Название: Информатика. Алгоритмический язык Фортран - учебное пособие (Худяков Д.С., Саблина Г.В.)

Жанр: Информатика

Просмотров: 3010


1.1. принцип работы компьютера

 

В самых общих чертах работа компьютера выглядит следующим образом. С помощью внешнего устройства в память вводится программа, подлежащая исполнению. Центральный процессор считывает содержимое памяти, где находится первая команда (инструкция) программы и исполняет ее, затем выполняется вторая команда и т.д. до окончания работы программы. При этом последовательность выполнения команд может изменяться в зависимости от выполнения определенных условий, предусмотренных в программе, что позволяет реализовывать сложные программы, имеющие разветвления и циклы. Команды могут также осуществлять чтение данных из памяти, запись результатов выполнения в память, а также вывод результатов на внешние устройства. Все это осуществляется центральным процессором без вмешательства человека.

Теперь более подробно опишем основные компоненты PC и укажем наиболее важные с точки зрения пользователя характеристики этих компонентов.

Центральный процессор или микропроцессор – «мозг» PC – непосредственно исполняет компьютерные программы, представленные в виде последовательности команд процессора. Полный набор команд образует систему команд микропроцессора, которую можно разбить на четыре основных типа: арифметические и логические команды; команды управления; команды внутренней пересылки; команды ввода-вывода. Все разнообразие программ, используемых на PC, в конечном счете представляется в виде команд микропроцессора, т.е. на машинном языке, поскольку только в таком виде они могут быть выполнены. Каждая команда микропроцессора (например, сложение) представляется в виде последовательности неделимых элементарных операций (тактов). Поэтому важнейшей характеристикой микропроцессора и компьютера в целом является тактовая частота, которая показывает, сколько тактов микропроцессор выполняет в одну секунду. Тактовая частота измеряется в мегагерцах (МГц), т.е. в миллионах тактов в секунду.

Для первых персональных компьютеров IBM модели 286 тактовая частота составляла 6 МГц. Для современных персональных компьютеров она составляет уже тысячи МГц (2005 г.).

Память компьютера состоит из двух частей – оперативной и внешней памяти. Каждый тип памяти характеризуется двумя основными параметрами – объемом информации, которая может быть там размещена, и временем доступа к информации. Оперативная память имеет меньший объем и значительно меньшее время доступа к информации, нежели внешняя память.

Любая информация в памяти, будь то данные или тексты программ, представлены в закодированном виде. 8 бит информации, т.е.

8 двоичных разрядов, образуют 1 байт информации, 1 байт является минимальным объемом информации, которая может быть считана из памяти или записана в память. С помощью 1 байта можно закодировать любой символ из набора в 256 различных символов. Поэтому 1 байта достаточно для кодирования алфавитов любых европейских языков, а также для кодирования ряда специальных символов, в частности знаков препинания. Например, одна страница текста стандартного формата имеет приблизительно 2000 знаков и требует приблизительно 2000 байт. Для характеристики объема памяти используют единицы – 1 Кбайт (килобайт) = 1024 байт, 1 Мбайт (мегабайт) = 1024 Кбайт,

1 Гбайт (гигабайт) = 1024 Мбайт.

Оперативная память является очень важной частью компьютера. Для выполнения программы должны быть сначала загружены в оперативную память, поскольку микропроцессор непосредственно может взаимодействовать только с ней.

Стандартный объем оперативной памяти для первых компьютеров IBM PC составлял несколько десятков килобайт, сейчас (2005 г.) он составляет как минимум сотни мегабайт.

Важнейшей характеристикой, влияющей на быстродействие компьютера, является время доступа к информации в оперативной памяти, поскольку при выполнении программ идет постоянный процесс записи и считывания из памяти. Поэтому при большой тактовой частоте и относительно большом времени доступа реальное быстродействие будет определяться временем доступа и может оказаться неудовлетворительным. В современных компьютерах время доступа к оперативной памяти приблизительно равно 10–8 с (2005 г.). Поэтому для обеспечения более быстрого доступа к памяти используется «сверхоперативная» или кэш-память относительно небольшого объема (обычно от 64 до 1024 Кбайт), которая имеет время доступа значительно меньше, нежели оперативная память. В кэш-памяти хранится наиболее часто используемая информация, и при обращении микропроцессора к памяти сначала производится поиск данных в кэш-памяти, в результате чего среднее время доступа к памяти уменьшается.

Внешняя память на PC реализована в виде накопителя на жестком магнитном диске (винчестере) и предназначена для постоянного хранения информации: программ операционной системы, прикладных программ, текстовых редакторов, трансляторов с языков программирования и т.д.

Для первых компьютеров IBM объем внешней памяти (диска) составлял десятки мегабайт (хотя в самых первых моделях он и вовсе отсутствовал, а в качестве внешнего накопителя использовались гибкие диски – дискеты), а сейчас (2005 г.) может достигать величины сотен гигабайт. Время доступа к информации на диске составляет приблизительно 10–2 с. Поэтому частое обращение к диску может существенно увеличить время выполнения программ.

Опишем основные внешние устройства компьютера.

1. Клавиатура – предназначена для управления и ввода символов в компьютер.

2. Монитор (дисплей) – предназначен для отображения текстовой и графической информации.

3. Мышь – специальное устройство, упрощающее ввод информации в компьютер.

4. Принтер – предназначен для вывода на печать текстовой и графической информации.

5. Сканер (выполняет обратную выводу функцию) – предназначен для ввода текстовой и графической информации с печатных носителей.

6. Накопители на гибких магнитных дисках (дискетах) – предназначены для ввода-вывода информации в компьютер, создание резервных копий текстов, программ и т.д., переноса информации между PC. На компьютере обычно имеется дисковод 3,5 дюйма. Дискеты размером 3,5 дюйма имеют емкость 1,4 Мбайт. В настоящее время все чаще используются и другие типы дисковых накопителей и накопителей на постоянной памяти емкостью в сотни и даже тысячи мегабайт.

Операционная среда состоит из программ операционной системы и дополнительных программ, устанавливаемых пользователем для создания удобных средств при проведении работы на компьютере.

Программы операционной системы поставляются вместе с компьютером, загружаются в него после включения и предназначены для обеспечения пользователю определенного способа общения (интерфейса) с компьютером. Необходимость в использовании операционной системы связана с тем, что операции управления компьютером и его ресурсами являются операциями очень низкого уровня, а команды, которые нужны пользователю, состоят из многих сотен таких операций. Команды операционной системы предоставляют пользователю возможность управления компьютером с помощью команд высокого уровня. В настоящее время наиболее широко распространены операционные системы (ОС) фирмы Microsoft. Все ОС имеют следующие основные компоненты:

– файловую систему;

– командный язык;

– драйверы (программы) для взаимодействия с внешними устройствами.

Кратко опишем файловую систему.

Файл – это поименованная область на диске (винчестере) или дискете для постоянного хранения информации: программ, разного рода данных – текстов, изображений и т.д. Информация на магнитных дисках хранится только в файлах. Каждый файл имеет имя, состоящее, как правило, из двух частей: собственно имени и расширения. Имя файла может иметь от 1 до 8 символов в ОС MS-DOS и до 256 символов в ОС Windows, а расширение начинается с точки, за которой обычно следует от 1 до 3 символов в ОС MS-DOS (в ОС Windows может быть и больше). Например:

RESULT.DAT

prog.for

autoexec.bat

Расширение имени файла необязательно, но только файлы, имеющие расширения .com, .exe, .bat. могут быть программами, которые непосредственно выполняются компьютером.

Имена файлов регистрируются в каталогах (директориях), которые также имеют собственное имя, как правило, без расширения. В каждом каталоге может быть зарегистрировано сколько угодно файлов и других каталогов, которые также могут содержать файлы. Каждый каталог доступен пользователю через командный язык операционной системы – его можно просматривать, переименовывать содержащиеся в нем файлы, переносить их в другие каталоги и удалять.

Для того чтобы обеспечить более удобные средства работы с файловой системой, были разработаны специальные программы-обо-лочки. Наиболее популярными среди них являются программы Norton Commander, FAR Manager, Windows Commander и др.

Помимо программ общего назначения, каждому пользователю для своей конкретной работы целесообразно также использовать специальные программы и/или создавать программную среду для облегчения и ускорения процесса работы. Например, при работе с текстами целесообразно использовать специализированные программы-редак-торы, при написании программ на алгоритмических языках необходимо иметь программы-трансляторы для данного языка и удобные средства для запуска и отладки программ.