Компьютер как универсальное устройство обработки информации

Назначение и устройство компьютера

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.

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

Компьютер включает в себя устройства:

• 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 нее результаты обработки; полученные результаты через устройства вывода сообщаются человеку. Чаще всего в качестве устройства ввода используется клавиатура, а устройства вывода - экран дисплея 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. Немного позже вы познакомитесь со способами представления данных в компьютерной памяти.

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

Принципы фон Неймана. В 1946 году американским ученым Джоном фон Нейманом были сформулированы основные принципы устройства и работы ЭВМ. Первый из этих принципов определяет состав устройств ЭВМ и способы их информационного взаимодействия. Об этом говорилось выше. С другими принципами фон Неймана вам еще предстоит познакомиться.

Жёсткий диск - это постоянное запоминающее устройство компьютера, то есть, его основная функция - долговременное хранение данных. HDD в отличие от оперативной памяти не считается энергозависимой памятью, то есть, после отключения питания от компьютера, а потом как следствие и от жёсткого диска, вся информация, ранее сохранённая на этом накопителе, обязательно сохранится.

• HDD или HMDD - здесь всё просто, перевод с английского языка - накопитель на жёстких магнитных дисках.

• Жёсткий диск и почему не мягкий, всё просто внутри жёсткого диска имеются пластины, они твёрдые, примерно в одно время с ним появились дискеты, у этого носителя информации, составляющей частью были гибкие (мягкие) магнитные диски - флоппи. Поэтому смех, вызванный из-за фразы: почему жёсткий диск не мягкий совершенно не обоснованный, разве только у незнающего человека.

• Само название винчестер ближе уже к профессиональному сленгу, появление данного названия наверняка, не известно, но существует наиболее популярная трактовка, которую рассмотрим ниже.

SSD (solid state drive, твердотельный накопитель) — это энергонезависимое запоминающее устройство, которое использует флэш-память для хранения информации.

Из чего состоит SSD

Итак, основными элементами SSD являются:

• PCB — печатная плата.

• NAND-flash — флэш-память NAND; отвечает за хранение данных.

• NAND-controller — контроллер памяти; выступает в роли посредника между носителем и системой, и является процессором, отвечающим за производительность SSD.

• DRAM — кэш (присутствует не во всех моделях SSD); выступает временным хранилищем небольшого объема данных и позволяет стабилизировать износ памяти, а также ускорить доступ к файлам.

• HOST Interface — интерфейс подключения; тип соединения и протокол, через которые SSD соединяется с вашей системой.

• 2.5 дюйма — всем знакомый по портативным жёстким дискам формат, который используется как в настольных системах, так и в ноутбуках; использует подключение через интерфейс SATA.

• M.2 — современный формат низкопрофильной платы, позволяющий осуществлять подключение через специальный слот M.2; использует подключение как через интерфейс SATA, так и через PCI-Express.

• PCI-Express AIC — карты расширения для слотов PCI-Express, предназначенные для настольных компьютеров, рабочих станций и серверов.

• U.2 — формат 2.5-дюймовых накопителей, разработанный для использования через интерфейс PCI-Express при помощи специального коннектора малого формата.

Интерфейс и скорость передачи данных

Максимальная скорость передачи данных твердотельного накопителя ограничена типом подключения.

SSD потребительского сегмента используют подключение через интерфейсы SATA и PCI-Express:

• SATA/mSATA — обеспечивает передачу данных на скоростях до 6 Гбит/сек (SATA III).

• M.2 SATA — обеспечивает передачу данных на скоростях до 6 Гбит/сек (SATA III).

• M.2 NVMe — обеспечивает передачу данных по линиям PCI-Exprees на скоростях до 31.5 Гбит/сек (PCI-Express 3.0 x4).

• AIC NVMe — обеспечивает передачу данных на скоростях до 31.5 Гбит/сек (PCI-Express 3.0 x4).

При выборе SSD легко заметить, что даже заявленные объёмы памяти отличаются от таковых у обычных флэш-накопителей. Например:

• 240 или 250 гигабайт вместо 256

• 480 или 500 гигабайт вместо 512

• 960 или 1000 гигабайт вместо 1024

Происходит это из-за использования функции Over-provisioning.

К сожалению, при всех своих достоинствах, твердотельные накопители не лишены и недостатков, некоторые из которых могут показаться весьма существенными.

• Главная проблема SSD-накопителей – это ограниченное количество циклов перезаписи, от 10 000 в недорогих моделях SSD до 100 000 циклов в SSD с более дорогостоящим типом памяти. И хотя производители твердотельных накопителей пытаются бороться с данным недостатком, например, применяя схемы балансировки нагрузки и заменяя DRAM-память кеш-памятью, сделанной по технологии FRAM, однако проблема износа SSD по-прежнему остается актуальной.

• Второй недостаток SSD-дисков – высокая стоимость. Из-за применения инновационных технологий цена на твердотельный накопитель значительно превышает цену HDD-диска с таким же объемом и сходными характеристиками. Кроме того, стоимость SSD прямо пропорционально зависит от его емкости, тогда как цена жесткого диска далеко не всегда напрямую зависит от объема его памяти.

• После очистки SSD-накопителя с применением команды TRIM восстановление удаленных данных не представляется возможным, даже с применением специализированных утилит. Впрочем, для тех, кому нужно удалить с диска конфиденциальную информацию, данная особенность является скорее преимуществом.

• Также невозможно восстановить данные с твердотельного диска после резкого скачка напряжения. Поскольку в SSD-дисках микросхемы памяти находятся на одной плате с контроллером, то при перепадах в сети, как правило, сгорает и контроллер и память, тогда как в HDD в аналогичных ситуациях сгорает лишь плата контроллера диска.

PC Card (PCMCIA ATA) – основной тип флэш-памяти для компактных компьютеров. В настоящее время существует четыре формата карточек PC Card: Type I, Type II, Type III и CardBus, различающиеся размерами, разъемами и рабочим напряжением. Для PC Card возможна обратная совместимость по разъемам “сверху вниз”. Емкость PC Card достигает 4 Гб, скорость – 20 Мб/с при обмене данными с жестким диском.

Miniature Card (MC) – карточка флэш-памяти, предназначена в основном для карманных компьютеров, мобильных телефонов и цифровых фотокамер. Стандартная емкость составляет 64 Мбайт и больше.

DVD(Digital Versatile Disk, ранее Digital Video Disk), т. е. многоцелевой цифровой диск – тип компакт-дисков, хранящий от 4,7 до 17 Гбайт информации, что вполне достаточно для полнометражного фильма. Такой объем способен удовлетворить любого производителя компьютерных игр и энциклопедий, для выпуска которых обычно требовалось несколько CD-ROM, вызывая неудобства у пользователя.Спецификаций DVD-ROM рассматривает диски и технологию DVD в качестве средства хранения компьютерных данных, обладающего громадной емкостью. Спецификация DVD-Video, вокруг которой ломалось столько копий, предусматривает лишь запись полнометражных кинопрограмм с высоким качеством изображения, многоканальным звуком и интернациональными настройками. Спецификация DVD-Audio рассматривает стандарт записи лишь звука, предполагая, правда, значительно более высокое качество, многоканальность и возможность поместить на том же диске не только 74 мин. музыки, но и разнообразную сопутствующую информацию.Становится ясным, что стремительное понижение цен на DVD-устройства может привести к вытеснению CD-приводов уже в ближайшее время даже при условии использования старых носителей. DVD по структуре данных бывают четырёх типов:

• DVD-видео — содержат фильмы (видео и звук);

• DVD-Audio — содержат аудиоданные высокого качества (гораздо выше, чем на аудио-компакт-дисках);

• DVD-Data — содержат любые данные;

• смешанное содержимое.

Несколько компаний представляли 3,5-дюймовые оптические дисководы, рассчитанные на 640 Мбайт записи, которые воспринимают старые диски объемом 230 Мбайт. Более ранние магнитооптические накопители тратили вдвое больше времени на запись данных, чем на чтение, так как во время первого прохода происходило уничтожение прежней информации, а собственно запись осуществлялась уже на втором проходе. В 640-мегабайтных дисководах, таких как Fujitsu DynaMO 640, максимальная скорость передачи данных составляет почти 4 Мбайт/с, что более чем вдвое превосходит аналогичный показатель для дисководов, рассчитанных на 230 Мбайт. Этого вполне достаточно для запуска приложений прямо с магнитооптического диска. До этого момента людям, занимающимся издательской деятельностью, приходилось выбирать между скоростью съемных жестких дисков и надежностью магнитооптики. Если вам требуется надежное средство для долговременного хранения данных и одновременно вы хотите иметь возможность запускать приложения со съемного носителя, магнитооптика будет для вас оптимальным решением.

5 ноября 1998 года Fujitsu Limited и Sony Corporation объявили о создании и развитии первого устройства магнитооптических дисков емкостью 1,3Гб, установив новый гигабайтный стандарт "GIGAMO". В новом магнитооптическом устройстве также впервые реализована новая технология Magnetical Induced Resolution (MSR), позволяющая читать исключительно малые области с магнитной записью, находящимися за пределами оптического разрешения. Фирма Fujitsu направила свои усилия на создание магнитооптических устройств, а Sony Corporation сконцентрировалась на создании дисков к этим устройствам. О поддержке нового стандарта заявили производители устройств Olympus и Konica, а также производители дисков Kyocera, Teijin, Toso, Hitachi-Maxell, Mitsubishi Chemical и Philips/PDO.

Оперативная память изготавливается в виде небольших печатных плат с рядами контактов, на которых размещаются интегральные схемы памяти (модули памяти). Модули памяти различаются по размеру и количеству контактов (SIMM или DIMM), по быстродействию, по объему. Важнейшей характеристикой модулей оперативной памяти является быстродействие – частота, с которой считывается или записывается информация в ячейки памяти. Современные модули памяти имеют частоту 133 МГц и выше. Оперативная память состоит из огромного количества ячеек (десятки миллионов), в каждой из которых хранится определенная информация. От объема оперативной памяти зависит, сможет ли компьютер работать с той или иной программой. При недостаточном количестве памяти программы либо совсем не будут работать, либо будут работать медленно. Типичный современный компьютер имеет 256 или 512 Мб оперативной памяти.

Кэш-память

Кэш-память (с английского cash – запас)– устройство, имеющее очень короткое время доступа к данным. Встроенная в микросхему сверхбыстрая память. Обычно имеет размер 256 или 512 Кбайт, в мощных компьютерах до 1Гб и более.

В современных материнских платах применяется конвейерный кэш с блочным доступом (Pipelined Burst Cache). В кэш-памяти хранятся копии блоков данных тех областей оперативной памяти, к которым выполнялись последние обращения, и весьма вероятны обращения в ближайшие такты работы — быстрый доступ к этим данным и позволяет сократить время выполнения очередных команд программы. При выполнении программы данные, считанные из ОП с небольшим опережением, записываются в кэш-память. В кэш-память записываются и результаты операций, выполненных в МП.

По принципу записи результатов в оперативную память различают два типа кэш-памяти:

• в кэш-памяти «с обратной записью» результаты операций, прежде чем их записать в ОП, фиксируются, а затем контроллер кэш-памяти самостоятельно перезаписывает эти данные в ОП;

• в кэш-памяти «со сквозной записью» результаты операций одновременно, параллельно записываются и в кэш-память, и в ОП.

Микропроцессоры начиная от МП 80486 обладают встроенной в основное ядро МП кэш-памятью (или кэш-памятью 1-го уровня — L1), чем и обусловливается их высокая производительность. Микропроцессоры Pentium имеют кэш-память отдельно для данных и отдельно для команд: у Pentium емкость этой памяти небольшая — по 8 Кбайт, у Pentium MMX — по 16 Кбайт. У Pentium Pro и выше кроме кэш-памяти 1-го уровня есть и встроенная на микропроцессорную плату кэш-память 2-го уровня (L2) емкостью от 128 Кбайт до 2048 Кбайт. Эта встроенная кэш-память работает либо на полной тактовой частоте МП, либо на его половинной тактовой частоте.

Следует иметь в виду, что для всех МП может использоваться дополнительная кэш-память 2-го (L2) или 3-го (L3) уровня, размещаемая на материнской плате вне МП, емкость которой может достигать нескольких мегабайтов (кэш на MB относится к уровню 3, если МП, установленный на этой плате, имеет кэш 2-го уровня). Время обращения к кэш-памяти зависит от тактовой частоты, на которой кэш работает, и составляет обычно 1-2 такта. Так, для кэш-памяти L1 МП Pentium характерно время обращения 2-5 нс, для кэш-памяти L2 и L3 это время доходит до 10 нс. Пропускная способность кэш-памяти зависит и от времени обращения, и от пропускной способности интерфейса и лежит в широких пределах от 300 до 3000 Мбайт/с.

Использование кэш-памяти существенно увеличивает производительность системы. Чем больше размер кэш-памяти, тем выше быстродействие, но эта зависимость нелинейная. Имеет место постепенное уменьшение скорости роста общей производительности компьютера с ростом размера кэш-памяти. Для современных ПК рост производительности, как правило, практически прекращается после 1 Мбайт кэш-памяти L2. Создается кэш-память на основе микросхем статической памяти.

CMOS-память

CMOS-память(изготовленная по технологии CMOS – complementary metal – oxide semiconductor) предназначена для длительного хранения данных о конфигурации и настройке компьютера (дата, время, пароль), в том числе и когда питание компьютера выключено. Для этого используют специальные электронные схемы со средним быстродействием, но очень малым энергопотреблением, питаемые от специального аккумулятора, установленного на материнской плате. Это полупостоянная память.Питается от батарейки, поэтому сохраняет информацию и при полном отключении питания компьютера.

При работе с персональными компьютерами, как уже отмечалось, существует ряд потенциальных вредных и опасных факторов, которые могут негативно сказаться на здоровье и работоспособности пользователя (оператора). К этим факторам следует отнести прежде всего специфические нагрузки на зрение, малоподвижность, монотонность и напряженность труда, электромагнитные поля, а также шум, тепловыделения и др. Их источником являются как сам компьютер, с его конструктивными, визуальными, эмиссионными параметрами, так и условия работы, характеризуемые прежде всего санитарно-гигиеническими и эргономическими параметрами рабочего места, а также режимом труда и отдыха. Наличие большого числа разнообразных по происхождению, интенсивности, воздействию факторов, влияющих на пользователя, предполагает комплекс санитарно-гигиенических и организационно-технических мероприятий, направленных на обеспечение безопасной и безвредной работы, которая возможна лишь при соблюдении нормативных показателей среды, при соответствии компьютера гигиеническому сертификату и при правильной организации труда.

Для уменьшения опасных и вредных воздействий на человека в процессе работы с ПЭВМ Всемирная организация здравоохранения разработала рекомендации, которые включают:

- ограничения по медицинским показателям;

- требования к техническим характеристикам дисплея;

- требования к рабочему месту оператора;

- рекомендации по организации деятельности."

Гигиенические требования к видеодисплейным терминалам персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы" (СанПиН) которые определяют требования:

- к проектированию и изготовлению отечественных и к эксплуатации отечественных и импортных ВДТ на базе электронно-лучевых трубок, используемых во всех типах ЭВМ, в производственном оборудовании и игровых комплексах на базе ПЭВМ;

_ к проектированию, изготовлению отечественных и к эксплуатации отечественных и импортных ВДТ и ПЭВМ;

- к проектированию, строительству и реконструкции помещений, предназначенных для эксплуатации всех типов ЭВМ, ПЭВМ, производственного оборудования и игровых комплексов на базе ПЭВМ;

- к обеспечению безопасных условий труда пользователей ВДТ и ПЭВМ.

Указанные требования конкретизированы применительно: к самим ВДТ и ПЭВМ; к помещениям для эксплуатации ВДТ и ПЭВМ; к микроклимату, содержанию аэроионов и вредных химических веществ в воздухе этих помещений; к шуму и вибрации на рабочем месте; к освещению помещений и рабочих мест с ВДТ и ПЭВМ; к организации и оборудованию рабочих мест; к организации режима труда и отдыха при работе с ВДТ и ПЭВМ; к организации медицинского обслуживания пользователей. Требования дополнены многочисленными приложениями, включая комплексы упражнений для снятия напряжения ' глаз, общего и локального утомления, для повышения двигательной активности, для стимуляции деятельности нервной, сердечно-сосудистой, двигательной и мышечной систем.

Законодателем в области создания стандартов, регламентирующих работу с персональными компьютерами, является Швеция, где в первой половине 80-х годов в связи с возникшим беспокойством о влиянии ВДТ на здоровье начались серьезные исследования условий труда с дисплеями. Рассматривались не только вопросы монотонности и напряженности работы, но и проблемы визуальной эргономики и электромагнитных излучений. Компетентная группа, организованная по распоряжению шведского правительства и состоявшая из экспертов по различным направлениям и из представителей различных общественных организаций, создала методики всесторонних испытаний механических, визуальных и эмиссионных характеристик дисплеев. Первая редакция методик была введена в 1987 году.

После трехлетней апробации эти методики в 1990 году были отредактированы специалистами из более чем 20 шведских организаций, а также представителями IBM и Hewlett Packard. Эти документы представлены двумя публикациями. Одна из них - MPR 1990:8 - является руководством, в котором изложены методики испытаний, оно предназначено для персонала, занимающегося испытаниями дисплеев. Другая публикация - MPR 1990:10 - предназначена для пользователей и включает таблицы допустимых параметров дисплеев. Аббревиатура MPR означает Шведский национальный комитет по измерениям и испытаниям. Методика MPR включает в себя проверку двух типов характеристик дисплеев: визуальных эргономических и эмиссионных.

Более жесткие требования к качеству дисплеев предъявляют стандарты Шведской конфедерации профсоюзов ТСО 92 и ТСО 95. Стандарт ТСО 95 регламентирует не только характеристики дисплеев, но и процесс производства (ограничивает выбросы вредных химических и ядовитых веществ в окружающую среду), условия труда. В настоящее время появился новый стандарт - ТСО 99, в котором требования стали еще жестче, чем в ТСО 95.

Шведские стандарты используются практически всеми ведущими фирмами-изготовителями мониторов, они также являются базой нормативных документов европейских стран и США. Американские специалисты сами проводят широкомасштабные исследования с целью досконального изучения вопросов компьютерной эргономики и гигиены, прежде всего - воздействия электромагнитных излучений. В то же время американские организации, ответственные за создание национальных стандартов (IEEE, NEMA), в 1992 году привели свои стандарты в соответствие с нормативными документами стран Европейского Сообщества, которые в свою очередь базируются на шведских стандартах. В Англии в рамках национальной программы "Здоровье и безопасность на рабочем месте" профессиональным эргономистом осуществляется проверка компьютерного оборудования на рабочем месте, которая включает: эргономическую оценку экранов дисплеев и рабочего окружения, инструктаж по законодательству о защите здоровья и безопасности работы на компьютере, а также определение вида обучения для работодателей и работников по организации и по необходимым мерам защиты здоровья.

Установленные в СанПиН нормы по электромагнитным полям от мониторов, полностью взятые из шведского стандарта MPR II, вступили в силу с 1 января 1997 года.

При работе на правильно выбранном компьютере, т. е. удовлетворяющем, как минимум, требованиям MPR II и имеющем соответствующий сертификат, для сохранения здоровья пользователя следует придерживаться некоторых несложных правил:

• рабочее место должно быть удобным и обеспечивать нормальное функционирование опорно-двигательного аппарата и кровообращения;

• суммарное время работы за компьютером в течение рабочего дня не должно превышать 4 часов, а продолжительность непрерывной работы с ВДТ не должна быть более 1,5-2 часов; после каждого часа работы следует делать перерыв, как минимум, на 10-15 минут, во время которого необходимо встать и выполнить ряд упражнений для глаз, поясницы, рук и ног;

• при нормальном зрении (тем более при работе в очках) следует располагать глаза от экрана на расстоянии вытянутой руки (не ближе 60-70 см ) и не реже одного раза в год проверять зрение у врача;

• не делать более 10 тысяч нажатий на клавиши в течение часа;

• не допускать бликов на экране монитора;

• не разрешается работать за компьютером беременным женщинам; резко сократить время компьютерных игр для детей (максимум 15-20 минут в день).