Компютър. Основни понятия, компоненти на компютъра, видове памет, входящи и изходящи устройства

Традиционно курсовете по информатика фокусират вниманието си върху компютъра като централен по отношение на информационните технологии. Това вече в голяма степен не е актуално и правомерно. Информационните технологии, използвани днес за решаване на различни проблеми далеч надхвърлят компютъра по разнообразие като включват: телекомуникационни мрежи, факс машини, принтери, работни станции, програми за обработване на графика, текст, бази данни, електронни таблици, предпечатна подготовка, мултимедия и видео комуникации. Проблемите сега се решават обикновено не на ниво отделен компютър, а на ниво различни дигитални средства, свързани в мрежа.

По такъв начин, проблемите, решавани с тези изброени технологии, вече далеч не могат да се сведат до текстообработка. Дизайн, визуализация, комуникация и групова помощ са някои от проблемите, които технологиите решават сега. Поради това, вместо да се фокусира вниманието върху компютъра, всички технологии следва да работят заедно.

Независимо от казаното по-горе, компютъра продължава да играе фундаментална роля в дигиталната революция. И за да се разбере многообразието от съвременни информационни технологии и начина, по който те работят заедно, човек трябва да знае как компютъра обработва и представя информацията.

1. Компютър. Основни понятия

В най-общ смисъл, компютър е всяко средство /машина/, която приема данни от средата, обработва ги по определен логически или математически начин и произвежда резултати, които предава пак на средата.

По-конкретно, модерният компютър е физическо средство, което приема данни от средата, трансформира ги чрез определена програма за съхранение и обработка и предава информацията до различни други средства /машини/. Ключови думи тук са приемане, въвеждане (input), обработване (processing) и предаване, извеждане (output), както и съхранение. Скоростта, капацитета и характеристиките на обработката на информация на компютрите определят тяхната роля в решаването на проблеми.

Съвременната компютърна система се състои от централен процесор (Central Processor Unit - CPU), първично съхраняване, оперативната компютърна памет (primary storage), входящи средства (input devices), изходящи средства (output devices), вторично съхраняване (secondary storage) и комуникационни средства (communication devices).

Характеристиките на централния процесор (ЦП) и първичното съхраняване /оперативната памет/ в голяма степен определят скоростта на компютъра и неговия капацитет за решаване на проблеми. ЦП обработва суровите данни в подходяща форма и контролира другите части на компютърната система, докато оперативната памет временно съхранява данните и програмите по време на обработката. Входящите устройства, такива като клавиатури, мишки, оптични скенери, лазерни писалки, превръщат данните в електронна форма, за да бъдат обработени от компютъра. Изходящите устройства, такива като принтери, видео дисплей терминали, превръщат електронните данни, произведени от компютъра във форма, разбираема от хората. Устройствата за вторична /постоянна/ памет съхраняват данните и програмите, когато те не се използват за обработка на данните. Комуникационните средства позволяват на компютъра да се свърже с мрежите.

Централен процесор и първично съхранение на информацията

Централният процесор е отговорен за обработката на символите, числата и буквите, а също така и за контрола на останалите части на компютърната система. Както се вижда от схемата, ЦП се състои от контролна част и аритметично-логическа част. ЦП често се разполага върху полупроводников чип (силиконов чип, на който са гравирани хиляди, а понякога милиони ел. вериги) с полупроводникови чипове за локализираната наблизо първична памет.

Първично съхраняване

Първичното съхраняване, наричано още основна памет или първична памет, съхранява програмните инструкции и данните, които се използват от тези инструкции. Данните и програмите се разполагат в първичната памет преди да бъдат обработени, между отделните фази на обработката, и след като завърши обработката, преди да бъдат освободени като изходяща информация или да бъдат върнати във вторичната памет.

Когато данните или програмните инструкции се намират в първичната памет, те се съхраняват в позиции, наречени байтове. Всеки байт съхранява само един единичен знак от данни има уникален адрес, така че да може да бъде локализиран /намерен/, когато това е нужно.

Компоненти на компютърната система

Както се вижда от схемата, комуникацията в компютъра се осъществява на няколко равнища с т.нар. условно шини.

• шината за адресите - носи сигнали, използвани за локализация на определен адрес в компютърната система;
• шината за данните - носи данни към и от първичната памет /оперативна памет/;
• шината за контрол - носи сигнали, определящи дали данните да се четат или пишат от или към адреса, определен в първичната памет или от и към входа или изхода. Часовника на системата помага за регулирането на темпото на извършване на операциите в системата.

1. Аритметично-логическата част /АЛЧ/ осъществява аритметично-логическите операции с данните. Тя добавя, изважда, умножава, дели и определя дали числото е положително, отрицателно или нула. Тази част може да прави логически сравнения между две числа, да определя по-голямо и по-малко число, както и равенство. Тя също подлага текста на логически операции.
2. Контролен панел - контролира и координира другите компоненти на компютъра. Чете съхранените програмни инструкции една по една, и в зависимост от това какви задачи й поставя програмата, тя насочва другите компоненти на компютърната система към изпълнението им.

Основен машинен цикъл на работа на компютърната система

Контролния панел ключов елемент в осъществяването на основните операции на централния процесор, наричани "машинен цикъл". Машинния цикъл се състои от две части: 1-та се нарича инструкционен цикъл, при който инструкциите се извличат от първичната памет и се декодират, а 2-та се нарича изпълнителски цикъл, при който изискваните данни се локализират /изпращат по предназначение/, инструкциите се изпълняват и резултатите се съхраняват.

Компютрите използват бинарна цифрова система. Работи с "1" и "0" и чрез тяхната комбинация представя определени данни. Цялата информация в компютъра трябва да бъде представена в този вид - "1" и "0".

Най-често използваният код за декодиране на специалните кодове на човешката комуникация в бинарен е ASCII (American Standard Code for Information Interchange). Например кода на "А" е 1000001. Енкодерът е част от CPU Control Unit. Всяка 1 или 0 се нарича bit, което е акроним за Binary digit. А осем бита заедно формират 1 byte. Един байт е еквивалентен на един знак от клавиатурата (няма значение кой). Всички данни могат да бъдат преобразувани в бинарна система, графиката също. Там, където в квадрата има цвят е единица, а там където няма - 0. Процесът на конвертиране на едно обикновено изображение в единици или нули от компютъра се нарича Digitizing- съхраняване на образ или звук с цифри. Малките точки (малки квадратчета) се наричат pixels. Където има черна точка, компютърът ще го съхрани като 1 в паметта. Степента на сивото ще зависи от това доколко то се приближава до черното. Колкото повече попълнени точки има, толкова по-хубава е картината. С колкото по-малко точки е рисувана картината, токова по-малка ще бъде цялата картина (low resolution). Колкото по-големи възможности за представяне в брой точки има един монитор, толкова по-добра разделителност има той (High resolution).

Звука, както и картината може да се конвертира дигитално. Звуковите вълни за тази цел трябва да се представят като образи.

Видове памет

1. Първичната памет /вътрешна/ - Реализира се върху полупроводникови чипове /платки/, изпълняващи запаметяващи функции. Всеки от тях се използва за различни цели.
   • RAM - Памет с произволен достъп /Random Access Memory/ се използва за временно съхраняване на данните или програмните инструкции. Тя е разположена на чипове, които се намират във физическа близост с централния процесор. Единствената цел на тази тези чипове е да съхраняват дигитални данни. Съдържанието на RAM може да бъде четено и променяно в случай на нужда. RAM е непостоянна, което означава, че ако спре тока или се изключи компютъра, съдържанието й изчезва и информацията може да бъде загубена.
   • ROM - Read Only Memory или такава памет, която може само да се чете. Тя съхранява най-важните програмни инструкции перманентно. Тази памет се нарича още постоянна, защото изключването на компютъра няма да доведе до загуба на записаната там информация. Тя не може да бъде загубена дори и ако някой се опита да записва върху съществуващите инструкции. Някои програми и инструкции се записват фабрично на чип и не могат повече да бъдат изтрити от потребителя. Тази памет се реализира върху интегрални схеми, върху които производителят е записал базовото програмно осигуряване - BIOS.
2. Външна памет - Тя е за трайно съхранение на програмите, данните и резултатите. Външната памет е реализирана на магнитни и оптически дискове. Записаните във вторичната /постоянна/ памет данни остават там, дори ако компютърът се изключи. Постоянната памет е по-бавна от оперативната, защото тя използва редица електромеханични компоненти, докато оперативната е електронна и има приблизително скоростта на светлината. Независимо от това, вторичната памет е в състояние да изплаща големи пакети информация и данни до първичната. Основните технологии з вторично съхранение са магнитни ленти, магнитни ленти, магнитни дискове и оптически дискове.
   • Магнитни ленти. Те са най-старата и най-евтината технология за съхраняване на информацията. Те са използвани в миналото със старите компютри и много приличат на касетите за звукозапис, където песните се съхраняват в определена последователност с начало и край. Тази технология запазва информацията като използва уникална комбинация от магнетични точки и немагнетични точки. Магнитни точка представя единица, а немагнитни - нула. Използва се бинарната система за представяне на информацията.Основните предимства на тази технология и ниската цена и големия обем и трайността на запис на информацията. Освен това тя може да бъде използвана многократно. Недостатъка й е, че информацията може да бъде записана само в определена последователност и че е сравнително бавна. Т.е., за да се намери конкретна информация, търсенето трябва да става от началото до края на записа. Магнитните записи са неподходящи при дейност, изискваща бърз и директен достъп до данните.
   • Магнитни дискове. Най-популярните и важни медии за вторично съхранение на информацията днес са магнитните дискове. Тази технология позволява бърз и директен достъп до данните. Компютърът може да достигне веднага до определени данни, вместо да търси, чрез четене на целия запис.
   • Твърд диск /Hard Disk/. Това са тънки метални дискове с покритие от железен окис. Множество дискове се въртят със скорост 3500 завъртания в минута. Електронни четящо/пишещи глави ги преброждат непрекъснато в кръгово движение, наречено пътечки (tracks). Данните са записани върху миниатюрни магнитни точки чрез бинарен запис. Всяка пътечка може да съхранява хиляди байта Главите не докосват пътечките на кръжат на няколко хилядни или милионни от инча над тях. Малка частица от човешки косъм може да причини катастрофа на главата с диска. Капацитета за съхраняване на диска зависи от вида, количеството и подредбата на дисковете в цялостния панел на диска. Магнетичните дискове имат много предимства, но имат и недостатъци. Напр. необходимостта от резервно /бек-ъп/ копие, влиянието на средата и цената.
   • Флопи дискове. Преносими, малки, многократно използване. 5 ¼ и 3 ½ инча. Те използват секторния метод за съхраняване на данни. Повърхността на диска е разграфена на 8 или 9 сектора като торта. В повечето дискове всеки сектор може да запомни еднакво количество информация и носи свой уникален номер. Данните се запомнят чрез номера на сектора и техния индивидуален номер. Обема на запазената информация зависи от това, дали може да се записва на едната или и на двете страни на диска (single-sided disks and double-sided disks).
   • Технология на оптичните дискове. Използва лазерно средство, което записва данните чрез изгаряне на микроскопични точици в спираловидна пътечка.Те съхраняват много повече информация отколкото магнитните дискове. Има два основни начина за разполагане на информацията върху оптичните дискове.
     Първия вече го описахме по-горе. Наличието на точка може да се дефинира за нула, а липсата на точка - за единица. Малък, четящ лазер се използва за идентифициране на информацията. Върху оптичния диск може да се съхранява огромно количество информация. Напр. 4.75 инча оптичен диск може да съхранява 660 мегабайта информация, равностойни на 300 хай-денсити флопи дискове.
     Втората техника, използвана за многократен запис /rewritable/, прилага лазерно и магнетично поле, за да стопява и магнетизира малки области върху полето на диска.
     • CD-ROM Read Only Memory;
     • WORM- write once, read many;
     • Erasable, rewritable optic disks.

Измерване на скоростта, обема на паметта и мощността на компютъра

Как можем да определим дали един компютър може да ни служи за решаването на определен клас проблеми? Отговора на този въпрос има отношение към скоростта, обема на паметта и мощността на компютъра. Много бавните компютри измерват времето на машинния цикъл в "милисекунди"/хиляди секунди/, по-мощните - в "микросекунди" /милиони секунди/ или "наносекунди" /билиони секунди/. Малко много мощни компютри измерват времето на машинните цикли с "пикосекунди" /трилиони секунди/. Най-големите бизнес компютри имат време на машинния цикъл по-малък от 10 наносекунди. Такива компютри обработват над 200 милиона инструкции за секунда. Следователно, скоростта на компютъра се измерва с "милиони инструкции за секунда" MIPS.

Обема на компютърната памет се измерва в байтове. 1024 байта са 1 килобайт. Един килобайт е стандарта мярка за измерване на паметта на компютъра.

• Килобайт - 1024 паметови позиции;
• Мегабайт - 1,048,576 паметови позиции;
• Гигабайт - 1,073,741,824 паметови позиции;
• Терабайт - 1,099,511,627,776 паметови позиции;
• Петабайт - 1.12589991 × 10¹⁵ паметови позиции;
• Егзабайт - 1.1529215 × 10¹⁸ паметови позиции;
• Зетабайт - 1.18059162 × 10²¹ паметови позиции;
• Йотабайт - 1.20892582 × 10²⁴ паметови позиции.

Коментари: