Информацияны сақтау үшін қолданылатын құрылғылар

Информацияны өңдеуші құралдардың түрлері. ЭЕМ–ді құрастырудың Джон фон Нейман принциптері. ЭЕМ-нің негізгі құрылғылары. ЭЕМ-нің архитектурасы мен құрылымы. ЭЕМ-нің түрлері мен буындарының негізгі сипаттамалары. Информацияны сақтау құралдары.Файл және каталогтар жүйесі. Информацияны сақтау үшін қолданылатын құрылғылар. Жад және оның түрлері. Дербес компьютердің информация сақтау құрылғылары, олардың қызметтері мен негізгі сипаттамалары: информация сақтау көлемі, информацияға қол жеткізу және жазу уақыты, құрылымы. Сыртқы информация сақтау құрылғылары: магниттік (майысқақ және қатты) дискілер, оптикалық және магнитооптикалық дискілер, олардың сипаттамалары.

Информацияны өңдеу – информацияға қолданылатын амалдардың негізгісі. Информацияны өңдеу үшін арнайы техникалық құралдар қолданылады. Қазіргі заманда информацияға байланысты барлық амалдар интегралды (біріктірілген) түрде есептеу техникасының көмегімен орындалады. Ол үшін информация формальді түрге немесе деректер құрылымы ( информациялық объектілер ) түріне келтіріледі.

Информацияны өңдеу дегеніміз бір информациялық объектіні (деректер құрылымын) басқа объектілерден белгілі бір амалдардың тізбегі — алгоритмді орындау нәтижесінде алу.

Информацияны өңдеуде басты роль атқаратын түсініктердің бірі – алгоритм туралы түсінік. Алгоритм информацияны өңдеу үрдісін сипаттайды және қандай амалдарды қандай тәртіппен орындаудың қажеттілігін көрсетеді. Алгоритм немесе алгорифм (кейбір ертеректе жарық көрген оқулықтарда осылай аталынған) деген сөз IX – ғасырда өмір сүрген, ондық сан жүйесінде төрт арифметикалық амалдарды қолданудың тәртібін көрсеткен, алғашқы алгебра пәні бойынша кітап жазған, орта азиялық ғалым аль-Хорезмидің атына байланысты.

Алгоритм дегеніміз информацияны өңдеуге бағытталған кез-келген нақты есепті шешуге арналған және оны жүзеге асыратын орындаушыға берілетін ережелер мен командалардың (нұсқаулардың) жиыны.

Алгоритмді орындаушы дегеніміз есепті шешетін адам, компьютер, станок, технологиялық жабдық және т.б. Орындаушының ерекшелігіне байланысты алгоритм сөзбен, графиктермен, кестелермен, формулалар тізбегімен және т.б. шартты белгілермен бейнеленуі мүмкін.

Информацияны өңдеу үрдісінде қолданылатын немесе алгоритмді жүзеге асыруға қажетті құралдар информатиканың негізгі екі кешенінен тұрады:

—         программалық жабдық (software);

—         техникалық құралдар (hardware).

Қазіргі заманда негізгі алгоритм орындаушы – ЭЕМ (электронды -есептегіш машина) немесе компьютер (computer – есептегіш). Егер компьютерлік техника пайдаланылатын болса, онда информацияны өңдеуге арналған алгоритм программалау тілінде бейнеленуге немесе компьютерге түсінікті әрі берілген тапсырманы орындауға қажетті программа түрінде оның жадына енгізілуі тиісті.

ЭЕМ дегеніміз информацияны өңдеу мен есептеулер үрдісін автоматтандыруға арналған электрондық құрылғы. Өңделінетін информацияның түріне байланысты электрондық-есептегіш машиналар үш түрге бөлінеді:

—         цифрлы есептегіш машиналар (ЦЕМ) цифрлы (дискретті) түрдегі информацияны өңдеуге арналған;

—         аналогты есептегіш машина (АЕМ) үзіліссіз өзгеретін информацияны өңдеуге арналған;

—         гибрид (будан) есептегіш машина (ГЕМ) дискретті де, үзіліссіз өзгеретін де информацияны өңдеуге арналған.

XX – ғасырдың 40 — жылдары пайда болған алғашқы ЭЕМ-дерден бастап, қазіргі заманғы компьютерлерге дейінгі даму тарихында есептеу техникасы мен оларды жасаудың технологиясы көп өзгеріске ұшырады. Ғылым мен техниканың барлық жаңалықтары есептегіш машиналар мен олардың құрылғыларын жасауда алғаш болып пайдаланылды. Алғашқы буын машиналардың мүмкіншіліктерін қазіргі заманғы дербес компьютерлердің, ноутбуктардың, суперкомпьютерлердің мүмкіншіліктерімен салыстыруға болмайды, айырмашылықтары өте зор. Бірақ өткен 60 жылдан астам уақытта дүние жүзінде жасалынған компьютерлердің барлығының жасалу принциптерінде шешуші өзгерістер болған жоқ. ЭЕМ-ды құрастырудың жалпы принциптерін 1945 ж. АҚШ математик-ғалымы   Джон фон Нейман ғылыми конгресте жариялаған болатын. Қазіргі заманғы компьютерлердің де жасалуының негізі болып осы принциптер қалуда.

Информацияны өңдейтін құрал әмбебап және тиімді болуы үшін келесі фон Нейман принциптері бойынша құрастырылуы тиіс:

1. Информация екілік сан жүйесінде бейнеленеді (кодталынады) және оның элементі (бірлігі) сөз деп аталынады.

ЭЕМ-де екілік жүйенің қолданылуы информацияны сақтау, жеткізу мен өңдеудегі электрондық схемалардың ерекшеліктеріне байланысты. Нольдер мен бірлерден тұратын жиындар сандарды, командаларды және т.б. информациялық объектілерді бейнелейді; оларды сөздер деп атайды.

2. Әртүрлі типтегі информация сөздері (сандар мен командалар) бір жадта сақталынады; олар бірдей кодталынады, бірақ оларды пайдалану өзгеше болады.

3. Информацияның сөздері машина жадысының ұяшықтарына (ячейкаларына) орналасады; әрбір ұяшыққа номер беріледі, ол номер сонда жазылған сөздің адресі деп есептелінеді.

Сөзді жадқа жазу үшін ұяшықтың номері көрсетіледі, ал оны пайдалану қажет болса, онда оның адресі бойынша тауып алынады. Сонымен, ұяшық адресі онда жазылған команданың немесе шаманың идентификаторы (машиналық аты) болады. Ұяшықтан алынғанда ондағы сөз өзбетімен жойылмайды; оны өшіргенше қолдануға болады. Ұяшықтағы сөзді өшіру үшін оның орнына басқа сөзді жазу керек; сонда бұрынғы сөз өшіріліп, жаңа сөз соның орнына жазылады.

4. Алгоритм командалар деп аталынатын басқарушы сөздердің тізбегінен тұрады; әрбір команда орындалатын амалдар мен оған қатысушы информациялық сөздерді анықтайды. Машина командалары арқылы құрастырылған алгоритмді программа деп атайды.

5. Есептеулердің орындалу тәртібі алгоритммен анықталып, командалардың тізбегімен (программамен) сипатталынады.

Осы аталынған принциптер бойынша ЭЕМ–нің келесі түрдегі құрылғылары болуы тиіс:

—         арифметикалық-логикалық құрылғы екілік сан жүйесіндегі сандарға арифметикалық және логикалық амалдарды орындауға арналған;

—         басқару құрылғысы программаның орындалу үрдісін ұйымдастырады;

—         жад немесе еске сақтау құрылғысы программалар мен деректерді сақтауға арналған;

—         сыртқы құрылғылар информацияны енгізу және шығару үшін қолданылады.

Компьютерлік құрылғыларды қарастырғанда олардың архитектурасы мен құрылымы туралы сөз болады.

ЭЕМ–нің архитектурасы дегеніміз оның логикалық ұйымдастырылуы, функционалдық құралдарының құрамы мен міндеттері, кодтау принциптері және осы сияқты информацияны өңдеуге қажеттілердің барлығы.

ЭЕМ-нің құрылымы дегеніміз оның элементтері мен олардың арасындағы байланыстардың жиыны.

ЭЕМ–нің барлық құрылғылары бір-бірімен байланысқан; байланыс жолдары арқылы информациялық және басқару сигналдары жеткізіледі. Сигналды информацияны жеткізудің материалдық (физикалық) тасымалдаушысы ретінде қарастыру керек. Қазіргі кезде информацияны жеткізу үшін электр сигналы пайдаланылады. Сигналды анықтайтын физикалық шама ретінде токтың күші немесе кернеуі болады. Сигналдарды бір мезгілде (синхронизация) жеткізу үрдісі ырғақтық импульстер генераторының (ГТИ-генератор тактовых импульсов) шығаратын ырғақтық импульстері арқылы орындалады.

Информация сақталынып, қажет кезде оны ешбір қиындықсыз пайдалана алатындай болуы   керек. Ол міндеттерді орындайтын компьютердің арнайы информацияны еске сақтайтын құрылғысы — оның жады болады.

Жад дегеніміз деректерді қабылдап, болашақта қажетке жаратуға мүмкіндік беретін компьютердің құрылғысы.

Информация өңдеуші компьютерлік жүйелерде келесі негізгі жад түрлері қолданылады:

—         регистрлік жад;

—         негізгі жад,

—         кэш-жад (сache),

—         сыртқы жадтар.

Бұлардан бөлек жадтардың болуы мүмкін, мысалы, видеожад.

Регистрлік жад процессордың құрамында орналасқан, оның көлемі үлкен болмайды; ондағы информация есептеулерде немесе енгізу-шығару амалдарында тікелей қолданылады.

Негізгі жад өңдеу үрдісіне немесе деректер алмасуда тікелей қолданылатын информацияны оперативті (жедел) түрде сақтауға арналған. Ол интегралдық схема күйінде құрастырылып, екі түрге бөлінеді:

— тұрақты еске сақтау құрылғысы (ROM – Read Only Memory – оқуға ғана арналған жад) өзгермейтін (тұрақты) программалар мен анықтама информацияны сақтау үшін қолданылады;

— оперативті (жедел) еске сақтау құрылғысы (RAM – Random Access Memory – еркін қол жететін жад) ағымдағы мерзімде орындалатын информациялық – есептеу үрдісіне қатысатын программалар мен деректерді сақтауға арналған.

Негізгі жад өте көп элементтерден тұрады. Элементтердің әрқайсысы екі (0 немесе 1 арқылы бейнеленген) жағдайдың бірінде болады. Жадтың элементтері топталып, ұяшық түрінде болады. Ұяшықтар сөздерді сақтау үшін қолданылады. Әрбір ұяшықтың номері сонда орналасқан сөздің адресі болып есептеледі; сол адрес бойынша қажетті информация сөзін табуға болады. Жадтың сапасын анықтайтын қасиеттері мен көрсеткіштері бар. Олардың негізгілері мыналар:

—         информациялық сыйымдылығы — сақталынатын информация көлемінің максимумы (байтпен есептеледі);

—         қол жеткізу уақыты – процессор адрестік шинаға қажетті ұяшықтың адресін берген уақыттан бастап, онымен байланыс орнатылғанға дейінгі мерзім;

—         жазу уақыты – деректер шинасындағы информацияны оған байланысқан ұяшыққа жазуға жұмсалынатын уақыт;

—         құрылымы – жадтағы ұяшықтардың саны мен әрбір ұяшықтың разрядын көрсетеді.

Бұлардан бөлек басқа да жадтың көрсеткіштері қолданылады, мысалы, бір бит құны, пайдаланатын электр қуаты, статикалық немесе динамикалық типке жатуы және т.б.

Информацияны өңдейтін негізгі техникалық құрал компьютер болғандықтан, оның техникалық ерекшеліктеріне байланысты, ондағы информация белгілі бір тәртіппен бейнеленуге тиісті. Біріншіден, компьютер — электрлік жүйе, электр қуатымен жұмыс істейді. Электр тогының екі ғана тұрақты жағдайы болады: өткізгіште ток бар немесе жоқ. Осыған байланысты, фон Нейманның принципі бойынша, информация компьютер жадында екілік жүйеде немесе екі цифрдың (0 және 1) көмегімен бейнеленеді. Оны екілік жүйедегі кодтау деп те атайды.

Екілік жүйеде бейнеленген информацияны сақтауға арналған ЭЕМ-нің жадының ұяшықтары мен регистрлері болады. Ұяшық бірнеше биттерден тұрады. Бір бит (bit – binary digit – двоичная цифра – екілік цифр) дегеніміз бір екілік разрядты сақтауға арналған жад. Сегіз бит бір байтты құрайды. Ұяшықта сақталынатын информацияны сөз деп атайды.

Регистр (латын сөзі regestum – енгізілген, жазылған) жадтың арнайы ұяшықтары; регистрлер орталық процессорда тікелей пайдаланылатын информацияны уақытша сақтау, жазу мен шығару үшін қолданылады. Регистр тек онда сақтауға болатын бит санымен сипатталынады.

Үлкен көлемді информацияны сақтайтын жадтың көлемі келесі өлшем бірліктерімен өлшенеді:

1 Кбайт = 1024 байт = 210 байт;

1 Мбайт = 1024 Кбайт = 220 байт = 1 048 576 байт;

1 Гбайт = 1024 Мбайт = 230 байт = 1 073 741 824 байт;

1 Тбайт = 1024 Гбайт = 240 байт = 1 099 511 627 776 байт.

Мұндағы: Кбайт – килобайт, Мбайт – мегабайт, Гбайт – гигабайт, Тбайт – терабайт.

Жадтың ұяшықтары мен регистрлері жад элементтерінен тұрады. Әрбір осындай электрлік элемент екі жағдайдың бірінде болады: конденсатор зарядталынған немесе зарядталынбаған, транзистор өткізгіш немесе өткізбейтін жағдайда және т.б. Осы физикалық жағдайлардың бірінде жоғары шығатын кернеу құралса, ал басқасында – төменгі кернеу пайда болады. Көпшілік жағдайда бұл 4-5 вольт және 0 вольт электр кернеуі; біріншісі екілік жүйенің 1 деген мәні болса, ал екіншісі – 0 болады. (Керісінше де болуы мүмкін; ол кодтауға байланысты).

Кэш-жад ағымдағы информация алмасу амалдарында қолданылатын информацияның көшірмесін сақтауға арналған. Ол өте жылдам орындалатын, көлемі кішігірім жад. Ол көбінесе жылдамдықтары әртүрлі микропроцессор мен оперативтік жад арасында информация алмасу үшін қолданылады.

Сыртқы жадтар үлкен көлемді информацияны ұзақ мерзімге сақтауға арналған; оларға келесі жадыларды жатқызуға болады:

— қатты магниттік дискілер (винчестер);

— майысқақ магниттік дискілер (дискеталар);

— оптикалық дискілер;

— магнитоптикалық информация тасымалдаушылары;

— ленталар (стримерлер).

Осылардың ең жиі қолданылатындарының бірі – майысқақ магниттік дискілер немесе Floppy Disk Drive (FDD). Мұнда цифрлық информацияны магниттік жазу принципі қолданылған. Бұл жазу үрдісінің негізін информация тасушы (дискета) мен оның бетімен қозғалатын өте кішігірім электромагниттің арасындағы бір-біріне әсері құрайды. Дискеталардың көмегімен информацияны бір компьютерден екіншісіне көшіруге, информацияның көшірмесін сақтап қоюға болады. Информацияны жазу немесе оқу үшін ол белгілі бір бөлімдерге бөлінеді. Оны форматтау деп атайды. Форматтау нәтижесінде дискета жолдар (тректер) мен секторларға бөлінеді.

Компьютердің негізгі құрылғысының бірі — қатты магниттік дискі немесе винчестер (Hard Disk). Ол деректер мен программаларды тұрақты түрде ұзақ мерзімде сақтау үшін қолданылады. Оның жұмыс істеу принциптері майысқақ дискілерге ұқсас. Қазіргі кездегі винчестерлердің көлемі өте үлкен: ондаған, жүздеген Гбайт болуы мүмкін. Процессор деректерге сұраныс жасаған сәттен оны алғанға дейінгі уақыт мерзімін информацияны алу уақыты деп атайды; ол жадының негізгі сипатының бірі болады. Қазіргі кездегі винчестер үшін бұл көрсеткіш 7-9 мс. Дискінің деректерді беру мүмкіншілігін сипаттайтын көрсеткіш оның енгізіу-шығару арналарына байланысты. Қазіргі кезде бұл көрсеткіш 60 Мбайт с деңгейіне дейін жетеді. Жұмыс өнімділігін көтеру мақсатымен соңғы кезде шығарылып жатқан винчестерлер кэш-жадымен қамтамасыз етілген. Оның көлемі шамамен 2 Мбайт болады. Қатты диск процессормен өзінің контроллері арқылы байланысқан.

Жадтарды ондағы деректерді алу тәсілі бойынша да жіктейді. Бұл көрсеткіш бойынша, жадтар екі түрге бөлінеді: деректерді тікелей алу (прямой доступ) және деректерді бір ізді алу (последовательный доступ).

Деректерді тікелей алу тәсілі бойынша қажетті информация жадтың элементінен тікелей адресін көрсету арқылы алынады; деректерді тікелей алуды қамтамасыз ететін жадтарға RAM, ROM және дискілік жадтар жатады. Ал деректерді бір ізді алу тәсілі бойынша – информация жадтағы жазылу тәртібі (немесе кері) бойынша оқылады; бұл тәсіл бойынша жұмыс істейтін жадтарға магниттік ленталар, файлдық және циклдық жадтар мен соңында келіп – бірінші шығу (FIFO – Fist In – Fist Out) принципі бойынша құрастырылған жад жатады.

Информация магниттік дискілерде сақталынғанда белгілі бір тәртіппен орналастырылады. Ондағы сақталынатын информацияның бірлігін файл (file – папка — десте) деп атайды.

Файл дегеніміз сыртқы жадтың белгілі бір ат берілген облысында орналасқан, толық түрде өңделінетін деректердің жиыны. Файл құрамында программа, сандық деректер, мәтін, кодталынған бейнелер және т.б. болуы мүмкін. Файлға ат беріледі. Оның аты екі бөлімнен тұрады; біріншісі өзінің жеке аты болса, ал екіншісі оның атының кеңейтілуі деп аталынады. Файл атының кеңейтілуі ондағы информацияның типін көрсетеді. Мысалы, prog100.pas – Паскаль алгоритмдік тілінде жазылған программа орналасқан файл болса, prog100.exe – орындалуға дайын программа.

Дискіде жазылған файлдардың саны өте көп болуы мүмкін, сондықтан олармен жұмысты жеңілдету үшін каталог жүйесі қолданылады. Файлдар иерархиялық каталог жүйесіне орналастырылады.

Оптикалық дискілердегі информацияны оқу үшін немесе оған жаңа информацияны жазу үшін лазер сәулесі қолданылады. Мұндай дискілерге жататындары: CD-ROM, CD-R, CD-RW, DVD.

CD-ROM (Compact Disk Read-Only Memory) – оқуға ғана арналған компакт-диск; өте үлкен көлемді (780 Мбайт) информацияны сақтауға арналған; ондай дискіде анықтама жүйелерін, көп орынды қажет ететін суреттері бар информацияны сақтау үшін қолданған тиімді.

CD-R (Compact Disk – Recordable ) – деректерді оқуға және бір рет жазуға арналған.

CD-RW (Compact Disk Re-Writable) – деректерді оқуға және көп рет жазуға арналған.

DVD (Digital Versatile Disk) – жалпыға пайдаланылатын цифрлық дискі, оның көлемі 17 Гбайтқа дейін жетеді.