Вычислительная техника


СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Серия основана в 2001 году

Т.Л. Партыка, И.И. Попов

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

3-е издание, переработанное и дополненное



Рекомендовано Министерством образования и науки Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов учреждений среднего профессионального образования



znanium.com

Москва

2020

ИНФРА-М

УДК 004(075.32)
ББК 32.97я723
     П18



     Рецензенты:
        А.А. Емельянов — доктор экономических наук, профессор, заведующий кафедрой математических и инструментальных методов экономики Московской финансово-промышленной академии по IT-образованию;
        А.И. Надточий — кандидат технических наук, доцент кафедры проектирования автоматизированных информационных систем Российской экономической академии им. Г.В. Плеханова

     Партыка Т.Л.
П18     Вычислительная техника : учебное пособие / Т.Л. Партыка, И.И. По-
      пов. — 3-е изд., перераб. и доп. — Москва : ФОРУМ : ИНФРА-М, 2020. — 445 с. — (Среднее профессиональное образование).


          ISBN 978-5-00091-510-3 (ФОРУМ)
          ISBN 978-5-16-013559-5 (ИНФРА-М, print)
          ISBN 978-5-16-104853-5 (ИНФРА-М, online)


         Рассматриваются состав, характеристики, функции и структура технических средств обработки, хранения и передачи информации, в том числе виды информации и способы представления ее в ЭВМ; системы счисления, перевод чисел из одной системы счисления в другую; логические основы ЭВМ; элементарные логические функции; персональные компьютеры (процессоры, системы памяти, интерфейсы); накопители информации (магнитные ленты, диски, оптические накопители — CD/DVD, магнитооптические, твердотельные и другие альтернативные технологии); интерактивные устройства (терминалы с мониторами на ЭЛТ и плоскопанельными, манипуляторы, сенсорные экраны); мультимедийные системы (цифровое фото, видео, звук, мультимедийные проекторы); средства организации сетей и мобильных вычислений (сети, связь компьютеров, мобильные компьютеры — процессоры и интерфейсы расширения).
         Для бакалавров и учащихся колледжей, специализирующихся в области информатики и вычислительной техники.


УДК 004(075.32)
ББК 32.97я723


ISBN 978-5-00091-510-3 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-013559-5 (ИНФРА-М, print)

© Партыка Т.Л., Попов И.И., 2010
© Партыка Т.Л., Попов И.И., 2012,

с изменениями

ISBN 978-5-16-104853-5 (ИНФРА-М, online) © ФОРУМ, 2012

                Введение









   Средства вычислительной техники (СВТ) за последние полвека преобразили цивилизацию, вовлекая человечество в процесс информатизации, который охватывает все сферы, все отрасли общественной жизни, прочно входит в жизнь каждого человека, воздействует на его образ мышления и поведение*. Высокий уровень знаний и практических применений информации иавтоматизированных информационных технологий (АИТ) в различных предметных областях и сферах деятельности стимулировал формирование концепции перехода промышленно-развитых государств в новую форму существования — информационное общество, в котором решающую роль играют приобретение, хранение, распространение и использование знаний с широким использованием достижений научно-технического прогресса, позволяющего постоянно совершенствовать государственные, научные, общественные и персональные структуры, системы и т. п.
   Все большее число стран объявляют генеральной линией своего развития построение информационного общества. XXI в. объявлен веком информатизации. В России, как и в ряде других стран, имеется «Концепция формирования информационного общества». В ней определено, что в нашей стране в первой четверти XXI в. должны быть созданы основные черты и признаки информационного общества. При этом отмечается, что у России свои предпосылки перехода и свой специфичный путь, ибо она

   * Уже в 1980-е гг. темпы развития СВТ потрясали современников. Газета Washington Post того времени: «В 1953 г. ЭВМ с памятью 64 Кбайт стоила 1 млн долл., сейчас она стоит менее 1 тыс. долл. Если бы автомобили развивались в течение последних 20 лет теми же темпами, как компьютеры, то сегодня Роллс-Ройс стоил бы 3,0 долл., проходил миллион миль на галлоне бензина, развивал мощность лайнера фпееп Elisabeth, и два автомобиля помещались бы на кончике пера».

Введение

обладает великим культурным наследием и многонациональной самобытной культурой, располагает одной из лучших систем образования.
   СВТ являются важнейшим из факторов информатизации, которые включают в себя:
   • СВТ (аппаратурный фактор);
   • программные средства и системы (программный фактор);
   • информационный фактор — собственно информация, т. е. сигналы, сообщения, массивы данных, файлы и базы данных (БД);
   • интеллектуальные усилия и человеческий труд (человеческий, гуманитарный фактор).
   Перечисленные составляющие подобно классическим эконо-мическимфакторам производства (труд, капитал, земля):
   • взаимозаменяемы (одна и та же производительность может быть достигнута при различных сочетаниях факторов — математически это описывается кривой безразличия);
   • эффективность производства при увеличении одного из факторов, но при фиксированном вкладе остальных, увеличивается, но все медленнее и медленнее (математически — закон убывающей производительности), что требует гармоничного развития всех составляющих, и не последняя роль здесь отводится человеческому фактору. В частности, пользователь должен соответствовать уровню информационных технологий.
   Перечисленные факторы соответствуют также историческим этапам развития информатизации. Можно выделить следующие фазы, на каждой из которых доминирует какой-либо из упомянутых факторов:
   • технический период, в течение которого сложились основные представления о структуре универсальных электронных вычислительных машин (ЭВМ), определились архитектура и типы устройств — с 1946 по 1964 г. (приблизительно);
   • программный период — выработалась современная классификация программных средств, их структур и взаимосвязей, сложились языки программирования, разработаны компиляторы и принципы процедурной обработки — с 1954 по 1970 г.;
   • информационный период — в центре внимания исследователей и разработчиков оказываются структуры данных, язы

Введение

5

     ки описания (ЯОД) и манипулирования (ЯМД) данными, непроцедурные подходы к построению систем обработки информации — с 1970 г. по настоящее время;
   • гуманитарный период, связанный с резким возрастанием круга пользователей АИТ и повышением роли интерфейсных и навигационных возможностей соответствующих систем (с начала 90-х гг. прошлого века). Традиционные АИТ были подчинены производителю информации и доводили одинаковое содержание до всех адресатов. Новые АИТ направлены на индивидуального пользователя, предоставляя возможность получения информации, нужной именно ему.
   Конечно, данная периодизация условна, и говорить об окончании технического периода или исчерпании пределов развития не приходится. Именно СВТ развиваются наиболее высокими темпами, увлекая за собой остальные факторы информатизации.
   Настоящее учебное пособие посвящается данной проблематике.
   В первой главе рассматриваются история развития вычислительных устройств и приборов, вопросы кодирования информации, обработки в ЭВМ, передачи по каналам связи. Рассмотрены элементы матлогики и их связь с компонентами и узлами ЭВМ, узлы ЭВМ, технологии электронных схем, основные понятия алгоритмов и программ.
   Вторая глава посвящается проблематике архитектур и структур средств вычислительной техники, рассматриваются классы вычислительных машин и систем, основные представления об архитектуре ЭВМ, вычислительных систем (ВС). Значительное внимание уделяется классам и структурам компьютерных сетей и телекоммуникационных технологий.
   В главе 3 рассматриваются такие важнейшие компоненты вычислительных средств, как процессоры и оперативная память. Описываются структуры, классы и архитектуры процессоров, эволюция процессоров Intel, AMD, Cyrix, а также прочих приборов, образующих ПК (набор микросхем системной платы — чипсет). Далее описываются иерархия оперативной памяти, конкретные системы и реализация систем основной памяти.
   В четвертой главе значительное внимание уделяется интерфейсам ПК, в том числе внутренним интерфейсам, интерфейсам периферийных устройств, внешним интерфейсам и интерфейсам центральных процессоров. Рассматриваются также системы связи и мобильных вычислений, в том числе каналы передачи и те

Введение

лекоммуникация, цифровые и мобильные системы связи, компьютерные сети (локальные, глобальные, беспроводные).
   В главе 5 осуществляется рассмотрение периферийных устройств. Это — накопители массивов информации (внешние ЗУ), в том числе на магнитных лентах, магнитных дисках, сменных носителях, DVD. Рассматриваются устройства массового ввода-вывода текстовой и графической информации — принтеры, сканеры, плоттеры, дигитайзеры, — а также средства интерактивного взаимодействия, в том числе мониторы на основе ЭЛТ, плоскопанельные мониторы, сенсорные мониторы и манипуляторы. Значительное внимание уделено вопросам обработки и представления мультимедийной информации.
   Настоящее учебное пособие базируется на материалах, накопленных авторами в процессе практической, исследовательской, а также преподавательской (МИФИ, МИСИ, РГГУ, РЭА им. Г.В. Плеханова, МФПА) деятельности. Авторы выражают благодарность рецензентам, а также коллегам, принявшим участие в обсуждении материала, — А.Г. Романенко (РГГУ), К.И. Курбакову (РЭА им. Г.В. Плеханова), П.Б. Храмцову (РНИЦ «Курчатовский институт»), а также студентам РГГУ, МФПА, РЭА им. Г.В. Плеханова за предоставленные иллюстративные материалы.

Глава 1




                ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
                И УСТРОЙСТВА. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ










    Вплоть до XVII в. деятельность общества в целом и каждого человека в отдельности была направлена на овладение веществом, т. е. есть познание свойств вещества и изготовление сначала примитивных, а потом все более сложных орудий труда, вплоть до механизмов и машин, позволяющих изготовлять потребительские ценности.
    Затем в процессе становления индустриального общества на первый план вышла проблема овладения энергией — сначала тепловой, затем электрической, наконец, атомной. Овладение энергией позволило освоить массовое производство потребительских ценностей и, как следствие, повысить уровень жизни людей и изменить характер их труда.
    В то же время человечеству свойственна потребность выразить и запомнить информацию об окружающем мире — так появились письменность, книгопечатание, живопись, фотография, радио, телевидение. В истории развития цивилизации можно выделить несколько информационных революций — преобразование общественных отношений из-за кардинальных изменений в сфере обработки информации, информационных технологий. Следствием подобных преобразований явилось приобретение человеческим обществом нового качества.
    Информатика меняет всю систему общественного производства и взаимодействия культур. С наступлением информационного общества начинается новый этап не только научно-технической, но социальной революции. Меняется вся система информационных коммуникаций. Разрушение старых информационных связей между отраслями экономики, направлениями

Глава 1. Вычислительные приборы и устройства...

научной деятельности, регионами, странами усилило экономический кризис конца века в странах, которые уделяли развитию информатизации недостаточное внимание. Важнейшая задача общества — восстановить каналы коммуникации в новых экономических и технологических условиях для обеспечения четкого взаимодействия всех направлений экономического, научного и социального развития как отдельных стран, так и в глобальном масштабе.
    Современный компьютер — это универсальное, многофункциональное электронное автоматическое устройство для работы с информацией. Компьютеры в современном обществе взяли на себя значительную часть работ, связанных с информацией. По историческим меркам компьютерные технологии обработки информации еще очень молоды и находятся в самом начале своего развития. Компьютерные технологии сегодня преобразуют или вытесняют старые технологии обработки информации.




1.1. Вычислительные устройства и приборы, история вопроса


   Рассмотрим вначале табл. 1.1, в которой приведены краткие сведения об истории развития вычислительных средств и методов в лицах, событиях и объектах.


Таблица 1.1. Основные события в истории развития вычислительных методов, приборов, автоматов и машин

Лица, организации, изделия

Хронология и подробности

Джон Непер (1550-1617)

         Шотландец Джон Непер в 1614 г. опубликовал «Описание удивительных таблиц логарифмов». Он обнаружил, что сумма логарифма чисел a и b равна логарифму произведения этих чисел. Поэтому действие умножения сводилось к простой операции сложения. Также им разработан инструмент перемножения чисел - костяшки Непера. Он состоял из набора сегментированных стерженьков, которые можно было располагать таким образом, что, складывая числа, в прилегающих друг к другу по горизонтали сегментах получали результат их умножения. Таблицы Непера были позже «встроены» в удобное устройство, ускоряющее процесс вычисления, - логарифмическую линейку (Р. Биссакар, конец 1620г.)

1.1. Вычислительные устройства и приборы, история вопроса

9

Продолжение табл. 1.1

Лица, организации, изделия

Хронология и подробности

Вильгельм Шиккард (1592-1636)

Блэз Паскаль (1623 -1662)

Машина Б. Паскаля

Готфрид Вильгельм Лейбниц (1646-1716)

     Считалось, что первую механическую счетную машину изобрел великий французский математик и физик Б. Паскаль в 1642 г. Однако в 1957 г. Ф. Гаммер (ФРГ, директор Кеплеровского научного центра) обнаружил доказательства создания Вильгельмом Шиккардом механической вычислительной машины приблизительно за два десятилетия до изобретения Паскаля. Он назвал ее часы для счета. Машина предназначалась для выполнения четырех арифметических действий и состояла из следующих частей: суммирующего устройства; множительного устройства; механизма для промежуточных результатов. Суммирующее устройство состояло из зубчатых передач и представляло простейшую форму арифмометра.
     Однако эту простую и эффективную схему пришлось изобретать заново, так как сведения о машине Шиккарда не стали всеобщим достоянием


     В 1642 г., когда Паскалю было 19 лет, была изготовлена первая действующая модель суммирующей машины. Через несколько лет Блэз Паскаль создал механическую суммирующую машину («паскали-на»), которая позволяла складывать числа в десятичной системе счисления. В этой машине цифры шестизначного числа задавались путем соответствующих поворотов дисков (колесиков) с цифровыми делениями, результат операции можно было прочитать в шести окошках -по одному на каждую цифру. Диск единиц был связан с диском десятков, диск десятков - с диском сотен и т. д. Другие операции выполнялись с помощью довольно неудобной процедуры повторных сложений, и в этом заключался основной недостаток «паскалины». Изобретенный Паскалем принцип связанных колес явился основой, на которой строилось большинство механических вычислительных устройств







     В 1672 г., находясь в Париже, Лейбниц познакомился с голландским математиком и астрономом Христианом Гюйгенсом. Видя, как много вычислений приходится делать астроному, Лейбниц решил изобрести механическое устройство для расчетов. В 1673 г. он завершил создание механического калькулятора. Развив идеи Паскаля, Лейбниц использовал операцию сдвига для поразрядного умножения чисел. Сложение производилось на нем по существу так же, как и на «паска-лине», однако Лейбниц включил в конструкцию движущуюся часть (прообраз подвижной каретки будущих настольных калькуляторов) и ручку, с помощью которой можно было крутить ступенчатое колесо или - в последующих вариантах машины - цилиндры, расположенные внутри аппарата

Глава 1. Вычислительные приборы и устройства...

Продолжение табл. 1.1

Лица, организации, изделия

Хронология и подробности

         Развитие вычислительных устройств связано с появлением перфорационных карт и их применением. Появление же перфокарт связано с ткацким производством. В 1804 г. инженер Жозеф-Мари Жаккар (Жаккард) построил полностью автоматизированный станок (станок Жаккара), способный воспроизводить сложнейшие узоры тканей. Работа станка программировалась с помощью колоды перфокарт, каждая из которых управляла одним ходом челнока. Переход к новому рисунку происходил заменой колоды перфокарт

Жозеф-Мари Жаккар (1775-1834)

Чарльз Бэббидж (1791-1871)

Фрагмент разностной машины Ч. Бэббиджа

    Он обнаружил погрешности в таблицах логарифмов Непера, которыми широко пользовались при вычислениях астрономы, математики, штурманы дальнего плавания. В 1821 г. приступил к разработке своей вычислительной машины, которая помогла бы выполнить более точные вычисления. В 1822 г. была построена разностная маш и -н а (пробная модель), способная рассчитывать и печатать большие математические таблицы. Это было очень сложное, большое устройство, предназначенное для автоматического вычисления логарифмов. Работа модели основывалась на принципе, известном в математике как «метод конечных разностей»: при вычислении многочленов используется только операция сложения и не выполняется умножение и деление, которые значительно труднее поддаются автоматизации. Он построил миниатюрный вариант, а большая машина, которая рисовалась его воображению, так и не была завершена. Части ее, вроде той, что изображена здесь, хранятся в научном музее (Южный Кенсингтон).
    В последующем он пришел к идее создания более мощной машины-аналитической. Она не просто должна была решать математические задачи определенного типа, а выполнять разнообразные вычислительные операции в соответствии с инструкциями, задаваемыми оператором. По замыслу это не что иное, как первый универсальный программируемый компьютер. Аналитическая машина в своем составе должна была иметь такие компоненты, как «мельница» (арифметическое устройство по современной терминологии) и «склад» (память). Инструкции (команды) вводились в аналитическую машину с помощью перфокарт (использовалась идея программного управления Жаккара с помощью перфокарт). Шведский издатель, изобретатель и переводчик Пер Георг Шойц, воспользовавшись советами Бэббеджа, построил видоизмененный вариант этой машины. 1855 г. - машина Шойца была удостоена золотой медали на Всемирной выставке в Париже. В дальнейшем один из принципов, лежащих в основе идеи аналитической машины, - использование перфокарт, - нашел воплощение в статистическом табуляторе, построенном американцем Германом Холлеритом (для ускорения обработки результатов переписи населения в США в 1890 г.)