Інформаційна система

Людина живе та працює у світі систем. Вони різняться як складом, так і метою функціонування. Наприклад, системою є освітній заклад, комерційна фірма, автомобіль, комп’ютер та ще багато різних об’єктів. Залежно від мети їх можна розглядати і як єдине ціле, і як сукупність окремих об’єктів, що взаємодіють між собою.

Сучасне життя людини вже важко уявити без комп’ютера й тих можливостей, які надають людині нові пристрої і програми. За їх допомогою людина розв’язує різні практичні, навчальні й наукові завдання. Щоб ефективно використовувати комп’ютер, кожна освічена людина має розуміти, з чого він складається, які типи задач за його допомогою можна розв’язати, який комп’ютер обрати, як збільшити кількість і якість розв’язуваних завдань та чому комп’ютер часто називають інформаційною системою.

Система — це сукупність взаємопов’язаних між собою об’єктів, які утворюють єдине ціле.

Зміна однієї із складових системи призводить до відповідних змін всієї системи. Кожна система створюється з певною метою та існує в певному середовищі.

Під час використання системи важливо виділити об’єкти, описати їх властивості, зрозуміти зв’язки між об’єктами системи, визначити мету створення.

Сукупність пристроїв і програм, призначених для зберігання, опра­цювання, подання й передавання даних різного типу, називають інформаційною системою.

Додавання до поняття «система» слова «інформаційна» відображає мету її створення та функціонування.

Інформаційна система складається з апаратної та інформаційної складових.

Сукупність апаратних пристроїв і технічних засобів для передавання різноманітних даних називають його апаратною складовою (від англ. hardware — жорсткий виріб).

Інформаційну складову (від англ.  software — м’який, ніжний виріб) можна розглядати як сукупність програм і даних. Сукупність описів правил управління пристроями інформаційної системи та опрацювання даних називають її програмною складовою, або програмним забезпеченням, а описи — програмами.

В інформаційній системі дані надходять від джерела, за потреби їх зберігають або певним чином опрацьовують, а потім передають користувачеві.

Персональний комп’ютер (ПК) — це пристрій, що виконує операції введення інформації, оброблення її за певною програмою, виведення одержаних результатів у формі, придатній для сприйняття людиною.

Якість комп’ютера характеризується багатьма показниками. Це - набір інструкцій (команд), які комп’ютер здатен розуміти і виконувати; швидкість роботи (швидкодія) ЦП; кількість пристроїв введення-виведення, які можна приєднати до нього одночасно; споживання електроенергії та ін. Головним показником є швидкодія – кількість операцій, яку ЦП здатний виконати за одиницю часу.

Структура комп’ютера – це модель, що встановлює склад, порядок та принципи взаємодії її компонентів.

Основні функції визначають призначення комп’ютера: оброблення та зберігання інформації, обмін інформацією із зовнішніми об’єктами. Додаткові функції підвищують ефективність виконання комп’ютером основних функцій: забезпечують ефективні режими її роботи, діалог з користувачем, високу надійність. Ці функції комп’ютера реалізуються за допомогою її компонентів – апаратних та програмних засобів. 

За кожну функцію відповідають спеціальні блоки комп’ютера: пристрій введення, центральний процесор (ЦП), пристрій виве­дення. Всі ці блоки складаються з окремих дрібніших при­строїв. Номенклатура блоків може варіюватися, але мінімальний комплект складають: системний блок, клавіатура, монітор, маніпулятор (миша). В числі додаткових пристроїв можуть бути: принтер, додатковий накопичувач та ін.

Монітор (дисплей) — пристрій для відображення інформації, що вводиться в ПК і виводиться з нього.

Клавіатура — пристрій для ручного введення число­вої або текстової інформації в ПК. Пристрої мовного введення-виведення належать до за­собів мультимедіа. Пристрої мовного введення — це різні мікрофонні акустичні системи (наприклад «звукові миші») зі складним програмним забезпеченням, що дає змогу розпізнавати слова, ідентифікувати їх і видавати комп'ютеру відповідні команди або перетворювати мову на текст. Пристрої мовного виведення — це різні синтезатори звуку, які перетворюють цифрові коди на літери та слова, відтворювані через гучномовці (динаміки) або зву­кові колонки, приєднані до комп'ютера.

Основні блоки ПК:

• мікропроцесор – до нього входять логічні блоки: керуючий пристрій (КП), АЛП та мікропроцесорна пам’ять (МПП);
• материнська (системна) плата;
• накопичувачі;
• постійний запам’ятовуючий пристрій (ПЗП);
• оперативний запам’ятовуючий пристрій (ПЗП);
• блок живлення;
• адаптери.

Системний блок (корпус)

Системний блок стаціонарного ПК — прямокутний каркас, в якому розміщено всі основні вузли комп'ютера: материнську плату, адаптери, блок живлення, один-два накопичувачів на гнучких магнітних дисках (НГМД), один (іноді більше) накопичувач на жорсткому магнітному диску (НЖМД), динамік, дисковод для компакт-дисків або інші накопичувачі, органи керування. Серед органів керування, що, як правило, встановлюють на передній панелі можуть бути: вимикач електроживлення; кнопка загального скидання RESET; кнопка "сну", яка дає змогу знизити енергоспоживання, коли комп'ютер не використовується; індикатори живлення та режимів роботи.

Із тильного боку системного блока розташовано штепсельні рознімні з'єднання — порти для підключення шнурів живлення і кабелів зв'язку із зовнішніми (встановленими поза системним блоком) пристроями. В середині системного блока розміщено плати сполучення пристроїв із центральним процесором (ЦП) та іншими пристроями на материнській платі (адаптери, або контролери, і плати розширення). 

Блок живлення

Цей блок перетворює змінний струм стандартної мережі електроживлення (220 В, 50 Гц) на постійний струм низької напруги. Він має кілька виходів на різні напруги (12 і 5 В), які забезпечують живленням відповідні пристрої комп'ютера. Електронні схеми блока живлення підтримують ці напруги стабільними незалежно від ко­ливань мережної напруги в досить широких межах (від 180 до 250 В). Звичайна потужність блоків живлення ПК становить 150—230 Вт, для мережного сервера вона може бути значно більшою. Більшість блоків живлення має вентилятор для відведення із системного блока надмір­ного тепла, що виділяється під час роботи електронних пристроїв.

Системна (материнська) плата

Так називають велику друковану плату одного із стандартних форматів, яка несе на собі головні ком­поненти комп'ютерної системи: ЦП; оперативну пам'ять; кеш-пам'ять; комплект мікросхем логіки, що підтримують роботу плати, — чіпсет (chipset); центральну магістраль, або шину; контролер шини і кілька рознімних з'єднань-гнізд (слотів, від англ. slot — щілина), які служать для підключення до материнської плати інших плат (контролерів, плат розширення та ін.). Частина слотів у початковій комплектації ПК залишається вільною. В рознімні з'єднання іншої конфігурації встановлюють модулі оперативної пам'яті. Кількість і тип рознімних з'єднань є однією з важливих характеристик системної плати, оскільки при доукомплектовуванні або модернізації комп'ютера вільних слотів може не вистачити.   

Крім того, на материнській платі є мініатюрні перемички (jumpers) або перемикачі (switches), за допомогою яких відбувається настроювання плати. На системній платі розташовано також з'єднувачі, до яких за допомогою спеціальних кабелів (шлейфів) підключають додаткові пристрої.                                  

Ще один важливий елемент, який встановлюютьна системній платі, — мікросхема BIOS (Basic Input-Output System, базова система введення-виведення).

 Вона є енергонезалежним постійним запам’ятовуючим пристроєм (ПЗП), в який записано програми, що реалі­зують функції введення-виведення, а також програму тестування комп'ютера в момент вмикання живлення (POST, Power On Self Test), програму настроювання параметрів BIOS і системної плати та інші спеціальні програми.

У роботі BIOS використовують відомості про апаратну конфігурацію комп'ютера, які зберігає ще одна мікро­схема — CMOS RAM (Complementary Metal-Oxide Semiconductor RAM). Це енергозалежна пам'ять, що постійно підживлюється від батарейки, яка також знаходиться на системній платі. Вона живить і схему кварцового годинника — годинника реального часу (real-time, clock, RTC), що безперервно відлічує час і поточну дату.

Мікропроцесор                   
  Самим головним елементом у комп'ютері, його «мозком» є мікропроцесор – електронна схема, що виконує всі обчислення й обробку інформації. Швидкість його роботи багато в чому визначає швидкодію комп'ютера. 

На перший погляд процесор - це просто вирощений за спеціальною технологією кристал кремнію.  Однак камінчик цей містить у собі безліч окремих елементів – транзисторів, які в сукупності й  наділяють комп'ютер здатністю «думати». Процесор складається з декількох важливих деталей: власне процесора – «обчислювача» і співпроцесора – спеціального блоку для операцій з «рухомою крапкою» (або комою). Застосовується співпроцесор для особливо точних і складних розрахунків, а також для роботи з рядом графічних програм.

Кеш-пам'ять першого рівня – невелика (кілька десятків кілобайт (Кб)) надшвидка пам'ять, призначена для зберігання проміжних результатів.

Кеш-пам'ять другого рівня – пам'ять трохи повільніша, але більша – від 128 до 512 Кб. Вона може бути інтегрована на самому кристалі процесора, а може – окремо, у вигляді додаткового кристала (як на процесорах Pentium II).

У наш час у комп'ютерах використовуються процесори, розроблені фірмами Intel, AMD, Cyrix й IBM. Процесори відрізняються один від одного двома характеристиками: типом (моделлю) і тактовою частотою. Чим вище тактова частота, тим вища продуктивність і ціна процесора. Тактова частота вказує, скільки елементарних операцій (тактів) виконується за одну секунду. Сучасні процесори фірми Intel досягають тактової частоти в 1900 Мгц (Pentium 4).

Необхідно помітити, що різні покоління процесорів виконують ті ж самі операції (наприклад, розподіл або множення) за різне число тактів. Чим вище покоління процесора, тим, як правило, менше тактів потрібно для виконання тих самих операцій. Наприклад, процесор Intel Pentium II працює раза в два швидше, ніж процесор Intel CELERON з такою ж тактовою частотою. За двадцятирічну історію масового розвитку комп'ютерного ринку змінилося сім поколінь процесорів фірми Intel: 8088, 286, 386, 486, Pentium, Pentium II, Pentium III, Pentium IV. Крім того, у кожному поколінні існує ще й ціла серія моделей.

    Мікропроцесор (МП) —це, по суті, мініатюрна обчислювальна машина. Основними параметрами МП є: набір команд, розрядність, тактова частота.                          

Набір або система команд постійно вдосконалюється, з'являються нові команди, що замінюють серії найпримітивніших команд, — мікропрограми. На виконання нової команди потрібна менша кількість тактів, ніж на мікропрограму. Сучасні МП можуть виконувати до кількох сотень команд (інструкцій).

Розрядність показує, скільки двійкових розрядів (бітів) інформації обробляється (або передається) за один такт, а також скільки двійкових розрядів може бути використано у МП для адресації оперативної пам'яті, передачі даних та ін.

Кількість пам'яті, що адресується, або адресний простір, залежить від числа ліній шини адреси МП. Якщо Цих ліній 20, то адресний простір становитиме 2²⁰ = 1 Мбайт; якщо ліній 24, то — 2²⁴ = 16 Мбайт, і т. д.

Тактова частота вказує, скільки елементарних операцій (тактів) МП виконує за секунду, вимірюється в мегагерцях (1 МГц = 1 000 000 Гц). Вона є лише відносним показником продуктивності МП. Через архітектурні відмінності МП у деяких з них за один такт виконується робота, на яку інші витрачають кілька тактів.

Важливими характеристиками сучасних МП, що впли­вають на їхню продуктивність, є ємність і швидкість функціонування вмонтованої кеш-пам'яті (від англійського cache — тайник). Річ у тім, що сучасні МП "обганяють" за тактовою частотою інші елементи комп'ютера. Найпринциповіше, що тактова частота МП в кілька разів вища, ніж частота синхронізації системної шини, по якій від­бувається обмін інформацією з відносно повільним оперативним запам’ятовуючим пристроєм (ОЗП). Без внутрішньої кеш-пам'яті (що має особливо високу швидкодію) МП часто працював би вхолосту, чекаючи чергової інструкції з ОЗП або закінчення операції запису у пам'ять.

Накопичувачі

Накопичувачі — це запам'ятовуючі пристрої, призначені для тривалого (що не залежить від електроживлення) зберігання великих обсягів інформації.

Накопичувач можна розглядати як сукупність носія та відповідного приводу. Розрізняють накопичувані зі змінними і незмінними носіями.

Привід — це поєднання механізму читання-запису з відповідними електронними схемами керування. Його конструкція визначається принципом дії та виглядом носія. Носій, що є середовищем зберігання інформації, на зовнішній вигляд може бути дисковим або стрічковим; запринципом запам'ятовування — магнітним, магнітооптичним, оптичним. Стрічкові носії застосовують тільки в магнітних накопичувачах; у дискових використовують магнітні, магнітооптичні й оптичні методи запису-зчиту­вання. Дискові носії (дисководи) розрізняються залежної від типу носія.           

                           

Інформація на дискових носіях зберігається в сектоpax (як правило, по 512 байт). На магнітних носіях секто­ри розташовуються вздовж концентричних кіл — доріжок.  Якщо запис ведеться на кількох поверхнях носія (для дискети це два боки магнітного диска), то сукупність доріжок з однаковими номерами називається циліндром. Сектори і доріжки утворюються під час форматування носія. Форматування виконує користувач за допомогою спеціальних програм-утилітів. Ніяка інформація користувача не може  бути записана на неформатований носій.

Накопичувані на жорстких магнітних дисках (НЖМД)

Жорсткий диск (вінчестер, HDD) – призначений для постійного зберігання інформації, яка використовується при роботі комп'ютера: операційної системи, документів, ігор і т.д. Основними характеристиками жорсткого диска є його ємність, вимірювана в гігабайтах (Гб),  швидкість читання даних, середній час доступу, розмір кеш-пам'яті. Для сучасного домашнього комп'ютера необхідний жорсткий диск обсягом не менше ніж 500 Гб.

Накопичувач на жорстких магнітних дисках — це пристрій з незмінним носієм. Його конструктивна схема схожа зі схемою НГМД, але реалізація істотно інша. НЖМД має забезпечувати в сотні разів більші ємність та швидкість обміну даними. Тому інформація записується не на один, а на набір дисків, що складається з кількох пластин, ідеально плоских і з відполірованим феро­магнітним шаром. При цьому запис проводиться на обидві поверхні кожної пластини (крім крайніх).

Отже, працює не одна, а група магнітних головок, складених в єдиний блок. Пакет дисків обертається без­перервно і з великою частотою (до 7500, а в окремих мо­делях до 10 000 об/ід), поки ПК ввімкнений, і тому  контакт головок і дисків недопустимий. Кожна головка „плаває” над поверхнею диска на відстані 0,5—0,13 мкм. Проникнення в такий механізм найдрібніших пилинок вивело б його з ладу; тому електромеханіч­ну частину накопичувана закрито герметичним корпусом.

На швидкодію НЖМД впливають такі характеристики: частота обертання шпинделя, ємність кеш-памяті, час пошуку або час доступу, час затримки, швидкість обміну.

Адаптери

 Контролери й адаптери:

1 Для кожного зовнішнього пристрою в комп'ютері є електронна схема (контролер або адаптер), що їм управляє. Деякі контролери (наприклад, контролер дисків) можуть управляти відразу декількома пристроями.

2 Усі контролери й адаптери взаємодіють із процесором й оперативною пам'яттю через системну магістраль передачі даних, що називається шиною. Шина – системна плата, що забезпечує введення-виведення інформації. Характеристикою шини є швидкість обміну.

Форми подання даних і керуючих сигналів, викорис­товуваних у різних пристроях ПК, істотно різні, оскільки різними є функції пристроїв, фізичні принципи їхньої ро­боти, форми взаємодії з людиною. Так, дані, які зчитуються з дискети, подаються послідовністю електричних імпульсів, кожний з яких несе значення одного біта. Ті самі дані в системній шині зображаються комбінацією, наприклад, 32 імпульсів, які передаються одночасно.

Для підтримання взаємодії пристроїв необхідно вико­нувати перетворення форм подання інформації, викорис­товуючи спеціальні пристрої - адаптери. Конструктив­но — це друковані плати, що, з одного боку, мають стан­дартне рознімне з’єднання для сполучення з шиною, а з іншого — специфічне рознімне з’єднання (одне або кілька) для зв’язку з відповідним пристроєм. На платах розміщують мікросхеми й інші елементи, які виконують необхідні перетворення. З удосконаленням елементної ба­зи зменшується потреба в адаптерах, оскільки деякі функції щодо перетворення сигналів виконують елек­тронні схеми керування самих пристроїв (наприклад, на­копичувачів), а деякі з узгоджень забезпечують мікросхе­ми, встановлені на системній платі.

Види пам’яті

Розрізняють постійну (постійний запам’ятовуючий пристрій - ПЗП) та оперативну (оперативний запам’ятовуючий пристрій - ОЗП) пам’ять.

Оперативна пам’ять (RAM— randomaccessmemory — пам'ять прямого доступу) – це енергозалежна пам’ять, яка використовується під час роботи комп’ютера. Характерною є велика швидкість виконання операцій. Обсяг ОЗП персональних ЕОМ зараз становить від 4-8 Гb і вище 1 Тb в зaлeжнocтi вiд класу. Після вимикання живлення інформація в пам’яті не зберігається. Оперативна пам'ять розподілена на елементарні області — байти. Кожний байт має свою адресу.

Оперативна пам'ять (RAM, ОЗУ)забезпечує роботу із програмним забезпеченням. З неї процесор і співпроцесор беруть програми й вихідні дані для обробки. Характеристика оперативної пам'яті - обсяг, вимірюваний у гігібайтах (Мб). Оперативна пам'ять випускається у вигляді мікросхем, зібраних у спеціальні модулі: SIMM, DIMM або новітній модуль DDR4. 

Щоб комп'ютер працював, необхідно, щоб у його оперативній пам'яті перебували програма й дані. А потрапляють вони туди з різних пристроїв комп'ютера. Таким чином, для комп'ютера необхідний обмін інформацією між оперативною пам'яттю й зовнішніми устроями. Такий обмін являється введенням-виведенням. Але цей обмін  не відбувається безпосередньо: між будь-яким зовнішнім пристроєм й оперативною пам'яттю в комп'ютері є дві проміжних ланки.

Накопичувачі CD\DVD-RW

Накопичувачі на компакт-дисках (CD-ROM) здатні тільки прочитувати дані, занесені надиск. Маючи велику ємність (до 640 Мбайт) та високу швидкість зчитування, вони ефективні при зберіганні й поширенні великих об­сягів інформації (великі програмні комплекси, довідники, словники тощо). 

Цифрова інформація відображається на пластиковому диску з покриттям у вигляді западин (невідбивних плям) та острівців, що відбивають світло. На відміну від вінчестера, доріжки якого мають вигляд концентричних кіл, компакт-диск має одну безперервну доріжку у формі спіралі.

Зчитування інформації з компакт-диска відбувається за допомогою лазерного променя. Потрапляючи на острівець, що відбиває світло, він відхиляється на фотодетектор, який інтерпретує це як двійкову одиницю. Промінь лазера, що потрапляє в западину, розсіюється і поглинається — фотодетектор фіксує двійковий нуль. Як відображальна використовується алюмінієва поверхня.

У сучасних накопичувачах CD-ROM використовують кілька стандартів запису інформації, найпоширенішим з яких є стандарт ISO 9660, особливо в частині рівня фай­лової системи. Стандарт дає змогу зберігати інформацію на компакт-диску і звертатися до неї так само, як і до інформації на жорсткому диску або дискеті.

Для спрощення підключення пристроїв електронні схеми складаються з декількох модулів – електронних плат. На основній платі комп'ютера – системній (материнській) – розташовуються процесор, співпроцесор, оперативна пам'ять і шина. Схеми, які керують зовнішніми пристроями комп'ютера (контролери або адаптери), знаходяться на окремих платах, які  вставляють в уніфіковані роз'єми на материнській платі. «Гніздо» для установки процесора: для кожного процесора існує свій тип материнської плати, як правило, несумісний з іншими процесорами.

Одним з контролерів, які присутні у всіх комп'ютерах, є контролер портів введення-виведення. 

Типи портів:

– паралельні (LPT1-LPT4), до них звичайно приєднують принтери й сканери;

– послідовні асинхронні порти (COM1-COM4), до них приєднуються миша, модем і т.д.;

– ігровий порт - для підключення джойстика;

– порт USB (USB 2) - недавня розробка - порт із найвищою швидкістю введення-виведення, до нього підключаються нові моделі принтерів, сканерів, модемів, моніторів і т.д.

Відеоадаптер (відеоконтролер, відеокарта) призначений для роботи в графічному режимі. Головним завданням сучасної відеокарти є підтримка об'ємної, тривимірної графіки (3D). Ніколи не зашкодить і додаткова можливість відеокарт - TV тюнер - прийом телевізійного сигналу. Головною характеристикою є  обсяг пам'яті. Сучасні графічні додатки й ігри жадають від відеокарти наявності як можна більшої кількості пам'яті.

Пристрій для читання компакт-дисків (CD-ROM)призначений для читання записів на компакт-дисках. Переваги пристрою - велика ємність дисків, швидкий доступ, надійність, універсальність, низька вартість. Основне поняття, що характеризує роботу даного устрою - швидкість.

Пристрій для однократного запису CD-R - дисковід з можливістю однократного запису інформації на спеціальний диск. Запис на ці диски здійснюється завдяки наявності на них особливого світлочутливого покриття, що вигорає під впливом високотемпературного лазерного променя.

Пристрій багаторазового запису CD-RW- дисковід з можливістю багаторазового запису інформації.

 Останнім часом все більше поширення одержує DVD-ROM – пристрій, призначений для читання дисків формату DVD.