Конфигурация системы

Конфигурация системы 

Современная компьютерная система содержит центральный процессор, первичное и вторичное устройства хранения данных (память), устройства ввода  и вывода, а также коммуникационные устройства (см. Рис. 1.1).

Рис. 1.1 Компоненты аппаратного  обеспечения компьютера. 
 
 

 В современном  компьютере можно выделить шесть  основных компонентов. Центральный процессор обрабатывает данные и управляет другими устройствами компьютера; первичная память хранит выполняющиеся в данный момент программы и обрабатываемые данные; вторичная память хранит программы и данные для дальнейшего использования; устройства ввода преобразуют данные и инструкции в форму, удобную для обработки в компьютере; устройства вывода представляют информацию, обработанную компьютером, в виде, удобном для человеческого восприятия; коммуникационные устройства управляют приемом и передачей данных в локальных и глобальных сетях.  
 

Центральный процессор  преобразует поток данных в удобную  для обработки форму, а также  управляет другими компонентами компьютерной системы. Первичное хранилище  данных временно хранит инструкции программы  и данные во время обработки. Вторичное  устройство хранения данных (магнитный  или лазерный диск, магнитная лента) хранит данные и программы, которые  не участвуют в обработке в  данный момент. Устройства ввода, такие  как клавиатура и мышь, преобразуют  данные и команды в электронную  форму, понятную компьютеру. Устройства вывода, такие как принтер и  монитор, преобразуют электронные  данные, представленные компьютером, и  отображают их в той форме, в какой  их могут понять люди. Коммуникационные устройства обеспечивают соединения между  компьютерами и компьютерными сетями. Шина (bus) – это устройство для передачи данных и сигналов между различными частями компьютерной системы.

Биты и байты: как  компьютер представляет данные 

Для того чтобы направить  информацию в компьютерную систему, необходимо, чтобы все символы, картинки, слова были переведены в форму, пригодную  для компьютерной обработки –  строку двоичных чисел. Каждое двоичное число  принимает значения 0 и 1. В  компьютере наличие электронного или  магнитного сигнала означает единицу, а отсутствие такого сигнала представляется как ноль. Двоичное число, представляющее собой наименьшую единицу информации, и принимающее значения 0 и 1, называется битом (bit). Компьютеры обрабатывают двоичные числа либо отдельно, либо строками, которые образуют байты.  Строка из восьми битов, которую компьютер хранит как отдельный символ или число, называется байтом (byte).  Каждый байт может быть использован для представления десятичного числа, символа, буквы, или части картинки (см.  Рис. 1.2). 

Рис. 1.2 Биты и байты

Один бит может  быть представлен одним из двух значений – 0 или 1. Строка из 8 битов составляет байт, которым можно представить  один символ – букву или цифру. Имя Alice представлено пятью байтами.  
 

На Рис. 1.3 показано, как десятичные числа представляются с помощью двоичных чисел. Каждый разряд в десятичном числе имеет  некоторое значение. Каждое число  в десятичной системе может быть представлено двоичным числом. Таблица  показывает, как осуществляется преобразование из двоичной системы в десятичную. Используя двоичную систему счисления, компьютер может представлять все числа как группы нулей и единиц. Двоичная система не может использоваться в компьютере напрямую, потому что, помимо представления чисел, компьютеру необходимо оперировать буквами, а также многими другими символами, используемыми в обычном языке, такими как $ и &. Эта необходимость заставила производителей компьютеров разработать стандарт двоичных кодов. 

Рис. 1.3 Представление  десятичных чисел в компьютере.

Каждое десятичное число может быть представлено двоичным. Двоичная система может выражать десятичное число как степень  числа 2  
 

Существуют два  стандарта кодировок: EBCDIC и ASCII. Первая была разработана IBM в 50-х годах. Она  представляет каждое число, букву, или  символ восемью битами. Вторая была разработана Американским Национальным Институтом Стандартов. ASCII была вначале 7-битной, но большинство компьютеров  используют ее 8-битные версии. EBCDIC используется в  больших универсальных компьютерах IBM и других производителей. ASCII используется для передачи данных в микрокомпьютерах и некоторых мэйнфреймах. На самом деле, обе кодировки содержат дополнительный девятый бит паритета, или бит проверки. Биты могут быть получены или переданы с ошибкой (т.е., могут содержать значение 1 вместо 0 или наоборот). Биты паритета используются для того, чтобы обнаруживать эти ошибки.

 Как компьютер  обрабатывает графику? Компьютер  хранит картинку как массив  точек. В этом массиве, или  матрице, компьютер выделяет ячейки  различного цвета и уровня  освещенности, называемые пикселями  (pixels). Компьютер хранит информацию о каждом пикселе. Компьютерный дисплей с высоким разрешением (1024х768 – стандартное разрешение большинства мониторов сегодня) отображает более чем 700000 пикселей.

Время и размеры  в мире компьютеров 

Таблица 1.1  отображает некоторые единицы измерения  времени и емкости хранилищ информации, которые используются для описания скорости и емкости современных  компьютерных систем.

Табл. 1.1 Время и  размеры в мире компьютеров.   

Время  

   

   

Секунда  

1  

Время, необходимое  для поиска данных на магнитной ленте, составляет 0,8 – 1,7 секунды  

Миллисекунда  

1/1 000 секунды  

Время, необходимое  для поиска данных на магнитном диске, составляет 0,7 – 0,9 миллисекунды  

Микросекунда  

1/1 000 000 секунды  

Скорость работы мэйнфрейма IBM – 1 операция за 0,1 микросекунду  

Наносекунда  

1/1 000 000 000 секунды  

Скорость работы суперкомпьютеров – 50 операций за 1 наносекунду  

Пикосекунда  

1/1 000 000 000 000 секунды  

Скорость экспериментальных  систем

Размеры  

   

 

Байт  

Строка из 8 битов   

Емкость хранилища  информации, достаточная для хранения одной буквы или цифры 

Килобайт  

1 000 байт*  

Емкость гибкого  магнитного диска – 1457 килобайт

Мегабайт  

1 000 000 байт  

Емкость ОЗУ современного микрокомпьютера – 64 мегабайта 

Гигабайт  

1 000 000 000 байт  

Емкость жесткого диска  – от 8 до 20 гигабайт

Терабайт  

1 000 000 000 000 байт  

Емкость баз данных большой организации – 3 терабайта  
 

* На самом деле  – 1024 байт.  

Скорость обработки  

Современные устройства вторичной памяти (магнитные ленты, диски и проч.) обычно работают на уровне миллисекунд (milliseconds) – тысячных долей секунды. Например, обычный микрокомпьютер может найти ваш файл, сохраненный на магнитном диске, примерно за 10 миллисекунд. В случае использования в качестве устройства хранения магнитной ленты (более медленного устройства хранения данных, чем магнитный диск), эта операция займет несколько секунд. (Причины такого различия обсуждаются позже в этой главе.)  Микрокомпьютер средней производительности может выполнять примерно 10 миллионов программных инструкций (далее – операций) в секунду или затрачивает 0.1 микросекунды (microsecond) на выполнение одной операции.  Центральный процессор в современных мэйнфреймах может выполнять более 200 миллионов операций в секунду (200 MIPS – Million Operations Per Second). Это уже уровень наносекунд (nanoseconds) – миллиардных долей секунды.

Емкость памяти и  хранилищ информации  

Емкость хранилищ информации, как и скорость обработки –  важный показатель системы. Информация хранится в компьютере в форме  нулей и единиц (двоичных чисел, или  битов), которые группируются, образовывая  байты. Один байт может хранить информацию об одном символе, например букве  А.  Тысяча байтов (в действительности, 1024) называется килобайтом (kilobyte). Когда-то микрокомпьютеры оснащались лишь 640 килобайтами памяти. Сегодня персональные компьютеры обычно имеют первичное хранилище информации емкостью 64 мегабайта. Мегабайт (megabyte)  – это примерно один миллион байт. Теоретически, это означает, что машина может хранить около 64 миллионов символов или чисел. Современные вторичные устройства хранения информации, такие как накопители на жестких дисках (hard disk drives) персональных компьютеров, или дисковые массивы больших компьютеров, хранят миллиарды байт информации. Современный персональный компьютер может содержать жесткий диск емкостью примерно 10 гигабайт, в мэйнфреймы устанавливают несколько дисковых накопителей, каждый емкостью около 70 гигабайт. Гигабайт (gigabyte) примерно равен одному миллиарду байт. Некоторые крупные организации, такие как Управление социального обеспечения или Налоговое управление, располагают системами хранения информации, емкость которых измеряется триллионами байт.

Проблемы координации  в аппаратном обеспечении  

Большие различия в  емкости и скорости основных элементов  компьютерных систем порождают проблемы координации. К примеру, в то время  как процессор работает на уровне микросекунд, а в некоторых случаях  и наносекунд, обычные принтеры работают на уровне от нескольких сотен до нескольких тысяч символов в секунду. Это  означает, что центральный процессор  может обрабатывать информацию намного  быстрее, чем принтер может ее напечатать. Поэтому, между процессором  и принтером помещаются дополнительные устройства, такие как память и  устройства хранения информации, чтобы  процессор не прекращал обработку  информации, ожидая пока принтер завершит свою работу.