13.1. Компьютеры — архитектура и возможности

После появления в 50-х годах XX в. первой электронно-вычислительной машины (ЭВМ), применение компьютерных систем - само собой разумеющийся факт. Первыми используемыми системами ста-ли большие ЭВМ (mainframe), появившиеся в 60-е годы XX в. Они применялись в коммерческих целях и для решения задач в области обработки информации. Централизованное хранение, обработка и представление необходимых данных оказались для администрации и сотрудников организаций, использующих ЭВМ, весьма полезными. Недостаток больших ЭВМ - их неспособность быстро и гибко приспо-сабливаться к требованиям ряда практических приложений. В 70-е годы XX в. были разработаны мини-компьютеры (мини-ЭВМ). Они за несколько лет превзошли по популярности большие ЭВМ, но приме-нялись все же в роли дополнительной ЭВМ наряду с централизован-ной (большой) ЭВМ. Благодаря им большое количество пользовате-лей получило доступ к компьютерным системам. В 80-е годы XX в. появился микрокомпьютер (персональный компьютер). Развитие пер-сональных компьютеров и увеличение их вычислительной мощности сопровождалось одновременным уменьшением их стоимости. Персо-нальный компьютер сегодня максимально доступен пользователю, а его производительность существенно превосходит производитель-ность большой ЭВМ 60-х годов [1].

Компьютеры имеют свою память, свои средства поиска нужной информации, широкий набор вводно-выводных устройств, включая устройства для ввода буквенно-цифровой информации, графических, неподвижных и видеоизображений и устройства вывода информации на бумажные носители, видеомониторы и т.п. Компьютеры восприни-мают от человека задания в форме программ по требуемой обработ-ке информации.

Ввод информации в компьютер не является проблемой, если ис-пользуются средства автоматизации ввода, например датчики систем телеметрии, электронные фотокамеры, видеокамеры, электронные весовые устройства и прочие средства, автоматизирующие ввод ин-формации. Проблемой является ввод буквенно-цифровой информа-ции с твердого носителя (бумаги) с последующей обработкой данных программным путем и информации с голоса. Первая проблема решается благодаря использованию сканеров с последующим распознаванием символов, а вторая - разработкой технологий, способных рас-познавать речь.

Часто источники информации находятся на значительном рас-стоянии друг от друга, поэтому задача быстрой и эффективной обра-ботки информации, поступающей от них, решается путем использо-вания сетей передачи данных. Применение средств передачи данных позволяет создать многомашинные комплексы, решающие задачи в широком диапазоне: от простых (обмен информацией между компью-терами в учебной лаборатбрии) до задач управления мощнейшими промышленными корпорациями.

Для сопряжения пользователя с сетью передачи данных использу-ется терминальное оборудование, которое представляет собой сово-купность аппаратно-программных средств. Терминальное оборудова-ние включает оконечное оборудование данных (ООД), прикладные процессы пользователей и вводно-выводное оборудование (ВВУ). Пользователем может быть человек, получающий услуги через ввод-но-выводное устройство или прикладной процесс, который через обо-рудование обработки данных подключается к системе передачи дан-ных (СПД). Терминальное оборудование службы передачи данных представляет собой совокупность одного или нескольких компьюте-ров, соответствующего программного обеспечения прикладных про-цессов пользователей, периферийного оборудования, терминалов, средств передачи информации (ООД) и т.д. [2].

Современный персональный компьютер - это достаточно мощное вычислительное устройство, состоящее из системного блока и ши-рокого набора вводно-выводных устройств: монитора, клавиатуры, принтеров, сканеров, плоттеров и т.д. В системном блоке располо-жена системная плата компьютера, на которой монтируется главный элемент - процессор. На системной плате также располагается опе-ративное запоминающее устройство (ОЗУ) и постоянное запоми-нающее устройство (ПЗУ). В ПЗУ хранятся программы, которые за-писаны на заводе-изготовителе данного компьютера, они не изме-няются в процессе его эксплуатации и служат для обеспечения ра-боты компьютера. В качестве такого программного обеспечения ис-пользуется BIOS (Basic Input/ Output System) - базовая система вво-да-вывода. Эти программы предоставляют в распоряжение пользо-вателя единый набор функций системного управления, не завися-щий от конкретной схемной реализации машины [3]. Все программ-ное обеспечение компьютеров можно разделить на системное и прикладное.

Системное программное обеспечение поставляется с компью-тером или приобретается дополнительно с целью расширения его возможностей и предназначено для обеспечения взаимодействия его составных частей, например, клавиатуры с процессором, процессора с видеомонитором и т.д.

Прикладное программное обеспечение решает задачи пользова-теля, который может быть сам разработчиком этих программ. В каче-стве разработчиков таких программ могут выступать организации, специализирующиеся в данной области.

В ОЗУ записываются необходимые для выполнения конкретных задач системные и прикладные программы. В современных компью-терах используются модули оперативной памяти типа SIMM (Single In-Line Memory Module - модули памяти с однорядным расположе-нием интегральных микросхем). Модули SIMM могут быть различ-ной емкости от 256 Кбайт до 64 Мбайт. Особенностью ОЗУ в отли-чие от ПЗУ является то, что после выключения питания компьютера записанные в память программы будут потеряны. ПЗУ энерго-независимо, т.е. после выключения питания информация, записан-ная в ПЗУ, не теряется.

Процессор обрабатывает информацию, поступающую через уст-ройства ввода, и выдает результаты обработки на выводные устрой-ства (принтер или монитор), в оперативную память или на устройства накопления информации. В качестве последних применяются всевоз-можные накопители. Наиболее распространены накопители на маг-нитных носителях: магнитные диски и ленты. В настоящее время все большее распространение получают компакт-диски (CD) и магнитооп-тические диски. Подобные устройства называют внешними, или пе-риферийными. На них возможно хранение не только буквенно-циф-ровой информации, но и аудио- и видеоинформации, которая может воспроизводиться компьютером, если в его состав входят специаль-ные аппаратно-программные средства, называемые мультимедиа. Наличие этих средств позволяет использовать персональный компь-ютер как многофункциональное устройство. Например, для воспроиз-ведения аудио он используется как аудиопроигрыватель, при воспро-изведении видео - как видеомагнитосрон.

Накопители на магнитных дисках выполняются в двух вариантах: жесткие магнитные диски (винчестер) и гибкие магнитные диски (флоппи-диски).

Работой процессора управляют программы, загружаемые в опера-тивную память с накопителей. Процессор взаимодействует с внешни-ми устройствами через специальные устройства управления, которые еще называют контроллерами. Последние могут располагаться непо-средственно на системной плате или соединяться с ней через сис-темную шину посредством специальных разъемов, расположенных на плате и называемых гнездами расширения. В качестве таких кон-троллеров используются:

- контроллер управления накопителями на магнитных дисках;

- контроллер телекоммуникационного (последовательного) порта;

- контроллер параллельного порта;

- контроллер управления монитором (видеоадаптер);

- сетевые контроллеры и т.д.

Конструктивно несколько контроллеров, например управления на-копителями на магнитных дисках и портов ввода-вывода, могут быть расположены на одной плате, подключаемой к системной плате через гнездо расширения.

Существует ряд стандартов на архитектуру ввода-вывода, от типа этого стандарта зависит тип разъема гнезд расширения. Рассмотрим некоторые из них.

1. Стандартная шина компьютера AT - ISA (Industry Standard Architec-ture) представляет собой 16-разрядный канал обмена данными между устройствами машины.

2. Шина EISA (Extended Industry Standard Architecture, расширенная архитектура промышленного стандарта) имеет 32-разрядный канал обмена.

3. MCA (Micro Channel Architecture - микроканальная архитектура) имеет 32-разрядную шину.

4. Современная концепция построения системной шины - локальная, обеспечивающая связь с периферийными устройствами со скоро-стью микропроцессора, например локальная шина PCI (Peripheral Component Interconnect), разработанная фирмой «Intel», поддер-живает скорость передачи до 132 Мбит/с при передаче 32-битовых данных и до 264 Мбит/с при передаче 64-битовых данных.

Локальная шина не заменяет ISA, а дополняет ее. Компьютеры, как правило, имеют две шины расширения: ISA - для совместимости с платами предыдущих выпусков и локальную - для подключения бы-стродействующих внешних устройств, например видеоадаптера.

Кроме перечисленных компонентов, в состав системного блока входят накопители на гибких и жестких магнитных дисках, компакт-дисках (CD-ROM), магнитооптических дисках, кассетных накопителях на магнитной ленте. Все перечисленные устройства подключаются через один из следующих интерфейсов:

- IDE (Integrated Drive Electronics - электроника накопителя);

- ESDI (Enhanced Small Device Interface - усовершенствованный интерфейс малых систем);

- SCSI (Small Computer System Interface - интерфейс малых вы-числительных машин).

Интерфейсы реализуются в виде отдельной платы или встраива-ются в сам накопитель и в системную плату.

В состав системного блока входит также источник питания.

Дисплейная подсистема включает в себя видеоадаптер, програм-му управления видеоадаптером - драйвер видеоадаптера, который поставляется с адаптером, и монитор. Известны несколько стандар-тов для дисплейных подсистем, отличающихся базовым графическим разрешением, т.е. количеством элементов изображения по вертикали и по горизонтали, которое может быть расположено на экране мони-тора, а также числом цветов для цветных мониторов или градаций серого цвета для черно-белых мониторов: 1) стандарт CGA - разре-шение 320 х 200 точек; 2) MDA - разрешение 720 х 350; 3) EGA - разре-шение 640 х 350; 4) VGA (Video Graphics Array) - разрешение 640 х 480 или 800 х 600; 5) SVGA (Super Video Graphics Array) - 1024 x 768 то-чек [3, 4].

Важный параметр видеоадаптера - объем видеопамяти, который имеется на плате видеоадаптера, так как от него зависит количество воспроизводимых монитором цветов.

Все вышеперечисленные устройства еще называются аппаратным обеспечением компьютера, которое не может работать без системно-го программного обеспечения. Основой системного программного обеспечения являются операционные системы. Например, операци-онная система MS-DOS фирмы «Microsoft», ориентированная на ис-пользование на локальном персональном компьютере в однопользо-вательском режиме. Она обеспечивает основные операции при рабо-те пользователя с файловой системой: запуск и остановку прикладных программ.

Для облегчения работы пользователя с компьютером разработано специальное программное обеспечение, например, программа Питера Нортона - Norton Commander. В настоящее время широко применяются операционные системы с удобными для пользователя графическими экранными интерфейсами - это такие системы, как Windows и OS/2.

Однопользовательские операционные системы недолго удовле-творяли потребности пользователей персональных компьютеров. Стало понятно, что отдельные персональные компьютеры не решат проблемы обработки все возрастающих объемов информации и ус-ложняющихся алгоритмов ее обработки, как бы не увеличивалась их мощность и количество процессоров в них. Естественным решением проблемы стало использование компьютерных сетей, реализуемых на базе служб и сетей передачи данных.

Для построения таких сетей были разработаны так называемые сетевые операционные системы. Видное место среди таких операци-онных систем занимала и занимает многопользовательская операци-онная система UNIX.

В современных компьютерных сетевых системах нашлось место всем разновидностям вычислительных машин от больших ЭВМ до персональных компьютеров. Большие и мини-ЭВМ выполняют функ-ции серверов, а персональные компьютеры используются как рабочие станции.