19

Н.М.Козлов.

ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Учебное пособие для студентов 3 курсаов специальности 080802.

Сергиев-Посад 2002 г.

Введение.

В основе развития человека и общества в целом лежит передача различных сведений, полученных в результате накопления знаний и опыта, между отдельными людьми и от поколения к поколению.

Совокупность сведений (отдельные сведения) называются информацией:

Основная часть информации воспринимаемая и выдаваемая человеком имеет оптическую и акустическую природу, а обработка информации в естественных условиях осуществляется головным мозгом человека.

Стремление увеличить скорость обработки и объем обрабатываемой информации привело к созданию различных автоматизированных систем, в том числе и информационных. При обработке техническими средствами кроме основной информации, подлежащей обработке, формируются другие виды её, необходимые для нормального функционирования аппаратных средств (устройств). Таким образом, информация делится на четыре основных вида:

1. Данные, подлежащие обработке (данные пользователя);

2. Программа (алгоритм) обработки данных, содержащая команды, указывающие выполняемые операции;

3. Служебная информация, позволяющая ориентироваться в записываемых и читаемых данных (имя файла, имя тома, адреса и т.д.);

4. Избыточная информация - это различные импульсы и коды, обеспечивающие функционирование технических средств, выделение кодов данных, обнаружение ошибок, восстановление исходной информации.

Информация может быть преобразована и обработана. При преобразовании меняется форма, но не содержание исходной информации.

При обработке получаем результат, отличный от исходных данных.

Информационной системой (ИС) называется совокупность аппаратных и программных средств, предназначенных для накопления, хранения, обработки и выдачи информации с применением электронно-вычислительных машин.

Аппаратные средства - это техническое решение тех или иных задач, т.е. различные устройства, блоки, платы, схемы, узлы, механизмы и прочее.

Программные средства - это алгоритмы и программы решения задач, т. е. последовательность выдачи тех или иных сигналов, их анализа принятия решения. С помощью ЭВМ можно решать разнообразные задачи, которые принято делить на три класса:

1. Научно - технические (расчетного характера).

2. Информационно - справочного, логического и статистического характера.

3. Задачи управления объектами и процессами. Они различаются характеристиками алгоритмов, требуемой точностью расчетов, допустимыми интервалами времени на получение результата, мощностью алфавитов и потребностями ввода-вывода (вспомогательное оборудование).

Научно-технические (расчетные) задачи характеризуются сложными алгоритмами обработки данных и сравнительно небольшим количеством исходных данных. Такие задачи решаются при проектировании различных механизмов, аппаратов, машин. Допустимое время решения задачи в принципе не ограничено.

Задачи информационно-справочного, логического и статистического характера называются также задачами обработки данных. Для этого класса задач характерны сравнительно короткие алгоритмы обработки и значительные объемы входных и выходных сообщений. В то же время требуются разнообразные внешние устройства для ввода-вывода информации в виде текста, графиков, чертежей, речи, а также устройств внешней памяти для хранения больших объемов информации. Допустимое время решения задачи в принципе неограниченное.

ИС обработки данных широко применяется в банковском и библиотечном деле, системах резервирования авиа - и железнодорожных билетов, учреждениях статистики и метеорологии, справочных организациях и организациях учета, связи и оказания услуг (торговля, электросеть, жилищно-коммунальные организации) и др. Информационная система является неотъемлемой частью офисного оборудования.

Задачи управления объектами и процессами решаются в режиме реального времени, т.е. допустимое время решения задачи ограничено. В тоже время исходные данные, поступающие от различных датчиков могут меняться произвольно в любой момент времени. Время реакции системы на эти изменения должно быть возможно меньше. От этого зависит точность выполнения той или иной операции исполнительным механизмом.

Такие задачи решаются при управлении станками с числовым программным управлением, различными технологическими процессами, полетом ракет и самолетов.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ.

Структура информационной системы.

Информационная система (ИС) состоит из двух основных частей:

1. Обрабатывающей (центральной)

2. Средств загрузки и выгрузки информации (внешние устройства).

Центральная часть ИС содержит центральный процессор (ЦП) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). ЦП работает по программе, выполняет указанные в командах программы, операции, т.е. ведет обработку информации.

ОЗУ предназначено для временного хранения рабочих программ, исходных данных и результатов их обработки.

Внешние устройства (ВУ) предназначены для загрузки (ввода) исходных данных в ОЗУ, выгрузке (вывода) результатов обработки информации из ОЗУ и для хранения различной информации (программ и данных) в промежутках между использованием ее.

Внешние устройства делятся на три группы:

1 .Устройства ввода (УВВ) предназначены для считывания информации с носителя, ее кодирования и ввода в ОЗУ центральной части ИС. К УВВ относятся клавиатура, сканеры, читающие автоматы, устройства ввода речевых сообщений.

2-Устройства вывода (УВыв) предназначены для вывода из ОЗУ результатов обработки информации в форме пригодной для использования человеком (текст, графика, звуковые сообщения). К устройствам вывода относятся мониторы (дисплеи), печатающие устройства (принтеры), графические регистрирующие устройства (плоттеры), синтезаторы речи.

3.Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) - предназначены для записи, хранения и последующего считывания информации в форме пригодной только для машинной обработки. ВЗУ называются также устройствами ввода-вывода. К ним относятся накопители информации на магнитных дисках (НМД), магнитных лентах (НМЛ), называемые также стримерами, на оптических и магнитооптических дисках, на центральных магнитных доменах.

Рис 1. Структурная схема информационной системы.

Организация ввода-вывода.

Для передачи информации (данных) от одного узла системы к другому необходимо обеспечить физическую и логическую связь между ними, т.е. сопряжение. Такое сопряжение называется интерфейсом. Понятие “Интерфейс” является совокупным. Под ним подразумевается совокупность аппаратных (схем, узлов, линий, сигналов) и программных (алгоритмов) средств, необходимых для передачи информации от одного узла системы к другому. Интерфейсы делятся на два типа – последовательный и параллельный в зависимости от того, как по нему передаются данные – побитно или словами.

Физическая реализация интерфейса - это шина, т.е. совокупность электрических линий. Обычно линии делятся по их функциональному назначению на три группы: шина адреса (ША), шина данных (ШД), шина управления (ШУ). Количество линий в шинах адреса и данных определяет их разрядность. Минимальная разрядность шины данных - 8. Такую разрядность имеет интерфейс ввода-вывода, по которому осуществляется обмен данными между внешними устройствами и центральной частью системы. Разрядность шины данных системного интерфейса определяет быстродействие системы. Разрядность шины адреса зависит от объема оперативной памяти системы.

Информационную систему, построенную на базе ЭВМ можно разделить на две части: центральную (обрабатывающую) и периферийную (внешнюю). В центральной части узлы связаны между собой системным интерфейсом, который отличается высокой разрядностью шины данных и быстродействием. В принципе центральная часть может иметь несколько интерфейсов.

Для связи центральной части с внешними устройствами обычно организуется интерфейс ввода-вывода, который имеет низкую разрядность и быстродействие. Это объясняется тем, что внешние устройства содержат механические узлы, значительно снижающие их быстродействие.

Управление процессом обмена данными по интерфейсу ввода-вывода осуществляет периферийный процессор ввода-вывода. Если вводом-выводом управляет ЦП, то на время обмена информации между ОЗУ и ВУ

процессор прерывает свою работу над основной ( рабочей ) программой.

Прерывание может быть программным и внепрограммным.

При программном прерывании ЦП работает по подпрограмме обработки прерывания ( драйверу ), а данные передаются через внутренний регистр процессора.

При внепрограммном прерывании процедурой ввода - вывода управляет контроллер прямого доступа (КПД), а ЦП - находится в режиме ожидания окончания ввода и вывода данных.

Современные ЭВМ имеют так называемую открытую архитектуру, т.е. позволяют менять структуру (объем и номенклатуру) внешних устройств, следовательно, интерфейс ввода-вывода является унифицированным. В то же время внешние устройства являются специализированными и требуют индивидуальных управляющих сигналов и алгоритма обмена ими.

Для согласования унифицированных сигналов и алгоритмов интерфейса ввода-вывода с индивидуальными сигналами и алгоритмами конкретного внешнего устройства применяются устройства управления, называемые контроллерами и адаптерами. Интерфейс между контролером и внешним устройством называется малым, рис.2.

Рис. 2. Структурная схема ввода-вывода.

Контролеры могут быть групповыми и многофункциональными. Групповые - обслуживают несколько однотипных внешних устройств, а многофункциональные – несколько различных устройств.

Многофункциональный контролер представляет собой специализированную микро-ЭВМ, работающую по алгоритмам обмена информацией с внешними устройствами, имеющими различный состав малого интерфейса. При этом контролер позволяет управлять несколькими внешними устройствами с разделением во времени.

Контроллеры, управляющие одним внешним устройством, называются одиночными и имеют, как правило, аппаратную реализацию функций и жесткую логику.

В простейших информационных системах построенных на базе простых персональных ЭВМ системный интерфейс является одновременно и интерфейсом ввода-вывода, т.е. все составляющие информационной системы связаны единым интерфейсом, который называется интерфейсом общая шина.

В этом случае обмен информацией (данными) между устройствами осуществляется под управлением центрального процессора. Следовательно, для организации обмена данными с внешними устройствами центральный процессор должен прервать выполнение основной программы. Прерывание может быть программным и внепрограммным.

При программном прерывании центральный процессор, получив команду ввода-вывода, переходит к подпрограмме обработки прерывания, например, драйверу работы с устройством ввода. Процессор обращается к ВУ, получает от него байт данных, записывает его в свой внутренний регистр, затем обращается к определенной ячейке памяти (ОЗУ) и передает в нее этот байт информации. Такое управление обменом называется программным и является неэффективным.

С целью сокращения времени для передачи информации в ОЗУ или вывода из нее организуется прямой доступ внешнего устройства к оперативной памяти. В этом случае центральный процессор, получив из программы команду ввода - вывода передает управление обменом контролеру прямого доступа (КПД) или периферийному процессору ввода-вывода, который формирует адреса ячеек памяти и соответствующие управляющие сигналы. Такое прерывание называется внепрограммным или прерыванием прямого доступа. Контролер прямого доступа включается между системным интерфейсом и управляющим контролером внешнего устройства. На рисунке 3 показано включение контролера прямого доступа при системном интерфейсе “Общая шина”. Следует отметить, что для эффективного применения прерывания прямого доступа необходимо с егментирование (разделение) интерфейса общая шина или организация отдельного интерфейса ввода-вывода.

Рис. 3. Структурная схема вычислительной системы с системным интерфейсом ОБЩАЯ ШИНА.

В современных, относительно несложных информационных системах, построенных на базе персональных компьютеров, все управляющие контролеры располагаются внутри системного блока, а процессор ввода-вывода - на системной (материнской) плате.

На рисунке 4 в качестве примера приведена структурная схема одного из перспективных персональных компьютеров, позволяющих организовать информационную систему среднего класса.

Рис.4. Структурная схема одного из перспективных персональных компьютеров.

Пояснения к рисунку 4.

CPU - центральный процессор.

FSB - интерфейс центрального процессора.

Слот AGP4X - слот подключения внешнего графического адаптера, (графический порт).

Memory Controller Hub - контроллер оперативной памяти и графического порта.

RDRAM - оперативная память,

Isochronous Hub Link - интерфейс ввода - вывода.

I/O Coutroller Hub - контроллер (процессор) ввода - вывода.

Порт USB - последовательный универсальный порт для внешних устройств.

Порт IDE - порт для подключения жестких дисков.

Слот PCI - слоты подключения к контроллеру внешних устройств.

Слот AMR - звуковой выход.

Super I/O - контроллер портов ввода - вывода.

Firmware Hub - постоянная перезаписываемая память системного и видео BIOS.

USB, IDE, LPC, PCI - интерфейсы и соответствующие им протоколы обмена,

Кодирование информации.

Вся информация в системах построенных на базе ЭВМ представляется в виде двоичных чисел различной разрядности. Разряды одного числа, например байта, могут передаваться одновременно по линиям интерфейсной шины (параллельный интерфейс, параллельная передача, параллельный формат числа), но могут передаваться и по одной линии бит за битом (последовательный интерфейс, последовательная передача, последовательный формат числа).

В информационных системах обрабатываемая информация имеет текстовую или графическую форму. Текст состоит из набора символов. Каждому символу присваивается определенный (обычно восьмиразрядный) двоичный код в соответствии с одной из принятых кодовых таблиц.

Графическая информация монохроматического вида представляется как совокупность светлых и темных точек. Каждой точке (пикселю) соответствует один двоичный разряд (0 и 1) в зависимости от ее яркости. Для передачи полутонов яркость пикселя указывается многоразрядным кодом.

Полихроматическое (цветное) изображение составляется из множества мельчайших точек различного цвета. В этом случае для кодирования одного пикселя используются многоразрядные коды.

Машинные носители информации.

Физическая среда, предназначенная для записи, хранения и считывания информации называется носителем информации. Если носитель предназначен для записи и считывания информации техническими средствами, то он называется машинным.

К машинным носителям информации предъявляются следующие требования:

1. Возможно большая плотность записи. Плотностью записи называется количество бит информации, записанной на единице объема, площади, длины (объемная, поверхностная, продольная плотность).

2. Возможно большая скорость записи и чтения информации. скорость определяется как множество записанных или считанных бит (байт) информации за единицу времени.

3. Возможность многократного использования носителя (перезапись информации).

4. Надежность хранения информации, т.е. устойчивость к внешним воздействиям магнитных полей, радиации, механическим воздействиям, повышенной температуре и т.д.

5. Невысокая стоимость, доступность, простота эксплуатации, компактность, малая масса.

В зависимости от способа регистрации (записи) информации машинные носители делятся на:

1-перфоносители - запись ведется путем изменения его формы, - пробивки перфорации (отверстия).

2.магнитные - запись ведется путем изменения магнитных свойств рабочего слоя внешнего магнитного поля.

З. Оптические - запись осуществляется путем изменения оптических свойств (коэффициента отражения) носителем.

4. Магнитооптические - запись осуществляется путем изменения магнитных свойств, при воздействии лучистой энергии.

В зависимости от формы носителя они делятся на ленты, карты, диски, барабаны.

Наибольшее распространение получили магнитные диски, магнитные ленты, оптические диски.

Перспективными являются магнитооптические диски, имеющие большой срок сохранности записанной информации (более 100 лет), исключительную стойкость к внешнем воздействиям, включая сильные магнитные поля и радиацию, практически неограниченное число циклов перезаписи (более 100 млн.), высокую емкость носителей (для 5,25 дюймового диска- 5,2 Гб на обе стороны), высокое быстродействие (время доступа к информации 25 мс, скорость чтения 5,5 Мб/с, 18 Me, скорость записи 2,75 Мб/с). В перспективе 20 Гб, 11Мб/с.

Магнитооптические устройства (дисководы) применяются как в качестве самостоятельных (внутренних или внешних) устройств, так и для построения магнитооптических библиотек емкостью до 1,5 Тб.

Основная сфера применения магнитооптических дисководов - офисное делопроизводство, графический дизайн, издательские системы, автоматизированное проектирование.

Организация записи информации на машинных носителях.

Систематизированное изменение какого-либо параметра носителя называется записью. Запись осуществляется записывающим элементом (магнитной или лазерной головкой). Поверхность носителя, проходящая перед записывающим элементом, называется дорожкой записи. В зависимости от особенности структуры и формы носителя на нем размещается одна (магнитная лента, оптический диск) или несколько (магнитная лента, магнитный диск, магнитный барабан, перфолента) дорожек. Для организации параллельно-последовательного способа размещения информации применяются многодорожечные (9) магнитные ленты и барабаны. Количество дорожек на магнитных дисках может достигать нескольких сотен. На магнитных и оптических дисках применяется последовательный способ размещения информации.

Любая информация пользователя называется данными. Группа записей одинакового типа для данной работы называется файлом. Файл может записываться полностью, а может разбиваться на блоки. Участок носителя, где записан один блок данных, называется зоной (для магнитной ленты) или сектором (для магнитных дисков). На жестких магнитных дисках секторного деления дорожек может не быть. Зоны магнитной ленты разделяются межзонными промежутками (без записей), а секторы магнитного диска - пробелами, где записывается вспомогательная информация. Сектор гибкого диска и дорожка жесткого делится на поля. Основными являются поле адреса и поле данных.

В тех случаях, когда на носителе имеется несколько дорожек, они нумеруются. Если несколько носителей (дисков) собираются вместе в пакет вводится понятие цилиндра. Дорожки на каждой рабочей поверхности каждого диска имеют одинаковую нумерацию, а совокупность дорожек находящихся друг над другом и имеющих одинаковый номер называются цилиндром.

Кроме данных пользователя на носитель записывается служебная информация, позволяющая обеспечить поиск необходимого файла (адрес файла) и идентифицировать файл (описание файла). Для информации каждого вида отводится определенная часть дорожки записи или сектора, которая называется полем (поле данных, поле адреса).

При чтении записанной цифровой информации недопустимой является ошибка даже в одном её бите. Для контроля правильности считываемой информации на носитель записывается дополнительная информация позволяющая обнаружить ошибки при чтении, а в некоторых случаях восстановить потерянную информацию. Такая информация называется избыточной или контрольной.

При однодорожечной записи данные записываются бит за битом без каких-либо промежутков и пауз, поэтому одной из задач при чтении является определение нулевых бит, начала и конца байта, начала и конца блока данных. Т.е. необходима синхронизация устройств считывания и записи. Это достигается записью синхронизирующих импульсов и символов.

Принцип записи информации на магнитный носитель.

В настоящее время основным машинным носителем для внешних запоминающих устройств является магнитный. Это магнитные ленты и магнитные диски, кроме того, широко распространяются различные магнитные карты. Магнитный носитель состоит из основы (пластмасса, алюминий), на которую нанесен тонкий ферромагнитный слой, называемый рабочим. Рис 5. В большинстве случаев рабочий слой – это ферролак, но может быть и металлическим. Рабочий слой способен намагничиваться под действием внешнего магнитного поля и сохранять остаточную намагниченность (индукцию) после удаления носителя от источника магнитного поля.

Рис. 5. Структура магнитного

носителя.

М агнитные свойства материала характеризуются зависимостью магнитной индукции (степенью намагниченности) от напряженности магнитного поля (от силы внешнего магнитного поля). Для магнитной записи информации пригодны материалы, обладающие прямоугольной петлей Гистерезиса, т.е. материалы способные сохранять остаточную магнитную индукцию после прекращения действия внешнего магнитного поля. Рис. 6.

Рис. 6. Зависимость магнитной индукции от напряженности магнитного поля.

Запись осуществляется записывающей магнитной головкой, которая представляет собой металлический или ферритовый сердечник с зазором, на который намотана катушка. Рис. 7. При записи по катушке головки записи пропускают ток записи. В результате в сердечнике головки возникает магнитный поток,

Рис. 7. Принцип записи информации.

который замыкается по рабочему слою носителя, находящемуся около рабочего зазора сердечника. Носитель намагничивается и при удалении от головки сохраняет намагниченность, т. е. обладает собственным магнитным потоком. Величина остаточной индукции и ее направление зависят от величины и направления тока в головке записи.

Чтение записанной информации осуществляется головкой чтения, которая имеет конструкцию аналогичную конструкции записывающей головки. При движении носителя перед зазором головки чтения намагниченный участок рабочего слоя приближается к зазору сердечника и магнитный поток его замыкается по сердечнику головки. Поскольку магнитный поток в сердечнике меняется вследствие движения носителя то в катушке наводится ЭДС. При удалении намагниченного участка носителя от зазора головки магнитный поток в сердечнике уменьшается, а ЭДС меняет знак и также уменьшается.

Запись и считывание цифровой информации обычно осуществляется одной головкой – универсальной.

В отличие от аналоговой записи, когда ток записи меняется как по величине так и по направлению, цифровая запись осуществляется потенциальным методом. Рис. 8. Это значит, что ток в головке записи течет непрерывно и его величина остается неизменной, но в момент, когда необходимо записать двоичный символ (0 или 1) направление тока меняется на противоположное. При чтении такой записи в момент изменения направления остаточной индукции около зазора головки в ее катушке возникает импульс напряжения той или иной полярности.

Рис. 8. Временные диаграммы, поясняющие принцип записи и чтения аналоговых и цифровых сигналов.