многое другое. Интернет обеспечивает принципиально новый способ общения людей, не имеющий аналогов в мире.

    Благодаря сети стал доступен (бесплатно или за умеренную плату) огромный объём информации. Так, пользователь в любой стране может связаться с людьми, разделяющими его интересы, или получить ценные сведения в электронных библиотеках, даже если они находятся на другом конце света. Нужная информация окажется в его компьютере за считанные секунды, пройдя путь по длинной цепочке промежуточных компьютеров, по кабелям и по радио, через горы и моря, по дну океана и через спутник.

    Интернет финансируется правительствами, научными и образовательными учреждениями, коммерческими структурами и миллионами частных лиц во всех частях света, но никто конкретно не является её владельцем. Управляет сетью «Совет по архитектуре Интернет», формируемый из приглашённых добровольцев.

    Сеть была создана в 1984 году, и сейчас ею пользуются примерно сорок миллионов человек. Интернет всё время изменяется, поскольку имеет много квалифицированных пользователей, которые пишут программы для себя, а затем распространяют их среди желающих. Постоянно появляются новые серверы, а существующие обновляют свой «репертуар». Стремительно растут информационные потоки.

    Как можно связаться с Интернет ?

    При работе в сеансном режиме доступ к Интернет обычно покупается у провайдеров (англ. provide — предоставлять, обеспечивать) — фирм, предоставляющих доступ к некоторой части Интернет и поставляющих её пользователям разнообразные услуги.

    Как связываются между собой сети в Интернет?

    Отдельные участки Интернет представляют собой сети различной архитектуры, которые связываются между собой с помощью маршрутизаторов. Передаваемые данные разбиваются на небольшие порции, называемые пакетами. Каждый пакет перемещается по сети независимо от других пакетов. Сети в Интернет неограниченно коммутируются (т.е. связываются) друг с другом, потому что все компьютеры, участвующие в передаче данных, используют единый протокол коммуникации TCP/IP (читается «ти-си-пи / ай-пи»). На самом деле протокол TCP/IP — это два разных протокола, определяющих различные аспекты передачи данных в сети:

    • протокол TCP (Transmission Control Protocol) — протокол управления передачей данных, использующий автоматическую повторную передачу пакетов, содержащих ошибки; этот протокол отвечает за разбиение передаваемой информации на пакеты и правильное восстановление информации из пакетов получателя;
    • протокол IP (Internet Protocol) — протокол межсетевого взаимодействия, отвечающий за адресацию и позволяющий пакету на пути к конечному пункту назначения проходить по нескольким сетям.

    Схема передачи информации по протоколу TCP/IP такова: протокол ТСР разбивает информацию на пакеты и нумерует все пакеты; далее с помощью протокола IP все пакеты передаются получателю, где с помощью протокола ТСР проверяется, все ли пакеты получены; после получения всех пакетов протокол ТСР располагает их в нужном порядке и собирает в единое целое.

    Каким образом пакет находит своего получателя ?

    Каждый компьютер, подключенный к сети Интернет имеет два равноценных уникальных адреса: цифровой IP-адрес и символический доменный адрес. Присваивание адресов происходит по следующей схеме: международная организация Сетевой информационный центр выдает группы адресов владельцам локальных сетей, а последние распределяют конкретные адреса по своему усмотрению.

    IP-адрес компьютера имеет длину 4 байта. Обычно первый и второй байты определяют адрес сети, третий байт определяет адрес подсети, а четвертый — адрес компьютера в подсети. Для удобства IP-адрес записывают в виде четырех чисел со значениями от 0 до 255, разделенных точками, например: 145.37.5.150. Адрес сети — 145.37; адрес подсети — 5; адрес компьютера в подсети — 150.

    Доменный адрес (англ. domain — область), в отличие от цифрового, является символическим и легче запоминается человеком. Пример доменного адреса: barsuk.les.nora.ru. Здесь домен barsuk — имя реального компьютера, обладающего IP-адресом, домен les — имя группы, присвоившей имя этому компьютеру, домен nora — имя более крупной группы, присвоившей имя домену les , и т.д. В процессе передачи данных доменный адрес преобразуются в IP-адрес. Механизм такого преобразования подробно описан в [54] .

    2.28. Основные возможности, предоставляемые сетью Интернет

    Интернет предоставляет своим пользователям разнообразные услуги и возможности (сервисы). Перечислим основные.

    1. World Wide Web — главный информационный сервис.

    World Wide Web (WWW, «Всемирная паутина») — гипертекстовая, а точнее, гипермедийная информационная система поиска ресурсов Интернет и доступа к ним.

    Гипертекст — информационная структура, позволяющая устанавливать смысловые связи между элементами текста на экране компьютера таким образом, чтобы можно было легко осуществлять переходы от одного элемента к другому. На практике в гипертексте некоторые слова выделяют путем подчёркивания или окрашивания в другой цвет. Выделение слова говорит о наличии связи этого слова с некоторым документом, в котором тема, связанная с выделенным словом, рассматривается более подробно.

    Гипермедиа — это то, что получится, если в определении гипертекста заменить слово «текст» на «любые виды информации»: звук, графику, видео. Такие гипермедийные ссылки возможны, поскольку наряду с текстовой информацией можно связывать и любую другую двоичную информацию, например, закодированный звук или графику, Так, если программа отображает карту мира и если пользователь выбирает на этой карте с помощью мыши какой-либо континент, программа может тут же дать о нём графическую, звуковую и текстовую информацию.

    Система WWW построена на специальном протоколе передачи данных, который называется протоколом передачи гипертекста HTTP (читается «эйч-ти-ти-пи», HyperText Transfer Protocol). Всё содержимое системы WWW состоит из WWW-страниц.

    WWW-cтраницы — гипермедийные документы системы World Wide Web. Создаются с помощью языка разметки гипертекста HTML (Hypertext markup language).

    Язык HTML позволяет добавлять к текстовым документам специальные командные фрагменты — тэги (англ. tag — «этикетка, ярлык») таким образом, что становится возможным связывать с этими документами другие тексты, графику, звук и видео, задавать заголовки различных уровней, разделять текст на абзацы, строить таблицы и т.д. Например, заголовок документа может иметь такой вид:
    Клуб любителей персиков

    Одну WWW-страницу на самом деле обычно составляет набор гипермедийных документов, расположенных на одном сервере, переплетённых взаимными ссылками и связанных по смыслу (например, содержащих информацию об одном учебном заведении или об одном музее). Каждый документ страницы, в свою очередь, может содержать несколько экранных страниц текста и иллюстраций. Каждая WWW-страница имеет свой «титульный лист» (англ. «homepage») — гипермедийный документ, содержащий ссылки на главные составные части страницы. Адреса «титульных листов» распространяются в Интернет в качестве адресов страниц.

    Личные страницы — такие WWW-страницы, которые принадлежат не фирмам и не организациям, а отдельным людям. Содержание и оформление такой страницы зависит только от её автора.

    При работе с системой WWW пользователи имеют дело с программами-клиентами системы, называемыми браузерами.

    Браузеры (англ. browse — листать, просматривать) — программы, с помощью которых пользователь организует диалог с системой WWW: просматривает WWW страницы, взаимодействует с WWW-cерверами и другими ресурсами в Интернет.

    Существуют сотни программ-браузеров. Самые популярные браузеры: Netscape Navigator и Microsoft Internet Explorer. Браузеры WWW умеют взаимодействовать с любыми типами серверов, используя при этом их собственные протоколы. Информацию, полученную от любого сервера, браузер WWW выводит на экран в стандартной, удобной для восприятия форме. При этом переключения с одного протокола на другой для пользователя часто остаются незамеченными.

    2. Электронная почта.

    Электронная почта (Electronic mail, англ. mail — почта, сокр. e-mail) cлужит для передачи текстовых сообщений в пределах Интернет, а также между другими сетями электронной почты. К тексту письма современные почтовые программы позволяют прикреплять звуковые и графические файлы, а также двоичные файлы — программы. При использовании электронной почты каждому абоненту присваивается уникальный почтовый адрес, формат которого имеет вид:
    @ .
    Например: earth@space.com, где earth — имя пользователя, space.com — имя компьютера, @ — разделительный символ «эт коммерческое».

    Сообщения, поступающие по e-mail, хранятся в специальном «почтовом» компьютере в выделенной для получателя области дисковой памяти (его «почтовом ящике»), откуда он может их выгрузить и прочитать с помощью специальной программы-клиента. Для отсылки сообщения нужно знать электронный адрес абонента. При качественной связи электронное письмо доходит в любую точку мира в течение нескольких минут. Пользователи электронной почты стремятся придерживаться правил сетевого этикета (нэтикета), а для выражения эмоций используют схематические изображения человеческого лица, так называемые смайлики (англ. smiley, «улыбочка»), некоторые из которых приведены ниже.

    Смайлики (рассматривайте, склонив голову влево)
    :-) улыбка
    :-))) хохот
    :-

    ) насморк
    :*) пьяница
    :- <)усатый
    :-[ вампир
    -:-) панк

    :-Q курит
    :-@ кричит
    :-( грусть
    :’-( плачет
    ;-) хитрец
    >:-( злится
    : 0 зевает
    :-)

    пускает слюнки
    8:-) маленькая девочка
    :-* cъел горькое
    :’-) плачет от счастья
    :-& поклялся молчать
    O-) аквалангист
    =8-) носит очки

    3. Cистема телеконференций Usenet (от Users Network).

    Эта система организует коллективные обсуждения по различным направлениям, называемые телеконференциями. В каждой телеконференции проводится ряд дискуссий по конкретным темам. Сегодня Usenet имеет более десяти тысяч дискуссионных групп (NewsGroups) или телеконференций, каждая из которых посвящена определённой теме и является средством обмена мнениями. Телеконференции разбиты на несколько групп:

    • news — вопросы, касающиеся системы телеконференций;
    • comp — компьютеры и программное обеспечение;
    • rec — развлечения, хобби и искусства;
    • sci — научно-исследовательская деятельность и приложения;
    • soc — социальные вопросы;
    • talk — дебаты по различным спорным вопросам;
    • misc — всё остальное.

    Внутри этих категорий существует иерархия. Так, например, rec.music.beatles — это дискуссия о творчестве Битлз, входящая в подгруппу «музыка» группы дискуссий по искусству. Существует большой выбор программ чтения телеконференций, которые формируют материал дискуссий в упорядоченном виде и предоставляют в распоряжение корреспондентов. Аналог телеконференций в других сетях — «электронная доска объявлений» (Bulletin Board System, BBS).

    4. Системы информационного поиска сети Интернет.

    В Интернетe представлена информация на любые темы, которые только можно себе представить. Но найти в ней нужную информацию не так-то легко из-за того, что сеть по своей природе не имеет чёткой структуры. Поэтому для ориентировки в Интернет и быстрого получения свежей справочной информации разработаны системы поиска информации. Все системы поиска информации Интернет располагаются на специально выделенных компьютерах с мощными каналами связи. Ежеминутно они бесплатно обслуживают огромное количество клиентов. Поисковые системы можно разбить на два типа:

    • предметные каталоги, формируемые людьми-редакторами;
    • автоматические индексы, формируемые специальными компьютерными программами, без участия людей.

    Системы, основанные на предметных каталогах.

    Используют базы данных, формируемые специалистами-редакторами, которые отбирают информацию, устанавливают связи для баз данных, организуют и снабжают данные в разных поисковых категориях перекрёстными ссылками. Кампании, владеющие предметными каталогами, непрерывно исследуют, описывают и каталогизируют содержимое WWW-cерверов и других сетевых ресурсов, разбросанных по всему миру. В результате этой работы клиенты Интернет имеют постоянно обновляющиеся иерархические (древовидные) каталоги, на верхнем уровне которых собраны самые общие категории, такие как «бизнес», «наука», «искусство» и т.п., а элементы самого нижнего уровня представляют собой ссылки на отдельные WWW-страницы и серверы вместе с кратким описанием их содержимого.

    Пример. Если нужно выяснить, какая в мире имеется информация о динозаврах, достаточно спуститься по иерархии:

    Науки ==> Животные ==> Доисторические животные ==> Динозавры.
    Каталоги, составленные людьми, более осмыслены, чем автоматические индексы. Их очень мало, так как их создание и поддержка требуют огромных затрат. Для примера рассмотрим самый популярный предметный каталог Yahoo!, который обладает одной из крупнейших баз данных. Имеет информационные базы для детей и подростков. Поддерживает два основных метода работы с каталогом — поиск по ключевым словам и поиск по иерархическому дереву разделов. Не принимает запросов на естественном языке.

    Автоматические индексы.

    Переоценить их трудно. Поиск по ключевым словам в одной базе данных, занимающий в худшем случае несколько секунд, принесёт те же результаты, что и обшаривание всех WWW-страниц во всей сети Интернет.

    Автоматический индекс состоит из трёх частей:

    • программы-робота;
    • базы данных, собираемой этим роботом;
    • интерфейса для поиска в этой базе, с которым и работает пользователь.

    Все эти компоненты функционируют без вмешательства человека. К автоматическим индексам следует прибегать только тогда, когда ключевые слова точно известны, например, фамилия человека или несколько специфических терминов из соответствующей области. Индексы получают информацию из каждого отдельного узла, регистрируют и индексируют её и добавляют к своим базам данных.

    Среди известных индексов выделяется AltaVista — одна из самых мощных полностью автоматических поисковых систем. Обладает полнотекстовой базой данных. Выдаёт наибольшее количество ссылок. Проиндексировано 30 млн. страниц с 300 тысяч серверов и 4 млн. статей из телеконференций Usenet. За один день AltaVista обслуживает около 20 млн. запросов.

    5. Программа пересылки файлов Ftp.

    Перемещает копии файлов с одного узла Интернет на другой в соответствии с протоколом FTP (File Transfer Protocol — «протокол передачи файлов»). При этом не имеет значения, где эти узлы расположены и как соединены между собой. Компьютеры, на которых есть файлы для общего пользования, называются FTP-серверами. В Интернет имеется более 10 Терабайт бесплатных файлов и программ.

    6. Программа удалённого доступа Telnet.

    Позволяет входить в другую вычислительную систему, работающую в Интернет, с помощью протокола TELNET. Эта программа состоит из двух компонент: программы-клиента, которая выполняется на компьютере-клиенте, и программы-сервера, которая выполняется на компьютере-сервере.

    Функции программы-клиента:

    • установление соединения с сервером;
    • приём от абонента входных данных, преобразование их к стандартному формату и отсылка серверу;
    • приём от сервера результатов запроса в стандартном формате и переформатирование их в вид, удобный клиенту.

    Функции программы-сервера:

    • ожидание запроса в стандартной форме;
    • обслуживание этого запроса;
    • отсылка результатов программе-клиенту.

    Telnet — простое и поэтому универсальное средство связи в Интернет.

    В Интернет один и тот же узел сети может одновременно работать по нескольким протоколам. Поэтому крупные узлы сети сейчас обладают полным набором серверов, и к ним можно обращаться почти по любому из существующих протоколов.

    2.29. Что такое мультимедиа и мультимедиа-компьютер?

    Термин “мультимедиа” образован из слов “мульти” — много, и “медиа” — среда, носитель, средства сообщения, и в первом приближении его можно перевести как “многосредность” [47] .

    Мультимедиа — это собирательное понятие для различных компьютерных технологий, при которых используется несколько информационных сред, таких, как графика, текст, видео, фотография, движущиеся образы (анимация), звуковые эффекты, высококачественное звуковое сопровождение.

    Мультимедиа-компьютер — это компьютер, снабженный аппаратными и программными средствами, реализующими технологию мультимедиа.

    Области применения мультимедиа

    • Обучение с использованием компьютерных технологий (Специальными исследованиями установлено, что из услышанного в памяти остается только четверть, из увиденного — треть, при комбинированном воздействии зрения и слуха — 50%, а если вовлечь учащегося в активные действия в процессе изучения при помощи мультимедийных приложений — 75% [46] .
    • Информационная и рекламная служба.
    • Развлечения, игры, системы виртуальной реальности.


    Технологию мультимедиа составляют две основные компоненты — аппаратная и программная.

    Аппаратные средства мультимедиа

    • Основные — компьютер с высокопроизводительным процессором, оперативной памятью 64 — 512 Мбайт, винчестерским накопителем ёмкостью 40 — 100 Гбайт и выше, накопителем на гибких магнитных дисках, манипуляторами, мультимедиа-монитором со встроенными стереодинамиками и видеоадаптером SVGA.
    • Специальные — приводы CD-ROM; TV-тюнеры и фрейм-грабберы; графические акселераторы (ускорители), в том числе, для поддержки трёхмерной графики; платы видеовоспроизведения; устройства для ввода видеопоследовательностей; звуковые платы с установленными микшерами и музыкальными синтезаторами, воспроизводящими звучание реальных музыкальных инструментов; акустические системы с наушниками или динамиками и др.

    Программные средства мультимедиа

    • Мультимедийные приложения — энциклопедии, интерактивные курсы обучения по всевозможным предметам, игры и развлечения, работа с Интернет, тренажёры, средства торговой рекламы, электронные презентации, информационные киоски, установленные в общественных местах и предоставляющие различную информацию, и др.
    • Cредства создания мультимедийных приложений — редакторы видеоизображений; профессиональные графические редакторы; средства для записи, создания и редактирования звуковой информации, позволяющие подготавливать звуковые файлы для включения в программы, изменять амплитуду сигнала, наложить или убрать фон, вырезать или вставить блоки данных на каком-то временном отрезке; программы для манипуляции с сегментами изображений, изменения цвета, палитры; программы для реализации гипертекстов и др.
    • Телевизионный приём — вывод телевизионных сигналов на монитор компьютера на фоне работы других программ.
    • Видеозахват — “захват” и “заморозка” в цифровом виде отдельных видеокадров.
    • Анимация — воспроизведение последовательности картинок, создающее впечатление движущегося изображения.
    • Звуковые эффекты — сохранение в цифровом виде звучания музыкальных инструментов, звуков природы или музыкальных фрагментов, созданных на компьютере, либо записаных и оцифрованых.
    • Трёхмерная (3D) графика — графика, создаваемая с помощью изображений, имеющих не только длину и ширину, но и глубину.
    • Музыка MIDI (Musical Instrument Digital Interface, цифровой интерфейс музыкальных инструментов) — стандарт, позволяющий подсоединять к компьютеру цифровые музыкальные инструменты, используемые при сочинении и записи музыки.
    • Виртуальная реальность (Virtual Reality, VR). Слово “виртуальный” означает “действующий и проявляющий себя как настоящий”.

    Виртуальная реальность — это высокоразвитая форма компьютерного моделирования, которая позволяет пользователю погрузиться в модельный мир и непосредственно действовать в нём. Зрительные, слуховые, осязательные и моторные ощущения пользователя при этом заменяются их имитацией, генерируемой компьютером.

    Признаки устройств виртуальной реальности: моделирование в реальном масштабе времени; имитация окружающей обстановки с высокой степенью реализма; возможность воздействовать на окружающую обстановку и иметь при этом обратную связь.

    Пример использования виртуальной реальности: архитектурно-строительная компания использует программное обеспечение, позволяющее заказчикам “посетить” виртуальный образ будущего архитектурного сооружения задолго до того, как будет начато строительство.

    2.30. Вопросы для самоконтроля

    2.1. Какова роль аппаратуры (HardWare) и программного обеспечения (SoftWare) компьютера?

    2.2. Какие основные классы компьютеров Вам известны?

    2.3. В чём состоит принцип действия компьютеров?

    2.4. Из каких простейших элементов состоит программа?

    2.5. Что такое система команд компьютера?

    2.6. Перечислите главные устройства компьютера.

    2.7. Опишите функции памяти и функции процессора.

    2.8. Назовите две основные части процессора. Каково их назначение?

    2.9. Что такое регистры? Назовите некоторые важные регистры и опишите их функции.

    2.10. Сформулируйте общие принципы построения компьютеров.

    2.11. В чём заключается принцип программного управления? Как выполняются команды условных и безусловных переходов?

    2.12. В чём суть принципа однородности памяти? Какие возможности он открывает?

    2.13. В чём заключается принцип адресности?

    2.14. Какие архитектуры называются «фон-неймановскими»?

    2.15. Что такое команда? Что описывает команда?

    2.16. Какого рода информацию может содержать адресная часть команды?

    2.17. Приведите примеры команд одноадресных, двухадресных, трёхадресных.

    2.18. Каким образом процессор при выполнении программы осуществляет выбор очередной команды?

    2.19. Опишите основной цикл процесса обработки команд.

    2.20. Что понимается под архитектурой компьютера? Какие характеристики компьютера определяются этим понятием? Верно ли, что общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость в плане реализации функциональных элементов?

    2.21. Что понимается под структурой компьютера? Какой уровень детализации описания компьютера может она обеспечить?

    2.22. Перечислите распространённые компьютерные архитектуры.

    2.23. Каковы отличительные особенности классической архитектуры?

    2.24. Что собой представляет шина компьютера? Каковы функции общей шины (магистрали)?

    2.25. Какую функцию выполняют контроллеры?

    2.26. Как характер решаемых задач связан с архитектурой компьютера?

    2.27. Какие отличительные особенности присущи многопроцессорной архитектуре? Многомашинной архитектуре? Архитектуре с параллельным процессором?

    2.28. Что такое центральный процессор?

    2.29. Какие основные компоненты содержат в себе современные микропроцессоры?

    2.30. Как конструктивно выполнены современные микропроцессоры?

    2.31. Перечислите основные и производные единицы измерения количества памяти.

    2.32. Назовите две основные разновидности памяти компьютера.

    2.33. Перечислите основные компоненты внутренней памяти.

    2.34. Что представляет собой ОЗУ? Каково её назначение?

    2.35. В чём разница между памятью статической и динамической?

    2.36. Что собой представляет модуль памяти типа SIMM? Какие другие типы модулей памяти Вы знаете?

    2.37. Каково назначение кэш-памяти? Каким образом она реализуется?

    2.38. Что такое специальная память? Характеризуйте её основные виды.

    2.39. Что такое BIOS и какова её роль?

    2.40. Каково назначение внешней памяти? Перечислите разновидности устройств внешней памяти.

    2.41. Что собой представляет гибкий диск?

    2.42. В чём суть магнитного кодирования двоичной информации?

    2.43. Как работают накопители на гибких магнитных дисках и накопители на жёстких магнитных дисках?

    2.44. Каковы достоинства и недостатки накопителей на компакт-дисках?

    2.45. Опишите работу стримера.

    2.46. Как работает аудиоадаптер? Видеоадаптер?

    2.47. Какие типы видеоплат используются в современных компьютерах?

    2.48. Назовите главные компоненты и основные управляющие клавиши клавиатуры.

    2.49. Перечислите основные компоненты видеосистемы компьютера.

    2.50. Как формируется изображение на экране цветного монитора?

    2.51. Как устроены жидкокристаллические мониторы? Проведите сравнение таких мониторов с мониторами, построенными на основе ЭЛТ.

    2.52. Опишите работу матричных, лазерных и струйных принтеров.

    2.53. Чем работа плоттера отличается от работы принтера?

    2.54. Опишите способ передачи информации посредством модема.

    2.55. Перечислите основные виды манипуляторов и опишите принципы из работы.

    2.56. Что понимают под персональным компьютером?

    2.57. Какие характеристики компьютера стандартизируются для реализации принципа открытой архитектуры?

    2.58. Что такое аппаратный интерфейс?

    2.59. Каково назначение контроллеров и адаптеров? В чём заключается разница между контроллером и адаптером?

    2.60. Что такое порты устройств? Охарактеризуйте основные виды портов.

    2.61. Перечислите основные блоки современного компьютера.

    2.62. Каково назначение межкомпьютерной связи?

    2.63. Опишите технологию «клиент–сервер».

    2.64. Каким образом преодолевается проблема несовместимости интерфейсов в компьютерных сетях?

    2.65. Что такое протокол коммуникации?

    2.66. Почему данные передаются при помощи пакетов?

    2.67. Охарактеризуйте основные виды сетевых топологий.

    2.68. Назовите характеристики распространённых сетевых архитектур.

    2.69. Дайте краткую характеристику специального сетевого оборудования.

    2.70. В каких областях и с какой целью применяются локальные сети?

    2.71. Перечислите основные сервисы сети Интернет.

    2.72. Что такое IP-адрес?

    2.73. Какие основные услуги предоставляет пользователям система WWW?

    2.74. Как организованы системы информационного поиска сети Интернет?


    2.75. Дайте сравнительную характеристику систем информационного поиска Yahoo! и Alta Vista.

    2.76. Охарактеризуйте основные виды технологий мультимедиа.

    2.77. Приведите примеры устройств «виртуальной реальности» и опишите принципы их работы.

    2.78. Каким вам представляется мультимедийный компьютер?

    2.79. Какой носитель информации используется для распространения мультимедиа-программ?

    2.80. Охарактеризуйте средства создания мультимедиа-приложений.

    Глава 5 организация внешней памяти

    Организация внешней и внутренней памяти.

    Внутренняя память . К физическим свойствам внутренней памяти относятся следующие свойства:

    • это память, построенная на электронных элементах (микросхемах), которая хранит информацию только при наличии электропитания; по этой причине внутреннюю память можно назвать энергозависимой;
    • это быстрая память; время занесения (записи) в нее информации и извлечения (чтения) очень маленькое — микросекунды;
    • это память небольшая по объему (по сравнению с внешней памятью).

    Быструю энергозависимую внутреннюю память называют оперативной памятью, или ОЗУ — оперативное запоминающее устройство.

    В компьютере имеется еще один вид внутренней памяти — постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Основное его отличие от ОЗУ — энергонезависимость, т.е. при отключении компьютера от электросети информация в ПЗУ не исчезает. Кроме того, однажды записанная информация в ПЗУ не меняется, — это память, предназначенная только для чтения, в то время как ОЗУ — и для чтения, и для записи. Обычно ПЗУ по объему существенно меньше ОЗУ.

    Внешняя память . По аналогии с отмеченными выше физическими свойствами внутренней памяти, свойства внешней памяти описываются так:

    • вешняя память энергонезависима, т.е. информация в ней сохраняется независимо от того, включен или выключен компьютер, вставлен носитель в компьютер или лежит на столе;
    • внешняя память — медленная по сравнению с оперативной; в порядке возрастания скорости чтения/записи информации, устройства внешней памяти располагаются так: магнитные ленты – магнитные диски – оптические диски;
    • объем информации, помещающейся во внешней памяти больше, чем во внутренней; а с учетом возможности смены носителей неограничен.

    Принципы организации информации.

    1. Компьютер работает со следующими видами данных (обрабатываемой информации): символьными, числовыми, графическими, звуковыми;

    2. Любая информация в памяти компьютера (в том числе и программы) представляется в двоичном виде. Двоичный вид обозначает то, что любая информация в памяти компьютера представляется с помощью всего двух символов: нуля и единицы. Как известно, один символ из двухсимвольного алфавита несет 1 бит информации. Поэтому двоичную форму представления информации еще называют битовой формой. В электронных элементах компьютера происходит передача и преобразование электрических сигналов. Двоичные символы распознаются так: есть сигнал — единица, нет сигнала — нуль.

    Организация внутренней памяти .

    Информационную структуру внутренней памяти следует представлять как последовательность двоичных ячеек — битов. Схематически такое представление изображено в таблице:

    Организация устройств внешней памяти на современных HDD (ликбез).

    Организация устройств внешней памяти на современных HDD (ликбез).

    Современные устройства внешней памяти на магнитных дисках (HDD) постоянно совершенствуются, и емкость современных жестких дисков давно уже измеряется в Тбайтах, а скорость вращения жесткого диска у некоторых накопителей равна 15000 оборотов в минуту.

    В современных накопителях на жестких магнитных дисках значительная часть поверхности диска является служебной, эта зона скрыта и недоступна для пользователя. В этой части диска расположена служебная информация и резервная область для замены обнаруженных дефектных секторов на поверхности диска. Пользователь имеет доступ только к рабочей области диска, объем которой указан в технических характеристиках диска. Доступ в служебную зону возможен только в специальном технологическом режиме, который активизируется с помощью подачи специальной команды. В этом режиме возможно использование специального технологического набора команд (команды записи-чтения секторов служебной зоны, чтение карты расположения модулей и таблиц в служебной зоне, чтение таблицы зонного распределения, команды перевода из LBA в CHS и обратно, команда запуска форматирования низкого уровня, команды записи-чтения перезаписываемого ПЗУ и др.).

    Использование специального технологического режима работы накопителя (аналогично тому, как это делается самими производителями HDD) делает в этом режиме работы доступными операции, которые обычно выполняются на фирме-изготовителе: восстановление формата нижнего уровня (Low-Level Format); восстановление служебной информации, хранящейся на служебных дорожках накопителя (Resident Mikrocode); восстановление или изменение параметров в паспорте диска (Identify Drv); замена дефектных секторов и дорожек на резервные или их исключение из работы накопителя (Assigne, Realocation, Skipping Defects); реконфигурация HDD путем исключения из работы неисправных областей магнитных поверхностей или отключение неисправных магнитных головок.

    С точки зрения пользователя, любой диск можно представить как совокупность доступных ему блоков данных, которые он может использовать для хранения данных, для считывания или записи информации. Каждый блок данных имеет свой уникальный адрес, определяемый способом CHS (цилиндр, поверхность, сектор) или LBA (адрес логического блока). Блок данных мо­жет быть записан и считан (только целиком) независимо от других. Но для большинства прикладных программ интерес представляет не обращение к отдель­ным блокам, а возможность обращения к файлам, которые могут занимать про­извольное, причем, возможно, и не целое количество блоков данных. На дисках информация хранится в виде файлов. Для облегчения обращения к файлам и упорядочения использования пространства секторов дис­ка в состав любой операционной системы входит файловая система, тесно связан­ная с логической структурой диска (рис.1, 2).

    Логическая структура и системная информация файловых систем тоже формируются на магнитной поверхности путем фиксации двоичных единиц и нолей. Образованные, таким способом, на диске структуры служебных двоичных данных, позволяют адресовать и находить блоки данных и файлы на поверхности диска.

    Современные методы записи и методы кодирования позволяют надежно записывать и считывать двоичную информацию на дорожках дисков, но чтобы на дорожках появились адресуемые блоки данных, которые можно использовать для хранения, записи и считывания информации, необходимо произвести физическую разметку диска записью на все дорожки диска служебного формата. Служебный формат дорожки записывается контроллером диска при получении от процессора, выполняющего программу форматирования, команды «Форматирование дорожки». Получив из накопителя импульс «Индекс», означающий начало дорожки, контроллер выдает в тракт записи накопителя данные, являющиеся служебным форматом дорожки.

    Команда «Форматирование дорожки» доступна лишь для контроллеров старых дисков, которые не используют зонной записи, при совпадении внешней геометрии с реальной. На современных дисках низкоуровневое форматирование выполняют лишь в специальном технологическом режиме. Для этого, например, могут использоваться нестандартные команды, причем для разрешения их использования могут присутствовать специальные джамперы на устройстве. Общение с винчестером в технологическом режиме может производиться и через специальный последовательный интерфейс, в качестве которого иногда используется стандартный RS-232C, что позволяет вести диалог с винчестером, например, через СОМ-порт и эмулятор терминала на персональном компьютере. В случае, когда технологические команды доступны через обычный интерфейс, производители накопителя обычно предлагают собственные утилиты низкоуровневого форматирования и обслуживания дисков (низкоуровневое форматирование не затрагивает сервоинформацию, которая записывается на поверхности лишь в заводских условиях). Низкоуровневые утилиты предназначены для конкретных моделей или семейств устройств конкретных производителей, Использование их с «чужими» дисками, как правило, блокируется (или выдается предупреждение). Обход этой блокировки обычно ведет к отказу винчестера.

    В стандартном CHS-режиме осуществляется единственный пересчет секторов внут­ри самого жесткого диска. В таких накопителях все цилиндры содержат одинаковое количество секторов, несмотря на то что длина окружности у внешних цилиндре может быть вдвое больше, чем у внутренних. В результате теряется пространство внешних дорожек, так как оно используется крайне неэффективно (рис. 3).

    Рис. 3. Стандартная запись низкоуровневого формата.

    Реальная геометрия дисков с зонной записью (см. рис. 4) полно­стью скрыта от «внешнего мира». Данные о количестве цилиндров, головок и секторов, ука­занные в паспортах жестких дисков, — это чисто логические параметры. Эти данные предна­значены для ввода в качестве значений соответствующих параметров в BIOS и не имеют никакого отношения к физическим параметрам диска (поэтому мы не должны удивляться, когда в логических параметрах диска видим 256 головок, 1024 цилиндра и 64 сектора).

    Рис. 4. Зонная запись низкоуровневого формата.

    При зонной записи цилиндры разбиваются на группы, которые называются зонами, при­чем по мере продвижения к внешнему краю диска дорожки разбиваются на все большее чис­ло секторов. Во всех цилиндрах, относящихся к одной зоне, количество секторов на дорож­ках одинаковое. Возможное количество зон зависит от типа накопителя; в большинстве уст­ройств их бывает 10 и более. Еще одно свойство зонной записи состоит в том, что скорость обмена данными с накопите­лем может изменяться и зависит от зоны, в которой в конкретный момент располагаются голов­ки. Происходит это потому, что секторов во внешних зонах больше, а угловая скорость враще­ния диска постоянна (т.е. линейная скорость перемещения секторов относительно головки при считывании и записи данных на внешних дорожках оказывается выше, чем на внутренних).

    В режиме логической адресации блоков (LBA) все секторы нумеруются подряд, без раз­деления по трем категориям (цилиндр, головка и сектор). Сквозная нумерация начинается с сектора (CHS 0,0,1), которому присваивается логический адрес 0, и заканчивается последним фи­зическим сектором диска.

    Служебный формат разбивает дорожку на секторы, а служебный формат внутри сектора выделяет в каждом секторе блок данных (например 512 байт). После записи служебного формата на всех дорожках диска, контроллер диска и сам диск готовы к выполнению команд, задающих чтение или запись в блоки данных секторов диска. Служебный формат дорожки дисков пишется контроллером диска и нужен только контроллеру диска. Выполняя заданные процессором операции чтения или записи, контроллер диска, получив из накопителя импульс «Индекс» (начало дорожки), начинает воспринимать информацию, поступающую из тракта чтения накопителя как служебный формат дорожки. Проверяя и расшифровывая служебный формат дорожки, контроллер определяет местоположение головки на дорожке, находит, таким образом, на дорожке нужный сектор, а по служебному формату сектора находит в секторе блок данных, выполняет чтение информации из блока данных, или запись информации в блок данных, а также контроль достоверности считанных данных. Но на таком уровне работать пользователю крайне неудобно, поэтому информация (программы, тексты и т. д.) хранится в виде файлов. Размещение файлов на диске осуществляет операционная система с помощью программ соответствующей файловой системы (NTFS, FAT32 и т. д.).

    Диск разбивается на разделы и в разделах создаются служебные структуры для работы соответствующей файловой системы, например, NTFS (см. рис.1, 2).

    Принципы построения и функционирования NTFS:

    1.Раздел NTFS состоит из кластеров, они пронумерованы от 0 (кластер — это непрерывная последовательность секторов заданного фиксированного размера, например, каждый кластер состоит из 8 секторов).

    2.Файл в разделе NTFS состоит из экстентов (экстент — это непрерывная последовательность кластеров. Размер экстента задается номером начального кластера и количеством кластеров в экстенте).

    3.Основой для организации хранения информации в виде файлов является метафайл $MFT. Файл $MFT состоит из записей фиксированного размера (обычно 1 Кбайт), и каждая запись определяет соответствующий ей файл (либо маленький файл находится внутри записи в Атрибуте 80 записи, либо файл состоит из экстентов, которые определяются последовательностью блоков VCN в Атрибуте 80).

    4.Блок VCN содержит номер начального кластера экстента и количество кластеров в экстенте.

    5.Нужную запись файла $MFT находят через каталог по имени файла. Номер записи находится в шести начальных байтах каталожного блока (имя файла находится в конце каталожного блока и занимает различное количество байтов).

    6.В разделе NTFS все хранится в виде файлов (каталоги, программы, данные . ). Системная нформация для работы файловой системы — хранится в виде метафайлов (системных файлов), имена их начинаются со знака $ и они недоступны пользователю с помощью обычных средств операционной системы.

    Глава 5. Память компьютера 5.1. Физическая организация памяти

    страница 12/14
    Дата 13.06.2020
    Размер 0.94 Mb.
    Тип Учебное пособие

    Глава 5. Память компьютера

    5.1. Физическая организация памяти

    Память компьютера делится на внутреннюю (основную), выполненную на микросхемах, и внешнюю (вторичную), реализованную устройствами хранения информации на магнитных и оптических дисках.

    К внутренней памяти относятся регистры процессора, ОЗУ и некоторые вспомогательные блоки памяти. Через регистры процессора осуществляется запись или считывание информации из ЦП. Двоичные разряды этих регистров реализуются на триггерах — электронных элементах, имеющих два устойчивых состояния. Быстрота переключения триггерных элементов позволяет им работать напрямую с процессором, не тормозя его работу. Роль двоичных разрядов ячеек ОЗУ выполняют электрические конденсаторы, требующие для своей работы периодической подзарядки (примерно 1000 раз в секунду), что существенно снижает быстродействие ОЗУ.

    Обмен информацией между регистрами ЦП и ОЗУ осуществляется через согласующие блоки кэш-памяти (от английского слова «cache», означающего «тайник»). Тайна состоит в том, что кэш-память не увеличивает адресуемое пространство ОЗУ, а лишь дублирует некоторые его участки блоками триггерной памяти, делая их быстро доступными для ЦП. В кэш-памяти хранится ограниченное число блоков информации вместе со списками адресов ОЗУ, которым соответствуют эти блоки (каталог). Кэш-память используется для временного хранения данных и команд, недавно записанных или прочитанных из ОЗУ. Кэшированная запись позволят процессору продолжать свою работу, не дожидаясь пока завершится запись информации в ОЗУ, выполняемая в более медленном темпе, чем запись из ЦП в кэш-память. Кэшированное чтение увеличивает производительность процессора лишь тогда, когда к некоторой информации (данным или командам) производится многократное обращение, например, при реализации циклических процедур. При каждом чтении процессором информации из ОЗУ контроллер кэш-памяти проверяет по каталогу её наличие в блоках кэш-памяти. Если требуемая информация содержится в кэш-памяти (кэш-попадание), то она считывается в ЦП. Если же требуемой информации нет в кэш-памяти (кэш-промах), то она считывается непосредственно из ОЗУ. При этом ЦП находится в режиме ожидания. Для сокращения времени такого ожидания одновременно с поиском информации в кэш-памяти производится поиск её и в ОЗУ. В случае кэш-попадания этот поиск прекращается. В противном случае, экономится время поиска нужной информации в ОЗУ. В ситуациях кэш-промаха информация, извлекаемая из ОЗУ, замещает по определенным алгоритмам один из блоков кэш-памяти.

    Для повышения эффективности кэширования часто используют раздельный кэш для данных и команд, делая при этом кэш-память многоуровневой (до четырех уровней). ЦП обменивается информацией непосредственно с кэш-памятью 1 уровня, имеющей наименьший объем и содержащую наиболее часто используемую процессором информацию. По мере увеличения номера уровня кэш-памяти её объем увеличивается, а частота использования размещенной в ней информации уменьшается.

    При кэшировании памяти необходимо обеспечить, чтобы в ячейках кэш-памяти и ОЗУ с одинаковыми адресами размещалась одна и та же информация. Возможны, с одной стороны, несогласованность записи из-за того, что новые значения передаются в ОЗУ через кэш-память с некоторым запаздыванием и если эта информация потребуется другому устройству, то оно может взять устаревшую информацию. С другой стороны, возможна и несогласованность чтения при повторных считываниях информации в ЦП из кэш-памяти, поскольку за это время в ОЗУ по тому же адресу могла уже быть записана новая информация из другого устройства ПК. Для предотвращения подобных ситуаций контроллер кэш-памяти напрямую соединяют с основной памятью, чтобы можно было отслеживать каждый доступ к ОЗУ со стороны любых других устройств ПК.

    ОЗУ представляет собой упорядоченный массив однобайтовых ячеек, каждая из которых имеет свой последовательный номер, начиная от нуля. Современные ПК имеют ОЗУ объемом до нескольких гигабайт. Поскольку кэш-память реализована на относительно дорогих триггерных элементах, то объем её существенно меньше объема ОЗУ и обычно не превосходит нескольких сотен килобайт. ОЗУ вместе с кэш-памятью всех уровней представляет собой единый линейный массив ячеек памяти непосредственно доступный ЦП для чтения и записи.

    Внутренняя память является энергозависимой и теряет содержащуюся в ней информацию при отключении питания. Исключением являются блоки постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), в которых «прошиты» программа первоначального запуска ПК, базовая система ввода-вывода (BIOS) и тесты.

    Внешняя память реализуется в основном на магнитных и оптических дисках. Диски могут быть съемными и стационарными, гибкими и жесткими. Их ёмкость колеблется от единиц мегабайт до десятков гигабайт. Соответствующие устройства хранения информации могут допускать: только чтение с дисков, чтение и однократную запись на диск, чтение и многократную запись на диск. ЦП не имеет непосредственного доступа к внешней памяти по линейному адресу. Он осуществляется с помощью специальных программ через контроллеры накопителей на дисках целыми блоками данных. Только после считывания этих данных ЦП может обратиться к соответствующей информации. Непосредственное обращение невозможно из-за слишком большой разницы в скоростях обмена.

    Общими для всех устройств внешней памяти являются:

    • дискретная (цифровая) форма представления информации;
    • обмен информацией с внутренней памятью блоками данных;

    непосредственный доступ к данным;

    • энергонезависимость: сохранение информации при отключении питания.

    Накопители на магнитных дисках

    Магнитные диски делятся на:

    • гибкие, диаметром 3,5 ” (флоппи-диски), съёмные, ёмкостью 1,44 Мб;
    • жесткие, диаметром 5,25 ” , стационарные, ёмкостью до сотен Гб.

    Гибкие диски могут деформироваться под воздействием внешней среды. Достоинством жестких дисков является то, что они не подвержены таким деформациям и после записи информации можно вернуться к тому же самому месту для её воспроизведения. Поэтому для жестких дисков используются головки записи-чтения существенно меньшего размера, чем в дисководах гибких дисков. В связи с этим плотность записи а, следовательно, и объём, на жёстких дисках больше, чем на гибких.

    На поверхности магнитных дисков располагаются концентрические окружности — дорожки (треки), каждая из которых разбивается на отдельные сектора. Число дорожек и секторов на них зависит от диаметра и типа диска (гибкий или жесткий). Диски вращаются на специальных осях- шпинделях. Частота вращения от 360 об/мин для гибких дисков до порядка 10 4 об/мин для жёстких дисков. Для обеспечения такой большой скорости вращения диски помещают в специальный герметичный корпус, наполненный инертным газом (НЖМД типа Винчестер). Для увеличения ёмкости Винчестера на вращающемся шпинделе крепятся несколько дисков, а сами диски делают двусторонними. Головки записи-чтения не касаются поверхностей вращающихся дисков, а «плывут» над ними на расстоянии нескольких микрон, чтобы не испортить головки и диски от перегрева из-за трения. Высота «полета» определяется скоростью вращения дисков, аэродинамическими свойствами головок и давлением пружин, прижимающих головки к дискам. В нерабочем состоянии блок головок паркуется не над дисками, так как их падение на диски при внезапном отключении питания могло бы привести к повреждению, как дисков, так и самих головок (они бы прилипли друг к другу из-за молекулярного притяжения). Чтобы избежать подобных ситуаций используются блоки бесперебойного питания компьютеров.

    Число дорожек на дисках современных Винчестеров возросло до величины порядка 10 4 . Все дорожки, расположенные на одинаковом расстоянии от шпинделя, образуют цилиндр. Цилиндры, как и дорожки, нумеруются от краёв дисков к центру, начиная с нуля.

    Организация обмена информацией с магнитными дисками

    Информация на диски записывается и считывается посекторно. Каждый сектор имеет в начале заголовок, содержащий служебную часть – поле идентификатора, включающего адрес (номер цилиндра, головки и сектора), а также информацию о дефектности сектора (можно ли его использовать для хранения данных). Достоверность поля идентификатора проверяется с помощью контрольного кода.

    После заголовка сектора располагается поле данных (в 512 байт), отделяемое от заголовка небольшим зазором. Этот зазор необходим для того, чтобы при операции записи головка успеть переключиться из режима чтения (заголовка) в режим записи (данных).

    Весь сектор заканчивается контрольным кодом поля данных, позволяющим обнаруживать ошибки и исправлять их (при небольшой кратности). В межсекторных промежутках может размещаться информация для точного наведения головки на дорожку.

    В современных высокоскоростных Винчестерах работа организуется сразу с группой секторов одной дорожки, рассматриваемых как единый битовый поток данных. Для их коррекции применяются специальные коды, позволяющие исправлять большинство ошибок «на лету», не требуя повторного считывания блока данных.

    Поиск сектора по его заголовку, запись информации в поле данных вместе с контрольным кодом или считывание информации из поля данных с проверкой с помощью контрольного кода осуществляет свой периферийный микропроцессор — контроллер накопителя (Винчестера). Контроллер Винчестера использует для своей работы буферную память (порядка 10 Мб). Часть её занимает встроенное программное обеспечение, а часть — блоки данных, только что считанных с диска или приготовленных для записи на диск.

    Глава 5 организация внешней памяти

    Как мы отмечали, база данных System R располагается в одном или нескольких сегментах внешней памяти. Каждый сегмент состоит из страниц данных и страниц индексной информации. Размер страницы данных в сегменте может быть выбран равным либо 4, либо 32 килобайтам; размер страницы индексной информации равен 512 байтам. Кроме того, при работе RSS поддерживается дополнительный набор данных для ведения журнала. Для повышения надежности журнала (а это наиболее критичная информация; при ее потере восстановление базы данных после сбоев невозможно) этот набор данных дублируется на двух внешних носителях.

    В каждой странице данных хранятся кортежи одного или нескольких отношений. Фундаментальным понятием RSS является идентификатор кортежа (tuple identifier — tid). Гарантируется неизменяемость tid’а во все время существования кортежа в базе данных независимо от перемещений кортежа внутри страницы и даже при перемещении кортежа в другую страницу. Реально tid представляет собой пару . При этом кортеж может реально располагаться в данной странице:

    или в другой странице:

    Во втором случае описатель кортежа содержит не координаты кортежа в данной странице, а tid, указывающий на реальное положение кортежа в другой странице. Легко видеть, что применение такого подхода позволяет ограничиться максимум одним уровнем косвенности.

    Поскольку допускается нахождение в одной странице данных кортежей разных отношений, каждый кортеж должен, кроме содержательной части, включать служебную информацию, идентифицирующую отношение, которому принадлежит данный кортеж. Кроме того, в System R (точнее, в языке SQL) допускается динамическое добавление полей к существующим отношениям. При этом реально происходит лишь модификация описателя отношения в отношении-каталоге отношений. В существующем кортеже отношения новое поле возникает только при модификации этого кортежа, затрагивающей новое поле. Это позволяет избежать массовой перестройки хранимого отношения при добавлении к нему новых полей, но, естественно, требует хранения при кортеже дополнительной служебной информации, определяющей реальное число полей в данном кортеже. (Заметим, что удалять существующие поля существующего отношения в SQL System R не разрешается).

    На основе наличия неизменяемых во время существования кортежей tid’ов в System R поддерживаются дополнительные управляющие структуры — индексы. Каждый индекс определен на одном или нескольких полях отношения, значения которых составляют его ключ, и позволяет производить прямой поиск по ключу кортежей (их tid’ов) и последовательное сканирование отношения по индексу, начиная с указанного ключа, в порядке возрастания или убывания значений ключа. Некоторые индексы при их создании могут обладать атрибутом уникальности. В таком индексе не допускаются дубликаты ключа. Это единственное средство SQL указания системе первичного ключа отношения (фактически, набора первичного и всех альтернативных ключей отношения).

    Для организации индексов в System R применяется техника B-деревьев. Каждый индекс занимает отдельный набор страниц, номер корневой страницы запоминается в описателе индекса. Использование B-деревьев позволяет достичь эффективности при прямом поиске, поскольку они в силу своей сильной ветвистости обладают небольшой глубиной. Кроме того, B-деревья сохраняют порядок ключей в листовых блоках иерархии, что позволяет производить последовательное сканирование отношения в порядке возрастания или убывания значений полей, на которых определен индекс. Фундаментальное свойство B-деревьев — автоматическая балансировка дерева — допускает произведение лишь локальных модификаций индекса при переполнениях и опустошениях страниц индекса. (Мы достаточно вольно используем здесь термин B-дерево. На самом деле в System R используется модифицированный по сравнению с исходным вариант B-деревьев, который называют B*-, а иногда B+-деревьями). В самих B-деревьях System R ничего особенного нет; более подробно мы на этом останавливаться не будем. Отметим только, что System R, насколько нам известно, была первой системой, в которой для организации индексов использовались B-деревья. Эту традицию соблюдает большинство реляционных систем, возникших после System R.

    Видимо, наиболее важной особенностью физической организации баз данных в System R является возможность обеспечения кластеризации связанных кортежей одного или нескольких отношений. Под кластеризацией кортежей понимается физически близкое расположение (в пределах одной страницы данных) логически связанных кортежей. Обеспечение соответствующей кластеризации позволяет добиться высокой эффективности системы при выполнении выделенного класса запросов. В силу большой важности понятия кластеризации в System R и ее развитиях рассмотрим историю вопроса более подробно.

    В окончательном варианте System R существует только одно средство определения условий кластеризации отношения — объявить до заполнения отношения один (и только один) индекс, определенный на полях этого отношения, кластеризованным. Тогда, если заполнение отношения кортежами производится в порядке возрастания или убывания значений полей кластеризации (в зависимости от атрибутики индекса), система физически располагает кортежи в страницах данных в том же порядке. Кроме того, в каждой странице данных кластеризованного отношения оставляется некоторое резервное свободное пространство. При последующих вставках кортежей в такое отношение система стремится поместить каждый кортеж в одну из страниц данных, в которых уже находятся кортежи этого отношения с такими же (или близкими) значениями полей кластеризации. Естественно, что поддерживать идеальную кластеризацию отношения можно только до определенного предела, пока не исчерпается резервная память в страницах. Далее этого предела степень кластеризации отношения начинает уменьшаться, и для восстановления идеальной кластеризации отношения требуется физическая реорганизация отношения (ее можно произвести средствами SQL).

    Очевидным преимуществом кластеризации отношения является то, что при последовательном сканировании кластеризованного отношения с использованием кластеризованного индекса потребуется ровно столько чтений страниц данных с внешней памяти, сколько страниц занимают кортежи этого отношения. Следовательно, при правильно выбранных критериях кластеризации запросы, связанные с заданием условий на полях кластеризации можно выполнить почти оптимально.

    В ранних версиях System R существовал еще один способ физического доступа к кортежам отношения и, соответственно, еще один способ указания условия кластеризации с использованием так называемых связей (links). На уровне физического представления связь — это физическая ссылка (tid) из одного кортежа на другой (не обязательно одного отношения). В языке SEQUEL (до того момента, когда его стали называть SQL) существовали средства определения связей в иерархической манере: можно было объявить некоторое отношение родительским по отношению к тому же или другому отношению-потомку. При этом указывались поля родительского отношения и отношения-потомка, в соответствии со значениями которых образовывалась иерархия. Правила построения были очень простыми — проводились связи между кортежем родительского отношения ко всем кортежам отношения-потомка с теми же значениями полей связывания. На самом деле, все кортежи отношения-потомка с общим значением полей связывания образовывали кольцевой список, на который проводилась одна связь из соответствующего кортежа родительского отношения. Естественно, от отношения-родителя требовалась уникальность по отношению к значениям полей связывания.

    Следует заметить, что мы описали способ использования механизма связей, который поддерживался в ранних версиях SEQUEL. В интерфейсе RSS System R этого периода допускалась возможность произвольного проведения связей без учета совпадения значений полей связывания. Тем самым, в системе в целом не использовались все возможности RSS, которые с избытком превосходили потребности организации иерархических бинарных связей по совпадению полей связывания.

    Для одного отношения допускалось создание многих связей: кортеж отношения мог быть родителем нескольких иерархий и входить в несколько других иерархий в качестве потомка. При этом одна связь могла быть объявлена кластеризованной. Тогда система стремилась поместить в одну страницу данных все кортежи одной иерархии. При этом, естественно, использовалась возможность размещения в одной странице данных кортежей нескольких отношений. Основной смысл такой кластеризации заключался в возможности оптимизации выполнения некоторых запросов, включающих (экви)соединение двух связанных отношений в соответствии со значениями полей связывания.

    В более поздних публикациях по System R упоминания о механизме связей исчезли, из чего можно заключить, что разработчики отказались от его использования. Думается, что основными причинами отказа от использования связей были следующие. Во-первых, средства построения связей, обеспечиваемые RSS, были очень низкого уровня, гораздо более низкого, чем средства поддержания индексов. Если при занесении кортежа RSS обеспечивала автоматическую коррекцию всех индексов, то для коррекции связей требовалось выполнить ряд дополнительных обращений к RSS, из-за чего время выполнения операции занесения кортежа, конечно, увеличивалось (то же касается операций удаления и модификации кортежа). Во-вторых, при реализации этого механизма, возникают дополнительные синхронизационные проблемы нижнего уровня (уровня совместного доступа к страницам данных). В частности, наличие прямых ссылок между страницами данных увеличивает вероятность возникновения синхронизационных тупиков. Наконец, в-третьих, все эти дополнительные накладные расходы не окупались предоставляемыми механизмом связей преимуществами. Действительно, максимального эффекта от использования связей можно достичь только при выполнении операции соединения двух кластеризованных по этой связи отношений, если поле соединения совпадает с полем связывания, и условия, накладываемые на родительское отношение, выделяют в нем ровно один кортеж. Очевидно, что такие запросы на практике редки. (Отметим, что приведенные соображения принадлежат автору и не излагались в публикациях по System R, так что на самом деле причины могли быть и другими.)

    Кроме отношений и индексов при работе System R на внешней памяти могут располагаться еще и временные объекты — списки (lists). Список — это мгновенный снимок некоторой выборки с проекцией кортежей одного отношения, возможно, упорядоченный в соответствии со значениями некоторых полей. Средства работы со списками имеются в интерфейсе RSS, но их, естественно, нет в SQL. Соответственно, эти средства используются только внутри системы при выполнении запросов (в частности, один из наиболее эффективных алгоритмов выполнения соединений основан на использовании отсортированных списков кортежей). Публикации по System R не дают точного представления о структурах данных, используемых при организации списков, но исходя из здравого смысла можно предположить, что они устроены не так, как отношения (например, для кортежа, входящего в список, не требуется адресация через tid), и что располагаются они во временных файлах (в случае сбоя системы все временные объекты пропадают).

    Илон Маск рекомендует:  Что такое код com_load_typelib
    Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
    Кодинг, CSS и SQL