Лекции групповых занятий для 11 групп.
Глава 1. Архитектура персонального компьютера.
1.1 Магистрально-модульное построение ПК.
1.2. Шины.
1.3 Микропроцессор.
1.4 Память.
1.5. Носители на магнитных дисках
1.6. Носители на оптических дисках.
1.7 Клавиатуры, мыши.
1.8 Мониторы.
1.9 Принтеры.
1.10 Сканеры.
Глава 2. Реляционные базы данных.
2.1 Теория проектирования баз данных
2.2 Наборы данных. Основные свойства, методы и события
2.3 Запросы
2.4 Введение в клиент-серверные БД. InterBase. IB Expert
2.5 Типы данных. Домены
2.6 Создание, модификация и удаление таблиц и представлений
2.7. Краткий курс языка запросов SQL
Магистрально-модульное построение ПК.
В основу архитектуры современных персональных компьютеров положен магистрально-модульный принцип. Модульный принцип позволяет потребителю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию. Модульная организация компьютера опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между модулями.
Обмен информацией между отдельными устройствами компьютера производится по трем многоразрядным шинам (многопроводным линиям), соединяющим все модули: шине данных, шине адресов и шине управления.
Разрядность шины данных связана с разрядностью процессора (имеются 8-, 16-, 32-, 64-разрядные процессоры).
Данные по шине данных могут передаваться от процессора к какому-либо устройству, либо, наоборот, от устройства к процессору, т. е. шина данных является двунаправленной. К основным режимам работы процессора с использованием шины данных можно отнести следующие: запись/чтение данных из оперативной памяти, запись/чтение данных из внешней памяти, чтение данных с устройства ввода, пересылка данных на устройство вывода.
Выбор абонента по обмену данными производит процессор, который формирует код адреса данного устройства, а для оперативной памяти код адреса ячейки памяти. Код адреса передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном направлении от процессора к оперативной памяти и устройствам, т. е. шина адреса является однонаправленной.
Разрядность шины адреса определяет объезд адресуемой процессором памяти. Имеются 16-, 20-, 24- и 32-разрядные шины адреса.
Каждой шине соответствует свое адресное пространство, т. е. максимальный объем адресуемой памяти:
В персональных компьютерах величина адресного пространства процессора и величина фактически установленной оперативной памяти практически всегда различаются.
В первых отечественных персональных компьютерах величина адресного пространства была иногда меньше, чем величина реально установленной в компьютере оперативной памяти. Обеспечение доступа к такой памяти происходило на основе поочередного (так называемого постраничного) подключения дополнительных блоков памяти к адресному пространству.
В современных персональных компьютерах с 32-разрядной шиной адреса величина адресуемой памяти составляет 4 Гб, а величина фактически установленной оперативной памяти значительно меньше и составляет обычно 16 или 32 Мб.
По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией (ввод/вывод), и сигналы, синхронизирующие взаимодействие устройств, участвующих в обмене информацией.
Аппаратно на системных платах реализуются шины различных типов. В компьютерах РС/286 использовалась шина ISA (Industry Standard Architecture), имевшая 16-разрядную шину данных и 24-разрядную шину адреса. В компьютерах РС/386 и РС/486 используется шина EISA (Extended Industry Standard Architecture), имеющая 32-разрядные шины данных и адреса. В компьютерах PC/ Pentium используется шина PCI (Peripheral Component Interconnect), имеющая 64-разрядную шину данных и 32-разрядную шину адреса.
Подключение отдельных модулей компьютера к магистрали на физическом уровне осуществляется с помощью контроллеров, адаптеров устройств (видеоадаптер, контроллер жестких дисков и т. д.), а на программном уровне обеспечивается загрузкой в оперативную память драйверов устройств, которые обычно входят в состав операционной системы.
Контроллер жестких дисков обычно находится на системной плате. Существуют различные типы контроллеров жестких дисков, которые различаются по количеству подключаемых дисков, скорости обмена информацией, максимальной емкости диска и др.
IDE — Integrated Device Electronics EIDE — Enhanced Integrated Device Electronics SCSI — Small Computers System Interface В стандартный набор контроллеров, разъемы которых имеются на* системном блоке компьютера, обычно входят:
— видеоадаптер (с помощью него обычно подключается дисплей);
— последовательный порт СОМ1 (с помощью него обычно подключается мышь);
— последовательный порт COM2 (с помощью него обычно подключается модем);
— параллельный порт (с помощью него обычно подключается принтер);
— контроллер клавиатуры.
Через последовательный порт единовременно может передаваться 1 бит данных в одном направлении, причем данные от процессора к периферийному устройству и в обратную сторону, от периферийного устройства к процессору, передаются по разным проводам. Максимальная дальность передачи составляет обычно несколько десятков метров, а скорость до 115 200 бод. Устройства подключаются к этому порту через стандартный разъем RS-232.
Через параллельный порт может передаваться в одном направлении одновременно 8 бит данных. К этому порту устройства подключаются через разъем Centronics. Максимальное удаление принимающего устройства обычно не должно превышать 3 м.
Подключение других периферийных устройств требует установки в компьютер дополнительных адаптеров (плат).
Шины.
Магистраль можно представить как пучок проводов, к которому подключены все модули. Любой модуль ЭВМ, посылая электрические сигналы, может передавать информацию другим модулям.
ЗАДАЧА ШИНЫ: Сопряжение между модулями ЭВМ.
ХАРАКТЕРИСТИКИ: 1. Пропускная способность.
2. Количество обслуживаемых устройств.
КЛАССИФИКАЦИЯ: 1. Многосвязный интерфейс (Каждый модуль ПК связан с прочими своими локальными проводами. Это простейшие машины).
2. Односвязный интерфейс (Все модули связаны через 1 общую шину).
Как происходит обмен информации?
а) Куда передать информацию? Для этого служит ШИНА АДРЕСА. Шина адреса – однонаправленная (микропроцессор решает вопрос о выборе устройства, которому посылается информация, и посылает ему по шине адреса об этом уведомление). Разрядность шины (количество проводов) определяет объем адресного пространства (V=2I, где V - объем адресного пространства, I – разрядность шины).
б) Какую передать информацию? Для этого служит ШИНА ДАННЫХ. Шина данных – двунаправленная. Разрядность шины определяет максимальную порцию информации, которую может считать или записать устройство за 1 такт.
в) Характер информации. Для этого служит ШИНА УПРАВЛЕНИЯ. Шина управления указывает характер записи, синхронизирует обмен и т.д.
ВИДЫ ШИН: Системная (материнская) плата; адаптеры; шлейфы.
Так как быстродействие различных модулей может быть различна, то между ними устанавливаются специальные схемы – ЧИПСЕТЫ (северный мост и южный мост).
СЕВЕРНЫЙ МОСТ – связывает микропроцессор и оперативную память с другими устройствами.
ЛОКАЛЬНАЯ ШИНА (PCI, VLB) – специальная шина, обслуживающая небольшое число устройств определенного класса.
ЮЖНЫЙ МОСТ – связывает северный мост с периферией.
ШИНА РАСШИРЕНИЙ (ISA, EISA) – шина общего назначения, может включать большое число устройств.
Микропроцессор.
Микропроцессор – устройство, выполняющее алгоритмическую (с помощью специальных команд, хранящихся в ПЗУ) обработку информации. Микропроцессор представляет собой отдельную интегральную схему.
ЗАДАЧИ: 1. Выполнение арифметических и логических операций.
2. Управление модулями ПК.
ХАРАКТЕРИСТИКИ: 1. Разрядность.
2. Тактовая частота.
КЛАССИФИКАЦИЯ: 1. CISC – архитектура с полным набором команд.
2. RISC – архитектура с упрощенным набором команд.
3. MISC – архитектура с минимальным набором команд.
4. WISC – архитектура с изменяемым набором команд.
Устройство МП.
МАТЕМАТИЧЕСКИЙ
СОПРОЦЕССОР
|
Выполняет арифметические операции.
|
|
И нтерфейсная часть МП.
Главный параметр – разрядность.
Разрядность МП уточняют – пишут 64/36, что означает наличие у МП 64-разрядной шины данных и 36-разрядной шины адреса.
|
|
|
|
АРИФМЕТИЧЕСКО-
ЛОГИЧЕСКОЕ
УСТРОЙСТВО
|
Выполняет арифметические и логические операции.
|
МИКРО
ПРОЦЕССОРНАЯ
ПАМЯТЬ
|
Хранит информацию на ближайшие 1-2 такта.
|
УСТРОЙСТВО
УПРАВЛЕНИЯ
|
Управляет работой устройств.
|
|
|
|
ГЕНЕРАТОР
ТАКТОВЫХ
ИМПУЛЬСОВ
|
Генерирует электрические импульсы. Главный параметр – тактовая частота.
|
Алгоритм работы МП.
ВЫБОРКА – счетчик команд получает номер команды, а устройство управления выбирает ее.
ДЕКОДИРОВАНИЕ – устройство управления декодирует выбранную команду.
ИСПОЛНЕНИЕ – устройство управления исполняет команду.
ВОЗВРАТ – возвращение к счетчику команд.
|
|
Схема сумматора.
|
Способы увеличения производительности МП.
Использование математического сопроцессора.
Использование 2, 4 и т.д. АЛУ (многоядерная технология).
-
Параллелизм.
-
Параллелизм команд.
Конвейер
Суперскалярный
-
Параллелизм МП.
Конвейер
Векторные
Матрица.
|
Память.
Память – физическое устройство или среда для хранения данных в течение определённого времени.
ЗАДАЧИ: 1. Хранение информации.
2. Оперативный обмен информацией.
ХАРАКТЕРИСТИКИ: 1. Быстродействие.
2. Информационная емкость (объем).
3. Энергозависимость (энергозависимая память теряет свое содержимое после отключения питания).
ИЕРАРХИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ПАМЯТИ:
|
Регистр находится в МП.
КЭШ находится между МП и ОЗУ.
Внутренняя память – это ПЗУ, ОЗУ.
Внешняя память – это магнитные диски, оптические диски, флэш и т.д.
По мере продвижения вниз по круглоиде возрастают 2 параметра:
Увеличивается время доступа к памяти.
Увеличивается объем памяти.
|
Устройство внутренней памяти.
|
Память состоит из ячеек, каждая из которых имеет свой адрес.
Количество ячеек в одном адресе может принимать различные значения: 8, 16, …, 64.
Для хранения информации используют триггеры, схема которого приведена на рисунке.
|
Типы внутренней памяти (ОЗУ).
Основная (стандартная) область памяти – CMA.
В эту память загружается таблица векторов прерываний. Она хранит различные данные из BIOS, а также могут загружаться некоторые 16-разрядные программы DOS. Область памяти занимает 640 Кбайт.
Верхняя область памяти –UMA.
Эта память служит для размещения информации об аппаратной части компьютера, в нее загружается информация о видеопамяти, загружаются различные программы BIOS-адаптеров, а также резервируется область памяти для BIOS. Область памяти занимает 384 Кбайт.
Высокая область памяти – HMA .
Это небольшая область памяти (около 64 Кбайт), появившаяся при переходе на процессоры Intel 80286 и решающая некоторые проблемы совместимости.
Дополнительная (расширенная) область памяти – XMA.
В эту дополнительную область памяти загружаются все оставшиеся приложения, работающие на компьютере. Объём этой области зависит от объёма оперативной памяти, установленной на компьютере.
Носители на магнитных дисках.
Память – физическое устройство для хранения больших массивов информации основанное на принципе магнитной записи.
ЗАДАЧИ: 1. Хранение информации.
2. Перенос данных с одного компьютера на другой.
ХАРАКТЕРИСТИКИ:
Интерфейс — совокупность линий связи, сигналов, технических средств и правил обмена.
Ёмкость — количество данных, которые могут храниться накопителем.
Физический размер.
Время доступа — время, за которое винчестер выполнит операцию чтения или записи.
Скорость вращения шпинделя — количество оборотов шпинделя в минуту.
Надёжность — определяется как среднее время наработки на отказ.
Количество операций ввода-вывода в секунду.
Потребление энергии.
Уровень шума — шум, который производит механика накопителя при его работе.
Сопротивляемость ударам — сопротивляемость накопителя скачкам давления или ударам.
ТЕХНОЛОГИИ ЗАПИСИ ДАННЫХ
Принцип работы магнитных запоминающих устройств основаны на способах хранения информации с использованием магнитных свойств материалов, и похож на работу магнитофонов.
Информация заносится на концентрические дорожки, равномерно распределенные по всему носителю. В случае большего, чем один диск, числа носителей все дорожки, находящиеся одна под другой, называются цилиндром. Операции чтения/записи производятся подряд над всеми дорожками цилиндра, после чего головки перемещаются на новую позицию.
Рабочая поверхность диска движется относительно считывающей головки. При подаче переменного электрического тока (при записи) на катушку головки, возникающее переменное магнитное поле из зазора головки воздействует на ферромагнетик поверхности диска и изменяет направление вектора намагниченности доменов в зависимости от величины сигнала. При считывании перемещение доменов у зазора головки приводит к изменению магнитного потока в магнитопроводе головки, что приводит к возникновению переменного электрического сигнала в катушке из-за эффекта электромагнитной индукции.
Метод параллельной записи
На данный момент это всё ещё самая распространенная технология записи информации. Биты информации записываются с помощью маленькой головки, которая, проходя над поверхностью вращающегося диска, намагничивает миллиарды горизонтальных дискретных областей — доменов. Каждая из этих областей является логическим нулём или единицей, в зависимости от намагниченности.
Метод перпендикулярной записи
Метод перпендикулярной записи — это технология, при которой биты информации сохраняются в вертикальных доменах. Это позволяет использовать более сильные магнитные поля и снизить площадь материала, необходимую для записи 1 бита. Доступны на рынке с 2005 года.
Метод тепловой магнитной записи
Метод тепловой магнитной записи на данный момент самый перспективный из существующих, сейчас он активно разрабатывается. При использовании этого метода используется точечный подогрев диска, который позволяет головке намагничивать очень мелкие области его поверхности. После того, как диск охлаждается, намагниченность «закрепляется». На 2009 год есть лишь экспериментальные образцы. Широкого распространения данной технологии следует ожидать в 2011—2012 годах.
КЛАССИФИКАЦИЯ
1) накопители на магнитной ленте (Стри́мер)
Стри́мер — запоминающее устройство на принципе магнитной записи на ленточном носителе, с последовательным доступом к данным, по принципу действия аналогичен бытовому магнитофону. Накопители этого типа применяются в основном в мэйнфреймах, а также в ПК для резервного копирования данных. Основные преимущества накопителей на магнитной ленте (стримеров – streamers) в их небольшой стоимости, относительной стабильности и возможности хранения очень больших объемов информации. Основной недостаток накопителей на магнитной ленте в том, что они хранят данные последовательно, и поэтому довольно медленны по сравнению с другими устройствами вторичной памяти. Чтобы найти необходимую информацию, лента должна быть прочитана от начала до того места, где хранятся данные.
2) накопители на гибких магнитных дисках (НГМД, Floppy Disk);
НГМД позволяют переносить документы и программы с одного компьютера на другой, хранить информацию, не используемую постоянно на компьютере, делать архивные копии программных продуктов, содержащихся на жестком диске. Наибольшее распространение получили дискеты размером 5,25 (емкость 1,2 Мб и 360 Кб) и 3,5 дюйма (емкость 0,7Мб и 1,44 Мб). Переход на использование 3,5 был связан с бурным развитием портативных компьютеров. 3,5, в отличие от 5,25, заключены в жесткий пластмассовый конверт, что значительно повышает их надежность и долговечность, а также создает значительные удобства при транспортировке, хранении и использовании.
3) накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД, Hard Disk);
Если ГД – средство переноса данных между компьютерами, то ЖД – это средства хранения в компьютере. Накопители на жестких дисках объединяют в одном корпусе носитель и устройство чтения/записи. Дисковые носители посажены на один шпиндель. Блок головок чтения/записи имеют общий приводящий механизм. Герметичная камера предохраняет носители не только от проникновения механических частиц пыли, но и от воздействия электромагнитных полей. Необходимо заметить, что камера не является абсолютно герметичной т.к. соединяется с окружающей атмосферой при помощи специального фильтра, уравнивающего давление внутри и снаружи камеры. Диски вращаются постоянно, а скорость вращения носителей довольно высокая (от 4500 до 10000 об/мин). По величине диаметра носителя чаще других производятся 5.25, 3.14, 2.3 дюймовые диски. Во время работы все механические части накопителя подвергаются тепловому расширению, и расстояния между дорожками, осями шпинделя и позиционером головок чтения/записи меняется. В общем случае это никак не влияет на работу накопителя, поскольку для стабилизации используются обратные связи, однако некоторые модели время от времени выполняют рекалибровку привода головок, сопровождаемую характерным звуком, напоминающим звук при первичном старте, подстраивая систему к изменившимся расстояниям. Плата электроники ЖД представляет собой самостоятельный микрокомпьютер с собственным процессором, памятью, устройствами ввода/вывода и пр.
4) накопители на полупроводниковых носителях(SDD, флэш);
Сущность флэш-памяти: это чисто электронный полупроводниковый носитель. Соответственно, чем «тоньше» техпроцессы, тем больше ячеек памяти можно уместить в тот же физический объем.
Флэш-память имеет крайне низкое время доступа к любому блоку информации. Во флэше все просто — вычисляем адрес нужного блока и сразу же получаем к нему доступ – никаких механических операций.
Энергопотребление флэша: нужен — подаем питание, не нужен — отключаем. «Выход из спячки» практически мгновенный.
Быстрый старт, поскольку не требуется раскрутка.
Бесшумность, поскольку отсутствуют движущиеся части.
Высокая механическая надежность за счет отсутствия движущихся частей. Кроме того это обуславливает высокую устойчивость к вибрациям, ударам, перепадам давления и температур.
Доступ к любой ячейке осуществляется почти мгновенно, а вот само по себе ее чтение и передача информации по шине уже занимает достаточно большое количество времени.
Носители на оптических дисках.
ОПТИЧЕСКИЙ ДИСК — носитель данных в виде диска, предназначенный для записи или воспроизведения информации при помощи лазерного луча
ЗАДАЧИ: 1. Хранение информации.
2. Перенос данных с одного компьютера на другой.
ХАРАКТЕРИСТИКИ:
Емкость.
Скорость чтения и скорость записи данных.
Качество записи.
Получение точных аудиокопий.
ТЕХНОЛОГИИ ЗАПИСИ ДАННЫХ
Стандартный диск выполнен из пластмассы и имеет трехслойное покрытие:
1) подложка из поликарбоната, на которой отштампован рельеф диска,
2) напыленное на нее отражающее покрытие из алюминия, золота, серебра или другого сплава, (диск CD-R покрыт слоем органического красителя, в котором при записи выжигаются участки, в диске CD-RW используются покрытия из материалов с изменяемым фазовым состоянием);
3) более тонкий защитный слой поликарбоната или лака, на который наносятся надписи и рисунки.
Информационный рельеф диска состоит из спиральной дорожки, идущей от центра к периферии, вдоль которой расположены углубления питы (рк). Информация кодируется чередованием питов (условно - логической 1) и промежутков между ними (условно - логических 0). Существенно, что информация на диске закодирована помехоустойчивым кодом Рида-Соломона (Reed-Solomon) с использованием чередования - так что мелкие сбои при чтении дорожки никак не отражаются на достоверности считанной информации. Дорожка может быть непрерывной, либо делиться на фрагменты (например сессии в мультисессионных).
Считывание информации с диска происходит за счёт регистрации изменений интенсивности отражённого от алюминиевого слоя излучения маломощного лазера. Приёмник или фотодатчик определяет, отразился ли луч от гладкой поверхности, был ли он рассеян или поглощен. Рассеивание или поглощение луча происходит в местах, где в процессе записи были нанесены углубления (штрихи). Сильное отражение луча происходит там, где этих углублений нет. Фотодатчик, размещённый в дисководе, воспринимает рассеянный луч, отражённый от поверхности диска. Затем эта информация в виде электрических сигналов поступает на микропроцессор, который преобразует эти сигналы в двоичные данные или звук. Глубина каждого штриха на диске равна 0.12 мкм, ширина - 0.6 мкм. Они расположены вдоль спиральной дорожки, расстояние между соседними витками которой составляет 1.6 мкм, что соответствует плотности 16000 витков на дюйм или 625 витков на миллиметр. Длина штрихов вдоль дорожки записи может колебаться от 0.9 до 3.3 мкм. Дорожка начинается на некотором расстоянии от центрального отверстия и заканчивается примерно в 5 мм от внешнего края.
Типовой дисковод состоит из платы электроники, шпиндельного двигателя, системы оптической считывающей головки и системы загрузки диска. Система оптической головки состоит из самой головки и системы ее перемещения. В головке размещены лазерный излучатель, на основе инфракрасного лазерного светодиода, система фокусировки, фотоприемник и предварительный усилитель. Длина волны лазера 780 нм
Форматы записи CD-ROM: Описаны в опубликованных фирмами Philips и Sony (и затем стандартизированных IEEE и ISO) стандартах записи данных на компакт-диски, известных специалистам под названиями Yellow Book ("желтая книга"), Green Book ("зеленая книга"), Orange Book ("оpанжевая книга"), White Book ("белая книга") и Blue Book ("синяя книга") - по цвету обложек соответствующих изданий. Все они являются pасшиpением основного стандаpта CD-DA (звуковых CD), описанного в Red Book ("красной книге").
Вместо ямок на поверхности дисков CD-R (compact-disk recordable - записываемый компакт-диск) имеется специальное покрытие из термочувствительного красителя. Когда луч записывающего лазера входит в соприкосновение с этим слоем, облучаемое пятно изменяет цвет, следовательно, и свои отражательные свойства; считывающий лазер стандартного накопителя CD-ROM может обнаружить это различие. Технология CD-RW (compact disk-rewritable - перезаписываемый компакт-диск), называемая также CD-E (compact disk-erasable - стираемый компакт-диск) объединяет элементы технологий изменения фазы и CD-R, обеспечивая полные возможности записи и перезаписи на дисках, пригодных для чтения на любом накопителе CD-ROM.
КЛАССИФИКАЦИЯ
|
