Конспект урока по информатике тема: "Архитектура компьютеров. Основные характеристики компьютеров. Многообразие компьютеров. Многообразие внешних устройств, подключаемых к компьютеру. Виды программного обеспечения компьютеров"

Тема: Архитектура компьютеров. Основные характеристики компьютеров. Многообразие компьютеров. Многообразие внешних устройств, подключаемых к компьютеру. Виды программного обеспечения компьютеров.

ТИП: получение новых знаний.

Задачи:
Учебная:

1.      Узнать из чего состоит компьютер

2.      Познакомиться с различными устройствами, подключаемыми к компьютеру.

3.      Узнать о видах ПО

Развивающая:

• Развивать логическое мышление, внимание, память.
• Развивать кругозор.

Воспитательная:

• Развивать познавательный интерес.

План занятия

1.      Архитектура компьютеров.

2.      Основные характеристики компьютеров.

3.      Много­образие компьютеров.

4.      Многообразие внешних устройств, подключаемых к компью­теру.

5.      Виды программного обеспечения компьютеров.

Архитектура компьютеров.

Персональным компьютером (сокращенно ПК или РС) называют небольшую ЭВМ, ориентированную на неспециалиста в вычислительной технике. Архитектура- описание сложной системы, состоящей из множества элементов, как единого целого. В вычислительной технике архитектура определяет состав, назначение, логическую организацию и порядок взаимодействия всех аппаратных и программных средств, объединенных в единую вычислительную систему. Иными словами, архитектура описывает то, как ЭВМ представляется пользователю. 

В современных персональных компьютерах, как правило, используется принцип открытой архитектуры. Он заключается в том, что устройства, непосредственно участвующие в обработке информации (процессор, сопроцессор, оперативная память), соединяются с остальными устройствами единой магистралью - шиной. Устройства, связанные с процессором через шину, а не напрямую, называют периферийными.Шина представляет собой канал передачи данных в виде проводников на печатной плате или многожильного кабеля. Процессор, сопроцессор, память и шина с разъемами для подключения периферийных устройств размещаются на единой плате, называемой материнской или основной. 

Конфигурация- состав устройств, подключенных к компьютеру. Порт- точка подключения внешнего устройства к компьютеру. Почему именно так устроен компьютер? Потому что в таком случае он превращается в подобие детского конструктора- его можно собрать из любых устройств, имеющихся на рынке (в том числе и произведенных различными фирмами). 

Преимущества открытой архитектуры заключаются в том, что пользователь получает возможность: 1) выбрать конфигурацию компьютера. 2) расширить систему, подключив к ней новые устройства. 3) модернизировать систему, заменив любое из устройств более новым. 

Компьютер условно можно разделить на две части:  центральная (внутренняя) часть;  внешняя часть (периферия).

Центральная часть обычно состоит из следующих компонентов:

ü  процессор;

ü  системная плата;

ü  запоминающие устройства;

арифметическо-логическое устройство (АЛУ); память в виде набора регистров. 

УУ предназначено для управления работой всех компонентов компьютера и обеспечения должного взаимодействия различных компонентов друг с другом. 

АЛУ предназначено для исполнения арифметических и логических операций. 

Регистры – это электронные цифровые устройства для временного запоминания информации в форме двоичного числа или кода. 

В настоящее время под словом «процессор» подразумевают микросхему, которая, кроме собственно центрального процессора (CPU), может содержать и другие узлы – например, кэш-память или внутренний сопроцессор (FPU).

Сопроцессор - это специализированная интегральная схема, которая работает в содружестве с ЦП, но менее универсальна. Сопроцессор предназначен для выполнения специфического набора функций, например: выполнение операций с вещественными числами - математический сопроцессор, подготовка графических изображений и трехмерных сцен - графический сопроцессор, цифровая обработка сигналов - сигнальный сопроцессор и др.

Процессор может обрабатывать только те данные, которые находятся в основной памяти. Основная память компьютера предназначена для кратковременного или долговременного хранения информации - кодов команд (инструкций) процессора и данных. Информация в памяти хранится в двоичных кодах. Минимальная единица хранения информации - бит. Минимально адресуемой единицей памяти является байт. Таким образом, каждые восемь бит памяти имеют свой уникальный адрес, который представляет собой двоичное число определенной разрядности, определяемой видом процессора. 

1    байт = 8 битам;

2    байта = 1 полуслову = 16 битам;

4 байта = 1 слову = 32 бита;

8 байта = 1 двойному слову = 64 бита;

Основная память обычно состоит из двух частей: оперативное запоминающее устройство (ОЗУ, RAM); постоянное запоминающее устройство (ПЗУ, ROM). 

ОЗУ обеспечивает чтение находящихся в нем данных и запись в него новых данных. В ПК ОЗУ обычно реализуется как энергозависимая память, т.е. такая память, содержимое которой уничтожается при выключении ПК.

ПЗУ обеспечивает только чтение данных, которые однажды были туда записаны. Таким образом, содержимое ПЗУ не может быть изменено процессором, оно постоянно (отсюда и название этого вида памяти). Это устройство создается как энергонезависимая память: ее содержимое не уничтожается при выключении питания ПК. Запись нужных данных в ПЗУ осуществляется на специальных устройствах, вне ПК. В ПЗУ помещают обычно некоторые особо важные или не подлежащие изменению программы и разнообразные константы.

В ПЗУ хранится программное обеспечение (ПО), которое обеспечивает, при включении ПК, тестирование и инициализацию аппаратных средств, а также загрузку любого другого ПО из устройств хранения информации. Эта часть называется базовой системой ввода/вывода (BIOS). Обычно BIOS загружает операционную систему (ОС), основным назначением которой является запуск прикладных программ и предоставление им некоторых сервисов. 

Количество и тип сигналов, формируемых или воспринимаемых устройством ввода-вывода, как правило, отличаются от количества и характера сигналов, передаваемых и принимаемых по системной магистрали, с которой связаны все компоненты ПК. Поэтому устройства ввода-вывода нельзя непосредственно подключать к компьютеру. Соответствующий данному устройству ввода-вывода, интерфейсный блок обеспечивает должное согласование сигналов системной магистрали и устройства вводавывода.

Интерфейс – это устройство сопряжения двух устройств друг с другом с помощью аппаратных и программных средств. Интерфейсы обычно подразделяются на адаптеры и контроллеры.

Адаптер является средством сопряжения какого-либо устройства с какой-либо шиной компьютера. Контроллер служит тем же целям, но при этом подразумевается некоторая его активность, т.е. способность к самостоятельным действиям после получения команд от центрального процессора. Сложный контроллер может иметь в своем составе и собственный процессор. Термины «адаптер» и «контроллер» зачастую не разделяют, считая их почти синонимами. 

Системная шина (магистраль) обычно она содержит следующие шины:

адресная шина;            шина данных;        шина управления.

Каждая из них состоит из набора проводников, по которым процессор передает или принимает определенные электрические сигналы. Любая шина характеризуется разрядностью и скоростью передачи информации. 

Адресная шина предназначена для передачи цифрового адреса ячейки памяти, регистра или внешнего устройства.

Шина данных предназначена для передачи и приема данных.

Шина управления используется для передачи сигналов управления, которые сопровождают любую передачу адреса или данных.

Все компоненты центральной части компьютера находятся на системной плате (system board), иногда называемой материнской (mother board), основной или главной платой (main board).

Системные платы отличаются друг от друга форм-факторами.

Форм-фактор (form factor) представляет собой физические параметры платы и определяет тип корпуса, в котором она может быть установлена.

Существует несколько наиболее распространенных форм-факторов, учитываемых при разработке системных плат. Форм-факторы системных плат бывают двух типов:

нестандартные; стандартные (взаимозаменяемые). Нестандартные форм-факторы являются препятствием для модернизации компьютера. Современные форм-факторы, в основном, являются промышленным стандартом, гарантирующим совместимость каждого типа плат. Это означает, что системная плата, например, ATX, может быть заменена другой платой того же типа.

Вся центральная часть компьютера находится в корпусе. Центральная часть компьютера и сам корпус составляют системный блок. Корпус - внешняя оболочка системного блока персонального компьютера, защищающая его внутренние элементы от механических повреждений. В корпусе размещены специальные крепления для всех составляющих системного блока. 

Как правило, на корпусе системного блока располагаются несколько кнопок для управления компьютером (включить/выключить, перезагрузить), светодиодные и цифровые индикаторы режимов работы, встроенный динамик и выключатель питания

(Power). 

Системный блок компьютера должен быть достаточно большим, чтобы в нём умещались все компоненты компьютера, и ещё оставалось место для дополнительного оборудования. Очень важно, чтобы он был стандартным, чтобы дополнительные элементы ПК подходили по размеру. Основной параметр, определяющий «стандартность» корпуса, называется форм-фактором. Форм-фактор для компьютеров может определяться как для самого корпуса, так и для устанавливаемой в него материнской платы.

Сегодня существуют два стандарта на размещение компонентов компьютера в корпусе: АТХ и ВТХ.

 Блок питания компьютера относится к корпусу и продается вместе с ним. В ПК обычно используются стабилизированные напряжения +12, –5 и +5 В. Этот набор напряжений может изменяться для различных классов микрокомпьютеров. Задача источника питания состоит в формировании этих напряжений. Блок питания имеет соответствующие данному корпусу характеристики, в частности необходимую для всех возможных устройств максимальную мощность и определенное количество разъемов питания. Он должен быть достаточной мощности, чтобы питать все компоненты внутри системного блока. Его вторая функция — вентиляция и охлаждение всей системы. 

Многие компоненты, особенно сам блок питания, центральный процессор и жесткий диск, сильно разогреваются во время работы. Если не обеспечить надежную вентиляцию, возможны отказы из-за перегрева.

Кроме перечисленного выше периферийного оборудования, существуют разнообразные модемы, адаптеры и другое оборудование.

Модем (модулятор-демодулятор) служит для передачи информации на большие расстояния с использованием выделенных и коммутируемых телефонных линий.

Сетевые адаптеры служат для объединения компьютеров в локальные сети (ЛВС). Для локальных сетей прокладывается специальная кабельная система, и положение возможных точек подключения абонентов ограничено этой кабельной системой.

Локальные сети можно объединять в крупномасштабные сети. 

Звуковые адаптеры служат для моно- или стерео записи и воспроизведения звука.

Game-порт служит для подключения игровых устройств, например: джойстик.

К внешним интерфейсам может подключаться довольно большой спектр устройств:«мышь», «трекбол», внешний модем и т.д. на COM порт, принтеры, внешние накопители, и т.п. на LPT порт.

При подключении оборудования к ПК, необходимо сообщить компьютеру, как работать с этим устройством. Для этого существуют драйвера. Драйверы устройств - это программы, управляющие аппаратурой. Они показывают специфические характеристики и особенности периферийных устройств. Определены правила, по которым можно общаться с драйвером. Обычно определяются механизмы загрузки, инициализации и выгрузки, и точки входа в драйвер. Основные характеристики компьютеров.

Производительность (быстродействие) ПК – возможность компьютера обрабатывать большие объёмы информации. Определяется быстродействием процессора, объёмом ОП и скоростью доступа к ней (например, Pentium III обрабатывает информацию со скоростью в сотни миллионов операций в секунду). 

Производительность (быстродействие) процессора – количество элементарных операций выполняемых за 1 секунду.

Тактовая частота процессора (частота синхронизации) - число тактов процессора в секунду, а такт – промежуток времени (микросекунды) за который выполняется элементарная операция (например, сложение). Таким образом, тактовая частота - это число вырабатываемых за секунду импульсов, синхронизирующих работу узлов компьютера. Именно ТЧ определяет быстродействие компьютера

Разрядность процессора – максимальная длина (количество разрядов) двоичного кода, который может обрабатываться и передаваться процессором целиком. Разрядность связана с размером специальных ячеек памяти – регистрами. Регистр в 1 байт (8бит) называют восьмиразрядным, в 2 байта – 16-разрядным и т.д.  Высокопроизводительные компьютеры имеют 8-байтовые регистры (64 разряда)

Время доступа - быстродействие модулей ОП, это период времени, необходимый для считывания min порции информации из ячеек памяти или записи в память.

      -9         .

Современные модули обладают скоростью доступа свыше 10нс (1нс=10 с)

Объем памяти (ёмкость) –  максимальный объем информации, который может храниться в ней.

Плотность записи – объем информации, записанной на единице длины дорожки (бит/мм).

Скорость обмена информации – скорость записи/считывания на носитель, которая определяется скоростью вращения и перемещения этого носителя в устройстве

Многообразие компьютеров.

Говоря о многообразии компьютеров, можно обратиться к их классификации по обобщенному признаку, где учтены несколько характерных особенностей:

•       назначение и роль компьютеров при обработке информации;

•       условия взаимодействия человека и компьютера;

•       габариты компьютера;

•       ресурсные возможности компьютера.

В классе больших компьютеров  можно выделить две группы- серверы и суперкомпьютеры. Сервер (server) представляет собой мощный компьютер, используемый в вычислительных сетях, который обеспечивает обслуживание подключенных к нему компьютеров и выход в другие сети. На сервере хранятся большие объемы информации, которыми пользуются подключенные к нему компьютеры. В наши дни это направление компьютерной техники интенсивно развивается. К серверу предъявляются повышенные требования по быстродействию надежности   работы.   В   нем   должна  быть   предусмотрена   возможность  резервирования всей хранимой информации. Профилактические и ремонтные                 работы должны проводиться без его остановки и отключения других компьютеров.

В зависимости от назначения выделяют такие типы серверов: сервер приложений*, файл-сервер*, архивационный сервер*, факс-сервер*, почтовый сервер*, сервер печати,* сервер телеконференций*. Любой компьютер, если установить на нем соответствующее сетевое программное обеспечение, может стать сервером. Кроме того, один компьютер способен одновременно выполнять несколько функций — быть, к примеру, почтовым сервером, сервером новостей, сервером приложений и т. д.

Суперкомпью́ тер (англ. supercomputer, СуперЭВМ) — вычислительная машина, значительно превосходящая по своим техническим параметрам большинство компьютеров.

В суперкомпьютерах используется мультипроцессорный* (многопроцессорный)   принцип обработки информации или конвейерный*. 

Из семейства малых компьютеров можно выделить три подкласса, отражающие различные направления их развития: персональные, портативные, промышленные.  

Персона́льный компью́ тер (англ. personal computer), персона́льная ЭВМ — компьютер, предназначенный для личного использования, цена, размеры и возможности которого удовлетворяют запросам большого количества людей. Созданный как вычислительная машина, компьютер, тем не менее, всё чаще используется как инструмент доступа в компьютерные сети и как платформа для компьютерных игр.

Класс портативных компьютеров в настоящее время является самым престижным в мире. Самый распространенный компьютер из этого класса- ноутбук. Ноутбук (англ. notebook — блокнот, блокнотный ПК) — портативный персональный компьютер, в корпусе которого объединены типичные компоненты ПК, включая дисплей, клавиатуру и устройство указания (обычно сенсорная панель, или тачпад). Наименьшими из этого класса являются КПК- карманные персональные компьютеры*. Большое распространение получили коммуникаторы(смартфоны), совмещающие в себе функции КПК и мобильного телефона.

Промышленные компьютеры предназначены для использования в производственных условиях. Они встраиваются в технологический процесс производства какой- нибудь продукции, осуществляют управление технологическими линиями и станками. К ним предъявляются повышенные требования по надежности работы, при их изготовлении придерживаются стандарта, называемого евромеханикой.

Многообразие внешних устройств, подключаемых к компьютеру.

Внешние устройства, подключаемые к компьютеру. 

Устройства ввода 

Клавиатура – клавишное устройство для ввода числовой и текстовой информации; 

Стандартная клавиатура содержит:

1)                    набор алфавитно-цифровых клавиш;

2)                    дополнительно управляющие и функциональные клавиши;

3)                    клавиши управления курсором;

4)                    малую цифровую клавиатуру

Координатные устройства ввода - манипуляторы для управления работой курсора (мышь, трекбол, тачпад, джойстик).

Сканер – устройство ввода и преобразования в цифровую форму изображений и текстов. Существуют планшетные и

      ручные           сканеры.

Цифровые камеры  – формируют любые изображения сразу в компьютерном формате;

Микрофон – ввод звуковой информации. Звуковая карта преобразует  звук из аналоговой формы в цифровую.

Сенсорные устройства ввода:

Сенсорный экран -  чувствительный экран.  Общение с компьютером осуществляется путем прикосновения пальцем к определенному месту экрана.  Им оборудуют места операторов и диспетчеров, используют в информационно-справочных системах

Дигитайзер – устройство преобразования готовых (бумажных) документов цифровую форму

Световое перо – светочувствительный элемент. Если перемещать перо по экрану, то можно им рисовать. Обычно применяют в карманных компьютерах, системах проектирования и дизайна

Устройства вывода

Монитор (дисплей) - универсальное устройство визуального отображения всех видов информации.

 Разрешающая способность монитора выражается количеством элементов изображения по горизонтали и вертикали. Элементами графического изображения считаются точки – пиксели. Элементами текстового режима также являются символы. 

Существуют: 

1) мониторы на базе электронно-лучевой трубки (CRT). 2) жидкокристаллические мониторы (LCD) на базе жидких    кристаллов.   Жидкие          кристаллы      –          особое состояние некоторых органических веществ, в котором

они обладают текучестью и свойством образовывать пространственные структуры, подобные кристаллическим. Жидкие кристаллы могут изменять свою структуру и светооптические свойства под воздействием электрического напряжения.

Принтер – устройство для вывода информации в виде печатных копий текста или графики. Существуют:

Лазерный принтер – печать формируется за счет эффектов ксерографии Струйный принтер – печать формируется за счет микро капель специальных чернил.

Матричный принтер – формирует знаки несколькими иголками,

расположенными в головке принтера. Бумага втягивается с помощью вала, а между бумагой и головкой принтера располагается красящая лента.

Плоттер (графопостроитель) – устройство, которое чертит графики, рисунки и диаграммы под управлением компьютера. Изображение получается с помощью пера. Используется для получения сложных конструкторских чертежей, архитектурных планов, географических и метеорологических карт, деловых схем.

Акустические колонки и наушники – устройство для вывода звуковой

информации. Виды программного обеспечения компьютеров.

Информация в компьютере хранится в файлах. Для удобства поиска нужного файла и размещения информации, относящейся к какой-либо задаче (теме, пользователю), создаются каталоги (директории). 

Файл - поименованная область памяти компьютера, где может храниться информация (тексты программ, документы, готовые к выполнению программы и т. д.).

Имя файла состоит из двух частей: собственно имени файла и расширения от одного до трех символов, указывающего тип файла. 

Папка (директория, каталог) - это специальное место на диске, в котором хранятся имена файлов, сведения о размере файлов, времени их последнего обновления и т. д. 

Программное обеспечение - совокупность программных средств для обеспечения нормальной работы вычислительной системы, подразделяется на общее и прикладное программное обеспечение. 

Общее программное обеспечение.

1.       Операционная система - это комплекс программ, обеспечивающий управление компьютером как единым целым, его взаимодействие с окружающей средой (человеком, прикладными программами, другими системами). 

Операционная система является главной частью системного программного обеспечения. 

2.       Системы программирования включают в себя язык программирования, средства для удобства редактирования текстов программ, а также методы отладки программ и различные сервисные функции для облегчения труда программиста. 

3.       Программы технического обслуживания предназначены для нормализации работы компьютера, периферийных устройств, форматирования и восстановления дисков, также к ним относятся антивирусные программы и другие средства, используемые инженерами по эксплуатации компьютерной техники. 

Прикладное программное обеспечение

Средства проектирования 

1.                       Системы управления базами данных (СУБД) - специальные программные продукты для создания и работы с базами данных. Базы данных (БД) - это интегрированный и структурированный набор данных, относящихся к какой-либо области или задаче. 

2.                       Системы искусственного интеллекта - раздел информатики, занимающийся вопросами имитации мышления человека с помощью компьютера 

3.                       Системы автоматического проектирования (САПР) - комплекс технических и программных средств, позволяющих создавать всю необходимую конструкторскую и технологическую документацию на отдельные изделия, здания, сооружения. 

4.                       Системы электронного документооборота  

5.                       Информационное хранилище - это автоматизированная система, которая собирает данные из существующих баз и внешних источников, формирует, хранит и эксплуатирует информацию как единую. 

6.                       Геоинформационная система - это информационная система, обеспечивающая сбор, хранение, обработку, доступ, отображение и расположение пространственнокоординатных данных. 

Средства использования 

1.                       Электронные таблицы. 

2.                       Графический редактор - комплекс программ, направленный на обработку изображений компьютерной графики. 

3.                       Текстовый редактор

4.                       Электронная почта - специальный пакет программ для хранения и пересылки сообщений между пользователями ЭВМ. 

5.                       Видеоконференция - сетевая технология, позволяющая участвовать в дискуссии одновременно сразу нескольким пользователям и видеть на мониторе своего компьютера взявшего слово участника. 

6.                       Корпоративные информационные системы - это автоматизированные системы управления крупными, территориально рассредоточенными предприятиями, имеющими несколько уровней управления, построенные посредством новейших информационных технологий. 

Данный список не может быть полным и окончательным. К прикладным программным средствам использования можно отнести игровые и обучающие программы, различные видеотренажеры, программы цифровой обработки звука и т. д. 

Литература

1. Пятибратов А.П., Гудыно Л.П., Кириченко А.А. Вычислитель­ные системы, сети и телекоммуникации. — М.: Финансы и статистика, 1998.
2. Айден К., Колесниченко О., Крамер М., Фибельман X., Шиши-гин И. Аппаратные средства PC. 2-е издание. - СПб.: BHV-Санкт-Петербург, 1998.
3. Фигурнов В.Э. IBM PC для пользователя. 5-е. изд. - СПб.: НПО «Информатика и компьютеры», 1994.
4. Нортон П. Программно-аппаратная организация компьютера IBM PC.-М.: Айсберг, 1991.
5. Нанс Б. Компьютерные сети. - М.: Бином, 1996.
6. Фролов А.В-, Фролов Г.В. Сети компьютеров в вашем офисе. -М.: Диалог-МИФИ, 1995.
7. Богуславский Л.Б., Дрожинов В.М. Основы построения вычис­лительных систем для автоматизированных систем. — М.: Энергоатомиздат, 1990.
8. Протоколы информационно-вычислительных сетей. Справочник. /Под ред. Мизина М.А., Кулешова А.П. - М.: Радио и связь, 1990.
9. Блек Ю. Сети ЭВМ. Протоколы, стандарты, интерфейсы. - М.: Мир, 1990.
10. Бертсекас Д., Галачер Р. Сети передачи данных. - М.: Мир, 1989.
11. Кучин С. “Архитектура компьютера // H&S”1995-4.
12. Юров В. Assembler: учебный курс – СПб: Питер Ком, 1999