ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭВМ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ

Для обработки информации используются электронные вычислительные машины (ЭВМ), вычислительные системы (ВС) и вычислительные сети.

ЭВМ – это электронное устройство для накопления и автоматической обработки информации.

Основные функциональные блоки ЭВМ:

1) устройство ввода (УВв);

2) запоминающее устройство (ЗУ);

3) арифметико-логическое устройство (АЛУ);

4) устройство управления (УУ);

5) устройство вывода (УВыв).

Для решения поставленной задачи составляется программа, т.е. последовательность команд, записанная на языке, понятном ЭВМ. Записанные на машинный носитель (например, магнитный диск) программы и данные через УВв вводятся в ЭВМ и передаются в ЗУ (память ЭВМ).

Наибольшее количество команд и данных, которые могут одновременно храниться в ЗУ, определяют емкость памяти. Время, которое требуется для поиска, записи и считывания информации, определяет быстродействие ЭВМ.

В состав ЗУ обязательно входят оперативное (ОЗУ) и постоянное (ПЗУ) запоминающие устройства, составляющие внутреннюю память.

Внешняя память ЭВМ предназначена для хранения промежуточных результатов, которые не помещаются в ОЗУ, входных и выходных данных. Внешняя память практически не ограничена, но ее скорость значительно меньше ОЗУ.

Для организации взаимодействия между устройствами ЭВМ при выполнении программы служит УУ. По указанию УУ вводится и расшифровывается очередная команда, передается указание в ЗУ, какие данные передать в АЛУ и какую операцию произвести. Промежуточные результаты пересылаются на хранение в ОЗУ. В АЛУ происходит выполнение над данными арифметических и логических операций. Результаты работы передаются на УВыв. Так как одни и те же устройства могут использоваться и для ввода, и для вывода, их называют устройствами ввода-вывода (УВВ).

Устройство управления, арифметико-логическое устройство и высокоскоростная регистровая память (сверхоперативная память) составляют центральный процессор (ЦП). В ПЭВМ его функции выполняет микропроцессор.

Вычислительные системы – совокупность средств вычислительной техники, в которую входят не менее двух основных процессоров или ЭВМ (универсальных или специализированных) и развитая система периферийных устройств.

Периферийные устройства – это внешние запоминающие устройства и устройства ввода-вывода.

ПЕРСОНАЛЬНАЯ ЭВМ (ПЭВМ) или ПК – универсальный однопользовательский компьютер (универсальный – так как может использоваться для решения задач разного типа, а однопользовательский – так как в каждый момент времени может работать один пользователь). Из названия видно, что такой компьютер предназначен для обслуживания одного рабочего места.

Конфигурацию (состав оборудования) ПК можно гибко изменять при необходимости. При всем многообразии вычислительных машин в любой ЭВМ можно выделить следующие компоненты:

· системный блок;

· дисплей для визуального отображения информации;

· клавиатура для ввода символьной информации;

· мышь (или другое указательное устройство);

· периферийные устройства.

Первые четыре компонента составляют базовую конфигурацию, которая может расширяться за счет дополнительных внешних устройств.

В системном блоке размещаются основные компоненты ПК (называемые внутренними), важнейшим из которых является материнская [Motherboad] (системная) плата. На ней расположен базовый комплект электроники ПК (ЦП, электронные устройства (чипсеты) и другие).

К системному блоку подключаются все внешние устройства: монитор, клавиатура, мышь, принтер, модем, сканер, динамики и др.

В СИСТЕМНОМ БЛОКЕ размещаются следующие устройства.

1. Материнская плата, на которойрасположены приведенные ниже устройства.

· Микропроцессор (МП). Это – основная микросхема ПК, выполняющая большинство логических и математических операций. Конструктивно процессор состоит из массива кристаллических ячеек, в которых данные могут храниться и изменяться. Внутренние ячейки процессора называются регистрами. С остальными устройствами компьютера, и в первую очередь с ОЗУ, процессор связан несколькими группами проводников, называемыми шинами. Основных шина три: шина данных, адресная шина и командная шина.

Адресная шина у процессоров Intel Pentium 32-разрядная, то есть состоит из 32 параллельных линий, на которых выставляется единица или ноль в зависимости от того, есть напряжение на линии или нет. Комбинация из 32 нулей и единиц образует 32-разрядный адрес, указывающий на одну из ячеек оперативной памяти. К ней и подключается процессор для копирования данных из ячейки в один из своих регистров.

По шине данных происходит копирование данных из оперативной памяти в регистры процессора и обратно. В компьютерах с процессором Intel Pentium шина данных 64-разрядная, то есть состоит их 64 линий, по которым за один раз на обработку поступают сразу 8 байтов.

Шина команд предназначена для передачи в процессор команд из тех областей ОЗУ, где хранятся программы (а не массивы данных), поскольку для того, чтобы процессор мог обрабатывать данные, ему нужны команды. Команды представлены в виде байтов. В процессоре Intel Pentium шина команд 32-разрядная.

Современные процессоры выполняют сотни миллионов операций в секунду, позволяя ПК решать очень сложные задачи за короткие промежутки времени.

Процессор отвечает за характеристики производительности ПК. Микропроцессоры различаются рядом важных характеристик: разрядностью процессора, тактовой частотой обработки информации.

Разрядность процессора показывает, сколько бит данных он может принять и обработать в своих регистрах за один такт. Первые процессоры были 16-разрядными, начиная с 80386 – 32-разрядные.

Тактовая частота обработки информации. Все процессы, связанные с вычислениями, обработкой и пересылкой данных между модулями ПК, должны быть взаимосогласованы во времени, т.е. синхронизованы. Синхронизация ЦП и всех узлов ПК осуществляется с помощью тактового генератора, который формирует периодические последовательности тактовых импульсов. Тактом называют интервал времени между началом подачи двух последовательных импульсов электрического тока, которые вырабатывает тактовый генератор. Последовательность тактовых импульсов направляется в ЦП, в систему памяти, во все остальные устройства компьютера для синхронизации работы ЦП и всех узлов компьютера. Тактовая частота – это количество тактов в секунду и измеряется в мегагерцах (1МГц = 1млн. тактов в сек), влияет на скорость работы, быстродействие МП.

Быстродействие процессора – это количество операций, выполняемых им в секунду. Производит сотни различных операций со скоростью, достигающей сотен миллионов операций в секунду.

В ПЭВМ используются микропроцессоры, разработанные фирмами Intel, AMD и другими. В настоящее время на смену микропроцессорам INTEL 80486 приходят более мощные микропроцессоры Рentium (Рentium 3, Рentium 4 с частотами 500 мегагерц и выше.

· Видеоадаптер (видеокарта) – это устройство, управляющее выводом на экран текстовой информации и графических изображений. Видеоадаптер организует интерфейс между ПК и дисплеем. Физически видеоадаптер выполнен в виде отдельной платы, которая вставляется в один из слотов материнской платы.

В настоящее время применяются видеоадаптеры SVGA [Super Video Graphics Array], обеспечивающие по выбору воспроизведение до 16,7 млн. цветов с возможностью выбора разрешения экрана из ряда значений (например, 1024*768 пикселей для мониторов размером 17 дюймов).

· ОЗУ [RAM – Random Access Memory] – это массив кристаллических ячеек, способных хранить данные. Служит для записи и считывания информации. При отключении питания информация, записанная в память, пропадет. Характеризуется быстродействием, сопоставимым с быстродействием микропроцессора.

Основными характеристиками оперативной памяти являются емкость и время доступа. Емкость современных ОЗУ составляет несколько Гб. Время доступа показывает, сколько времени необходимо для обращения к ячейкам памяти, измеряется в миллиардных долях секунды (наносекундах, нс). Для современных модулей памяти оно составляет 7-10 нс.

· ПЗУ [ROM – Read Only Memory] ‑ предназначено для хранения коротких программ, необходимых для функционирования ПК.

В момент включения компьютера в его ОЗУ нет ничего ‑ ни данных, ни программ, поскольку оперативная память не может ничего хранить без подзарядки ячеек более сотых долей секунды, но процессору нужны команды, в том числе и в первый момент включения. Поэтому сразу после включения на адресной шине процессора выставляется стартовый адрес (это происходит аппаратно, без участия программ). Процессор обращается по выставленному адресу за своей первой командой и далее начинает работать по программам. Этот адрес указывает на ПЗУ. Микросхема ПЗУ способна хранить информацию, даже когда компьютер выключен. Комплекс программ, находящихся в ПЗУ, образует базовую систему ввода-вывода [BIOS – Basic Input Output System]. Основное назначение программ этого пакета состоит в том, чтобы проверить состав и работоспособность компьютерной системы и обеспечить взаимодействие всех ее компонентов.

· Кэш-память – ее называют еще «сверхоперативной памятью».

Обмен данными внутри процессора происходит в несколько раз быстрее, чем обмен с другими устройствами, например, с ОЗУ. Для того чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают буферную область ‑ так называемую кэш-память. Когда процессору нужны данные, он сначала обращается в кэш-память, и только если там нужных данных нет, происходит его обращение в оперативную память. Принимая блок данных из оперативной памяти, процессор заносит его одновременно и в кэш-память. Кэш-память функционально предназначена для согласования скорости работы сравнительно медленных устройств с относительно быстрым ЦП. По сравнению с ОП кэш-память имеет малую емкость. Кроме встроенной в ЦП кэш-память может быть вынесена из ЦП. Встроенная кэш-память является самой быстрой, кэш-памятьпервого уровня [Level 1 – L1] имеет емкость, как правило, 32 кбайт.

· Чипсет – это комплект микросхем, предназначенный для поддержки в ПК функциональных возможностей, предоставляемых процессором, ОП, кэш-памятью, дисковой и видеопамятью и другими компонентами и объединения составных частей ПК. Его микросхемы генерируруют большинство сигналов для системных и периферийных компонентов, преобразуют сигналы между шинами.

· Контроллеры предназначены для управлением доступом из системы к какому-либо из устройств, а также для выполнения операций информационного обмена. Каждое внешнее устройство имеет свой контроллер. После получения команд от ЦП контроллер выполняет операции по обслуживанию внешнего устройства. Широко используются контроллеры, встроенные на материнской плате (контроллеры клавиатуры, НЖМД, НГМД, портов, видиосистемы).

2. Дисковод (накопитель) для гибких магнитных дисков (НГМД). Для оперативного переноса небольших объемов данных используют гибкие магнитные диски (дискеты), которые вставляются в специальный накопитель – дисковод. Правильное направление подачи гибкого диска в отверстие накопителя, расположенное на лицевой панели системного блока, отмечено стрелкой на его пластиковом кожухе.

Дисковод служит для записи, чтения и хранения информации на гибких дисках (дискетах). В наши дни используются гибкие диски диаметром 3,5" емкостью 1440 байт (1,4 Мб) и маркировкой HD [high density – высокая плотность].

Гибкие диски – ненадежные носители информации. Пыль, грязь, влага, температурные перепады и внешние электромагнитные поля часто становятся причиной частичной или полной утраты информации. Поэтому использовать их в качестве основного средства хранения данных недопустимо. Их используют для транспортировки данных или в качестве дополнительного (резервного) средства хранения.

3. Накопитель на жестком магнитном диске (НЖМД) или Винчестер. Предназначен для долговременного хранения (может хранить информацию десятки лет).

Жесткий диск на самом деле не один диск, а группа соосных дисков, имеющих магнитное покрытие и вращающихся с высокой скоростью. Таким образом, жесткий диск имеет не две поверхности, а 2n поверхностей, где n – число отдельных дисков в группе.

Емкость жестких дисков сегодня – от нескольких Гб до нескольких десятков Гб.

4. Дисковод компакт-дисков CD-ROM [Compact Disk - Read Only Memory]. Цифровая запись на компакт-диске отличается от записи на магнитных дисках очень высокой плотностью, и стандартный компакт-диск может хранить примерно 650 Мб данных. Они отличаются высокой надежностью хранения информации, долговечностью (прогнозируемый срок их службы при качественном исполнении составляет 30-50 лет). Диаметр диска может быть как 5,25", так и 3,5".

Принцип действия этого устройства состоит в считывании числовых данных с помощью лазерного луча, отражающегося от поверхности диска. Большие объемы данных характерны для мультимедийной информации (графика, музыка, видео), поэтому дисководы CD-ROM относятся к аппаратным средствам мультимедиа.

5. Шины. Все электронные элементы ПК обмениваются информацией друг с другом и взаимосвязаны с помощью шин – совокупности линий и микросхем, осуществляющих передачу электрических сигналов между различными компонентами ПК. Совокупность всех шин называется системной магистралью. По шинам передаются сигналы: адресные, управляющие и данные, поэтому различают: шину данных (для передачи данных), шину адреса (для передачи кодов адресной информации в ОЗУ) и шину управления (включает линии для передачи сигналов управления).

Шины характеризуются разрядностью, т.е. количеством одновременно переданных по линиям шины битов информации. В архитектуре ПК чаще всего встречаются 8-, 16- и 32-разрядные шины. Количество информации, переданной по каналу за 1 времени, называется пропускной способностью шины.

6. Коммуникационные порты (порты ввода-вывода). Служат для связи ПЭВМ с устройствами, которые конструктивно выполнены отдельно от системного блока. Специализиpованные поpты служат для обмена с внутpенними устpойствами. Поpты общего назначения используются для подключения внешних устpойств: паpаллельные LPT1-LPT* и последовательные COM1-COM*.

МОНИТОР (дисплей)– устройство визуального представления данных. Это – основное устройство вывода. Служит для вывода текстовой и графической информации, вводимых с клавиатуры или выводимых из ПК данных, системных сообщений и информации пользователя.

Размер экрана измеряется между противоположными углами экрана кинескопа по диагонали в дюймах. В настоящее время широко применяются мониторы размером 19" и 21".

Разрешение экрана является одним из важных параметров монитора. Чем оно выше, тем больше информации можно отобразить на экране, но тем меньше размер каждой отдельной точки, и значит, меньше видимый размер элементов изображения.

Дисплей и плата видеоадаптера (графическая плата) составляют видеосистему ПК. В видеосистемах применяется аналоговая и цифровая технология получения отображения на экране. В аналоговых технологиях используются дисплеи на электронно-лучевых трубках, в цифровых – применяются жидкокристаллические плоскоэкранные дисплеи.

КЛАВИАТУРА служит для ввода в ПК алфавитно-цифровых данных и команд управления. Основные функции клавиатуры не нуждаются в поддержке драйверами (специальными программами). Необходимое программное обеспечение для начала работы с компьютером уже имеется в микросхеме ПЗУ в BIOS.

МЫШЬ позволяет указывать на элементы экрана с помощью указателя и после щелчка кнопками выполнять определенные операции.

ПРИНТЕР выводит на бумагу или пленку текстовую и графическую информацию (черно-белую или цветную).

МОДЕМ служит для подключения ПК к телефонной линии.

СКАНЕР – устройство для ввода в ПК текстовой или графической информации (черно-белой и цветной) для ее дальнейшей обработки.

ЗВУКОВАЯ СИСТЕМА состоит из звуковой карты и звуковых колонок (могут быть встроены в дисплей). Колонки имеют свои усилители и органы регулировки уровня звука.

Наиболее перспективным является использование ПЭВМ в составе вычислительной сети (ВС). При этом несколько ПЭВМ, а, возможно, и ЭВМ других классов, соединяются вместе посредством каналов связи и аппаратуры сопряжения с ними для обмена информацией.

Компьютерной сетью называется совокупность взаимосвязанных через каналы передачи данных ПК, которые обеспечивают пользователям обмен информацией и коллективное использование ресурсов сети.

Аппаратное обеспечение сети:

- рабочие станции (рабочая станция – это ПК, подключенный к сети, на котором пользователь сети выполняет свою работу);

- сервер (компьютер, подключенный к сети и предоставляющий пользователям сети определенные услуги общего назначения);

- сетевые платы (адаптеры);

- модемы;

- кабели или другие передающие среды.

По степени территориальной распределенности сети классифицируются на: глобальные, региональные и локальные сети.

Глобальные сети объединяют пользователей, расположенных по всему миру, используют часто спутниковые каналы связи (расстояние между узлами сети – 10-15 тыс. км). Носят название WAN [Wide area network].

Региональные – объединяют пользователей города, области. Используют в качестве каналов связи телефонные линии (расстояние между узлами сети – 10-1000 км). Носят название MAN [Metropolitan area network].

Локальные сети [LAN – Local area network] связывают абонентов одного или нескольких близлежащих зданий. ПЭВМ связаны единым высокоскоростным каналом передачи данных. Расстояния между ЭВМ небольшие – до 10 км. Каналы в локальных сетях являются собственностью организаций, и это упрощает их эксплуатацию.

Сети, состоящие из программно-совместимых ЭВМ, называются однородными. Если в сеть включена программно-несовместимая ЭВМ, то сеть называется неоднородной.

Использование локальных сетей дает следующие преимущества:

· одновременную работу нескольких пользователей с данными общего применения (СУБД, ЭТ);

· защиту данных на уровне каталогов и файлов;

· возможность постоянного хранения программных средств, необходимых многим пользователям, в одном экземпляре;

· обмен информацией между всеми ПК сети, при этом обеспечивается диалог между пользователями сети, а также возможность организации работы электронной почты;

· одновременную печать всеми пользователями сети на общесетевых принтерах;

· повышение эффективности систем обработки информации за счет снижения затрат и т. д.

Глобальной сетью, способной объединить множество сетей и позволяющей войти в мировое сообщество, является Internet.

В настоящее время единого владельца Internet нет. Каждая компания является хозяином своей части сети. Она обладает также необходимым программным и аппаратным обеспечением, с помощью которого производится обмен данными как внутри своей сети, так и в пределах Internet. Эта фирма обеспечивает и транзитное прохождение информации через свою сеть. В случае сбоев на каком-то участке сети, вся информация будет «обтекать» этот участок.

Способы подключения к Internet

· Подключение индивидуального ПК. Для этого надо иметь модем, телефонную линию и организацию, которая имеет шлюз (вход) в Internet. Такие организации – поставщики сетевых услуг – называются провайдерами. Вход в Internet осуществляется через ПК провайдера. Этот ПК называется хостом. Пользователь работает в сети, не имея адреса. Его содержит хост-ПК. Вся информация, которую пользователь перекачивает, идет через хост.

· Прямое подключение. Прямое [on-line] подключение к Internet осуществляется по выделенным арендуемым линиям связи при использовании дополнительного программного обеспечения.

Анализ практики использования ВС показал, что есть достаточно много путей утечки информации: незаконное подключение к аппаратуре и линиям связи, перехват электронных излучений, перехват акустических излучений и восстановление текста принтера, хищение носителей информации, считывание данных из массивов других пользователей, чтение остаточной информации в памяти системы после выполнения санкционированного запроса, маскировка под зарегистрированного пользователя, внедрение вирусов и др. В связи с этим особое значение имеют меры защиты информации:

- организационные (ограничение доступа в помещение, где происходит обработка информации; хранение в сейфах машинных носителей; использование защитных кодов при передаче информации и др.);

- технические и программные.