Компьютерная система. Компоненты компьютерной системы. Краткая характеристика
В современном мире уже невозможно найти сферы жизнедеятельности, где б ни были использованы компьютерные системы.
Компьютерная система — это совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих компьютеров (процессоров), периферийного оборудования и программных средств, предназначенных для подготовки и решения задач пользователя.[1]
Цель компьютерной системы — сделать процесс решения задачи на компьютере наиболее простым.
Главным компонентом компьютерных систем, конечно же, есть сами компьютеры. Некоторые типы оборудования, которые можно отнести к их перечню:
ь Калькулятор — электронное вычислительное устройство для выполнения операций над числами или алгебраическими формулами.
ь Консольный компьютер — компьютер, выполняющий подготовительные действия, необходимые для запуска основной компьютерной системы. Такие функции могут выноситься на отдельную машину при создании «больших» компьютерных систем, например, суперкомпьютеров. С консольного компьютера, как правило, выполняется мониторинг состояния элементов и узлов главной компьютерной системы, на нём же хранится конфигурационная информация и служебные утилиты, применяемые для обслуживания и настройки основного компьютера.
ь Мейнфреймы — большой универсальный высокопроизводительный отказоустойчивый сервер со значительными ресурсами ввода-вывода, большим объёмом оперативной и внешней памяти, предназначенный для использования в критически важных системах с интенсивной пакетной и оперативной транзакционной обработкой. Мейнфреймы применяются для целочисленных операций, требовательных к скорости обмена данными, к надёжности и к способности одновременной обработки транзакций (системы онлайн — бронирования, автоматизированные банковские системы). Производительность мейнфреймов, как правило, вычисляется в миллионах операций в секунду .
ь Персональный компьютер
· Нетбук (англ. Netbook, net-сеть (Интернет),book-книга) — ноутбук с относительно невысокой производительностью, предназначенный в основном для выхода в Интернет. Обладает небольшой диагональю экрана в 7—12 дюймов, низким энергопотреблением, небольшим весом и относительно невысокой стоимостью.
· Планшетный компьютер. Планшетный персональный компьютер полноразмерный — IBM PC-совместимый ноутбук, оборудованный сенсорным экраном, позволяющий работать при помощи стилуса или пальцев, как с использованием, так и без использования клавиатуры и мыши.
· Интернет-планшет — мобильный компьютер, относящийся к типу планшетных компьютеров с диагональю экрана от 7 до 12 дюймов, построенный на аппаратной платформе того же класса, что и платформа для смартфонов. Для управления интернет — планшетом используется сенсорный экран, взаимодействие с которым осуществляется при помощи пальцев, без использования физической клавиатуры и мыши. Ввод текста на сенсорном экране в целом не уступает клавиатурному по скорости. Многие современные интернет-планшеты позволяют использовать для управления программами мультитач-жесты. Интернет-планшеты, как правило, имеют возможность быть постоянно подключёнными к сети интернет — через Wi-Fi или 3G/4G — соединение. Поэтому интернет-планшеты удобно использовать для просмотра веб-сайтов и веб-страниц, запуска веб-приложений, и взаимодействия с какими-либо веб-службами. Необходимо учитывать, что Интернет-планшет в данный момент не является полной заменой персонального компьютера или ноутбука, так как его функциональность ограничена высокими требованиями к его мобильности (сочетанию низкого энергопотребления и габаритов). Отдельные разновидности интернет-планшетов начали появляться ещё в начале 2000-х годов, но данная категория компьютеров получила широкое распространение только в 2010 году, после презентации и выпуска планшетника Apple iPad. Многие аналитики относят интернет-планшеты к устройствам посткомпьютерной эпохи, которые проще и понятнее привычных персональных компьютеров и со временем могут вытеснить персональные компьютеры с информационного технологического рынка.
· Электронная книга — общее название группы узкоспециализированных компактных планшетных компьютерных устройств, предназначенных для отображения текстовой информации, представленной в электронном виде. Основным отличием данной группы компьютерных устройств является ограниченная функциональность, а также существенно большее время автономной работы. Последнее достигается за счет использования технологии E-ink, так называемой «электронной бумаги». Дисплей, выполненный по этой технологии, отображает лишь несколько оттенков серого цвета, но при этом отражает свет (сам не светится) и потребляет энергию только для формирования изображения (перелистывания страницы). Некоторые современные устройства оборудованы сенсорным экраном и имеют расширенный набор функций, и позволяют не только читать, но и редактировать текст. Электронная книга со временем улучшилась до планшетного компьютера.
ь Игровая консоль
ь Карманный компьютер (КПК)
ь Коммуникатор — карманный персональный компьютер, дополненный функциональностью мобильного телефона.
ь Смартфон (англ. Smartphone — умный телефон) — мобильный телефон, дополненный функциональностью карманного персонального компьютера.
ь Носимый компьютер — компьютер, который можно носить с собой на теле (что-то среднее между наручными часами и ноутбуком). На данный момент нет чёткой спецификации и стандартов для данного устройства. Наиболее предполагаемая научная область применения — медицинские работники и военные.
ь Рабочая станция — комплекс аппаратных и программных средств, предназначенных для решения определённого круга задач. Рабочая станция как место работы специалиста представляет собой полноценный компьютер или компьютерный терминал (устройства ввода-вывода, отделённые и часто удалённые от управляющего компьютера), набор необходимого программного обеспечения, по необходимости, дополняемые вспомогательным оборудованием: печатающее устройство, внешнее устройство хранения данных на магнитных и/или оптических носителях, сканер штрих-кода и пр. В советской литературе также использовался термин АРМ (автоматизированное рабочее место), но в более узком смысле, чем «рабочая станция». Также термином «рабочая станция» обозначают стационарный компьютер в составе локальной вычислительной сети (ЛВС) по отношению к серверу. (В локальных сетях компьютеры подразделяются на рабочие станции и серверы. На рабочих станциях пользователи решают прикладные задачи (работают в базах данных, создают документы, делают расчёты, играют в компьютерные игры. Сервер обслуживает сеть и предоставляет собственные ресурсы всем узлам сети, в том числе и рабочим станциям.).
ь Сервер (англ. от to serve — служить) — аппаратное обеспечение, выделенное и/или специализированное для выполнения на нём сервисного программного обеспечения. Сервером называется компьютер, выделенный из группы персональных компьютеров (или рабочих станций) для выполнения какой-либо сервисной задачи без непосредственного участия человека. Сервер и рабочая станция могут иметь одинаковую аппаратную конфигурацию, так как различаются лишь по участию в своей работе человека за консолью. Некоторые сервисные задачи могут выполняться на рабочей станции параллельно с работой пользователя. Такую рабочую станцию условно называют невыделенным сервером. Консоль (обычно — монитор/клавиатура/мышь) и участие человека необходимы серверам только на стадии первичной настройки, при аппаратно-техническом обслуживании и управлении в нештатных ситуациях (штатно, большинство серверов управляются удаленно). Для нештатных ситуаций серверы обычно обеспечиваются одним консольным комплектом на группу серверов. В результате специализации, серверное решение может получить консоль в упрощенном виде (например, коммуникационный порт), или потерять её вовсе (в этом случае первичная настройка и нештатное управление могут выполняться только через сеть, а сетевые настройки могут быть сброшены в состояние по умолчанию).
ь Суперкомпьютер — вычислительная машина, значительно превосходящая по своим техническим параметрам большинство существующих компьютеров. Как правило, современные суперкомпьютеры представляют собой большое число высокопроизводительных серверных компьютеров, соединённых друг с другом локальной высокоскоростной магистралью для достижения максимальной производительности в рамках подхода распараллеливания вычислительной задачи. Суперкомпьютеры используются во всех сферах, где для решения задачи применяется численное моделирование; там, где требуется огромный объём сложных вычислений, обработка большого количества данных в реальном времени, или решение задачи может быть найдено простым перебором множества значений множества исходных параметров.[9]
Большое число компьютеров встроено в другие устройства, например, в бытовую технику, медицинское оборудование, сотовые телефоны. Только малая часть компьютеров (около 0,2 процентов всех компьютеров, произведённых в 2013 году) — это настольные и мобильные персональные компьютеры.
В настоящее время ведутся серьёзные работы по созданию оптических компьютеров, использующих вместо традиционного электричества световые сигналы. Другое перспективное направление подразумевает использование достижений молекулярной биологии и исследований ДНК. И, наконец, один из самых новых подходов, способный привести к грандиозным изменениям в области вычислительной техники, основан на разработке квантовых компьютеров.[5]
Компьютерная система — это совокупность различных компонентов, используемых для совместной обработки данных. Цель компьютерной системы — сделать процесс решения задачи на компьютере наиболее простым. Функционирующая компьютерная система объединяет элементы программного и аппаратного обеспечения. Аппаратные элементы — это механические устройства компьютера, которые выполняют все физические функции. Программные элементы — это приложения, написанные под систему; именно они выполняют логические и математические операции и предоставляют пользователю возможность управления компьютером. Документация включает в себя руководства и списки допустимых операций, благодаря которым можно полноценно использовать программные и аппаратные составляющие компьютера.
Вместе эти компоненты образуют компьютерную систему: системное аппаратное обеспечение + системные приложения + документация к ним = компьютерная система. [2]
Персональный компьютер состоит из системного блока, состоящего из шасси и периферийных устройств.
В состав системного блока входят:
ь Материнская плата, на которой установлен:
· центральный процессор — электронный блок либо интегральная схема (микропроцессор), исполняющая машинные инструкции (код программ), главная часть аппаратного обеспечения компьютера. Иногда называют микропроцессором или просто процессором. Изначально термин центральное процессорное устройство описывал специализированный класс логических машин, предназначенных для выполнения сложных компьютерных программ. Вследствие довольно точного соответствия этого назначения функциям существовавших в то время компьютерных процессоров, он естественным образом был перенесён на сами компьютеры. Начало применения термина и его аббревиатуры по отношению к компьютерным системам было положено в 1960-е годы. Устройство, архитектура и реализация процессоров с тех пор неоднократно менялись, однако их основные исполняемые функции остались теми же, что и прежде. Главными характеристиками микропроцессора являются: тактовая частота, производительность, энергопотребление и архитектура.
· система охлаждения. Кулер (англ. cooler — охладитель) — в применении к компьютерной тематике — сленговое название системы воздушного охлаждения — совокупности вентилятора и радиатора, устанавливаемых на электронные компоненты компьютера с повышенным тепловыделением..
· оперативная память и кэш — энергозависимая часть системы компьютерной памяти, в которой временно хранятся входные, выходные и промежуточные данные; программы процессора. Содержащиеся в современной полупроводниковой оперативной памяти данные доступны и сохраняются только тогда, когда на модули памяти подаётся напряжение. Выключение питания оперативной памяти, даже кратковременное, приводит к искажению либо полному разрушению хранимой информации. Для сохранения содержимого оперативной памяти перед отключением питания, записывают содержимого оперативного запоминающего устройства в специальный файл, расположенный обычно на жёстком диске. В общем случае, оперативные запоминающие устройства содержит программы и данные операционной системы и запущенные прикладные программы пользователя и данные этих программ, поэтому от объёма оперативной памяти зависит количество задач, которые одновременно может выполнять компьютер под управлением ОС.
· слоты расширения шин — PCI, PCI-E, USB, FireWire
· контроллеры устройств (микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами) — хранения: IDE, SCSI, SATA, SAS или других типов, находящиеся непосредственно на материнской плате (встроенные) либо на платах расширения.
· видеоконтроллер (встроенный или в виде отдельной платы), передающий сигнал на монитор
· сетевой интерфейс (сетевая плата)
ь Блок питания — вторичный источник электропитания, предназначенный для снабжения узлов компьютера электрической энергией постоянного тока, путём преобразования сетевого напряжения до требуемых значений.
ь Система охлаждения — необходима в случае установки блоков, имеющих повышенное тепловыделение.
Через контроллеры к материнской плате при помощи шлейфов кабелей, сигнальных и питания, подключены жёсткий диск, SSD, накопитель на гибких дисках, оптический накопитель типа CD-ROM и другие устройства.[10]
Кроме того, в аппаратное обеспечение компьютера также входят внешние (по отношению к системному блоку) компоненты — периферийные устройства:
Устройства ввода
· Клавиатура — комплект расположенных в определенном порядке клавиш для управления каким-либо устройством или для ввода данных.
· Мышь — механический манипулятор, преобразующий движение в управляющий сигнал. В частности, сигнал может быть использован для позиционирования курсора или прокрутки страниц. Получила широкое распространение в связи с появлением графического интерфейса пользователя на персональных компьютерах. Помимо мышек встречаются другие устройства ввода аналогичного назначения: трекболы, тачпады, графические планшеты, сенсорные экраны.
· джойстик — устройство ввода информации, которое представляет собой качающуюся в двух плоскостях ручку. Наклоняя ручку вперёд, назад, влево и вправо, пользователь может передвигать что-либо по экрану. На ручке, а также в платформе, на которой она крепится, обычно располагаются кнопки и переключатели различного назначения. Помимо координатных осей X и Y, возможно также изменение координаты Z, за счет вращения рукояти вокруг оси, наличия второй ручки, дополнительного колёсика и т. п. Широкое применение джойстик получил в компьютерных играх, мобильных телефонах.
· сканер — устройство, выполняющее преобразование расположенного на плоском носителе (чаще всего бумаге) изображения в цифровой формат. Процесс получения такой цифровой копии называется сканированием.
Устройства вывода
· монитор (дисплей) — конструктивно законченное устройство, предназначенное для визуального отображения информации. Современный монитор состоит из экрана (дисплея), блока питания, плат управления и корпуса. Информация для отображения на мониторе поступает с электронного устройства, формирующего видеосигнал (в компьютере — видеокарта).
· печатающие устройства типа принтера или плоттера
Сетевое оборудование
· Для связи используются различные модемы и сетевое оборудование: маршрутизатор, сетевой коммутатор, беспроводная точка доступа. Модем(составленный из слов модулятор и демодулятор) — устройство, применяющееся в системах связи для физического сопряжения информационного сигнала со средой его распространения, где он не может существовать без адаптации. Модемы широко применяются для связи компьютеров через телефонную сеть (телефонный модем), кабельную сеть (кабельный модем), радиоволны Одним из способов связи отдельных компьютеров есть беспроводная связь. К ним относятся технологи Bluetooth, Wi-Fi, Wi-Max. У каждой из этих технологий есть свои плюсы и минусы. Bluetooth обладает небольшим расстоянием и скоростью передачи данных, поэтому непосредственно для связи персонального компьютера используется редко. Технологии Wi-Fi и Wi-Max обладают намного большими скоростями передачи данных и расстояниями, на которых они могут использоваться.[9]
Эти устройства — необходимые составляющие любой компьютерной системы.
Ну и конечно все это оборудование не будет работать без соответствующего программного обеспечения. Именно оно и призвано решать те задачи, которые ставятся перед компьютерными системами.
Программное обеспечение — это комплекс программ, которые эффективно превращают компьютерное «железо» в инструмент для решения практических задач. Эти приложения включают в себя операции, функции и шаблоны, которые помогают быстрее достичь необходимых результатов и разрешить проблему. Например, некоторые системные программы сохраняют и запрашивают данные у многочисленных периферийных устройств. Другие — выполняют длинные или сложные вычисления. Некоторые программы предоставляют пользователю возможность создать, отредактировать и запустить собственное приложение, написанное для своих нужд.[10]
Разнообразие форм у программного обеспечения великое множество. Оно может быть знакомым и привычным, работающих на многих домашних компьютерах, такие как Microsoft Word, Google Chrome, Gimp или Aimp, а могут быть предназначены для серверов, например Nginx, Squid, IIS. Кстати, веб-страница это тоже программное обеспечение, написанное на языке разметки HTML, возможно, с применением Javascript и CSS.
Классификация программного обеспечения[10]:
Системное программное обеспечение. Комплекс программ, которые обеспечивают управление компонентами компьютерной системы, такими как процессор, оперативная память, устройства ввода-вывода, сетевое оборудование, выступая как «межслойный интерфейс», с одной стороны которого аппаратура, а с другой — приложения пользователя. В отличие от прикладного программного обеспечения, системное не решает конкретные практические задачи, а лишь обеспечивает работу других программ, предоставляя им сервисные функции, абстрагирующие детали аппаратной и микропрограммной реализации вычислительной системы, управляет аппаратными ресурсами вычислительной системы. Как правило, к системному программному обеспечению относятся операционные системы, утилиты, системы программирования, системы управления базами данных, широкий класс связующего программного обеспечения.
Комплекс управляющих и обрабатывающих программ, которые, с одной стороны, выступают как интерфейс между устройствами вычислительной системы и прикладными программами, а с другой стороны — предназначены для управления устройствами, управления вычислительными процессами, эффективного распределения вычислительных ресурсов между вычислительными процессами и организации надёжных вычислений. Это определение применимо к большинству современных операционных систем общего назначения.
Встроенные программы — это программы, «зашитые» в цифровые электронные устройства. В ряде случаев (например, BIOS IBM-PC совместимых компьютеров) являются, по сути, частью операционной системы, хранящейся в постоянной памяти. В достаточно простых устройствах вся операционная система может быть встроенной. Многие устройства современных компьютеров имеют собственные «прошивки», осуществляющие управление этими устройствами и упрощающие взаимодействие с ними.
Вспомогательные компьютерные программы в составе общего программного обеспечения для выполнения специализированных типовых задач, связанных с работой оборудования и операционной системы. Утилиты предоставляют доступ к возможностям (параметрам, настройкам, установкам), недоступным без их применения, либо делают процесс изменения некоторых параметров проще (автоматизируют его). Утилиты могут входить в состав операционных систем, идти в комплекте со специализированным оборудованием или распространяться отдельно.
К этой категории относятся системные программы, предназначенные для разработки программного обеспечения.
· системы управления базами данных
Совокупность программных и лингвистических средств общего или специального назначения, обеспечивающих управление созданием и использованием баз данных.[4]
Прикладное программное обеспечение. Прикладное программное обеспечение — программа, предназначенная для выполнения определенных пользовательских задач и рассчитанная на непосредственное взаимодействие с пользователем.
· научное программное обеспечение. Развитие вычислительных методов позволило решать разнообразные научные задачи с помощью вычислительной техники. На данный момент существуют программы для множества областей: математики, химии, физики, астрономии, лингвистики, биологии, медицины и т. д.
· развлекательное программное обеспечение
· мультимедийное программное обеспечение
· системы электронного документооборота
Инструментальное программное обеспечение. Программное обеспечение, предназначенное для использования в ходе проектирования, разработки и сопровождения программ, в отличие от прикладного и системного программного обеспечения.[4]
