План-конспект урока "Информация, информационные процессы и информационное общество. Внутренняя архитектура компьютера. Периферийные устройства"

План-конспект урока
Тема лекции:
Информация, информационные процессы и информационное общество.
Внутренняя архитектура компьютера.Периферийные устройства.
Цели урока:
- сформировать понятие об информации и ее свойствах,
- сформировать понятия об этапах и способах обработки информации
человеком,
- сформировать представление о внутренней архитектуре компьютера, об
аппаратном обеспечении компьютера.
Опорные понятия:
Новые понятия:
Ход лекции:
I. Организационный момент.
II. Актуализация знаний.
1. Основные устройства компьютера?
2. Как компьютер передает и получает информацию?
3. Как компьютер хранит информацию?
4. Какое устройство обрабатывает информацию?.
III. Теоретический материал.
Информатика как наука о поиске, обработке, хранении, передаче
информации сформировалась сравнительно недавно, буквально 5
десятилетий назад. Теоретическая основа информатики-математика, которая
имеет абстрактную сущность, а информатика вполне материальную. Теперь
хранение и обработка информации не являются чисто умозрительной
задачей, так как утрата информации и ее несвоевременное получение могут
привести к финансовым потерям. При большом объеме информации
проблема эффективности организации обработки и доступа к данным
приобретает особое значение. Именно этим можно объяснить бурное
развитие компьютерной техники и соответствующего программного
обеспечения. Сегодня в мире нет ни одной отрасли науки и техники, которая
развивалась бы столь же стремительно, как информатика. Каждые два года
происходит полна смена поколений аппаратных и программных средств
вычислительной техники. Фактически за последние годы произошла
революция в области передачи, накопления и обработки информации. Эта
революция, затрагивает и коренным образом преобразует все области
человеческой жизни. Значительное увеличение возможностей компьютерной
техники, развитие информационных сетей, создание новых информационных
технологий приводят к радикальным изменениям во всех сферах общества: в
производстве, науке, образовании, медицине и т.д.
Компьютер стал необходимым инструментом при выполнении различных
информационных операций. Выпускник среднего профессионального
учебного заведения как пользователь компьютера должен иметь навыки
подготовки служебных документов- писем, статей, записок, решений
различного вида, хранение, поиск и рассылка которых выполняют с
помощью компьютера, используя современные офисные программы,
справочно-информационные системы, специальное программное
обеспечение.
Информатизация — это сложный социальный процесс, связанный со
значительными изменениями в образе жизни населения. Он требует
серьёзных усилий на многих направлениях, включая ликвидацию
компьютерной неграмотности, формирование культуры использования
новых информационных технологий и др.
Цель информатизации — улучшение качества жизни людей за счет
увеличения производительности и облегчения условий их труда.
В наше время основная задача образования состоит не в том, чтобы сообщить
как можно больший объем знаний, а в том, чтобы научить эти знания
добывать самостоятельно и творчески применять для получения нового
знания. Реально это возможно лишь с введением в образовательный процесс
средств новых информационных технологий, ориентированных на
реализацию целей обучения и воспитания. В образовательной практике
находят применение все основные виды компьютерных телекоммуникаций:
электронная почта, электронные доски объявлений, телеконференции и
другие возможности Интернета.
Современному поколению столь же невозможно представить мир без
персональных компьютеров, как и без телевизора или автомобиля. Но, чтобы
успевать за развитием средств вычислительной техники, необходимо
непрерывное самообразование и самосовершенствование. А для
профессионального применения вычислительной техники нужно нечто
большее — личная целеустремленность и постоянное желание узнавать о
том, что происходит в мире информационных технологий. Информационные
технологии в профессиональной деятельности являются образовательной
учебной дисциплиной, которая обеспечивает общеобразовательный уровень
подготовки студентов
На занятиях мы с вами рассмотрим такие разделы как состав и структура
компьютеров, программное обеспечение, организация размещения,
обработки, поиска, хранения и передачи информации, защита информации,
локальные и глобальные компьютерные сети, прикладные программные
средства. Будет проведен цикл практических работ. Так же мы с вами
проведем несколько игр, уроков-диспутов.
Для того, чтобы некоторым образом облегчить работу вы будете
использовать рабочие тетради. (описание рабочей тетради!!!!!)
Мы с вами определим базовые компоненты информационной технологии.
Это теория информации, информационное моделирование и формализация,
информационные процессы, информационные системы, информационная
безопасность.
Тема 1. Понятие информационной технологии
Термин «технология» широко употреблялся до недавнего времени только
при изучении производственных процессов.
«Технология - совокупность производственных методов и процессов отрасли
производства, а также научное описание способов производства...»[Ожегов
С.И. Толковый словарь русского языка / С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. – М.:
ООО «ИТИ Технологии», 2003. – С. 797].
Очевидно, что технология - это научное решения практических задач, а
расцвет современных технологий напрямую можно связать с научно-
технической революцией.
Все определения термина технология ориентированы по производственно-
промышленному направлению. Таким образом, сегодня понятие
«технология» можно рассматривать на разных уровнях. На философском
уровне технология учение о наилучшей (оптимальной) деятельности. На
межпредметном уровне это процесс, определяемый совокупностью средств и
методов обработки, изготовления, изменения состояния, свойств, формы
сырья или материала. Наконец, на общеобразовательном уровне технологию
определяют как область знаний, методов и средств, используемых для
оптимального преобразования и применения материи (материалов), энергии
и информации по плану и в интересах человека, общества, окружающей
среды.
Замена материального объекта на идеальный (информацию) позволяет
использовать понятие технологии в области, касающейся обработки и
производства информации с применением современных средств
компьютерной техники.
Информация является одним из ценнейших ресурсов общества наряду с
такими традиционными материальными видами ресурсов как нефть, газ,
полезные ископаемые и др.
Общий поток информации, который поступает из внешнего мира в мозг
человека через его органы чувств, выражается числом 100 000 битов в
секунду. Но лишь тысячная доля этой информационной лавины становится
фактом сознания. На своем высшем уровне отражение в своей
результативной форме выступает как знание. Знания могут появиться только
после получения и переработки информации. Таким образом, знание
выступает звеном в цепи: возникновение - передача - получение -
переработка - дальнейшая передача трансформированной информации.
Информатика рассматривает информацию как связанные между собой
сведения, данные, понятия, изменяющие наши представления о явлении или
объекте окружающего мира. Кроме понятия «информация» в информатике
часто используется понятие «данные». Данные могут рассматриваться как
признаки или записанные наблюдения, которые по каким-то причинам не
используются, а только хранятся. Если данные участвуют в процессе снятия
неопределенности, то данные становятся информацией. Следовательно,
можно утверждать, что информацией являются используемые данные.
Итак, для различных областей науки существуют свои определения понятия
«информация».
Под информационными технологиями в широком смысле будем понимать
совокупность средств и методов сбора, обработки и передачи данных
(первичной информации) для получения информации нового качества о
состоянии объекта, процесса или явления (информационного продукта).
Существенным отличием информационных технологий от других областей
науки и производства является то, что они претерпевают постоянные
изменения, вызванные бурным развитием средств компьютерной техники и
современной связи. Сегодня говорят не просто об информационных
технологиях, а о современных или новых информационных технологиях
(НИТ). Их основу составляют пять технических достижений:
Появление новой среды накопления информации на машиночитаемых
носителях.
Развитие средств связи, обеспечивающих доставку информации практически
в любую точку земного шара без существенных ограничений во времени и
расстоянии, широкий охват населения средствами связи.
Динамичное развитие микропроцессорной техники, обеспечивающей
возможность цифровой обработки информации.
Возможность автоматизированной обработки информации с помощью
компьютера по заданным алгоритмам.
Возникновение и бурное развитие сети Интернет.
Итак, новыми информационными технологиями обучения будем называть
совокупность электронных средств и способов их функционирования,
используемых для реализации обучающей деятельности. Технологии,
которые существовали до появления вычислительной, микропроцессорной
техники, будем называть традиционными информационными технологиями.
Они по-прежнему успешно применяются в образовании и вряд ли будут
полностью вытеснены новыми информационными технологиями.
Информационная технология, как и любая другая, должна отвечать
следующим требованиям:
1. обеспечивать высокую степень разделения всего процесса обработки
информации на этапы, операции, действия;
2. включать весь набор элементов, необходимых для достижения
поставленной цели;
3. иметь регулярный характер.
Этапы, действия, операции технологического процесса могут быть
стандартизированы и унифицированы, что позволит более эффективно
осуществлять целенаправленное управление информационными процессами.
На сегодняшний день существуют различные подходы к проблеме
классификации информационных технологий выделяются следующие виды
информационных технологий:
информационная технология обработки данных,
информационная технология управления,
автоматизация офиса,
информационная технология поддержки принятия решений,
информационная технология экспертных систем.
Информационные технологии подразделяют на различные виды следующим
образом:
функционально-ориентированные информационные технологии,
предназначенные для реализации определенных задач,
предметно-ориентированные информационные технологии, предназначенные
для решения конкретных задач в определенной предметной области,
проблемно-ориентированные информационные технологии,
предназначенные для решения типовых прикладных задач.
Мы будем придерживаться классификации, которая составлена в
зависимости от формы представления обрабатываемой информации:
технологии обработки текстовой информации,
технологии обработки числовой информации,
технологии обработки графической информации,
технологии обработки звуковой информации,
технологии работы в глобальных сетях,
социальные информационные технологии.
Выбор данной классификации объясняется тем, что сложилась традиция
обучать студентов именно этим видам информационных технологий.
В истории человеческого общества несколько раз происходили радикальные
изменения и в информационной области, которые можно назвать
информационными революциями.
Первая информационная революция была связана с изобретением
письменности. Письменность создала возможность накопления и
распространения знаний, для передачи знаний будущим поколениям.
Цивилизации, освоившие письменность, развивались быстрее других,
достигали более высокого культурного и экономического уровня. Примерами
могут служить Древний Египет, страны Междуречья, Китай. Позднее
переход от пиктографического и идеографического письма к алфавитному,
сделавший письменность более доступной, в значительной степени
способствовал смещению центров цивилизации в Европу (Греция, Рим).
Вторая информационная революция (середина XVI в.) была связана с
изобретением книгопечатания. Стало возможным не только сохранять
информацию, но и сделать ее массово-доступной. Грамотность становится
массовым явлением. Все это ускорило рост науки и техники, помогло
промышленной революции. Книги перешагнули границы стран, что
способствовало началу создания общечеловеческой цивилизации.
Третья информационная революция (конец XIX в.) была обусловлена
прогрессом средств связи. Телеграф, телефон, радио позволили оперативно
передавать информацию на любые расстояния. Эта революция не случайно
совпала с периодом бурного развития естествознания.
Четвертая информационная революция (70-е гг. XX в.) связана с появлением
микропроцессорной техники и, в частности, персональных компьютеров.
Вскоре после этого возникли компьютерные телекоммуникации, радикально
изменившие системы хранения и поиска информации. Были заложены
основы преодоления информационного кризиса.
Четвертая информационная революция дала толчок к столь существенным
переменам в развитии общества, что для его характеристики появился новый
термин «информационное общество».
Само название впервые возникло в Японии. Специалисты, предложившие
этот термин, разъяснили, что он определяет общество, в котором в изобилии
циркулирует высокая по качеству информация, а также есть все необходимые
средства для ее хранения, распределения и использования. Информация
легко и быстро распространяется по требованиям заинтересованных людей и
организаций и выдается им в привычной для них форме. Стоимость
пользования информационными услугами настолько невысока, что они
доступны каждому.
В России предлагается следующее определение: «Будем понимать под
термином «информационное» («компьютеризированное») общество то, во
все сферы жизни и деятельности членов которого включены компьютер,
телематика, другие средства информатики в качестве орудий
интеллектуального труда, открывающих широкий доступ к сокровищам
библиотек, позволяющих с огромной скоростью производить вычисления и
перерабатывать любую информацию, моделировать реальные и
прогнозируемые события, процессы, явления, управлять производством,
автоматизировать обучение и т. д.» .Здесь термин «телематика» означает
обработку информации на расстоянии.
Следует обратить внимание на то, что сегодня все больше людей в обществе
заняты работой с информацией. Информация позволяет человеку познавать
мир, ощущать себя его частью, общаться с другими людьми, воспитывать
детей, решать бытовые проблемы, заниматься различного рода
деятельностью, творческим трудом. С помощью информации организуется
совместный труд людей на предприятиях, образуются их профессиональные
союзы и общества. Информация является основой деятельности органов
законодательной, исполнительной и судебной власти, системы
государственного управления.
Информационное общество общество, в котором большинство
работающих занято производством, хранением, переработкой и реализацией
информации, особенно высшей ее формой – знаний. Движущей силой
развития общества должно стать производство не материального, а
информационного продукта. Материальный продукт станет более
информационно емким, что означает увеличение доли инноваций, дизайна и
маркетинга в его стоимости.
Согласно мнению ряда специалистов, США завершат в целом переход к
информационному обществу к 2020 году, Япония и большинство стран
Западной Европы к 2030-2040 годам.
Переход к информационному обществу сопровождается переносом центра
тяжести в экономике с производства материальных благ (товаров) на
оказание услуг, что влечет за собой значительное снижение добычи и
переработки сырья и расхода энергии.
Вторая половина XX века, благодаря информатизации, сопровождалась
перетоком людей из сферы прямого материального производства в
информационную сферу. Промышленные рабочие, составлявшие в середине
XX века более 2/3 населения, сегодня в развитых странах составляют менее
1/3. Значительно разросся социальный слой, который называют «белые
воротнички» – люди наемного труда, не производящие непосредственно
материальных ценностей, а занятые обработкой информации (в широком
смысле): учителя, банковские служащие, программисты и т. д. Так, к 1980
году в сельском хозяйстве было занято 3% работающих, в промышленности
20%, в сфере обслуживания – 30%, и 47% людей было занято в
информационной сфере.
Самое главное, информатизация изменила и характер труда в традиционных
отраслях промышленности. Появление робототехнических систем,
повсеместное внедрение элементов микропроцессорной техники является
основной причиной этого явления.
Приведем пример: в станкостроительной отрасли в США в 1990 году было
занято 330 тыс. человек, а к 2005 году осталось 14 тыс. человек. Это
произойдет за счет массового сокращения людей на сборочных линиях,
вследствие внедрения вместо них роботов и манипуляторов.
Еще одна характерная черта в этой сфере – появление развитого рынка
информационных продуктов и услуг. Этот рынок включает секторы:
деловой информации (биржевая, финансовая, статистическая, коммерческая
информация);
профессиональной информации (научно-техническая информация,
первоисточники и пр.);
потребительской информации (новости, всевозможные расписания,
развлекательная информация);
услуг образования и другие.
Однако есть и негативная сторона процесса информатизации, суть которой
заключается в том, что поток информации, хлынувший на человека, столь
велик, что недоступен обработке в приемлемое время. Это так называемый
информационный кризис.
Это явление имеет место и в научных исследованиях, и в технических
разработках, и в общественно-политической жизни. В нашем
усложняющемся мире принятие решений становится все более
ответственным делом, а оно невозможно без полноты информации.
Ускорение накопления общего объема знаний происходит с удивительной
быстротой. В начале XX века общий объем всей производимой
человечеством информации удваивался каждые 50 лет, к 1950 году удвоение
происходило каждые 10 лет, к 1970 году – уже каждые 5 лет; конца этому
процессу ускорения пока не видно.
Информационный кризис проявляется в следующем:
информационный поток превосходит ограниченные возможности человека
по восприятию и переработке информации;
возникает большое количество избыточной информации (так называемый
«информационный шум»), которая затрудняет восприятие полезной для
потребителя информации;
возникают экономические, политические и другие барьеры, которые
препятствуют распространению информации (например, по причине
секретности).
Частичный выход из информационного кризиса видится в применении новых
информационных технологий. Внедрение современных средств и методов
хранения, обработки и передачи информации многократно снижают барьер
доступа к ней и скорость поиска. Разумеется, одни лишь технологии не могут
решить проблему, имеющую и экономический характер (информация стоит
денег), и юридический (информация имеет собственника), и ряд других. Эта
проблема комплексная и решается усилиями как каждой страны, так и
мирового сообщества в целом.
В основе информационной революции лежит взрывное развитие
информационных и коммуникационных технологий. В этом процессе
отчетливо наблюдается и обратная связь: движение к информационному
обществу резко ускоряет процессы развития указанных технологий, делая их
широко востребованными.
Однако сам по себе бурный рост производства средств вычислительной
техники, начавшийся с середины XX века, не стал причиной перехода к
информационному обществу. Компьютеры использовались сравнительно
небольшим числом специалистов до тех пор, пока существовали
обособленно. Важнейшим этапом на пути в информационное общество
стало:
создание телекоммуникационной инфраструктуры, включающей в себя сети
передачи данных;
появление огромных баз данных, доступ к которым через сети получили
миллионы людей;
выработка единых правил поведения в сетях и поиск в них информации.
Огромную роль в обсуждаемом процессе сыграло создание международной
компьютерной сети Интернет. Сегодня она представляет собой колоссальную
и быстро (на 10-15% в месяц) растущую систему, число пользователей
которой перевалило за 200 миллионов человек.
Необходимо отметить, что в настоящее время в мире наблюдается отказ от
создания собственных корпоративных сетей в пользу открытых
стандартизованных систем и их интеграции в Интернет (за исключением,
конечно, сетей специального назначения, в которых очень высоки
требования к безопасности информации).
Информационные и коммуникационные технологии постоянно развиваются.
Постепенно происходит универсализация ведущих технологий, то есть
вместо создания для решения каждой задачи собственной технологии
разрабатываются мощные универсальные технологии, допускающие много
вариантов использования. Хорошо знакомый пример – офисные системы
программного обеспечения, в которых можно производить множество
разнообразных действий, от простейшего набора текста до создания
специальных программ (например, начисления заработной платы с помощью
табличного процессора).
Универсализации информационных технологий способствует широкое
использованием мультимедиа. Современная мультимедийная система
способна объединить функции, например, компьютера, телевизора,
радиоприемника, телефона, автоответчика, факса, обеспечивая при этом и
доступ к сетям передачи данных.
Существование вычислительной техники приводит к персонализации и
миниатюризации устройств хранения информации. Крошечные,
умещающиеся на ладони устройства, имеющие все функции персонального
компьютера, позволяют человеку обзавестись собственным универсальным
справочником, объем информации в котором сопоставим с несколькими
энциклопедиями. Поскольку это устройство может быть подключено к сети,
то оно же передает и оперативные данные, например: о погоде, текущем
времени, состоянии пробок на дорогах и т. д.
Рассмотрим понятие «информационная культура». Понятие информационной
культуры личности в настоящее время окончательно не определено и
трактуется по-разному. Наиболее часто оно употребляется для обозначения
широты знаний специалиста.
Разнообразие взглядов, характеризующих отдельные стороны
информационной культуры специалиста, таким образом, сводится по крайней
мере к трем позициям. То есть исследуют знания, которыми должен владеть
специалист. Это-первое, что объединяет их при обсуждении данной
проблемы. Второе связано с тем, что информационная культура обозначается
как качественная характеристика личности. Третье она отражает уровень
информатизации общества.
Человеку информационного общества необходимы такие знания и навыки,
которые, с одной стороны, энергично и эффективно можно использовать для
дальнейшего продвижения науки, техники, культуры, для выявления
огромного потенциала компьютерных технологий, а, с другой стороны, эти
знания и навыки должны стать гарантом индивидуальности личности для
наиболее полной реализации ресурсов человека.
Некоторые грани информационной культуры человека в достаточной степени
определены. Сформулированы требования к специалисту выпускнику
колледжа; рассмотрены отдельные стороны информационной культуры;
выявлены специфические черты современных процессов, происходящих в
обществе.
К специальной компьютерной культуре – знания, обеспечивающие
возможность специалисту работать на стыке своей профессии с
информатикой и вычислительной техникой. Для 96% участников
образовательного процесса компьютерная культура предполагает наличие
знаний, обеспечивающих возможность преподавателю и студенту
пользоваться при обучении основными понятиями информатики,
вычислительной техники, а также владение навыками решения задач
профессиональной деятельности с использованием компьютеров, эрудицию в
области созданных для этого специальных прикладных программ .
Совершенствование компьютерной культуры настоятельное веление
времени, непременное требование к современному специалисту.
Наверное, самый сложный вопрос в информатике – это «Что такое
информация?». Мы уже отмечали, что на него нет однозначного ответа.
Такие понятия иногда называют «контекстными», то есть придаваемый им
смысл зависит от контекста, в котором они употребляются.
Информация обладает динамическим характером. Она существует только в
момент взаимодействия данных и методов. Все остальное время она
пребывает в состоянии данных. Таким образом, информация существует
только в момент протекания информационного процесса.
Одни и те же данные могут в момент потребления поставлять разную
информацию в зависимости от степени адекватности взаимодействующих с
ними методов. Например, для учащегося, не владеющего каким-либо языком,
текст, написанный на этом языке, дает только ту информацию, которую
можно получить методом наблюдения (количество символов, наличие
незнакомых символов и т.д.). Использование же более адекватных методов
даст иную информацию.
Информация обладает множеством свойств. Каждая научная дисциплина
рассматривает те свойства, которые ей наиболее важны. С точки зрения
информатики и педагогики наиболее важными представляются следующие
свойства: объективность, полнота, достоверность, адекватность, доступность
и актуальность информации.
В вычислительной технике применяются две стандартные единицы
измерения информации: бит и байт. Поскольку компьютер предназначен
для обработки больших объемов информации, то используют производные
единицы – килобайт (Кб), мегабайт (Мб), гигабайт (Гб). Обычно приставка
«кило» означает тысячу, а приставка «мега» - миллион. Но в вычислительной
технике осуществляется привязка к принятой двоичной системе
кодирования.
В силу этого один килобайт равен не 1000 байтов, а 2
10
= 1024 байта.
Аналогично, 1 Мб = 2
10
Кб = 1024 Кб = 2
20
байтов = 1 048 576 байтов.
1 Гб = 2
10
Мб = 1024 Мб = 2
20
Кб = 2
30
байтов = 1 073 741 824 байта.
За единицу количества информации принимают выбор одного из двух
равновероятных сообщений («да» или «нет», «1» или «0»). Она также названа
битом.
(Бит это единица информации. Может быть 0 или 1. А байт состоит из 8
битов, соответственно может принимать значения от 0 до 255.)
Можно выделить общие тенденции развития компьютеров:
1. Увеличение количества элементов на единицу площади.
2. Уменьшение размеров.
3. Увеличение скорости работы.
4. Снижение стоимости.
5. Развитие программных средств, с одной стороны, и упрощение,
стандартизация
аппаратных – с другой.
Начиная с 50-х годов вычислительная техника прошла несколько этапов,
называемых поколениями. Деление на такие этапы принято проводить по
различию в элементной базе, т.е. в единичных составляющих, на основе
которых конструировались и производились ЭВМ от радиоламп до
сверхбольших интегральных схем. Именно от элементной базы зависят
другие характеристики, например быстродействие, менявшееся от тысяч
операций в секунду до сотен миллионов. Очевидно, что применение
программных средств также зависит от этого показателя.
Нулевое поколение. Механические вычислители
Предпосылки к появлению компьютера формировались, наверное, с древних
времен,
однако нередко обзор начинают со счетной машины Блеза Паскаля, которую
он
сконструировал в 1642 г. Эта машина могла выполнять лишь операции
сложения и
вычитания. В 70-х годах того же века Готфрид Вильгельм Лейбниц построил
машину,
умеющую выполнять операции не только сложения и вычитания, но и
умножения и деления. Первым механическим компьютером была
аналитическая машина, придуманная и частично сконструированная
Чарльзом Бэббиджем в Лондоне между 1822 и 1871 годом. Она должна была
считывать инструкции с перфокарт, производить вычисления с помощью
банка памяти и печатать решения на бумаге. К сожалению высокоточное
производство, необходимое для создания тысяч движущихся деталей было за
пределами возможностей того времени. Но если бы эту идею на тот момент
можно было воплотить в жизнь, то эта аналитическая машина выполняла бы
те же функции, что и большинство первых электронных машин. Первый
компьютер, спроектированный специально для обработки данных, был
запатентован 8 января 1889 г. жителем Нью-Йорка Германом Холлеритом.
Он создал для американского бюро переписей действующий образец
электрического табулятора, который использовался для подсчета результатов
переписи населения 1890 г.
Информация из анкет переносилась на перфокарты, руководствуясь
электрическими импульсами\. Порядок которых определяли отверстия в
перфокарте. Затем машина быстро составляла таблицы и печатала
обработанные данные на бумажной ленте. В 1896 г. Холлерит ушел из бюро
переписей, основал корпорацию TabulationMachine и занялся производством
и продажей своего оборудования. Компания в итоге превратилась в IBM, а
80-столбцовую перфокарту до сих пор иногда называют картой Холлерита.
Первое поколение. Компьютеры на электронных лампах (194х-1955)
1897 год Дж. Томсон сконструировал электронно-лучевую трубку.
Самый известный электронный компьютер первого поколения «Колосс-1»,
сыгравший важную роль в истории вычислительной техники, был создан в
британском секретном правительственном учреждении под руководством
профессора Ньюмена. «Колосс-1» был создан для решения единственной
задачи – криптографического анализа, т.е. расшифровки кодов. Считывая
информацию с перфоленты, он просматривал и анализировал 5000 символов
в секунду. «Колосс-1» начал работать в 1943 году и сыграл важную роль во
Второй мировой войне, позволив Великобритании расшифровать немецкие
коды Enigma.
Быстродействие: 10-20 тысяч операций в секунду.
Особенности:
Поскольку лампы имеют существенные размеры и их тысячи, то машины
имели
огромные размеры, были выполнены в виде громоздких шкафов и занимали
специальные машинные залы.
Поскольку ламп много и они имеют свойство перегорать, то часто
компьютер
простаивал из-за поиска и замены вышедшей из строя лампы.
Лампы выделяют большое количество тепла, следовательно,
вычислительные
машины требуют специальные мощные охладительные системы.
Программирование: набор команд был небольшой, программы писались на
языке конкретных машин. Процесс отладки был наиболее емким по времени.
Программное обеспечение практически отсутствовало. Для ввода-вывода
информации использовалась перфолента, перфокарта.
В России в 1951 год С.А. Лебедев построил первый компьютер МЭСМ,
имеющий 600 электронных ламп. 1952 год Под руководством С.А. Лебедева
в Москве построен компьютер БЭСМ-1 в то время одна из лучших в мире.
Необходимость создания собственного ЭВМ в СССР
была осознана несколько позже, чем в США, так что соответствующие
работы начались только с осени 1948 года. Инициаторами проекта выступили
ученые-ядерщики – в те годы буквально вся страна работала над атомным
проектом, который курировал лично Лаврентий Берия.
Первым делом советские разработчики приступили к разработке Малой
электронной счетной машины (МЭСМ). Производимые операции: сложение,
вычитание, умножение, деление, сдвиг, сравнение с учетом знака, сравнение
по абсолютной величине, передача управления, передача чисел с магнитного
барабана, сложение команд, остановка. Скорость работы - около 3000
операций в минуту. Ввод исходных данных - с перфорационных карт или
посредством набора кодов на штекерном коммутаторе. Съем результатов -
фотографирование или посредством электромеханического печатающего
устройства. Контроль - системой программирования. Определение
неисправностей - специальные тесты и перевод на ручную или
полуавтоматическую работу. Площадь помещения - 60 квадратных метров.
Потребляемая мощность - 25 КВт. Обладая низким быстродействием и малой
емкостью ОЗУ, “МЭСМ” тем не менее, была алгоритмически довольно
развитой и, кроме того, содержала в своей структуре некоторые особенности,
представляющие интерес и сейчас.
Первые разработки относятся к концу 1940-х началу 1950-х годов:
машины МЭСМ и М-1. В то время и вплоть до 1980-х годов в советской
терминологии вместо «компьютер» применялся термин «электронно-
вычислительная машина» (ЭВМ).Завершение периода приходится на начало
и середину 1990-х время распада СССР, когда большинство разработок
было прекращено или значительно сокращено.
Второе поколение. Компьютеры на транзисторах (1955-1965)
Быстродействие: сотни тысяч операций в секунду.
По сравнению с электронными лампами использование транзисторов
позволило уменьшитьразмеры вычислительной техники, повысить
надежность, увеличить скорость работы (до 1млн. операций в секунду) и
почти свести на нет теплоотдачу. Развиваются способы
храненияинформации: широко используется магнитная лента, позже
появляются диски. В этот период была замечена первая компьютерная игра.
Первый компьютер на транзисторах TX стал прототипом для компьютеров
ветки PDP фирмы DEC, которые можно считать родоначальниками
компьютерной
промышленности, т.к появилось явление массовой продажи машин. DEC
выпускает первыйминикомпьютер (размером со шкаф). Зафиксировано
появление дисплея.
1961 год Фирма IBM DEUTSCHLAND реализовала подключение
компьютера к телефонной линии с помощью модема.
Третье поколение. Компьютеры на интегральных схемах (1965-1980)
Быстродействие: миллионы операций в секунду. Интегральная схема
представляет собой электронную схему, вытравленную на кремниевом
кристалле. На такой схеме умещаются тысячи транзисторов. Следовательно,
компьютерыэтого поколения были вынуждены стать еще мельче, быстрее и
дешевле. Последнее свойство позволяло компьютерам проникать в
различные сферы деятельностичеловека. Из-за этого они становились более
специализированными (т.е. имелись различныевычислительные машины под
различные задачи).
Появилась проблема совместимости выпускаемых моделей (программного
обеспечения под них). Впервые большое внимание совместимости уделила
компания IBM, программно совместимы, можно выполнять одновременно
несколько программ. Появились первые системные программисты. Для
управления использовались языки высокого уровня и Ассемблер. Язык
программирования Си. Управление работой этих машин происходило с
алфавитно- цифровых терминалов. Данные и программы вводились как с
терминала, так и с перфокарт и перфолент. Для ввода-вывода используются
диски, дисплеи, графопостроители.
Четвертое поколение. Компьютеры на больших (и сверхбольших)
интегральных схемах
(1980-…)
Быстродействие: сотни миллионов операций в секунду.Появилась
возможность размещать на одном кристалле не одну интегральную схему,
атысячи. Быстродействие компьютеров увеличилось значительно.
Компьютеры продолжалидешеветь и теперь их покупали даже отдельные
личности, что ознаменовало так называемуюэру персональных компьютеров.
Но отдельная личность чаще всего не былапрофессиональным
программистом. Следовательно, потребовалось развитие
программногообеспечения, чтобы личность могла использовать компьютер в
соответствие со своейфантазией.
В конце 70-х начале 80-х популярностью пользовался компьютера Apple,
разработанный
Стивом Джобсом и Стивом Возняком. В 1977 году появился компьютер
Apple-2, так называемый прародитель домашних компьютеров. Он был
чрезвычайно популярен. Позднее в массовое производство был запущен
персональный компьютер IBM PC на процессоре Intel. Это было в 1981 году.
Процессор с тактовой частотой 4,7 МГц, 64 Кбайт оперативной памяти и
операционная система MS-DOS 1.0 (три системных файла и некоторые
сервисные программы).
Позднее появились суперскалярные процессоры, способные выполнять
множество команд
одновременно, а также 64-разрядные компьютеры.
Выпускались и улучшались оболочки, появились такие понятия как
мультимедиа.
Хотелось бы отметить такую дату как 2001 год, так как именно в это время
компанией MS Windows XP первая версия операционной системы, свободной
от DOS.
Типы компьютеров: персональные, микроконтроллеры, серверы,
мейнфреймы и др.
Для персональных компьютеров обязательно наличие монитора и ряда
других
периферийных устройств. В блоке ПК находятся материнская (системная)
плата, процессор,различная память (ОЗУ, жесткий диск), устройства ввода-
вывода, интерфейсы
периферийных устройств и др.ПК хорошо расширяемы. К ним легко
подключаются различные дополнительныеустройства. На персональные
компьютеры можно устанавливать широкий спектр различногопрограммного
обеспечения.
Игровые компьютеры
По сравнению с персональными вычислительными машинами у игровых
компьютеров
увеличены мультимедийные возможности (звук, видео, интерактивность), но
существуют
ограничения на объем программного обеспечения, а также возможность
дальнейшего
расширения (подключения новых устройств). У игровых компьютеров не
предполагается
наличие монитора и жесткого диска.В качестве примера игрового
компьютера можно привести SonyPlayStation.
Карманные компьютеры
Похожи на персональные компьютеры, но меньше их по размеру
(представляют собой
«наладонники»). Обычно используются как электронные ежедневники или
для чтения
электронных книг.
Микроконтроллеры
Микроконтроллеры устанавливаются на различные бытовые и технические
устройства
(сотовые телефоны, стиральные машины, принтеры, телевизоры, автомобили
и др.). Они
предоставляют человеку возможность управления устройством.
Микроконтроллер, не смотря на свои размеры, является полноценным
вычислительным
устройством, т.к. имеет память, процессор и средства ввода-вывода.
Программа для
микроконтроллера обычно устанавливается его производителем, при этом
отсутствует
возможность ее изменения в дальнейшем.Микроконтроллеры производятся в
огромных количествах (большими партиями).
Серверы
Серверы отличаются от ПК лишь своей мощностью (серверы мощнее) и
необязательностьюприсутствия монитора и др. периферийных устройств.
Используются в сетях.
У серверов обычно увеличены объемы памяти (ОЗУ и жесткий диск) и
установлены
высокоскоростные сетевые интерфейсы. На сервере хранят данные и
программы (выделяютфайловый сервер и сервер приложений). Процессор
сервера обычно занимается управлениемпользователями и правами для
доступа к данным. Вычисления производятся накомпьютерах-клиентах.
Мейнфреймы
Мейнфреймы представляют собой большие компьютеры (с комнату),
производящие
централизованную обработку данных больших объемов. Пользователи
получают доступ
через терминалы (клавиатура+монитор) и/или ПК, в основном
предназначенные для ввода ивывода информации. Количество
подключаемых терминалов обычно составляет несколькосотен.Мейнфреймы
характеризуются высокой надежностью.
Мощность мейнфреймов хоть и больше чем у ПК и серверов, но не намного.
Зато они
обладают высокой скоростью процессов ввода-вывода и имеют увеличенный
размер
постоянной памяти.Мейнфреймы достаточно дорого стоят (в пределах
миллиона долларов). Используются вбольших организациях (банки,
аэропорты, правительственные учреждения).
Нас интересует устройство наиболее распространенного типа компьютера –
настольного персонального, потому что в мировом масштабе их использует
большинство людей в своей практической деятельности.
Тема 2. «Внутренняя архитектура компьютера. Периферийные
устройства».
Архитектура компьютера - это описание его организации и принципов
функционирования
его структурных элементов. Включает основные устройства ЭВМ и
структуру связей между ними.
Строение, общая логическая схема компьютера связана с именем
американского математика Джона фон Неймана (1903-1957). Будучи
консультантом проекта по созданию первой электронной вычислительной
машины ENIAK, ученый сформулировал принципы построения,
«архитектуры» электронно-вычислительной машины. Сформулированные в
1945 году общие принципы, названные «фон-неймоновскими», положены в
основу подавляющего большинства компьютеров.
Фон Нейман описал, каким должен быть компьютер, чтобы он был
универсальным и удобным средством для обработки информации. Он прежде
всего должен иметь следующие устройства:
Арифметическо-логическое устройство, которое выполняет арифметические
и логические операции
Устройство управления, которое организует процесс выполнения программ
Запоминающее устройство для хранения программ и данных
Внешние устройства для ввода-вывода информации.
Эти принципы впервые были реализованы в новой ЭВМ EDVAC в 1951 году.
В этой машине основная память была способна хранить 1024 слова. ЭВМ
созданные в первой половине 20 века имели две важные особенности:
возможность программирования и способность хранения информации.
Обычно, описывая архитектуру ЭВМ, особое внимание уделяют тем
принципам ее
организации, которые характерны для большинства машин, относящихся к
описываемому
семейству, а также оказывающие влияние на возможности
программирования.
Поскольку от архитектуры компьютера зависят возможности
программирования на нем,
поэтому при описании архитектуры ЭВМ уделяют внимание описанию
команд и памяти.
Обычно современные персональные компьютеры состоят из четырех частей
(блоков): системного блока, монитора(или дисплея) для изображения
текстовой и графической информации, клавиатуры, позволяющей вводить в
компьютер символы, манипулятора – устройства, облегчающего ввод
информации в компьютер.
Системный блок является в компьютере главным. В нем располагаются все
основные узлы компьютера:
Системная или материнская плата
Процессор с системой охлаждения (вентилятором или кулером)
Модули основной памяти
Электронные схемы, управляющие работой компьютера (микропроцессор,
оперативная память, контроллеры и т.д)
Блок питания, преобразующий электропитание сети в постоянный ток
низкого напряжения, подаваемый на электронные схемы компьютера,
Накопитель на жестком магнитном диске или винчестер, предназначенный
для чтения или записи на несъемный жесткий магнитный диск.
При быстрой смене поколений вычислительных машин общие принципы
хранения и обработки информации и принципы управления работой
компьютера почти не изменились. В основу архитектуры современных
персональных компьютеров положен магистрально-модульный принцип
построения. Персональный компьютер по сути напоминает обыкновенный
конструктор. Схемы, управляющие всеми устройствами (монитором,
дисками, принтером и т.д) реализованы на отдельных платах, которые
вставляются ы слоты – стандартные разъемы системной платы. Весь
компьютер питается от единого блока питания. Этот принцип, названный
принципом открытой архитектуры, наряду с другими достоинствами и
обеспечил большой спрос на ПК. Наибольшую выгоду от открытости
архитектуры получают пользователи. Модульный принцип позволяет
потребителю самому комплектовать компьютер и производить при
необходимости модернизацию, приобретая соответствующие устройства и
подсоединяя их в свободные разъемы на системной плате.
Что же касается подключения внешних устройств, то способы подключения
постоянно совершенствуются. В современных компьютерах используются
платы расширения типа PCI, появились новые разъемы USB, которые
используются для подключения гораздо чаще, чем последовательные и
параллельные порты.
Рассмотрим более подробно основные составляющие ПК.
Персональный компьютер состоит из следующих основных блоков: основная
память, процессор, периферийные устройства. Все блоки связаны между
собой системной магистралью (шиной).
Магистраль. Обмен информацией между отдельными устройствами
компьютера производится по магистрали, соединяющей все устройства
компьютера.
В основу архитектуры современных персональных компьютеров положен
магистрально-модульный принцип. Модульный принцип позволяет
потребителю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера
и производить при необходимости ее модернизацию. Модульная организация
компьютера опирается на магистральный (шинный) принцип обмена
информацией между модулями. Магистраль включает в себя три
многоразрядные шины: шину данных, шину адреса и шину управления.
Шина данных. По этой шине данные передаются между различными
устройствами. Например, считанные из оперативной памяти данные могут
быть переданы процессору для обработки, а затем полученные данные могут
быть отправлены обратно в оперативную память для хранения. Таким
образом, данные по шине данных могут передаваться от устройства к
устройству в любом направлении.
Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора, т. е.
количеством двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один
такт. Разрядность процессоров постоянно увеличивалась по мере
развития компьютерной техники и в настоящее время составляет 86 бит.
Устаревшими компьютерами на 2015 год считаются те, у которых
разрядность процессора х32. Такие ПК обрабатывают максимум 4 ГБ
оперативной памяти. Слоты на материнской плате не будут воспринимать
планки оперативки с объемом, превышающим этот показатель.
Операционная система также должна быть 32-х битная. Процессоры нового
поколения имеют х64 разрядность. Они гораздо быстрее обрабатывают
данные, поддерживают процессоры от 2-х ядер и «читают» оперативную
память от 4 ГБ до 32 ГБ. Windows тоже должна быть 64-х битной
Шина адреса. Выбор устройства или ячейки памяти, куда пересылаются или
откуда считываются данные по шине данных, производит процессор. Каждое
устройство или ячейка оперативной памяти имеет свой адрес. Адрес
передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном
направлении от процессора к оперативной памяти и устройствам
(однонаправленная шина).
Разрядность шины адреса определяет адресное пространство процессора, т. е.
количество ячеек оперативной памяти, которые могут иметь уникальные
адреса. Количество адресуемых ячеек памяти можно рассчитать по формуле:
N = >27, где N — разрядность шины адреса.
Разрядность шины адреса постоянно увеличивалась и в современных
персональных компьютерах составляет 32 бита. Таким образом, максимально
возможное количество адресуемых ячеек памяти равно:N = 232 = 4
Шина управления. По шине управления передаются сигналы, определяющие
характер обмена информацией по магистрали. Сигналы управления
определяют какую операцию считывание или запись информации из памяти
нужно производить, синхронизируют обмен информацией между
устройствами и т. д.
Все основные компоненты настольного компьютера находятся внутри
системного блока:
материнская плата с процессором и оперативной памятью, накопители на
жестких и гибких дисках, CD-ROM и др. Кроме этого, в системном блоке
находится блок питания.
Материнская плата является главной составной частью ПК. Это его основной
элемент, управляющий внутренними связями компьютера и всеми его
компонентами. От ее качества, функциональности и быстродействия
напрямую зависят стабильность и скорость работы всей системы. От
материнской платы зависит очень многое, в частности поддерживаемые
процессоры, тип оперативной памяти, тип графического адаптера и т. д.
Описание некоторых компонентов, которые могут располагаться на
материнской плате.
Процессорное гнездо - служит для установки на материнскую плату
центрального процессора и механического соединения его с группой
проводников.
Системная логика (чипсет) – главный компонент платы, отвечающий за ее
функционирование, а в конечном итоге и за работу всего компьютера. Он
имеет небольшие размеры и обычно состоит из нескольких микросхем. Как
правило, чипсет представляет собой «мостовую» архитектуру, то есть
состоит из двух мостов – северного и южного, за каждый из которых
отвечает своя отдельная микросхема (или несколько микросхем). Северный
мост обеспечивает обмен информацией между процессором и оперативной
памятью по системной шине. В процессоре используется внутреннее
умножение частоты, поэтому частота процессора в несколько раз больше,
чем частота системной шины. В современных компьютерах частота
процессора может превышать частоту системной шины в 10 раз (например,
частота процессора 1 ГГц, а частота шины — 100 МГц).
К северному мосту подключается шина PCI
(PeripherialComponentInterconnectbus шина взаимодействия периферийных
устройств), которая обеспечивает обмен информацией с контроллерами
периферийных устройств. Частота контроллеров меньше частоты системной
шины, например, если частота системной шины составляет 100 МГц, то
частота шины PCI обычно в три раза меньше — 33 МГц. Контроллеры
периферийных устройств (звуковая плата, сетевая плата, SCSI-контроллер,
внутренний модем) устанавливаются в слоты расширения системной платы.
По мере увеличения разрешающей способности монитора и глубины цвета
требования к быстродействию шины, связывающей видеоплату с
процессором и оперативной памятью, возрастают. В настоящее время для
подключения видеоплаты обычно используется специальная шина AGP
(AcceleratedGraphicPort ускоренный графический порт), соединенная с
северным мостом и имеющая частоту, в несколько раз большую, чем шина
PCI.
Южный мост обеспечивает обмен информацией между северным мостом и
портами для подключения периферийного оборудования.
Устройства хранения информации (жесткие диски, CD-ROM, DVD-ROM)
подключаются к южному мосту по шине UDMA (UltraDirectMemoryAccess
прямое подключение к памяти).
Мышь и внешний модем подключаются к южному мосту с помощью
последовательных портов, которые передают электрические импульсы,
несущие информацию в машинном коде, последовательно один за другим.
Обозначаются последовательные порты как СОМ1 и COM2, а аппаратно
реализуются с помощью 25-контактного и 9-контактного разъемов, которые
выведены на заднюю панель системного блока.
Принтер подключается к параллельному порту, который обеспечивает более
высокую скорость передачи информации, чем последовательные порты, так
как передает одновременно 8 электрических импульсов, несущих
информацию в машинном коде. Обозначается параллельный порт как LPT, а
аппаратно реализуется в виде 25-контактного разъема на задней панели
системного блока. Для подключения сканеров и цифровых камер обычно
используется порт USB (UniversalSerialBus — универсальная
последовательная шина), который обеспечивает высокоскоростное
подключение к компьютеру сразу нескольких периферийных устройств.
Клавиатура подключается обычно с помощью порта PS/2.
Микросхема BIOS
BIOS (BasicInput/OutputSystem базовая система ввода/вывода) – первое
программное обеспечение компьютера, которое начинает выполняться сразу
после его включения. Кроме того, в BIOS содержатся параметры
конфигурации и настройки компонентов материнской платы и практически
всех установленных и подключенных к ней устройств.
BIOS хранится, как правило, в одной микросхеме, хотя достаточно часто на
продвинутых материнских платах находятся две мик