Тема 1 : Компьютер - универсальное устройство обработки данных (базовый) 2025

 

Тема 1 : Компьютер - универсальное устройство обработки данных 

Требования техники безопасности и гигиены при работе с компьютерами и другими компонентами цифрового окружения. Принципы работы компьютера. Персональный компьютер компоненты ЭВМ. Выбор конфигурации компьютера в зависимости от решаемых задач.

Для безопасной и гигиеничной работы за компьютером необходимо соблюдать правила эргономики, обеспечивать правильный микроклимат и освещение в помещении, а также следовать инструкциям по эксплуатации оборудования. Важно регулярно делать перерывы, выполнять гимнастику для глаз и тела, содержать рабочее место в чистоте и немедленно сообщать о любых неисправностях или аварийных ситуациях.

Эргономика рабочего места и поза

Правильная поза:

Сидите прямо, поддерживая спину, ноги на полу или подставке.

Рабочая поверхность:

Клавиатуру следует расположить так, чтобы предплечья были параллельны полу, а локти согнуты под углом 90 градусов.

Расстояние до монитора:

Экран должен находиться на расстоянии 45-60 см от глаз.

Гигиена и освещение

Освещение:

Обеспечьте достаточное, но не чрезмерное освещение рабочего места.

Микроклимат:

Поддерживайте оптимальную температуру (22-24°C зимой, 20-25°C летом) и влажность (40-60%) воздуха, а также обеспечьте регулярное проветривание помещения.

Чистота:

Следите за чистотой монитора и клавиатуры, протирайте их специальными салфетками.

Техника безопасности

Оборудование:

Не кладите посторонние предметы на компьютер, не касайтесь элементов аппаратуры мокрыми руками и не производите чистку оборудования под напряжением.

Электропроводка:

Убедитесь в исправности кабелей и розеток, располагайте провода с тыльной стороны рабочего места.

Вентиляция:

Не загромождайте вентиляционные отверстия, чтобы избежать перегрева компонентов.

Режим труда и отдыха

Перерывы:

Делайте регулярные перерывы, вставайте и разминайтесь.

Гимнастика:

Выполняйте простейшие упражнения для глаз и тела, чтобы снять напряжение.

Аварийные ситуации

Неисправности:

При обнаружении неисправности (повреждение кабеля, запах гари, непривычный шум) немедленно прекратите работу и сообщите руководителю.

Пожар:

В случае возгорания отключите питание и используйте углекислотный огнетушитель.

 

Основные компоненты компьютера включают блок управления, блок обработки данных, память и устройства ввода/вывода. Компьютеры используют двоичное кодирование, где вся информация представлена нулями и единицами. Память однородна (данные и команды представлены одинаково) и адресуема (для доступа используется адрес). Память также имеет иерархическую структуру (разные уровни скорости и стоимости), а компьютер управляется программой, которая состоит из последовательности команд. 

1. Состав основных компонентов вычислительной машины 

·                     Блок обработки данных (центральный процессор):

Выполняет арифметические и логические операции, обрабатывает данные.

·                     Блок управления:

Организует выполнение команд программы, управляет работой других блоков.

·                     Память:

Хранит данные и программы.

·                     Устройства ввода/вывода:

Обеспечивают обмен информацией с внешним миром (например, клавиатура, монитор).

2. Принцип двоичного кодирования 

·                     Вся информация, как данные, так и команды, представляется в виде двоичных последовательностей, состоящих из нулей (0) и единиц (1).

·                     Каждый вид информации имеет свой двоичный формат.

3. Принцип однородности памяти 

·                     В памяти компьютера нет различия между данными и командами: и те, и другие представлены в виде двоичных последовательностей.

·                     Различается только их назначение и способ использования.

4. Принцип адресности памяти 

·                     Каждая ячейка (или группа ячеек) памяти имеет уникальный адрес, по которому осуществляется доступ к ней.

·                     Это позволяет процессору находить и извлекать нужные данные или команды.

5. Принцип иерархической организации памяти 

·                     Память организована в виде уровней, различающихся скоростью доступа, объемом и стоимостью.

·                     Высокоскоростная, но малая по объему память (например, кэш-память) используется для часто используемых данных, а медленная, но большая (например, жесткий диск) – для хранения больших объемов информации.

6. Принцип программного управления 

·                     Работа компьютера управляется программой, которая представляет собой набор команд.

·                     Процессор автоматически выполняет эти команды последовательно в определенном порядке, обеспечивая автоматическое выполнение вычислений.

 

Информатика, 10 класс. Урок № 6.

Тема — Основополагающие принципы устройства компьютеров

Во второй половине XX века два крупнейших ученых независимо друг от друга сформулировали основные принципы построения компьютера.

К основополагающим принципам Неймана-Лебедева можно отнести следующие:

1. Состав основных компонентов вычислительной машины.

2. Принцип двоичного кодирования.

3. Принцип однородности памяти.

4. Принцип адресности памяти.

5. Принцип иерархической организации памяти.

6. Принцип программного управления.

Рассмотрим подробно каждый из принципов Неймана-Лебедева. Любое устройство, предназначенное для автоматических вычислений, должно содержать определённый состав основных компонентов: блок обработки данных, блок управления, блок памяти и блоки ввода/вывода информации.

Перечисленные в функциональной схеме блоки есть и у современных компьютеров. К ним относятся:

1.                  Арифметико-логическое устройство — АЛУ, в котором происходит обработка данных.

2.                  Устройство управления (УУ) отвечает за выполнение программы и согласование взаимодействий всех узлов компьютера. В современных компьютерах АЛУ и УУ изготавливаются в виде единой интегральной схемы — микропроцессора.

3.                  Память — устройство, где хранятся программы и данные. Различают внутреннюю и внешнюю память. Основная часть внутренней памяти предназначена для оперативного хранения программ и данных, её принято называть оперативным запоминающим устройством — ОЗУ. К внутренней памяти относится и ПЗУ (постоянное запоминающее устройство, англ. ROM — Read Only Memory для диктора рид онли мемори), в нём содержится программа начальной загрузки компьютера. Основное отличие ПЗУ от ОЗУ заключается в том, что при решении задач пользователя содержимое ПЗУ не может быть изменено. Внешняя память, называемая ещё долговременной, используется для длительного хранения программ и данных.

4.                  Устройства ввода используются для преобразования данных в удобную для обработки компьютером форму.

5.                  Устройства вывода преобразуют работу ЭВМ в удобную для восприятия человеком форму.

Отличительной особенностью функциональной схемы компьютеров первых поколений от являлось то, что программное управление всеми процессами ввода-вывода происходило от процессора.

Рассмотрим принцип двоичного кодирования информации. Он заключается в том, что в ЭВМ используется двоичная система счисления. Это означает, что любая информация, предназначенная для обработки на компьютере, а также и программы, представляются в виде двоичного кода, т. е. последовательности нулей и единиц.

Благодаря использованию двоичного кодирования для представления не только данных, но и программ, форма их представления становится одинаковой, а это означает, что их можно хранить в единой памяти, поскольку нет принципиальной разницы между двоичным представлением машинной команды, числа, символа и др. В этом заключается принцип однородности памяти.

Оперативная память компьютера представляет собой набор битов — однородных элементов с двумя устойчивыми состояниями, одно из которых соответствует нулю, другое — единице. Группы соседних битов объединяются в ячейки памяти, которые пронумерованы, т. е. имеют свой адрес. Это соответствует принципу адресности памяти.

На современных компьютерах может одновременно извлекаться из памяти и обрабатываться до 64 разрядов, т. е. восьми байтовых ячеек. Это стало возможным при реализации принципа параллельной обработки данных.

С позиции пользователя существуют два противоречивых требования, предъявляемых к памяти компьютера: память должна быть как можно больше, а скорость работы — как можно быстрее.

Противоречие заключается в том, что при увеличении объёма памяти неизбежно уменьшается скорость работы, поскольку увеличивается время на поиск данных. С другой стороны, более быстрая память является и более дорогой, что увеличивает общую стоимость компьютера.

Преодолением противоречия между объёмом памяти и её быстродействием стало использование нескольких различных видов памяти, связанных друг с другом. В этом состоит принцип иерархической организации памяти.

Основным отличием компьютеров от любых других технических устройств является программное управление их работой.

Важным элементом устройства управления является счётчик адреса команд, где в любой момент времени хранится адрес следующей по порядку выполнения команды. Используя значение из счётчика, процессор поочередно считывает из памяти команду программы, расшифровывает её и выполняет. Действия выполняются до завершения работы программы.

Современные персональные компьютеры разнообразны — это и настольные, и переносные, и планшетные устройства. Они различаются по размерам, назначению, но фунциональное устройство у них одинаковое.

Оно определяется архитектурой персонального компьютера.

Архитектура — это наиболее общие принципы построения компьютера, отражающие программное управление работой и взаимодействием его основных функциональных узлов.

Для рассмотрения взаимодействие основных функциональных узлов обратимся к функциональной схеме компьютера.

На ней представлены основные узлы современного компьютера, к которым, как вам уже известно, относятся процессор, внутренняя память, устройства ввода, устройства вывода и внешняя память.

В компьютерах с классической фон-неймановской архитектурой все процессы ввода-вывода находились под управлением процессора. Поскольку процессор является самым быстрым устройством, то любое обращение к устройствам ввода-вывода и ожидание отклика от них замедляло общее время работы.

В современных компьютерах эту проблему решают специальные электронные схемы, которые обеспечивают обмен данных между процессором и внешними устройствами. Они называются контрОллерами, а на функциональной схеме они обозначены буквой К.

При наличии контроллеров данные могут передаваться по магистрали между внешними устройствами и внутренней памятью без использования процессора.

Это существенно снижает нагрузку на работу центрального процессора, а значит приводит к повышению эффективности работы всей вычислительной системы.

Обмен данными между устройствами осуществляется с помощью магистрали.

Магистраль (шина) — устройство для обмена данными между устройствами компьютера.

Магистраль включает в себя шину адреса, шину данных и шину управления.

Шина адреса используется для указания физического адреса устройства;

Шина данных используется для передачи данных между узлами компьютера;

Шина управления организует сам процесс обмена (сигналы чтение/запись, данные готовы/не готовы, обращение к внутренней/внешней памяти и др.)

В современных компьютерах применяется магистрально-модульная архитектура, главное достоинство которой лежит в гибкости конфигурации, т. е. возможности изменить конфигурацию компьютера путём подключения к шине новых внешних устройств, а также замене старых внешних устройств.

Если спецификация на шину опубликована производителем, т. е. является открытой, то говорят о принципе открытой архитектуры. В этом случае пользователь самостоятельно может выбрать дополнительные устройства для формирования компьютерной системы, учитывающей именно его предпочтения.

Мир современных компьютеров широк и многообразен. Персональные компьютеры давно стали многоядерными. Это относится в том числе к смартфонам и планшетным компьютерам.

Однако, существуют не только персональные компьютеры, но и значительно более нагруженные вычислительные системы. Мы начали урок с путешествия в один из дата-центров Яндекса и вы видели огромное количество серверов, которые позволяет обеспечивать пользователей качественными сервисами в режиме 24х7 с высокой скоростью доступа.

Существуют сегодня и суперкомпьютеры, способные решать научные задачи, производить вычисления, связанные с космическими телами, исследованиями микромира и др.

Технические характеристики электронной техники находятся вблизи предельных значений, а это означает необходимость новых технологических решений. Сегодня ведутся исследования в области нанотехнологий, квантовых и биологических компьютеров. Одна из задач вашего поколения — найти новые технологические решения для увеличения мощности компьютеров будущего.

Изучение принципов работы с информацией, закономерностей протекания информационных процессов в различных средах, а также методов и средств их автоматизации — задача информатики. Наука информатика очень молода. Несмотря на короткую историю в качестве официальной научной дисциплины, информатика внесла фундаментальный вклад в науку и общество. По сути, это одна из основополагающих наук текущей эпохи человеческой истории.

Современное общество называют информационным потому, что большинство работающих занято производством, хранением, переработкой, продажей и обменом информацией. Накопление и использование информации происходит с невероятной быстротой, лавинообразно и уже в конце XX века получило название «информационного взрыва». Важным для современного человека стало не накопление знаний, а умение эффективно использовать информационные потоки, привлекая на службу информационные ресурсы и технологии.

Информационная культура — готовность человека к жизни и деятельности в современном высокотехнологичном информационном обществе, умение эффективно использовать возможности этого общества и защищаться от его негативных воздействий.

Информационная грамотность — способность человека идентифицировать потребность в информации. Умение ее эффективно искать, оценивать и использовать.

Работу человека с информацией обязательно нужно планировать. Правильная, хорошо продуманная работа с информацией экономит время, повышает эффективность, снижает уровень информационного стресса. Несомненно, этот навык развивается и не стоит ждать быстрых результатов.

Большая часть накопленной человечеством информации зафиксирована в текстовой форме. Умение читать и ориентироваться в прочитанном позволят некоторые приемы работы с текстовой информацией.

Самым простым приемом, доступным и в бумажном и в цифровом тексте — делать отметки. Каждый может придумать свои знаки для замечаний внутри текста, например:

Свертывание одного текста в другой, более компактный — тоже известный и хорошо зарекомендовавший себя прием. Формы сворачивания текста хорошо вам известны.

Хотя способ замены текста рисунками был известен еще во времена эпохи Возрождения, сегодня он востребован не только в виде электрических схем и чертежей.

Подведем итоги.

Информация — одно из фундаментальных понятий современной науки.

Свойства информации: объективность, достоверность, полнота, актуальность, полезность, понятность и др.

Информационная культура — готовность человека к жизни и деятельности в современном высокотехнологичном информационном обществе, умение эффективно использовать возможности этого общества и защищаться от его негативных воздействий.

Информационная грамотность — способность человека идентифицировать потребность в информации, умение её эффективно искать, оценивать и использовать.

 

Основные тенденции компьютерных технологий включают расширение сфер применения, переход от отдельных машин к вычислительным системам и комплексам, развитие параллельных вычислений в многопроцессорных системах и суперкомпьютерах для повышения производительности, широкое использование микроконтроллеров в различных устройствах, а также внедрение роботизированных производств для автоматизации. 

Основные тенденции развития компьютерных технологий

·         Переход от отдельных машин к системам:

Компьютеры перестают быть изолированными устройствами, становясь частью более сложных вычислительных систем и комплексов с широким диапазоном возможностей. 

·         Расширение сфер применения:

Компьютерные технологии проникают во все большее число областей жизни, предоставляя новые возможности для доступа к информации, образования и трудоустройства. 

·         Развитие интеллектуальных систем:

Компьютерные технологии развиваются в сторону усложнения услуг, способности к взаимодействию и ликвидации промежуточных звеньев, что ведет к более "интеллектуальным" системам. 

·         Глобализация и конвергенция:

Технологии способствуют глобализации и слиянию (конвергенции) различных областей, таких как информация, телекоммуникации и мультимедиа. 

Параллельные вычисления 

·         Суть:

Это одновременное выполнение множества операций с использованием нескольких процессоров или вычислительных ядер. Такая архитектура позволяет значительно ускорить решение сложных задач.

·         Применение:

Параллельные вычисления являются основой современных высокопроизводительных систем, включая суперкомпьютеры.

Многопроцессорные системы 

·         Описание:

Это системы, которые оснащены несколькими центральными процессорами (или многоядерными процессорами), работающими совместно для обработки данных.

·         Цель:

Основная цель – повышение производительности за счет распределения вычислительных задач между несколькими процессорами.

Суперкомпьютеры 

·         Назначение:

Высокопроизводительные машины, предназначенные для решения самых сложных научных и инженерных задач, требующих огромных вычислительных мощностей.

·         Принцип работы:

Их архитектура основана на идеях параллелизма и конвейеризации, что позволяет выполнять множество похожих операций одновременно.

Микроконтроллеры 

·         Особенности:

Это компактные, одночиповые компьютеры, включающие в себя процессор, память и периферийные устройства. Они отличаются низким энергопотреблением и высокой интеграцией.

·         Применение:

Широко используются во встраиваемых системах: бытовой технике, автомобилях, системах автоматизации и управления.

Роботизированные производства 

·         Описание:

Это промышленные предприятия, в которых значительная часть производственных процессов автоматизирована с использованием промышленных роботов.

·         Цель:

Повышение эффективности производства, точности, снижение затрат и улучшение безопасности труда