Структура персонального компьютера, цифровая подпись

     1. Структура персонального компьютера 

     Создание  персонального компьютера можно  отнести к одному из самых значительных изобретений 20 века. ПК существенно  изменил роль и значение вычислительной техники в жизни человека. Современные  ЭВМ бывают самыми разными: от больших, занимающих целый зал, до маленьких, помещающихся на столе, в портфеле и  даже в кармане. Сегодня самым  массовым видом ЭВМ являются персональные компьютеры.

     Персональный  компьютер (ПК) приобрел в последнее  десятилетие огромную популярность, стал самой массовой настольной вычислительной системой широкого спектра использования. ПК является открытой системой, т. е  может быть укомплектован необходимыми устройствами в зависимости от желаний  пользователя.

     Составные части, из которых состоит компьютер, называют модулями. Среди всех модулей выделяют основные модули, без которых работа компьютера невозможна, и остальные модули, которые используются для решения различных задач: ввода и вывода графической информации, подключения к компьютерной сети и т.д.

     Персональные  компьютеры обычно состоят из следующих  основных модулей:

• системный блок;
• монитор;
• клавиатура;
• мышь.

     В системном блоке  находятся все основные узлы компьютера:

• материнская плата;
• электронные схемы (процессор, контроллеры устройств и т.д.);
• блок питания;
• дисководы (накопители).

     Материнская (системная, главная) плата является центральной частью любого компьютера. На материнской плате размещаются в общем случае центральный процессор, сопроцессор, контроллеры, обеспечивающие связь центрального процессора с периферийными устройствами, оперативная память, кэш-память, элемент ROM-BIOS, аккумуляторная батарея, кварцевый генератор тактовой частоты и слоты для подключения других устройств.

     Общая производительность материнской платы  определяется не только тактовой частотой, но и количеством данных, обрабатываемых в единицу времени центральным процессором, а также разрядностью шины обмена данных между различными устройствами материнской платы.

     По  функциональному назначению шины делятся  на:

• шину данных;
• адресную шину;
• шину управления.

     По  шине данных происходит обмен данными между центральным процессором, картами расширения и памятью.

     По  адресной шине происходит адресация ячеек памяти, в которые производится запись данных.

     По  шине управления или системной шине происходит передача управляющих сигналов между центральным процессором и периферией. На материнской плате системная шина заканчивается слотами для установки других устройств.

     В настоящее время существует несколько  стандартов шин: ISA, MCA, EISA, VESA, PCI, USB. Архитектура материнских плат постоянно совершенствуется: увеличивается их функциональная насыщенность, повышается производительность.

     Процессор

     В общем случае под процессором понимают устройство, производящее набор операций над данными, представленными в цифровой форме. Применительно к вычислительной технике под процессором понимают центральное процессорное устройство, обладающее способностью выбирать, декодировать и выполнять команды, а также передавать и принимать информацию от других устройств.

     Производство  современных персональных компьютеров  начались тогда, когда процессор  был выполнен в виде отдельной  микросхемы.

     Функции процессора:

     1.обработка  данных по заданной программе  – функция АЛУ;

     2.программное  управление работой устройств  ЭВМ – функция УУ (устройства  управления).

     В состав процессора входят также регистры – ряд специальных запоминающих ячеек.

     Регистры  выполняют две функции:

• кратковременное хранение числа или команды;
• выполнение над ними некоторых операций.

     Производительность  CPU (процессора) характеризуется следующими основными параметрами:

1. тактовой частотой;
2. степенью интеграции;
3. внутренней и внешней разрядностью обрабатываемых данных;
4. памятью, к которой может адресоваться CPU.

     Тактовая  частота указывает, сколько элементарных операций микропроцессор выполняет за одну секунд. Тактовая частота определяет быстродействие процессора.

     Степень интеграции микросхемы показывает, сколько транзисторов  может поместиться на единице площади. Для процессора Pentium Intel эта величина составляет приблизительно 3 млн. на 3,5 кв.см, у Pentium Pro – 5 млн.

     Внутренняя  разрядность процессора определяет, какое количество битов он может обрабатывать одновременно при выполнении арифметических операций. Внешняя разрядность процессора определяет, сколько битов одновременно он может принимать или передавать во внешние устройства.

     Память

     Центральный процессор имеет доступ к данным, находящимся в оперативной памяти. Работа компьютера с пользовательскими  программами начинается после того как данные будут считаны из внешней  памяти в ОЗУ.

     ОЗУ работает синхронно с центральным  процессором и имеет малое  время доступа. Оперативная память сохраняет данные только при включенном питании. Отключение питания приводит к необратимой потере данных, поэтому  пользователю, работающему с большими массивами данных в течение длительного  времени, рекомендуют периодически сохранять промежуточные результаты на внешнем носителе.

     Функции памяти:

• приём информации от других устройств;
• запоминание информации;
• передача информации по запросу в другие устройства машины.

     Память  делят на:

1. основную:

1. ОЗУ (оперативно запоминающее устройство);

• ПЗУ (постоянное запоминающее устройство);

2. внешнюю.

     Носители  внешней памяти: жесткие и гибкие магнитные диски, а также лазерные диски (CD). Прежде, чем использовать, диски форматируют на дорожки и секторы.

     К функциям периферийных устройств относятся  ввод и вывод информации.

     Каждое  устройство имеет набор характеристик, которые позволяют подобрать  такую конфигурацию устройств, которая  наилучшим образом подходит для  решения определенного круга  задач с помощью компьютера.

     По  способу реализации оперативная  память делится на динамическую и  статическую.

     Оперативная память бывает: SIMM и DIMM.

     Кэш-память. Кэш-память предназначена для согласования скорости работы сравнительно медленных устройств, таких, например как динамическая память с быстрым микропроцессором. Использование кэш-памяти позволяет избежать циклов ожидания в его работе, которые снижают производительность всей системы.

     С помощью кэш-памяти обычно делается попытка согласовать также работу внешних устройств, например, различных  накопителей, и микропроцессора. Соответствующий  контролер кэш-памяти должен заботиться о том, чтобы команды и данные, которые будут необходимы микропроцессору в определенный момент времени, именно к этому моменту оказывались в кэш-памяти.

     Назначение  и группы периферийных устройств.

     Основное  назначение ПУ - обеспечить поступление  в ПК из окружающей среды программ и данных для обработки, а также  выдачу результатов работы ПК в виде, пригодном для восприятия человека или для передачи на другую ЭВМ, или  в иной, необходимой форме. ПУ в  немалой степени определяют возможности  применения ПК.

     Периферийные  устройства можно разделить на несколько  групп по функциональному назначению:

1. Устройства ввода-вывода – предназначены для ввода информации в ПК, вывода в необходимом для оператора формате или обмена информацией с другими ПК. К такому типу ПУ можно отнести внешние накопители, модемы.
2. Устройства вывода – предназначены для  вывода информации в необходимом для оператора формате. К этому типу периферийных устройств относятся: принтер, монитор, аудиосистема.
3. Устройства ввода – Устройствами ввода  являются устройства, посредством  которых можно ввести информацию  в  компьютер.  Главное  их предназначение - реализовывать воздействие на машину. К такому виду периферийных устройств относятся: клавиатура, сканер, графический планшет и т.д.
4. Дополнительные ПУ – такие как манипулятор «мышь», который лишь обеспечивает удобное управление графическим интерфейсом операционных систем ПК и не несет ярковыраженных функций ввода либо вывода информации; WEB-камеры, способствующие передаче видео и аудио информации в сети Internet, либо между другими ПК. Последние, правда, можно отнести и к устройствам ввода, благодаря возможности сохранения фото, видео и аудио информации на магнитных или магнитооптических носителях.

     Каждые  из перечисленных групп устройств  выполняют определенные функции  ограниченные их возможностями и  назначением.

     Периферийные  устройства ввода-вывода информации.

     Периферийные  устройства ввода-вывода бывают нескольких видов в зависимости от назначения.

     Винчестер

     Винчестеры  или накопители на жестких дисках – это внешняя память большого объема, предназначенная для долговременного хранения информации, объединяющая в одном корпусе сам носитель информации и устройство записи/чтения. По сравнению с дисководами винчестеры обладают рядом очень ценных преимуществ: объем хранимых данных неизмеримо больше, время доступа у винчестера на порядок меньше. Единственный недостаток: они не предназначены для обмена информацией.

     Физические  размеры винчестеров стандартизированы  параметром, который называют  форм-фактором.

     Винчестер состоит из не скольких жестких дисков, с нанесенным на поверхность магнитным  слоем и расположенных друг под  другом. Каждому диску соответствует  пара головок записи/чтения. При  включенном компьютере диски винчестера постоянно крутятся, даже когда нет  обращения к винчестеру, таким  образом, экономится время на его  разгон.

     К настоящему времени разработаны  следующие типы винчестеров: MFM, RLL, ESDI, IDE, SCSI.

     Внешние накопители:

     Ленточные (магнитные) накопители – стримеры. Благодаря достаточно большому объему и довольно высокой надежности чаще всего используются в рамках устройств резервного копирования данных на предприятиях и в крупных компаниях.

     Магнитооптические накопители – приводы CD-ROM, CD-R, CD-RW, DVD-R, DVD-RW. Также могут использоваться в качестве устройств резервного копирования, но, в отличие от стримеров, обладают гораздо меньшей вместимостью данных.

     Флэш - карты.

     Компания Toshiba придумала технологию энергонезависимой полупроводниковой памяти, которую она назвала флэш-памятью. Флэш-память позволяет записывать и стирать данные без таких сложностей, благодаря чему обладает неплохим быстродействием и, к тому же, достаточно надежна.

     Вскоре  чипы флэш-памяти стали встраивать в различные устройства, а на их основе были созданы флэш-карты, с  помощью которых можно было транспортировать различные данные.

     Модемы.

     В настоящее время существуют два  вида модемов: аналоговые и цифровые.

     Аналоговые  модемы более популярны из-за своей  дешевизны и используются в основном для выхода в сеть Internet, и только иногда для связи с другими ПК. Цифровые же модемы довольно дорогие и используются для высокоскоростных соединений с сетью Internet, либо для организации локальной сети на больших расстояниях. Модемы имеют несколько типов соединений с ПК:

     Периферийные  устройства вывода информации.

     Периферийные  устройства вывода предназначены для  вывода информации в необходимом  для оператора формате. Среди  них есть обязательные  и необязательные устройства.

     Мониторы

     Монитор является необходимым устройством  вывода информации. Монитор позволяет  вывести на экран алфавитно-цифровую или графическую информацию в  удобном для чтения и контроля пользователем виде. В соответствии с этим, существует два режима работы: текстовой и графический. В текстовом режиме экран представлен  в виде строк и столбцов. В графическом формате параметры экрана задаются числом точек по горизонтали и числом точечных строк по вертикали. Количество горизонтальных и вертикальных линий экрана называется разрешением. Чем оно выше, тем больше информации можно отобразить на единице площади экрана.

• Цифровые мониторы. Самый простой - монохромный монитор позволяет отображать только черно-белое изображение. Цифровые RGB - мониторы поддерживают и монохромной режим, и цветной.
• Аналоговые мониторы. Аналоговая передача сигналов производится в виде различных уровней напряжения. Это позволяет формировать палитру с оттенками разной степени глубины.
• Мультичастотные мониторы. Видеокарта формируем сигналы синхронизации, которые относятся к горизонтальной частоте строк и вертикальной частоте повторения кадров. Эти значения монитор должен распознавать и переходить в соответствующий режим.

     По  возможности настройки можно  выделить: одночастотные  мониторы, которые воспринимают сигналы только одной фиксированной частоты; многочастотные, которые воспринимают несколько  фиксированных частот; мультичастотные, настраивающиеся на произвольные значения частот синхроносигналов в некотором  диапазоне.

• Жидкокристаллические дисплеи (LCD). Основной из недостаток - невозможность быстрого изменения картинок или быстрого движения курсора мыши и т.п. Такие экраны нуждаются в дополнительной подсветке или во внешнем освещении. Преимущества данных экранов - в значительном сокращении спектра вредных воздействий.
• Газоплазменные мониторы. Не имеют ограничений LCD -экранов. Их недостаток - большое потребление электроэнергии.

     Особо надо выделить группу сенсорных экранов, так как они позволяют не только выводить на экран данные, но и вводить их, то есть попадают в класс устройств ввода/вывода. Такие экраны обеспечивают самый простой и короткий путь общения с компьютером: достаточно просто указать на то, что вас интересует. Устройство ввода полностью интегрировано в монитор.

     Принтеры

           Принтер это широко распространенное устройство вывода информации на бумагу, его название образовано от английского глагола to print - печатать. Принтер не входит в базовую конфигурацию ПК. Существуют различные типы принтеров:

• Типовой принтер работает аналогично электрической печатающей машинке. Достоинства: четкое изображение символов, возможность изменения шрифтов при замене типового диска. Недостатки: шум при печати, низкая скорость печати, невозможна печать графического изображения.
• Матричные (игольчатые) принтеры - это самые дешевые аппараты, обеспечивающие удовлетворительное качество печати для широкого круга рутинных операций. Достоинства: приемлемое качество печати при условии хорошей красящей ленты, возможности печати "под копирку". Недостатки: достаточно низкая скорость печати, особенно графических изображений, значительный уровень шума.
• Струйные принтеры обеспечивают более высокое качество печати. Они особенно удобны для вывода цветных графических изображений. Применение чернил разного цвета дает сравнительно недорогое изображение приемлемого качества.

     Струйные  принтеры значительно меньше шумят. Скорость печати зависит от качества. Этот тип принтера занимает промежуточное  накопление между матричными и лазерными  принтерами.

• Лазерные принтеры - имеют еще более высокое качество печати, приближенное к фотографическому. Они стоят намного дороже, однако скорость печати в 4-5 раз выше, чем у матричных и струйных принтеров. Недостатком лазерных принтеров являются довольно жесткие требования к качеству бумаги - она должна быть достаточно плотной и не должна быть рыхлой, недопустима печать на бумаге  с пластиковым покрытием и т.д.

     Лазерные  принтера делятся на два типа: локальные  и сетевые. К сетевым принтерам  можно подключится, используя IP адрес.

• Светодиодные принтеры - альтернатива лазерным.

     Термические принтеры используются для получения  цветного изображения фотографического качества. Требуют особой бумаги. Такие  принтеры пригодны для деловой графики.

     Намного дешевле лазерных и струйных принтеров. Печатает на любой бумаге и картоне. Принтер работает с низким уровнем  шума.

     Проекционная  техника.

     Мультимедиа-проектор позволяет воспроизводить на большом  экране информацию, получаемую от самых  разнообразных источников сигнала: компьютера, видеомагнитофона, видеокамеры, фотокамеры, игровой приставки. Современный  проектор — наиболее совершенное  звено в цепи эволюции проекционного  оборудования.

     Мультимедиа-проектор — современное и высокотехнологичное  устройство. Надежность большинства  выпускаемых моделей велика, и  пользователю вряд ли придется обращаться в сервисный центр с просьбой о ремонте. Единственная заменяемая деталь проектора — его лампа. В большинстве проекторов используются дуговые лампы с высокой яркостью и более ровным по сравнению с  лампами накаливания спектром. Средний  срок их службы — 2000 часов работы. Иногда бывает полезно применять функцию  экономного режима работы лампы, вдвое  продлевающего ее ресурс. 
 

     Аудиосистема

     В персональных компьютерах применяются  самые разнообразные схемы формирования звуковых сигналов - от простых до сложных.

     В наши дни на рынке очень много  акустических систем, состоящих из двух активных колонок, и выполненных  по системе 2.1. Подобные системы в  народе называются «пищалками», потому что не способны обеспечить звук высокого качества даже на низком уровне громкости.

           Совсем недавно  идеалом в мире компьютерных  акустических систем была система 5.1, но в последнее время производители  акустики расширяют возможности  своих систем, что привело сначала  к появлению системы 6.1, а позднее  и 8.1

     Периферийные  устройства ввода  информации.

     Устройствами  ввода  являются те устройства, посредством  которых можно ввести информацию  в  компьютер.  Главное  их предназначение - реализовывать воздействие на ПК.  Разнообразие выпускаемых устройств  ввода породили целые технологии: от осязаемых до голосовых.

     Клавиатура

     Главным устройством   ввода  большинства  компьютерных систем является  клавиатура.  До недавнего времени использовалась стандартная клавиатура, 101/102 клавиши, но с развитием персональных компьютеров производители старались развивать и основное устройство ввода информации. Это и привело к созданию мультимедийных клавиатур, которые в наши дни все больше и больше набирают популярность.

     К дополнительным клавишам относятся  группы клавиш управления мультимедийными  приложениями, клавиши управления громкостью системы, группа клавиш для быстрого вызова офисных приложений, калькулятора, Internet Explorer и т.д.

     Клавиатуры  различаются по двум признакам: способ подключения и дизайн. Подключение  клавиатуры к компьютеру может осуществляться через порт PS/2, USB и через ИК  порт для беспроводных моделей. В последнем способе подключения клавиатура требует дополнительного источника питания, например батарейки.

     Сканер

     Для непосредственного считывания графической  информации с бумажного или иного  носителя в ПК применяется оптические сканеры. Сканируемое изображение считывается и преобразуется в цифровую форму элементами специального устройства: CCD - чипами. Существует множество видов и моделей сканеров.

Графический планшет.

     Настольные  компьютеры для конструкторских  и дизайнерских работ уже более  десяти лет комплектуются графическими планшетами. Это устройство значительно  упрощает ввод в ПК чертежей, схем и  рисунков. Сначала планшеты были дорогими приспособлениями и поэтому были рассчитаны на сугубо профессиональное использование. Но уже лет пять выпускаются дешевые домашние модели.

     Дополнительные  периферийные устройства.

     Манипуляторы.

           В настоящее время  существуют два типа манипуляторов:

• Мышь – с развитием операционных систем с графическим интерфейсом этот манипулятор стал просто «незаменимой» частью персонального компьютера. Манипулятор «мышь» обеспечивает простое и удобное управление многими функциями ОС и прикладных программ.

     Мыши  различаются по трем характеристикам - числу кнопок, используемой технологии и типу соединения устройства с системным  блоком. В первоначальной  форме  в устройстве была одна кнопка. Перебор  функций определяется перемещением мыши, но выбор функции происходит только при помощи кнопки,  что  позволяет избежать случайного запуска  задачи  при  переборе  функций  меню. Однако две кнопки увеличивают  гибкость системы. Вне всяких сомнений,  три  кнопки еще более увеличат гибкость управления. Но, с другой стороны, увеличение кнопок увеличивает сходство устройства с клавиатурой, возвращая  ему недостатки последней. Практически  три кнопки являются разумным пределом, потому что они позволяют лежать указательному,  среднему, безымянному  пальцам на кнопках, в то время  как большой и мизинец используются  для  перемещения  мыши и удержании  ее в ладони.

     Большинство моделей снабжаются двумя кнопками, но с появлением манипуляторов со «скролом» двухкнопочные мыши постепенно уходят в тень, так как «скрол»  одновременно выполняет сразу две  функции: может использоваться в  качестве третьей кнопки, и очень  удобен для прокрутки документов.

     Существуют  «мыши» двух видов: шариковые и оптические. В шариковых манипуляторах используется механический способ передачи направления. В оптических «мышах» вместо шарика используется светодиод.

     Манипулятор «мышь» имеет несколько типов  подключения: COM, PS/2, USB, ИК.

• Джойстик – представляет собой подвижную рукоять (или руль) с несколькими кнопками. Это устройство ввода наиболее распространено в области компьютерных игр.
• Web-камеры.

     В настоящее время существует большое  количество профессиональных цифровых систем видеонаблюдения, решающих разные задачи и соответственно имеющих  различные возможности и цену. Можно настроить камеру так, чтобы  ПК подавал звуковой сигнал при движении объекта в кадре. Видеоизображение также можно транслировать в  сеть Internet.  
 
 

     2. Электронная (цифровая) подпись 

     Электронная цифровая подпись (ЭЦП)— реквизит электронного документа, предназначенный для  защиты данного электронного документа  от подделки, полученный в результате криптографического преобразования информации с использованием закрытого ключа  электронной цифровой подписи и  позволяющий идентифицировать владельца  сертификата ключа подписи, а  также установить отсутствие искажения  информации в электронном документе, а также обеспечивает неотказуемость подписавшегося.

     Общая схема

     Схема электронной подписи обычно включает в себя:

  1) алгоритм генерации ключевых  пар пользователя;

         2) функцию вычисления подписи;

         3) функцию проверки подписи.

     Функция вычисления подписи на основе документа  и секретного ключа пользователя вычисляет собственно подпись. В  зависимости от алгоритма функция  вычисления подписи может быть детерминированной  или вероятностной. Детерминированные  функции всегда вычисляют одинаковую подпись по одинаковым входным данным. Вероятностные функции вносят в  подпись элемент случайности, что  усиливает криптостойкость алгоритмов ЭЦП. Однако, для вероятностных схем необходим надёжный источник случайности (либо аппаратный генератор шума, либо криптографически надёжный генератор  псевдослучайных бит), что усложняет  реализацию.