МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ЮЖНО-УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 004(07) И741 Г.А. Поллак, А.А. Логвинова, А.Г. Палей, Е.Н. Горных ИНФОРМАТИКА Учебное пособие Челябинск 2014 Министерство образования и науки Российской Федерации Южно-Уральский государственный университет Кафедра информатики 004(07) И 741 Г.А. Поллак, А.А. Логвинова, А.Г. Палей, Е.Н. Горных ИНФОРМАТИКА Учебное пособие Челябинск Издательский центр ЮУрГУ 2014 УДК 004(075.8) И741 Одобрено учебно-методической комиссией факультета экономики и управления Рецензенты: П.П. Переверзев, И.А. Прохорова И741 Информатика: учебное пособие / Г.А. Поллак, А.А. Логвинова, А.Г. Палей, Е.Н. Горных. – Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2014. – 114 с. Рассматриваются основные понятия и определения информатики, методы измерения и формы представления информации в ЭВМ. Приводится функционально-структурная организация компьютера, обсуждаются модели решения функциональных и вычислительных задач, основы алгоритмизации, а также анализируются сетевые технологии обработки данных, основы и методы защиты информации. Соответствует ФГОС ВПО третьего поколения для бакалавров, обучающихся по направлению 080100.62 «Экономика». Может использоваться также при подготовке студентов по направлениям 080200 «Менеджмент», 081100.62 «Государственное и муниципальное управление», по специальности 036401.65 «Таможенное дело». УДК 004(075.8) © Издательский центр ЮУрГУ, 2014 ВВЕДЕНИЕ Дисциплина «Информатика» принадлежит к циклу общих математических и естественнонаучных дисциплин, и знания, полученные при ее изучении, могут быть использованы при решении прикладных, научных и исследовательских задач в любом изучаемом курсе. Тем самым Информатика выполняет интегративную функцию в системе дисциплин, изучаемых в ВУЗе. Пособие содержит теоретический материал и представляет собой попытку дать краткое цельное представление о сущности информации и информационных процессов. Материал пособия разбит на главы, каждая глава заканчивается вопросами для самоконтроля. В первой главе дается понятие информации, описываются формы и меры измерения информации. Небольшая вторая глава посвящена общему описанию информационных процессов на концептуальном, логическом и физическом уровнях. Затем в третьей главе показаны способы кодирования информации разного типа в ЭВМ. Четвертая и пятая главы дает представление о логических и технических средствах реализации информационных процессов. Приводятся основы алгебры логики, схемы логических операций и структурные схемы полусумматора и триггера. В пятой главе описывается архитектура ЭВМ, состав персонального компьютера и дается краткая характеристика основных устройств ЭВМ, Затем в шестой главе описывается системное и прикладное программное обеспечение ЭВМ, дается понятие файла и файловой структуры. Наибольшие трудности у студентов вызывают вопросы, связанные с моделированием и алгоритмизацией. Эти вопросам посвящены седьмая и восьмая глава. И, наконец, в девятой главе обсуждаются сетевые информационные технологии, а в последней десятой главе – вопросы защиты информации. Объем пособия не позволил осветить вопросы практического применения офисных программ для решения различных задач. Авторы отсылают читателя к соответствующим книгам. 3 1. ИНФОРМАТИКА И ИНФОРМАЦИЯ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ 1.1. Предмет и содержание дисциплины Становление информатики как науки относится к 60-м годам ХХ века. Термин «информатика» возник в 60-х годах во Франции для названия области, занимающейся автоматизированной переработкой информации с помощью ЭВМ. Слияние слов information и automatic образовало слово «информатика». Во многих странах используется термин «computer science» – наука о преобразовании информации с помощью компьютеров. В СССР термин «информатика» официально закреплен в 1983 г. Информатика – это область человеческой деятельности, связанная с процессами преобразования информации с помощью компьютеров и их взаимодействием со средой применения. Информатика появилась благодаря развитию компьютерной техники, базируется на ней, и немыслима без нее. В широком смысле информатика – это наука об информационной деятельности, информационных процессах и их организации в человекомашинных системах. Российский академик А. А. Дородницын выделяет в информатике три неразрывно и существенно связанные части – технические, программные и алгоритмические средства. Технические средства (HardWare) – это аппаратура компьютеров. Под программными средствами (SoftWare) понимается совокупность всех программ, используемых компьютерами, а также область деятельности по их созданию и применению. Программированию задачи всегда предшествует разработка способа ее решения в виде алгоритма. Для обозначения части информатики, связанной с разработкой алгоритмов и изучением методов и приемов их построения, применяют термин BrainWare. Предметом изучения науки «информатика» являются информационные системы, модели, языки их описания, технологии их использования. 1.2. Определение и свойства информации Изучение любой науки начинается с определения используемых в ней понятий и терминов. Определить какое-либо понятие – это значит 4 выразить его через другие, уже определенные ранее. Информация – одно из основных понятий науки. Наряду с такими понятиями, как «вещество», «энергия», «пространство» и «время» оно составляет основу современной научной картины мира. Поэтому определение «информации вообще» невозможно свести к каким-то более простым понятиям. Современное понятие информации стало использоваться в науке в середине ХХ в. Под информацией понимают: • сведения, сообщения о чем-либо, которыми обмениваются люди; • сигналы, импульсы, образы, циркулирующие в технических устройствах; • отражение разнообразия в любых объектах и процессах неживой и живой природы; • количественную меру устранения неопределенности (энтропии), меру организации системы. У информации различают атрибутивные, прагматические и динамические свойства. Атрибутивные свойства – это те свойства, без которых информация не существует. К данной категории относятся: • непрерывность. Информация имеет свойство сливаться с уже зафиксированной и накопленной ранее, тем самым способствуя поступательному развитию и накоплению; • дискретность. Содержащиеся в информации сведения, знания, дискретны, т.е. характеризуют отдельные фактические данные, свойства изучаемых объектов, которые закономерности и распространяются в виде различных сообщений; • неотрывность информации от физического носителя; • языковая природа информации. Хотя информация и неотрывна от физического носителя и имеет языковую природу, она не связана жестко ни с конкретным языком, ни с конкретным носителем. Прагматические свойства характеризуют степень полезности информации для потребителя и проявляются в процессе использования информации. К данной категории относятся: • смысл и новизна. Это свойство характеризует перемещение информации в социальных коммуникациях и выделяет ту ее часть, которая нова для потребителя; • полезность. Полезность характеризуется уменьшением неопределенности сведений об объекте. Дезинформация расценивается как отрицательные значения полезной информации. • ценность. Ценность информации различна для различных потребителей и пользователей; 5 • полнота. Отражает качество информации и определяет достаточность данных для принятия решений или создания новых данных на основе имеющихся. Чем полнее данные, тем шире диапазон методов, которые можно использовать, тем проще выбрать метод, вносящий минимум погрешностей в ход информационного процесса. • достоверность. Это свойство информации не иметь скрытых ошибок. • адекватность. Это степень соответствия реальному объективному состоянию дела. Неадекватная информация может образовываться при создании новой информации на основе неполных или недостоверных данных. • доступность. Свойство информации, характеризующее возможность ее получения данным потребителем. • актуальность. Степень соответствия информации текущему моменту времени. • объективность и субъективность. Объективность информации относительна. Это понятно, если учесть, что методы ее получения являются субъективными. В ходе информационного процесса степень объективности информации всегда снижается. Динамические свойства информации характеризуют изменение информации во времени. • рост информации. Это свойство определяет многократное использование и проявление свойства рассеивания информации по различным источникам; • старение. Информация подвержена старению во времени. 1.3. Формы представления информации Информация не может проявиться, передаваться и сохраняться без материального носителя. Материальным носителем информации называют материальный объект или среду, которые служат для представления или передачи информации. Материальным носителем может быть бумага, камень, лазерный диск, вода, воздух, электромагнитное поле, луч света и пр. Хранение информации связано с характеристикой носителя, которая не меняется с течением времени, а передача информации – наоборот, с характеристикой, которая изменяется с течением времени. Другими словами, хранение информации связано с фиксацией состояния носителя, а передача информации – с процессом, который протекает в носителе. Состояния и процессы могут иметь физическую, химическую, биологическую и иную основу – главное, что они материальны. Сигнал. Изменение характеристики носителя, которое используется для представления информации, называется сигналом, а значение этой 6 характеристики, отнесенное к некоторой шкале измерения, – параметром сигнала. Различают аналоговые, дискретные, квантованные и цифровые сигналы, которые в свою очередь могут быть синхронными и асинхронными. Аналоговый сигнал. Это сигнал, величина которого непрерывно изменяется во времени. Он обеспечивает передачу данных путем непрерывного изменения во времени амплитуды, частоты либо фазы. Аналоговые сигналы описываются некоторой математической функцией времени. Например, для гармонического сигнала (рис. 1.1) справедливо следующее соотношение: S (t ) = A cos(ωt − ϕ ). Рис. 1.1. Гармонический сигнал Дискретный сигнал. Процесс перевода аналогового сигнала в дискретный называется дискретизацией, а обратный процесс – восстановлением. Дискретизация аналогового сигнала состоит в том, что сигнал представляется в виде последовательности значений, взятых в дискретные моменты времени. Эти значения называются отсчетами, а Δt – интервалом дискретизации (рис. 1.2). Возможность точного восстановления такого представления зависит от интервалов времени между отсчетами Δt. Согласно теореме Котельникова интервал времени определяется по формуле Δt ≤ 1 , 2 Fmax где Fmax – наибольшая частота спектра сигнала. Рис. 1.2. Дискретный сигнал Квантованный сигнал. При квантовании вся область значений сигнала разбивается на уровни, количество которых представляется числами с заданным количеством разрядов (рис. 1.3). Расстояния между 7 этими уровнями называется шагом квантования Δ. Число уровней равно N. Каждому уровню присваивается некоторое число. Отсчеты сигнала сравнивается с уровнями квантования, и в качестве значения сигнала выбирается число, соответствующее некоторому уровню квантования. Каждый уровень квантования кодируется двоичным числом с n разрядами. Число уровней квантования N и число разрядов n двоичных чисел, кодирующих эти уровни, связаны соотношением n≥log2(N). Рис. 1.3. Квантованный сигнал Цифровой сигнал. Для того, чтобы представить аналоговый сигнал последовательностью чисел конечной разрядности, его следует сначала превратить в дискретный сигнал, а затем подвергнуть квантованию. В результате сигнал будет представлен таким образом, что на каждом заданном промежутке времени известно приближенное (квантованное) значение сигнала, которое можно записать целым числом. Если записать целые числа в двоичной системе, получится последовательность нулей и единиц, которая и будет являться цифровым сигналом (рис. 1.4). Рис. 1.4. Цифровой сигнал Выделяют синхронные и асинхронные цифровые сигналы. Синхронным является сигнал, значения которого могут изменяться только в моменты, определяемые тактами. Значение асинхронного сигнала может изменяться в любое время. 8 Сообщения. Последовательность сигналов называется сообщением. Сообщение выступает в качестве материальной оболочки для представления информации при передаче. Следовательно, сообщение переносит информацию, а информация является содержанием сообщения. Соответствие между сообщением и содержащейся в нем информацией называется правилом интерпретации сообщения. Это соответствие может быть однозначным и неоднозначным. В первом случае сообщение имеет одно правило интерпретации. Во втором случае соответствие между сообщением и информацией возможно в двух вариантах: одна и та же информация может передаваться различными сообщениями; одно и то же сообщение может содержать различную информацию для разных приемников. Информация существует в трех видах: в виде данных, собственно информации и знаний. Данные – сведения, полученные путем измерения, наблюдения, логических или арифметических операций и представленные в форме, пригодной для постоянного хранения, передачи и обработки. Информация – это обработанные данные, которые представлены в виде, пригодном для принятия получателем решения. Знания – это вид информации, отражающий опыт специалиста в определенной предметной области, его понимание множества текущих ситуаций и способы перехода от одного описания объекта к другому. Для знаний характерна внутренняя интерпретируемость, структурированность, связанность и взаимная активность. 1.4. Меры информации Информацию принято оценивать на трех уровнях: синтаксическом, семантическом и прагматическом (рис. 1.5). Объем данных Vд в сообщении измеряется количеством символов в этом сообщении. В различных системах счисления один разряд имеет различный вес и соответственно меняется единица измерения информации: в двоичной системе счисления единица измерения – бит (двоичный разряд). На синтаксическом уровне (формальном) изучаются физические характеристики информации: способ представления, скорость передачи данных, тип носителя, способ кодирования, надежность и безопасность. На семантическом уровне информация рассматривается по ее содержанию, отражающему состояние объекта, безотносительно ее полезности для получателя. Это позволяет обосновать выбор смысловых единиц измерения информации. 9 Рис. 1.5. Меры информации На прагматическом уровне информация рассматривается с точки зрения ее практической полезности и ценности для потребителя. Прагматическое изучение информации позволяет установить определенный порядок при ее обработке, выделить необходимую для системы информацию. Для определения меры информации вводится понятие меры неопределенности. Неопределенность – непременное свойство любого решения – это выбор одного из нескольких возможных вариантов. Полной уверенности в том, что выбран лучший вариант, практически никогда не бывает. Уменьшение неопределенности выбора лучшего решения возможно благодаря получению дополнительной информации. Однако сообщение может и увеличить неопределенность выбора. Мерой неопределенности системы является энтропия, обозначаемая H(α). Обозначим через Hβ(α) энтропию системы после получения сообщения β. Возможны три случая: 1) Hβ(α)>H(α), 2) Hβ(α)<H(α) и 3) Hβ(α)=H(α). Все зависит от того, какое сообщение β было получено. Разность H(α)–Hβ(α) является количеством информации, содержащейся в сообщении β о системе α Iβ(α)=H(α)–Hβ(α). Величина Iβ(α) может быть положительной, когда сообщение уменьшает неопределенность знаний о системе, отрицательной, когда неопределенность растет и нулевой, когда сообщение не несет информации, полезной для принятия решения. В общем случае энтропия системы, имеющей n возможных состояний (H(α)), согласно формуле Шеннона равна n H (α ) = − pi log 2 pi , i =1 где pi вероятность того, что система находится в i-ом состоянии. Энтропия равна нулю, когда все вероятности pi равны нулю, кроме одной, которая равна единице. Это точно описывает отсутствие 10 неопределенности. Энтропия максимальна, когда все вероятности равны. Если все исходы равновероятны, т.е. pi=1/n, то получаем формулу Хартли H(α)=log2n. Например, энтропия русского алфавита из 32 букв H = log232 = 5 бит. Энтропия десятичного набора цифр H = log210 = 3,32 бита, энтропия системы, в которой отдельно хранятся 32 буквы и 10 цифр H = log2(32 ·10) = 5 + 3,32 = 8,32 бита. Коэффициент (степень) информативности (лаконичность) сообщения определяется отношением количества информации к объему данных, т.е. Y= I , Vd причем 0<Y<1. С увеличением Y уменьшаются объемы работы по преобразованию информации (данных) в системе. Поэтому всегда стремятся к повышению информативности сообщения, для чего разрабатываются специальные методы оптимального кодирования информации. Для определения количества информации, заключенной в тексте используется алфавитный подход к измерению информации. В этом случае используется понятие мощности алфавита, на котором записан текст. Мощностью алфавита называется полное количество символов в алфавите. Если допустить, что все символы встречаются в тексте с одинаковой частотой, то количество информации, которое несет каждый символ, вычисляется по формуле Хартли i=log2N, где N – мощность алфавита. Если в тексте К символов, то при алфавитном подходе количество информации, содержащейся в тексте равно I=K×i, где i– информационный вес одного символа в используемом алфавите. Таким образом, синтаксическая мера количества информации связана с объемом информации в сообщении. Объем данных в сообщении β измеряется количеством символов в этом сообщении. Поскольку одно и то же сообщение можно записать разными способами, то этот способ зависит от формы представления сообщения: В вычислительной технике вся обрабатываемая и хранимая информация вне зависимости от ее природы представлена в двоичной форме. Такая стандартизация позволила ввести две единицы измерения информации: бит и байт. Бит в теории информации – количество информации, необходимой для различения двух равновероятных сообщений. В вычислительной технике битом называют наименьший размер памяти, необходимый для хранения одного из двух знаков «0» или «1», используемых для представления данных и команд в ЭВМ. Бит слишком мелкая единица измерения. На практике чаще всего применяется более крупная единица – байт, равная восьми битам. Именно 11 восемь бит требуется для того, чтобы закодировать любой из 256 символов алфавита клавиатуры компьютера (256 = 28). Широко используются еще более крупные производные единицы информации: 1 Килобайт (Кбайт) = 1024 байт = 210 байт. 1 Мегабайт (Мбайт) = 1024 Кбайт = 220 байт. 1 Гигабайт (Гбайт) = 1024 Мбайт = 230 байт. 1 Терабайт (Тбайт) = 1024 Гбайт = 240 байт. 1 Петабайт (Тбайт) = 1024 Тбайт = 250 байт. Для измерения смыслового содержания информации, т.е. ее количества на семантическом уровне, используется тезаурусная мера, которая связывает семантические свойства информации со способностью пользователя понимать поступившее сообщение. Для этого используется понятие тезаурус пользователя. Тезаурус – это совокупность сведений, которыми располагает пользователь или система. В зависимости от соотношений между смысловым содержанием информации S и тезаурусом пользователя Sp изменяется количество семантической информации Ic, воспринимаемой пользователем и включаемой им в дальнейшем в свой тезаурус. Характер такой зависимости показан на рис. 1.8. Рис. 1.8. Зависимость количества семантической информации, воспринимаемой пользователем, от его тезауруса Количество семантической информации Ic равно 0 в двух случаях: • при Sp=0 пользователь не воспринимает, не понимает поступающую информацию; • при Sp→∞ пользователь все знает, и поступающая информация ему не нужна. Максимальное количество семантической информации Ic пользователь приобретает при согласовании ее смыслового содержания S со своим тезаурусом Sp (Sp=Spopt), когда поступающая информация понятна пользователю и несет ему ранее не известные (отсутствующие в его тезаурусе) сведения. Следовательно, количество семантической информации в сообщении, количество новых знаний, получаемых пользователем, является величиной 12 относительной. Одно и то же сообщение может иметь смысловое содержание для компетентного пользователя и быть бессмысленным (семантический шум) для пользователя некомпетентного. При оценке семантического (содержательного) аспекта информации необходимо стремиться к согласованию величин S и Sp. Относительной мерой количества семантической информации может служить коэффициент содержательности С, который определяется как отношение количества семантической информации к ее объему: C= Ic . Vd Прагматическая мера информации определяет полезность информации (ценность) для достижения пользователем поставленной цели. Эта мера также величина относительная, обусловленная особенностями использования информации в той или иной системе. 1.5. Вопросы для самоконтроля 1. Дайте определение термину информация. Чем информация отличается от данных? 2. По каким признакам классифицируется информация? 3. Какие формы используются для представления информации? 4. Укажите виды существования информации. Чем данные отличаются от знаний? 5. Какие меры и единицы информации существуют? 6. Как связаны между собой количество информации и мера неопределенности состояния системы? 7. Чем определяется семантическая мера информации? Что такое тезаурус? 13 2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИНФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ 2.1. Уровни описания информационных процессов Информация – важнейший компонент (объект) любого информационного процесса. Под информационным процессом понимается процесс сбора (восприятия), передачи, обработки (преобразования) и использования информации. Информационный процесс может состояться только при наличии информационной системы, обеспечивающей все его составляющие – источник информации, канал связи, соглашения (правила) интерпретации сигналов и приемник информации. Информационная система (ИС) – это связанный набор аппаратных и программных средств, информационных ресурсов, а также управленческого сервиса, осуществляющих информационные процессы для обеспечения подготовки и принятия решений. Основная цель разработки и применения ИС – создание современной информационной инфраструктуры для управления компанией. Структура информационной системы представлена на рис.2.1. Рис. 2.1. Структура информационной системы Особое внимание в информационных системах уделяется вопросам взаимодействия, для этого существует специальное понятие – интерфейс. Методы и средства взаимодействия человека с аппаратными и программными средствами называют пользовательским интерфейсом. Аппаратный интерфейс – это физические средства взаимодействия между техническими компонентами компьютера. Программный интерфейс – это набор протоколов и программ, обеспечивающих совместимость различных программных продуктов. Существует также аппаратнопрограммный интерфейс для поддержки разных технических средств различными программами (драйверы устройств). 14 Информационная система имеет три основных компонента: информационные технологии (ИТ), функциональные подсистемы (ФП) и бизнес-приложения, управляющие информационными системами. Информационные технологии (ИТ) – это инфраструктура, обеспечивающая реализацию информационных процессов. Цель информационной технологии – из данных получить информацию для анализа ее человеком и принятия на ее основе решения. Функциональные подсистемы и приложения – специализированные программы, обеспечивающие обработку и анализ информации для целей подготовки документов или принятия решений в конкретной области на базе информационных технологий. Управление информационными системами обеспечивает оптимальное взаимодействие информационных технологий, функциональных подсистем и связанных с ними специалистов. Информационные технологии, применяемые в определенной предметной области, описываются на трех уровнях: концептуальном, логическом и физическом. На концептуальном уровне описания используется язык данной предметной области и на содержательном уровне описывается процесс преобразования ресурса в информационный продукт (рис. 2.2). Рис. 2.2. Процессы преобразования информационного ресурса Формирование информационного ресурса осуществляется в процессе «Получение информации» и начинается с процедуры «Сбор информации», отражающей предметную область. После подготовки и проверки информация может быть подвергнута процессу преобразования в данные, т.е. процессу ввода. В процессе «Отображение» данные преобразовываются в форму, удобную для восприятия человеком. Процесс «Обмен» предполагает передачу данных между всеми процессами информационной технологии и связан с процедурами на 15 уровне данных. При обмене данными можно выделить три основных типа процедур: коммутация, маршрутизация (передача данных по каналам связи и организация сети), передача. Процесс «Накопление» позволяет преобразовывать информацию, хранящуюся в форме данных, для длительного хранения, обновления, и при необходимости оперативного извлечения в заданном объеме и по заданным признакам. Процедуры этого процесса – архивирование, обновление и поиск – состоят в организации хранения и актуализации данных. Актуализация данных осуществляется с помощью операций добавления новых данных, корректировки данных и их уничтожения. Процесс «Обработка» включает в себя процедуры логического вывода, организации вычисления и преобразования данных. Автоматизированный процесс «Формирование знаний» объединяет процедуры формализация знаний, их накопление и генерацию новых знаний На логическом уровне отображается формальное описание информационных процессов на языке информационных или математических моделей. Физический уровень информационной технологии представляет ее программно-аппаратную реализацию. На физическом уровне ИТ рассматривается как система, состоящая из подсистем обработки данных, обмена данными, накопления данных, получения и отображения информации, представление знаний и управление данными и знаниями. С системой, реализующей ИТ на физическом уровне, взаимодействуют пользователь и разработчик системы (рис. 2.3). Рис. 2.3. Состав подсистем базовой информационной технологии Подсистемы обработки данных строятся на базе ЭВМ различных классов и отличаются по вычислительной мощности и производительности. 16 Подсистемы обмена данными включают в себя комплексы программ и устройств, создающие вычислительную сеть и осуществляющих коммутацию, маршрутизацию и доступ к сетям. Подсистема накопления данных реализуется с помощью баз данных на внешних устройствах компьютера, который ими управляет. Подсистемы получения, отображения информации и представления знаний используются для формирования модели предметной области из ее фрагментов и модели решаемой задачи. На стадии проектирования разработчик формирует в памяти компьютера комплекс моделей решаемых задач. На стадии эксплуатации пользователь обращается к подсистеме отображения информации и представления знаний и, исходя из поставленной задачи, выбирает соответствующую модель решения, после чего через подсистему управления данными включаются другие подсистемы. 2.2. Вопросы для самоконтроля 1. Дайте определение информационной системы. Какова структура информационной системы? 2. Как можно представить процессы, происходящие в информационной системе? 3. Что называется интерфейсом? Какие виды интерфейса Вам известны? 4. Какие подсистемы включает в себя базовая информационная технология? 17 3. КОДИРОВАНИЕ ИНФОРМАЦИИ Кодирование – это процесс присвоения условных обозначений, результатом которого является создание кодов объектов. При машинной обработке информации кодирование позволяет представить информацию в виде, удобном для обработки на ЭВМ. В качестве алфавита машинного кода в современных ЭВМ используется двоичный алфавит, содержащий символы 0 и 1. Среди всего разнообразия информации, обрабатываемой на компьютере, значительную часть составляют числовая, текстовая, графическая и аудиоинформация. 3.1. Кодирование числовой информации В ЭВМ все числа могут быть представлены в одной из двух основных форм: с фиксированной точкой (естественная форма) или с плавающей точкой (полулогарифмическая форма). Представление целых чисел Целые числа представляются в форме с фиксированной точкой, причем точка ставится после младшего разряда числа, например, число 1234 записывается как 1234. На рис. 3.1. показана разрядная сетка для представления 16-разрядных целых двоичных чисел. Рис. 3.1. Разрядная сетка для представления 16-разрядных чисел В компьютере, как правило, имеются несколько форматов для представления целых чисел. Представление вещественных чисел Вещественные числа представляются в форме с плавающей точкой. В общем случае представление числа с плавающей точкой выглядит так: x = q × s p ; | q |< 1, где q – мантисса числа (правильная дробь); sp − характеристика числа x; s − основание характеристики; p − порядок, определяющий положение точки в числе x (может быть как положительным, так и отрицательным). Применительно к двоичной системе счисления представление с плавающей точкой имеет вид: x = q × 2 p ; | q |< 1. На рис. 3.2. показан пример разрядной сетки (32 бита) для представления чисел с плавающей точкой. Порядок, как и мантисса, может 18 иметь знак. Чтобы не усложнять выполнение арифметических операций с вещественными числами, для порядка часто используют так называемое представление со смещением (или с избытком). В этом случае порядок всегда представляется положительным числом, а диапазон возможных его значений (например, от 0 до 255) делится на две части. Одна часть (от 0 до 127) отводится под представление отрицательных порядков, другая (от 129 до 255) – под представление положительных порядков, а «пограничное» значение 128 означает нулевой порядок (пример записи порядка с «избытком 128»). Рис. 3.2. Разрядная сетка для представления вещественных чисел Представление отрицательных чисел Существуют три основных формы представления отрицательных чисел: 1. Прямой код. Отрицательное число, записанное в прямом коде, хранится в виде знака и абсолютной величины числа. Например, двоичное число –11 представляется в прямом коде как 1 0000011, где крайняя левая единица указывает на то, что это отрицательное число; 00000011 обозначает абсолютную величину числа. 2. Обратный код. Обратный код отрицательного числа образуется путем инвертирования бит, представляющих абсолютное значение числа в записи прямого кода. Например, двоичное число –11 представляется в обратном коде как 1 1111100, где крайняя левая единица указывает на то, что это отрицательное число, а 11111100 является дополнением его абсолютной величины до 1. 3. Дополнительный код. Дополнительный код отрицательного числа образуется прибавлением 1 к младшему биту обратного кода этого числа. Например, число –11 представляется в дополнительном коде как 1 1111101. В компьютерах для представления отрицательных чисел преимущественно используется дополнительный код. Это связано с тем, что дополнительный код позволяет избежать так называемой «проблемы двух нулей», имеющей место в представлении как с прямым, так и с обратным кодом. Кратко суть этой проблемы состоит в следующем. При выполнении вычислений на компьютере может возникнуть как «положительный», так и «отрицательный» нуль. В прямом коде положительный нуль представляется как 000...0, а отрицательный нуль – как 100...0. Например, следующие простые вычисления, выполненные в прямом коде: 19 приводят к возникновению ситуации положительного и отрицательного нулей. В обратном коде положительный нуль представляется как 011...1, а отрицательный – как 111...1. Таким образом, в любой из рассмотренных двух систем кодов имеются по два различных (!) представления нуля. С математической точки зрения это некорректно, поскольку известно, что +0 = –0 = 0. Использование системы с дополнительным кодом «снимает» эту проблему, так как в этом случае отрицательный нуль отсутствует (–0)доп = 111...1+1 = 000...0 Возникающий при этом перенос единицы из бита знака (выход за пределы разрядной сетки) игнорируется. Таким образом, если представлять положительные числа прямым кодом, а отрицательные – дополнительным, то положительный и отрицательный нули будут иметь одинаковое представление. 3.2. Кодирование текстовой информации Для представления текстовой информации в компьютере чаще всего используется алфавит мощностью 256 символов. Один символ из такого алфавита несет 8 бит информации, т. к. 28 = 256. Но 8 бит составляют один байт, следовательно, двоичный код каждого символа занимает 1 байт памяти ЭВМ. Все символы такого алфавита пронумерованы от 0 до 255, а каждому номеру соответствует 8-разрядный двоичный код от 00000000 до 11111111. Этот код является порядковым номером символа в двоичной системе счисления. Для разных типов ЭВМ и операционных систем используются различные таблицы кодировки, отличающиеся порядком размещения символов алфавита в кодовой таблице. Международным стандартом на персональных компьютерах является таблица кодировки ASCII (American Standard Code for Information Interchange), разработанная в США в Национальном институте ANSI (American National Standards Institute). В таблице поддерживается принцип последовательного кодирования алфавита. Он заключается в том, что в кодовой таблице ASCII латинские буквы (прописные и строчные) располагаются в алфавитном порядке. Расположение цифр также упорядочено по возрастанию значений. Система ASCII содержит две таблицы кодирования – базовую и расширенную. Базовая таблица закрепляет значения кодов от 0 (двоичный код 00000000) до 127 (01111111), а в расширенной части записаны символы с номерами от 128 (двоичный код 10000000) до 255 (11111111). 20 Первые 33 кода (с 0-го по 32-й) соответствуют операциям (перевод строки, код пробела и т.д.). Коды с 33-го по 127-й являются интернациональными и соответствуют символам латинского алфавита, цифрам, знакам арифметических операций и знакам препинания. Коды с 128-го по 255-й являются национальными, т.е. в национальных кодировках одному и тому же коду соответствуют различные символы. В языках, использующих кириллический алфавит, в том числе и русский, пришлось полностью менять вторую половину таблицы ASCII, приспосабливая ее под кириллический алфавит. В частности для представления символов кириллицы используется так называемая «альтернативная» кодировка. В число наиболее распространенных кодовых страниц для русского языка входят: • Windows-1251 (CP1251) для ОС Windows. Эта кодовая страница разработана компанией Microsoft для кодировки кириллицы в Windows; • семейство кодовых страниц КОИ-8 для ОС UNIX. КОИ-8R является стандартом для русской кириллицы в Интернет; • альтернативная кодировка КОИ-8 (866) для использования в ОС DOS и OS/2 • кодовая страница MacCyrillic для использования в компьютерах Macintosh и др. Существует семейство стандартов ISO 8859-Х, разработанных международной организацией по стандартизации (ISO), в которых используется восьмибитовая кодировка, младшая половина каждой кодировки (символы с кодами 0–127) соответствуют ASCII, а старшая половина определяет символы для различных языков. Для кириллицы используется кодовая страница 8859-5. В 1991 г. была представлена новая система кодировки Unicode в качестве альтернативы традиционным кодовым страницам. Сегодня он принят как стандарт кодирования символов, обеспечивающий представление алфавита всех письменных языков. Unicode содержит два основных раздела: универсальный набор символов (UCS – Universal Character Set) и семейство кодировок (UTF – Unicode Transformation Format). Код Unicode предусматривает несколько форм представления UTF: одно-, двух-, четырех- и шестнадцатибайтовые коды символов (UTF-8, UTF-16BE, UTF-16LE) и UTF-32 (UTF-32BEи UTF-32LE). В операционных системах компании «Microsoft» в основном используется форма UTF-16LE. 21 3.3. Кодирование графической информации Различают три вида компьютерной графики: растровую, векторную и фрактальную. Они отличаются принципами формирования изображения при отображении на экране монитора или при печати на бумаге. В растровой графике графические объекты формируются в виде множества точек (пикселей) разных цветов и разных яркостей. Пиксель – наименьший элемент изображения на экране (точка на экране). Прямоугольная сетка пикселей на экране называется растром (рис. 3.3). Рис.3.3. Графический растр У растровых изображений два основных недостатка. Во-первых, очень большие объемы данных. Для активных работ с большеразмерными иллюстрациями требуются компьютеры с большим объемом оперативной памяти. Во-вторых, растровые изображения невозможно значительно увеличить без серьезных искажений (рис. 3.4). Рис. 3.4. Искажение растрового изображения при увеличении С помощью растровой графики можно отразить и передать всю гамму оттенков и тонких эффектов, присущих реальному изображению. Растровое изображение ближе к фотографии, оно позволяет более точно воспроизводить основные характеристики фотографии: освещенность, прозрачность и глубину резкости. Чаще всего растровые изображения получают с помощью сканирования фотографий и других изображений, с помощью цифровой фотокамеры или путем «захвата» кадра видеосъемки. Растровые изображения можно 22 получить и непосредственно в программах растровой или векторной графики путем преобразовании векторных изображений. В векторной графике изображение представляет собой совокупность простых элементов: прямых линий, дуг, окружностей, эллипсов, прямоугольников, закрасок и пр., которые называются графическими примитивами (рис. 3.5). Графическая информация – это данные, однозначно определяющие все графические примитивы, составляющие рисунок. Рис. 3.5. Основные графические примитивы Положение и форма графических примитивов задаются в системе графических координат, связанных с экраном. Обычно начало координат расположено в верхнем левом углу экрана. Сетка пикселей совпадает с координатной сеткой. Горизонтальная ось Х направлена слева направо, вертикальная ось Y – сверху вниз. В векторной графике объем памяти, занимаемый, например, линией, не зависит от размеров линии, поскольку линия представляется в виде формулы, заданной несколькими параметрами. Перед выводом на экран каждого объекта программа векторной графики вычисляет координаты экранных точек в изображении объекта. Аналогичные вычисления производятся при выводе объектов на принтер. Преимущество векторной графики заключается в том, что форму, цвет и пространственное положение составляющих ее объектов можно описывать с помощью математических формул, поэтому она экономична и занимает меньше памяти на диске. Однако в векторной графике трудно создавать художественные иллюстрации, поэтому она чаще всего используется для чертежных и проектно-конструкторских работ. Фрактальная графика – графика, в которой изображение строится с помощью фракталов. Фрактал – объект, имеющий разветвленную структуру, части которого подобны всему объекту (рис. 3.6). Фрактальная графика, как и векторная,– вычисляемая, но отличается от нее тем, что никакие объекты в памяти компьютера не хранятся. Изображение строится по уравнениям, поэтому ничего, кроме формулы, хранить не надо. Изменение коэффициентов в уравнении позволяет получить совершенно другую картину. 23 Рис. 3.6. Пример фрактальной графики 3.4. Цветовые модели При работе с цветом используются понятия цветовое разрешение (его еще называют глубиной цвета) и цветовая модель. Цветовое разрешение определяет метод кодирования цветовой информации, и от него зависит то, сколько цветов может одновременно отображаться на экране. Для кодирования двухцветного (черно-белого) изображения достаточно выделить по одному биту на представление цвета каждого пикселя. Выделение одного байта позволяет закодировать 256 различных цветовых оттенков. Два байта (16 битов) позволяют определить 65536 различных цветов. Этот режим называется True Со1оr. Если для кодирования цвета используются три байта (24 бита), то можно одновременно отобразить 16,5 млн. цветов. Этот режим называется High Со1оr. Цвета в природе редко являются простыми. Большинство цветовых оттенков образуется смешением основных цветов. Цветовая модель определяет способ разделения цветового оттенка на составляющие компоненты. Существует много различных типов цветовых моделей, но в компьютерной графике, как правило, применяются модели RGB, СМУК и HSB. В цветовой модели RGB в качестве составляющих используются три цвета: красный (Red), зеленый (Green) и синий (Blue). Эти цвета называются основными, и считается, что любой цвет состоит из этих трех компонент. Совмещение всех трех цветов дает нейтральный (серый) цвет, который при большой яркости стремится к белому цвету (рис. 3.7). Новый оттенок получается путем суммирования яркостей составляющих компонент. Такой метод называется аддитивным. Он применяется всюду, где цвета изображения рассматриваются в проходящем цвете, т.е. на просвет в мониторах, слайд-проекторах и т.п. 24 Рис. 3.7. Цветовая модель RGB Нетрудно догадаться, что чем меньше яркость, тем темнее оттенок. Поэтому в аддитивной модели центральная точка, имеющая нулевые значения компонентов (0, 0, 0), имеет черный цвет (отсутствие свечения экрана монитора). Белому цвету соответствуют максимальные значения составляющих (255, 255, 255). Цветовую модель CMYK (рис. 3.8) используют при подготовке печатных изображений. Они отличаются тем, что изображения видят не в проходящем, а отраженном свете. Чем больше краски положено на бумагу, тем больше света она поглощает и меньше отражает. В отличие от модели RGB увеличение количества краски приводит не к увеличению визуальной яркости, а к ее уменьшению. Поэтому для подготовки печатных изображений используется не аддитивная, а субтрактивная (вычитающая) модель. Цветовыми компонентами этой модели являются не основные цвета, а дополнительные, т.е. те, которые получаются в результате вычитания основных цветов из белого: голубой (Cyan) , пурпурный (Magenta) и желтый (Yellow). Так как цветные красители по отражающим свойствам не одинаковы, то для повышения контрастности применяется еще черный (Black) цвет. Рис. 3.8. Цветовая модель CMYK В типографиях цветные изображения печатаются в несколько приемов. Иллюстрацию получают, накладывая на бумагу поочередно голубой, пурпурный, желтый и черный отпечатки. 25 Системы цветов моделей RGB и CMYK связаны с ограничениями, накладываемыми аппаратным обеспечением (монитор компьютера в случае RGB и типографские краски в случае CMYK). Цветовая модель HSB (рис. 3.9) наиболее удобна для человека, т. к. она хорошо согласуется с моделью восприятия цвета человеком. Компонентами модели HSB являются: • тон (Hue); • насыщенность (Saturation); • яркость цвета (Brightness). Тон – это конкретный оттенок цвета. Насыщенность характеризует его интенсивность или чистоту. Яркость же зависит от примеси черной краски, добавленной к данному цвету. Эта модель удобна для применения в тех графических редакторах, которые ориентированы не на обработку готовых изображений, а на их создание. Рис. 3.9. Цветовая модель HSB Значение цвета выбирается как вектор, выходящий из центра окружности. Точка в центре соответствует белому цвету, а точки по границе окружности – чистым цветам. Направление вектора определяет цветовой оттенок и задается в угловых градусах. Длина вектора определяет насыщенность цвета. Яркость цвета задают на отдельной оси, нулевая точка которой соответствует черному цвету. 3.5. Кодирование звуковой информации Методы кодирования звуковой информации далеки от стандартизации. Отдельные компании разработали свои корпоративные стандарты, однако можно выделить два основных подхода. 1. Метод частотной модуляции FM (Frequency Modulation) основан на разложении сигнала на последовательность простейших гармонических сигналов разных частот, каждый из которых представляет собой правильную синусоиду, а, следовательно, может быть описан числовыми параметрами, т.е. кодом. В природе звуковые сигналы имеют непрерывный спектр, т.е. являются аналоговыми. Их разложение в гармонические ряды и представление в виде дискретных цифровых сигналов выполняют специальные устройства – аналогово-цифровые преобразователи (АЦП). 26 В процессе кодирования непрерывного звукового сигнала производится его дискретизация по времени или оцифровка (рис. 3.10). Рис. 3.10. Процесс дискретизации звукового сигнала Для того чтобы воспроизвести закодированный таким образом звук, нужно выполнить обратное преобразование (для него служит цифроаналоговый преобразователь – ЦАП), а затем сгладить получившийся ступенчатый сигнал. Этот процесс выполняется с использованием аудиоадаптера (звуковой платы), который предназначен для преобразования электрических колебаний звуковой частоты в числовой двоичный код при вводе звука и для обратного преобразования при воспроизведении звука. Качество компьютерного звука определяется двумя характеристиками аудиоадаптера: частотой дискретизации и разрядностью. Частота дискретизации – это количество измерений входного сигнала за 1 секунду. Частота измеряется в герцах. Одно измерение за одну секунду соответствует частоте 1 Гц. 1000 измерений за 1 секунду – 1кГц. Разрядность регистра – число бит в регистре аудиоадаптера. Разрядность определяет точность измерения входного сигнала. Чем больше разрядность, тем меньше погрешность каждого отдельного преобразования величины электрического сигнала в число и обратно. Если разрядность равна 8 (16), то при измерении входного сигнала может быть получено 28 = 256 (216 = 65536) различных значений. Очевидно, 16разрядный аудиоадаптер точнее кодирует и воспроизводит звук, чем 8разрядный. Описанный способ кодирования звуковой информации достаточно универсален, он позволяет представить любой звук и преобразовывать его самыми разными способами. Качество звукозаписи при таком преобразовании обычно получается не вполне удовлетворительным и соответствует качеству звучания простейших электромузыкальных инструментов с окрасом, характерным для электронной музыки. В то же время данный метод кодирования обеспечивает весьма компактный код. 2. Метод таблично волнового (Wave-Table) синтеза лучше соответствует современному уровню развития техники. В заранее подготовленных таблицах хранятся образцы звуков для множества различных музыкальных инструментах. В технике такие образцы называют сэмплами. Числовые коды выражают тип инструмента, номер его модели, высоту тона, продолжительность и интенсивность звука, динамику его изменения, некоторые параметры среды, в которой происходит звучание, а 27 также прочие параметры, характеризующие особенности звучания. Поскольку в качестве образцов используются реальные звуки, то его качество получается очень высоким и приближается к качеству звучания реальных музыкальных инструментов. В 1983 г. ведущие производители компьютеров и музыкальных синтезаторов разработали стандарт, определивший такую систему кодов. Он получил название MIDI. 3.6. Кодирование видеоинформации Видеоинформация – это трехмерный массив цветных пикселей, координатами которого являются разрешение кадра по горизонтали и вертикали, и время, с которым связан отдельный кадр. Кадр (изображение) – это массив значений пикселей, видимых камерой в отдельный момент времени. Понятно, что объем видео чрезвычайно большой. Дл его хранения и передачи по каналам связи выполняется сжатие. Существуют различные технологии сжатия видео. Современное цифровое телевещание стало доступным именно благодаря видеокомпрессии, в одном физическом радиоканале может транслироваться видео высокой четкости (HDTV), несколько телеканалов одновременно. Большинство видеоконтента транслируется путем использования стандарта видеокомпрессии MPEG-2. Новые и более эффективные стандарты компрессии видео – H.264/MPEG-4 AVC и VC-1. Одной из наиболее мощных технологий для повышения степени сжатия является технология компенсации движения, когда последующие кадры в потоке используют подобие областей в предыдущих кадрах для увеличения степени сжатия. 3.7. Вопросы для самоконтроля 1. Что такое «кодирование» и «декодирование»? 2. В каком виде хранятся в компьютере отрицательные целые числа? 3. В каком виде хранятся в компьютере действительные числа? 4. Для чего используется дополнительный код? 5. Как происходит кодирование графических данных? 6. В чем суть метода частотной модуляции? 28 4. ЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭВМ 4.1. Элементы алгебры логики Для описания логики функционирования аппаратных и программных средств ЭВМ используется алгебра логики или булева алгебра. Алгебра логики возникла в середине ХIХ века в трудах английского математика Джорджа Буля. Алгебра логики – это раздел математической логики, значение всех элементов которой определены в двухэлементном множестве 0 и 1. Так как в ЭВМ используется двоичная система счисления, то одни и те же цифровые устройства ЭВМ могут применяться для обработки как числовой, так и логической информации. Алгебра логики оперирует с логическими высказываниями, которые принимают значение истинности или ложности. Логическое высказывание удовлетворяет закону «исключающего третьего», т.е. каждое высказывание или истинно, или ложно и не может быть одновременно и истинным и ложным. Примеры логических высказываний. «Программа работает хорошо» – утверждение может быть истинным или ложным. «2 умножить на два равно 4» – истинное утверждение. «Частное от деления 10 на 2 равно 3» – ложное утверждение. К простейшим операциям в алгебре логики относятся: • логическое сложение или операция ИЛИ (OR), операция дизъюнкции обозначают знаком ∨ или +. Высказывание А ∨ В ложно тогда и только тогда, когда оба высказывания А и В ложны; • логическое умножение или операция И (AND) операция конъюнкции обозначается знаком умножения (×) или ∧ . Высказывание А ∧ В истинно тогда и только тогда, когда оба высказывания А и В истинны; • логическое отрицание или операция НЕ (NOT), называется инверсией и обозначается чертой над высказыванием А . Высказывание А истинно, когда А ложно, и ложно, когда А истинно. Таблицу, показывающую, какие значения имеет логическое выражение при всех возможных комбинациях значений логических переменных, называют таблицей истинности. Вот как выглядят таблицы истинности для основных логических функций. 29 0 Конъюнкция А∧ В 0 Дизъюнкция А∨ В 0 Отрицание А 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 0 А В 0 0 1 1 Операции выполняются согласно приоритету в следующем порядке: отрицание, конъюнкция, дизъюнкция и в последнюю очередь – импликация. Порядок выполнения логических операций можно изменить круглыми скобками. Основные законы алгебры логики: 1. Переместительный (или коммутативный) А ∧ В = В ∧ А . 2. Сочетательный (или ассоциативный) ( А ∨ В ) ∨ С = А ∨ ( В ∨ С ); ( А ∧ В) ∧ С = А ∧ ( В ∧ С ). 3. Распределительный (или дистрибутивный) ( А ∨ В) ∧ С = ( А ∧ С ) ∨ ( В ∧ С ); А ∧ ( В ∨ С ) = ( А ∧ В) ∨ ( А ∧ С ). Справедливы соотношения: А ∧ А = А А ∧ В = А, если А ≤ В; А ∨ В = В, если А ≤ В; А ∨ А = А ∨ ∧ ∧ А В = А А В = В, если А ≥ В; А если А ≥ В. А ∨ В = А Наименьшим элементом в алгебре логики является 0, наибольшим – 1. По определению: А ∨ А = 1, А ∧ А = 0, 0 = 1, 1= 0 Функция в алгебре логики – выражение, которое содержит логические переменные, связанные операциями. Например, F ( A, B, C ) = A ∧ B ∨ B ∧ C ∨ A ∧ B ∧ C. 4.2. Логические схемы некоторых устройств ЭВМ Обозначения логических блоков в соответствии с международным стандартом приведены на рис. 4.1. Схема «ИЛИ», реализующая операцию логического сложения. Схема «И», реализующая операцию логического умножения. Схема «НЕ», реализующая операцию инверсии. 4.1. Стандартное обозначение логических операций 30 Схемы логических операций. Для логических выражений «ИЛИ», «И» и «НЕ» существуют типовые технические схемы, построенные на реле, электронных лампах, дискретных полупроводниковых элементах и интегральных схемах. В современных компьютерах применяются системы интегральных элементов, у которых с целью большей унификации в качестве базовой логической схемы используется всего одна из схем: «НЕ– И» – NAND или штрих Шеффера, OR «НЕ–ИЛИ» – NOR или стрелка Пирса, «НЕ–И–ИЛИ» – NORAND. Каждый из этих операторов структурно легко реализуем на основе базовых, и наоборот, каждый базовый оператор легко конструируется из уникальных (рис. 4.2). а) б) в) д) г) е) Рис. 4.2. Структурная реализация базовых операторов а) – логическая конструкция схемы NAND, б) – стандартное обозначение схемы AND, в) – стандартное обозначение схемы NOR, г)– схема NOT на основании схемы NAND, д) – схема OR на основе схемы NAND, е) – схема AND на основе схемы NAND. Одноразрядный двоичный сумматор (полусумматор). Сумматор имеет два входа (a и b) и два выхода (S и P). На выходе S формируется цифра суммы в данном разряде, на выходе Р – цифра переноса в следующий (старший) разряд. Операция сложения выполняется согласно правилам, определяемым таблицей истинности a b S P 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 Логическая блок-схема устройства, реализующего вычисления S и P S = 0 ∧ a ∧ b ∨ 1 ∧ a ∧ b ∨ 1 ∧ a ∧ b ∨ 0 ∧ a ∧ b = a ∧ b ∨ a ∧ b; P = 1 ∧ a ∧ b ∨ 0 ∧ a ∧ b ∨ 0 ∧ a ∧ b ∨ 0 ∧ a ∧ b = a ∧ b. представлена на рис. 4.4. 31 Рис. 4.4. Логическая блок-схема полусумматора Схема содержит блоки в соответствии с международным стандартом (см. рис. 4.1). Триггер. Это элемент, который может находиться в одном из двух устойчивых состояний, условно названных состояниями «0» и «1». На триггерах строятся системы статической памяти, регистры, счетчики и еще множество других компьютерных схем. В регистрах обычно используются триггеры с раздельными входами, а счетчики имеют счетные входы. Считывание информации с триггеров обычно выполняется с помощью схем AND. Триггер имеет два выхода: «0» ( q -выход) и «1» (q-выход). Если триггер находится в состоянии «1», то у него на выходе q «высокое» напряжение (порядка нескольких вольт или меньше), на выходе q низкое (обычно нулевое) напряжение. Если триггер находится в состоянии «0», то напряжения на выходе имеют противоположное значение. Триггеры могут иметь раздельные входы: R (Reset) – вход установки «0», и S (Set) – вход установки «1». Каждый вход устанавливает триггер в соответствующее состояние, такие триггеры называют RS-триггерами (рис. 4.5, а). Триггеры могут иметь счетный вход T (Toggle, релаксатор), очередной импульс «1» на счетном входе изменит состояние триггера. Такие триггеры часто называют Т-триггерами (рис. 4.5, б). Триггер, установленный в какое-либо состояние, сохраняет его до тех пор, пока импульс, поданный на один из его входов, не изменит это состояние. Состояние триггера статически поддерживается его напряжениями. Например, сигнал «1», поступивший на вход S, на выходе q триггера установит низкое напряжение, поступающее оттуда на вход R, и будет восприниматься как сигнал установки триггера в состояние «0». 32 а) б) Рис. 4.5. Схемы триггеров с различными входами а) – RS-триггеры; б) –T-триггеры Аналогичная картина наблюдается при установке триггера в состояние «0»: высокое напряжение, поступающее в этом случае с выхода q на вход R, будет поддерживать триггер в состоянии «0». При подаче импульса на счетный вход Т этот импульс пройдет только через тот вентиль (схему AND), который пропускает его на раздельный вход, переключающий триггер. Например, если триггер находится в состоянии «1», то при поступлении импульса на вход Т будет открыт вентиль, пропускающий импульс на вход R, и триггер переключится в состояние «0». 4.3. Вопросы для самоконтроля 1. Какие логические операции над высказываниями Вам известны? 2. Дайте определение конъюнкции и дизъюнкции. Приведите примеры. 3. Сформулируйте основные законы алгебры логики. 4. Изобразите структурную схему, реализующую схему NAND. 5. Изобразите структурную схему полусумматора. 33 5. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА РЕАЛИЗАЦИИ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ ЭВМ – это устройство, предназначенное для автоматической обработки информации под управлением программы. 5.1. Поколения ЭВМ и их характерные особенности ЭВМ первого поколения (1945–1955 г.г.) применяли логические схемы, построенные на основе электронных вакуумных ламп с нитью накала, а в ОЗУ использовались магнитные барабаны, электронно-лучевые трубки. В качестве ВЗУ применялись накопители на магнитных лентах, перфокартах, перфолентах. Основным пользователем был программист, который использовал ЭВМ для решения расчетных задач. Инструментальная среда ЭВМ первого поколения практически отсутствовала. Все программы писалась в машинных кодах, были привязаны к определенной ЭВМ, поэтому программы не могли быть перенесены на другие модели ЭВМ. В середине 50-х годов появились машинно-ориентированные языки символического кодирования. В 1956 году был создан язык программирования высокого уровня Фортран, в 1958 – универсальный язык программирования Алгол. Основа элементной базы ЭВМ второго поколения (1955–1965 г.г.) – транзисторы. Быстродействие – примерно 1 млн. операций/сек., объем оперативной памяти – до 300 тыс. машинных слов. Появились системы автоматизации программирования, состоящие из алгоритмических языков и трансляторов для них. Теперь пользователь изучал язык ЭВМ, приближенный к языку научных, инженерных или экономических расчетов. Например, Фортран или Алгол-60. Самое главное в этот период – унификация ЭВМ по конструктивнотехнологическим параметрам. Компьютеры начинают выпускаться сериями или семействами, совместимыми моделями. Дальнейшее развитие математического и программного обеспечения приводит к созданию пакетных программ для решения типовых задач, проблемно-ориентированных программных языков и впервые создаются операционные системы. В это же время появились первые многомашинные комплексы, системы телеобработки данных – прообразы компьютерных сетей, а затем глобальные, региональные и вычислительные сети. Произошел качественный рост технических параметров компьютеров, развивалась функциональность ЭВМ. 34 ЭВМ третьего поколения имели следующие технические характеристики: быстродействие процессора – 20-70 тыс. операций/сек.; объем оперативной памяти – 4-8 Мбайт; периферийные устройства – взаимозаменяемые широкого спектра; операционная система ДОС ЕС. Для решения прикладных задач использовались языки программирования Фортран, Кобол, ПЛ/1. Произошла специализация программистов на системные и проблемные, что повысило производительность и качество эксплуатации программ. Сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) составили техническую основу, элементную базу ЭВМ четвертого поколения. Их производительность возросла фантастически – до сотен миллионов операций в секунду. Подлинный переворот в автоматике и управлении произвели появившиеся в семидесятые годы микропроцессоры и микро-ЭВМ. Малый вес и габариты, ничтожное электропотребление – все это позволило встраивать микро-ЭВМ и микропроцессорные приборы непосредственно в средства связи, машины, механизмы, приборы и другие технические устройства, что улучшило их управление и контроль. ЭВМ третьего-четвертого поколения стали многоязычными и многопрограммными: они получили возможность вести диалог со многими пользователями одновременно и решать задачи, запрограммированные на разных языках. Характерные свойства ЭВМ четвертого поколения: • мультипроцессорность; • параллельно-последовательная обработка информации; • использование языков высокого уровня; • появление первых сетей ЭВМ. Начиная с 1980 г. практически все ЭВМ создаются на основе микропроцессора, самым распространенным стал персональный компьютер. Электронно-вычислительные машины пятого поколения – это компьютеры на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой, одновременно выполняющие десятки последовательных команд программы. Они имеют сотни параллельно работающих процессоров, позволяющих строить системы обработки данных и знаний, и являются эффективными сетевыми компьютерными системами. Это электронные и оптоэлектронные компьютеры с массовым параллелизмом, нейронной структурой, распределенной сетью большего числа (десятки тысяч) микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем. 35 5.2. Классификация компьютеров Компьютер – это комплекс технических устройств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач. Рассмотрим классификацию компьютеров по различным критериям. 5.2.1. Классификация ЭВМ по принципу действия По принципу действия вычислительные машины делятся на три больших класса: аналоговые (АВМ), цифровые (ЦВМ) и гибридные (ГВМ). Критерием деления вычислительных машин на три класса является форма представления информации, с которой они работают. ЦВМ – вычислительные машины дискретного действия, работают с информацией, представленной в дискретной, цифровой форме. АВМ – вычислительные машины непрерывного действия, работают с информацией, представленной в аналоговой (непрерывной) форме. ГВМ – вычислительные машины комбинированного действия работают с информацией, представленной и в цифровой и в аналоговой форме. Они совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ. ГВМ целесообразно использовать для решения задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами. АВМ моделирует математические зависимости, в которых физические величины непрерывно меняются во времени. ЭВМ широко применяются для моделирования процессов, происходящих в системах управления. Скорость решения задач может быть сколь угодно большой (больше, чем у ЦВМ), но точность решения задач очень низкая (относительная погрешность 2–5%). В ЦВМ переменные величины представляются дискретными значениями. Решение задачи сводится к последовательному выполнению арифметических операций. ЭВМ являются универсальными, на них может быть достигнута любая точность вычислений. 5.2.2. Классификация по уровню специализации По назначению ЭВМ можно разделить на три группы: универсальные (общего назначения), проблемно-ориентированные и специализированные. Универсальные ЭВМ предназначены для решения самых различных задач: инженерно-технических, экономических, математических, информационных и других, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных. Они широко используются в вычислительных центрах коллективного пользования и в других мощных вычислительных комплексах. Характерными чертами универсальных ЭВМ являются: • высокая производительность; 36 • разнообразие форм обрабатываемых данных при большом диапазоне их изменения; • обширная номенклатура выполняемых операций как арифметических, логических, так и специальных; • большая емкость оперативной памяти; • развитая организация системы ввода-вывода информации, обеспечивающая подключение разнообразных внешних устройств. Проблемно-ориентированные ЭВМ служат для решения задач, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами; регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных; выполнением расчетов по относительно несложным алгоритмам: они обладают ограниченными по сравнению с универсальными ЭВМ аппаратными и программными ресурсами. Специализированные ЭВМ используются для решения узкого класса задач или реализации строго определенной группы функций, что позволяет четко специализировать их структуру, существенно снизить их сложность и стоимость при сохранении высокой производительности и надежности работы. К специализированным ЭВМ можно, например, отнести программируемые микропроцессоры специального назначения (бортовые, компьютеры в самолетах и автомобилях). 5.2.3. Классификация ЭВМ по функциональным характеристикам Имеются суперЭВМ, большие ЭВМ, малые-ЭВМ, микро-ЭВМ, персональные компьютеры. 1. Суперкомпьютеры. Суперкомпьютеры – самый мощный класс по быстродействию. Быстродействие от 10×109 флопс (число операций с плавающей точкой в сек.). ЭВМ характеризуются множеством 4-разрядных параллельно работающих процессоров, имеют 64-разрядное машинное слово, многопользовательский режим работы. Они применяются для решения сложных вычислительных задач (обеспечение государственной безопасности, исследование космоса, метеопрогнозы, биохимические исследования человека и животных, контроль работы АЭС и др.). 2. Большие ЭВМ (Main Frame). Большие ЭВМ применяются для решения сложных вычислительных задач (составления прогнозов, моделирования сложных явлений, обработки сверхбольших объемов информации). Большие ЭВМ имеют следующие базовые параметры: основная память – емкостью до 10000 Мбайт; внешняя память – не менее сотни гигабайт; многопользовательский режим работы (до 1000 пользователей). 37 3. Малые ЭВМ. Малые ЭВМ появились в начале 70-х годов. Их традиционное использование – либо для управления технологическими процессами, либо в режиме разделения времени в качестве управляющей машины небольшой локальной сети. Емкость основной памяти – до 8 Гбайт, емкость дисковой памяти – до 1 Тбайт, число поддерживаемых пользователей – 16–1024. Все модели разрабатываются с использованием микропроцессоров. Достоинства: модульная архитектура, хорошее соотношение производительность/цена, повышенная точность вычислений. 4. Микро-ЭВМ. Микрокомпьютеры весьма многочисленны и разнообразны. Классификация микро-ЭВМ: • многопользовательские – мощные ЭВМ, оборудованные несколькими видеотерминалами и функционирующие в режиме разделения времени; • персональные (ПК) – однопользовательские микро-ЭВ, удовлетворяющие требованиям общедоступности и универсальности применения; • рабочие станции – однопользовательские мощные микро-ЭВМ, для работы в вычислительных сетях, часто специализируются для выполнения определенного вида работ (графических, инженерных, издательских и т.д.). • серверы – многопользовательские мощные микро-ЭВМ в вычислительных сетях, выделенные для обработки запросов от всех станций сети, предоставляющий доступ к общим системным ресурсам. • сетевые компьютеры – упрощенные микрокомпьютеры, обеспечивающие работу в сети и доступ к сетевым ресурсам, часто специализируются на выполнении определенного вида работ (защита сети от несанкционированного доступа, организация просмотра сетевых ресурсов, электронной почты и т.д.) 5.3. Архитектура ЭВМ 5.3.1. Принципы фон-Неймана Концепцию построения цифровой ЭВМ сформулировал американский ученый Джон фон Нейман в 1945 г. Основные принципы: 1. Применяется двоичная система счисления. 2. ЭВМ управляется программно. Программа содержит инструкции, выполняемые автоматически в заданной последовательности. 3. Программа и данные хранятся в запоминающем устройстве машины, которое обладает высокой скоростью выборки и записи. 4. Инструкции программ и обрабатываемые данные представляются однотипно в двоичном коде. 38 5. Память является иерархичной и содержит минимум два уровня – основная и внешняя. 6. Память является адресуемой, т.е. ячейки памяти доступны программе по двоичному адресу или по имени, которое присваивается в программе и сохраняется на протяжении всего времени выполнения. ЭВМ, построенные по принципам фон Неймана, имеют модульную архитектуру и содержат следующие блоки (рис. 5.1). На рисунке тонкие стрелки указывают направление потоков информации, выделенные – управляющие сигналы от процессора. Рис. 5.1. Структурная схема ЭВМ по фон Нейману ЭВМ включает в себя блок управления, арифметическое устройство, устройство ввода программ и данных, устройство вывода результата, а также блок управления. Блок управления обеспечивает управление всеми устройствами компьютера, Арифметическое устройство выполняет арифметические и логические операции обработки информации, хранящейся в памяти ЭВМ. В современных ЭВМ арифметико-логическое устройство и блок управления объединены в процессор, который выполняет обработку данных, а также осуществляет с помощью программ управление работой других блоков компьютера. В памяти ЭВМ данные и программы представлены в двоичной форме. Для ввода и вывода информации используются специальные устройства, причем программы и данные вводятся в память однотипно. Принципы фон-Неймана можно практически реализовать множеством различных способов. Приведем два из них: ЭВМ с шинной и канальной организацией обработки информации. 39 5.3.2. Архитектура с фиксированным набором устройств Введем предварительно следующие определения. То общее, что есть в строении ЭВМ, относят к понятию архитектуры. Архитектура ЭВМ – логическая организация, структура, ресурсы, т. е. средства вычислительной системы, которые могут быть выделены процессу обработки данных на определенный интервал времени. Термин используется для описаний возможностей, предоставляемых ЭВМ. Конфигурация ЭВМ – компоновка вычислительного устройства с четким определением характера, количества, взаимосвязей и основных характеристик его функциональных элементов. Термин организация ЭВМ определяет, как реализованы возможности ЭВМ. Компьютеры первого и второго поколений имели архитектуру закрытого типа с ограниченным набором внешнего оборудования. Введение любого дополнительного функционального блока в такие архитектуры сопряжено с увеличением потребляемой мощности, занимаемой площади и увеличением стоимости всей системы. Поэтому компьютер, выполненный по этой архитектуре, не имеет возможности подключения дополнительных устройств, не предусмотренных разработчиком. Компьютеры закрытой архитектуры эффективны при решении чисто вычислительных задач. Схема такой архитектуры приведена на рис.5.2. Рис. 5.2. Структурная схема ЭВМ закрытой архитектуры Здесь устройство управления обеспечивает выполнение команд программы и управляет всеми узлами системы. Канал ввода и вывода допускает подключение только определенного числа внешних устройств. АЛУ обеспечивает не только числовую обработку информации, но и участвует в провесе ввода и вывода. 5.3.3. ЭВМ с открытой архитектурой Архитектура современных ЭВМ основана на магистрально-модульном принципе. Модульный принцип позволяет потребителю самому подобрать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при 40 необходимости его модернизацию. Модульная организация системы опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информации (рис. 5.3). Магистраль или системная шина – это набор электронных линий, связывающих воедино по адресации памяти, передачи данных и служебных сигналов процессор, память и периферийные устройства. 5.3. Структурная схема ЭВМ с общей шиной Обычно шина состоит из трех частей: • шины данных, по которым передается информация; • шины адреса, определяющей, куда передаются данные; • шины управления, регулирующей процесс обмена информацией. Общее управление осуществляет центральный процессор, выделяя время другим устройствам для обмена информацией. Внешнее устройство подключается через контроллер, который согласовывает сигнал устройства с сигналами шины и управляет устройством по командам центрального процессора. Контроллер подключается к шине специальным устройством – портом ввода/вывода. Каждый порт имеет свой номер, по которому происходит обращение. Контроллер можно рассматривать как специализированный процессор, управляющий работой внешнего устройства по специальным встроенным программам обмена без участия центрального процессора. Недостатком этой архитектуры является задержка работы «быстрых» устройств с «медленными», т.к. к шине подключены устройства с разными объемами и скоростями обмена информацией. Дальнейшее повышение производительности компьютера было найдено во введении дополнительной локальной шины, к которой подключались только «быстрые» устройства. Потребовалось еще одно устройство – контроллер шины, который анализирует адреса портов и передает их контроллеру, подключенному к общей или локальной шине. 41 5.3.4. Архитектура многопроцессорных вычислительных систем Для повышения быстродействия ЭВМ используются архитектуры, в которых процесс обработки информации распараллеливается. Существуют три основных подхода к построению архитектур таких компьютеров: • многопроцессорные; • магистральные; • матричные. Архитектура простых многопроцессорных систем выполняется по схеме с общей шиной. Два или более процессоров и несколько модулей памяти размещаются на общей шине. Каждый процессор для обмена с памятью проверяет, свободна ли шина, и если свободна, занимает ее. Если же шина занята, процессор ждет, когда она освободится. Производительность такой системы ограничена пропускной способностью шины. Магистральный принцип является самым распространенным при построении многопроцессорных ЭВМ. Процессор такой системы разделен на ряд устройств, выполняющих арифметические и логические операции, и быструю регистровую память для хранения обрабатываемых данных. Таким образом, создается своеобразный конвейер преобразования данных: регистры – обрабатывающее устройство – регистры – и т.д. Конечные результаты вычислений записываются в общее запоминающее устройство. Наиболее сложную архитектуру имеют матричные вычислительные системы (рис. 5.4). В них используется несколько процессоров, объединенных в матрицу процессорных элементов. Каждый процессор снабжен локальной памятью и при необходимости может производить обмен со своими соседями или с общим запоминающим устройством. В первом случае программы и данные нескольких задач или независимых частей одной задачи загружаются в локальную память процессоров и выполняются параллельно, во втором случае процессоры одновременно выполняют одну и ту же команду, но над разными данными. Обмен данными с периферийными устройствами выполняется через периферийный процессор, подключенный к общему ЗУ. 42 Рис. 5.4. Структурная схема матричной вычислительной системы 5.4. Характеристика основных устройств персонального компьютера Персональный компьютер (ПК) – универсальная микропроцессорная система, которая применяется как в автономном режиме, так и в сетях и удовлетворяют требованиям универсальности. Структурно ПК состоит из двух основных частей: центральной и периферийной (рис. 5.5). Центральная часть – это центральный процессор (ЦП) и внутренняя память. ЦП реализуется в виде большой интегральной схемы. ЦП взаимодействует с внутренним запоминающим устройством (ЗУ) или оперативной памятью (ОП). Материнская (системная) плата – служит для объединения и организации взаимодействия других компонентов. В нее устанавливается процессор, блок оперативной памяти, с ним связаны жесткий диск и CD ROM, к ней через разъемы и порты подключаются дополнительные устройства. Таким образом, материнская плата, центральный процессор, оперативная память составляют основу ПК, от их производительности зависит производительность компьютера в целом. Материнские платы различаются по типу процессоров, которые могут быть установлены на них. На материнских платах находятся специальные перемычки – джамперы, позволяющие подстроить ее под тип процессора и других устройств, устанавливаемых на ней. На плате имеются разъемы для установки дополнительных устройств – слоты расширения. Виды слотов расширения различаются по типу общей 43 шины. Шина характеризуется типом, разрядностью, количеством подключаемых внешних устройств. частотой и Рис. 5.5. Схема персонального компьютера Для добавления в ПК нового устройства необходим контроллер – устройство, аппаратно согласовывающее работу системы и дополнительного устройства. Кроме того, необходим драйвер этого устройства – программа, позволяющая программно связать это устройство с системой в целом. Устройства обработки Микропроцессор (CPU) – программно управляемое устройство, предназначенное для обработки информации под управлением программы, находящейся в данный момент в оперативной памяти. Основные характеристики: • быстродействие – количество операций, выполняемых за 1 сек., Измеряется в бит/сек.; • тактовая частота – количество тактов, выполняемых процессором за 1 сек. Эта характеристика определяет скорость выполнения операций и непосредственно влияет на производительность процессора. Измеряется в герцах; • разрядность – количество двоичных разрядов, который процессор обрабатывает за один такт; • кэш-память. Центральный процессор постоянно работает с памятью, но скорость оперативной памяти не позволяет полностью 44 раскрывать его вычислительный потенциал. Поэтому у процессора существует собственная небольшая, но быстрая память. В современных ПК применяются процессоры двух основных архитектур. • Полная система команд переменной длины – Complex Instruction Set Computer (CISC). • Сокращенный набор команд фиксированной длины – Reduced Instruction Set Computer (RISC). CISC-процессоры имеют обширный набор команд, что позволяет программисту выбрать наиболее подходящую в данном случае. Недостатком такой архитектуры является сложное внутреннее устройство процессора и увеличение времени выполнения микрокоманды. Команды имеют разную длину и время исполнения. Процессор RISC-архитектуры работает необычайно быстро и способен выполнить любую из немногочисленных команд за один машинный такт, в то время как обычно на выполнение простой операции требуется 4–5 тактов. Так как RISC-архитектура оперирует очень ограниченным набором команд, то если нужной команды нет, ее приходится реализовывать с помощью нескольких команд из имеющегося набора, что увеличивает размер программного кода. Внутренняя память Состав внутренней памяти компьютера: оперативная память (ОП), кэшпамять, специальная память. Оперативная память (RAM – Random Access Memory) –- быстрое запоминающее устройство, непосредственно связанное с процессором и предназначенное для записи, считывания и хранения выполняемых программ и данных. Единицы измерения памяти совпадают с единицами измерения информации. Используется для временного хранения данных и программ в процессе выполнения программ. Доступ к элементам оперативной памяти прямой, так как каждый байт памяти имеет свой индивидуальный адрес. Каждый байт пронумерован, это адрес байта. Байты объединяют в машинные слова (ячейки). Быстродействие памяти измеряется временем доступа и длительностью цикла. Время доступа представляет собой промежуток времени между формированием запроса на чтение информации из памяти и моментом поступления из памяти запрошенного машинного слова. Длительность цикла определяется минимальным допустимым временем между двумя последовательными обращениями к памяти. 45 Кэш (cache) – очень быстрое ЗУ небольшого объема, используется при обмене данными между процессором и оперативной памятью. Позволяет компенсировать разницу в скоростях обработки информации процессором и оперативной памятью. Устройства специальной памяти. ПЗУ– (ROM – Read Only Memory) энергонезависимая память, используется для хранения данных, которые никогда не изменяются. Содержание ROM специальным образом «прошивается» в устройстве при его изготовлении для постоянного хранения. Из ПЗУ можно только читать. В постоянную память записана программа управления работой самого процессора. В ПЗУ находятся также программы управления дисплеем, клавиатурой, принтером, внешней памятью, программы запуска и остановки компьютера, тестирования устройств. BIOS (Basic Input/Output System – базовая система ввода-вывода) с одной стороны является микросхемой постоянной памяти, а с другой стороны – это совокупность программ, предназначенных для автоматического тестирования устройств после включения питания компьютера и загрузки операционной системы в оперативную память. CMOS RAM – это разновидность ПЗУ. Имеет невысокое быстродействие и минимальное энергопотребление от батарейки. Используется для хранения информации о конфигурации и составе оборудования компьютера, а также о режимах его работы, часов и паролей. Содержимое CMOS изменяется специальной программой Setup, находящейся в BIOS Видеопамять (VRAM) – разновидность оперативного ЗУ, в котором хранятся закодированные изображения. Это ЗУ организовано так, что его содержимое доступно сразу двум устройствам — процессору и дисплею. Поэтому изображение на экране меняется одновременно с обновлением видеоданных в памяти. Устройства ввода информации Устройства ввода информации очень разнообразны. Клавиатура является пока основным устройством ввода информации в ПК. Большинство современных IBM-совместимых компьютеров имеют 101 клавишу. Стандартным является расположение QWERTY, содержащее порядка 60 клавиш и еще около 40 функциональных клавиш. Выпускаются клавиатуры, содержащие клавиши для исполнения наиболее часто встречающихся команд операционной системы MS Windows. Для увеличения количества возможных номеров клавиш используются специальные клавиши Shift, Ctrl иди Alt. Кроме того клавиши Lock и Num Lock меняют состояние клавиатуры. 46 Мыши и трекболы являются координатными устройствами ввода информации. Трекбол представляет собой перевернутую мышь: он закреплен, крутится только его шар. Это позволяет существенно повысить точность управления курсором. Сканер предназначен для ввода в компьютер текстовой и графической информации непосредственно с бумажного документа путем ее считывания. По своему конструктивному исполнению сканеры могут быть ручные, планшетные, барабанные, проекционные и др. Использование сканера совмещается с системами распознавания образов типа OCR. Система OCR распознает считанные сканером с документа портреты символов (букв, цифр, знаков препинания) и преобразует их в байты в соответствии с кодовой таблицей. За счет системы OCR можно распознавать как печатный, так и рукописный тексты. Ввод объемных изображений в ЭВМ осуществляется с помощью цифровых камер. Электронный планшет (диджитайзер) является координатным преобразователем, который используется в основном для задач САПР. Устройство распознавания речи передает компьютеру звуки, закодированные особым образом, там они распознаются с помощью специальной программы и преобразуются в текст. Устройства вывода информации Видеосистема состоит из трех частей: монитора (дисплея), видеоадаптера и программного обеспечения (драйверы видеосистемы). Монитор (дисплей) – устройство вывода графической и текстовой информации. Видеоадаптер посылает в монитор сигналы управления яркостью лучей и синхросигналы строчной и кадровой развёрток. Монитор преобразует эти сигналы в зрительные образы. Мониторы могут работать в двух режимах – текстовом и графическом. В текстовом режиме экран делится строками и столбцами на клетки. Каждая клетка предназначена для вывода одного символа. Для задания полного содержимого экрана (25 строк и 80 столбцов) необходимо задать 25 × 80 = 2000 символов. В графическом режиме экран состоит из точек, полученных разбиением экрана на большое количество строк и столбцов. В цветном дисплее наборы точек располагаются по треугольным триадам, образующим пиксель – точку изображения (pixel – picture element). Дисплей взаимодействует со своим адаптером (видеокарта, видеоадаптер, контроллер). Дисплей и адаптер совместно определяют качество изображения – разрешение, количество воспроизводимых цветов, скорость регенерации (число кадров в единицу времени). 47 Жидкокристаллические (ЖК) мониторы В ЖК мониторах с пассивной матрицей используется тонкая плёнка из жидких кристаллов, помещённая между двумя стеклянными пластинами. Матрица – сетка невидимых горизонтальных и вертикальных нитей, в месте пересечения которых создается точка изображения. В ЖК мониторах с активной матрицей используется прозрачный экран, разделенный на независимые ячейки, каждая из которых состоит из четырех частей (три основных цвета и одна резервная), и управляется собственным транзистором. Устройства внешней памяти (ВЗУ) ВЗУ – это электромеханические запоминающие устройства, характеризуются большим объемом хранимой информации и низким, по сравнению с ОП быстродействием. К ВЗУ относятся накопители на гибких магнитных дисках, накопители на жестких магнитных дисках, накопители на оптических дисках. Внешняя память не имеет прямой связи с процессором. Взаимодействие устройств внешней памяти с ЦП показано на рис. 5.6. Рис. 5.6. Взаимодействие устройств с внешней памяти с процессором Накопители на гибких дисках (флоппи диски) служат для хранения программ и данных небольшого объема. Стандартный формат дискеты имеет 40(80) дорожек. Каждая дорожка разделена на секторы. Сектор – основная единица хранения информации. Накопитель на магнитных дисках (HDD-Hard Disk Drive) или винчестерский накопитель. Это наиболее распространенное запоминающее устройство большой ёмкости. Используется для постоянного хранения информации. Концентрические дорожки на диске называются треками. Трек делится на секторы. Размер сектора может быть 512, 1024 или 2048 байтов. Набор секторов, который хранит минимальную порцию информации, называется кластером. За одно обращение к диску считывается количество информации, равное размеру кластера. Нулевая дорожка любого диска содержит полную информацию о диске, а также FAT и его копию. Любой диск имеет физический и логический формат. Физический формат диска задает размер сектора, число секторов на дорожке (или для жестких дисков – в цилиндре), число дорожек и число сторон. Логический формат диска задает способ организации информации на диске и фиксирует размещение информации различных типов. Существуют разные типы лазерных накопителей. Диски первого типа можно использовать только для чтения. Эти накопители называются CD 48 ROM. Второй тип лазерных накопителей позволяют записывать информацию. Это WORM-накопители. Оптические диски DVD имеют высокую плотность записи. Их можно классифицировать следующим образом. CD-r (CD-recordable) – информация на них записывается только один раз. Допускается дозапись дисков, но ранее записанную информацию изменить нельзя. Сеансы записи называются сессиями, а диски, записанные в несколько сеансов – мультисессионные. CD-rw (CD-reWritable), могут быть перезаписаны до 1000 раз (практически, конечно же, это число не гарантируется). Записанную информацию можно стирать. Записываемые DVD обозначаются DVD-r и DVD+r, перезаписываемые DVD-rw и DVD+rw. «-» и «+» обозначают разные форматы записи. Флэш-карта – следующий по популярности и эффективности носитель данных на сегодняшний день. Является новым поколением носителей информации, в котором используется тот же принцип записи данных на микросхему, что и оперативной памяти. Достоинства Flash-накопителей: • компактность; • мобильность; • износостойкость; • высокая надежность хранения информации. Очень редко используются накопители на магнитных лентах (стримеры). Чаще всего они используются для резервного хранения содержимого жесткого диска, что позволяет предотвратить потерю данных при его выходе из строя. Принтер – устройство для вывода результатов работы компьютера на бумагу. В зависимости от порядка вывода информации на экран принтеры подразделяются на последовательные, строчные и страничные. Принтеры могут быть матричные, струйные и лазерные. В матричных принтерах изображение формируется из точек иголок по красящей ленте. Печатающие головки струйных принтеров вместо иголок содержат тонкие трубочки – сопла, через которые на бумагу выбрасываются капельки чернил. Лазерные принтеры дают высокое качество печати, очень экономичны в эксплуатации и намного менее требовательны к качеству бумаги, по сравнению со струйными принтерами. Плоттеры или графопостроители – устройства вывода графической информации. Используются для оформления больших плакатов, чертежей, карт, диаграмм. Любой персональный компьютер имеет в своем составе специальную звуковую плату (аудиоадаптер). Он представляет собой преобразователь 49 цифровой информации в сигналы, которые генерирует звук в системе воспроизведения Устройства связи необходимы для организации взаимодействия отдельных компьютеров между собой, доступа к удаленным принтерам и подключения локальных сетей к общемировой сети Интернет. Примерами таких устройств являются сетевые карты и модемы Некоторые другие внешние устройства Математический сопроцессор предназначен для более быстрого выполнения вычислений с числами, представленными в формате с плавающей точкой. Генератор тактовых импульсов посылает сигналы всем устройствам компьютера через определенные промежутки времени. Генератор необходим для синхронизации работы всех устройств компьютера. Контроллер прерываний управляет обслуживанием прерываний. Прерывание – это сигнал, который устройства компьютера посылают в процессор, сообщая об изменениях в своем состоянии или запрашивая определенные действия со стороны процессора. Процессор, получив сигнал, запускает определенную программу обработки прерываний. Контроллер прямого доступа позволяет осуществлять обмен информацией между оперативной памятью и внешними устройствами без участия процессора. Таймер предназначен для преобразования тактовой частоты компьютера в сигналы произвольной частоты. С его помощью работа компьютера привязывается к реальному времени и, кроме того, осуществляется генерация звука. Средства мультимедиа – комплекс звуковой карты, музыкальных колонок и микрофона. К средствам мультимедиа можно отнести также виртуальные очки и шлемы виртуальной реальности и CD-ROM. 5.5. Вопросы для самоконтроля 1. Какие принципы используются при построении ЭВМ Дж. фон Неймана. 2. Приведите структурную схему ЭВМ по фон Нейману. 3. Перечислите основные поколения компьютеров. Укажите их основные характеристики. 4. Каковы основные особенности ЭВМ пятого поколения? 5. В чем отличие ЭВМ с открытой архитектурой от ЭВМ закрытой архитектуры? 6. Нарисуйте структурную схему ЭВМ с общей шиной. Каковы основные достоинства такой архитектуры? 50 6. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭВМ 6.1. Классификация программного обеспечения (ПО) Совокупность программ и сопровождающей их документации, предназначенная для решения задач на ЭВМ, называется программным обеспечением (Software). В зависимости от функций, выполняемых программным обеспечением, его можно разделить на следующие виды (рис. 6.1). Рис. 6.1. Структура программного обеспечения компьютера Системное программное обеспечение – это совокупность программных средств, обеспечивающих работу компьютера и компьютерных сетей, которые удовлетворяют требованиям конечных пользователей. Его подразделяют на базовое, сервисное и тестовое. К базовому программному обеспечению относятся: операционные системы и их оболочки. Сервисные системы расширяют возможности ОС, предоставляя пользователю набор дополнительных услуг. К сервисному ПО относят утилиты (utility), инструментальные средства (tool) программ, которые расширяют стандартные функции базового и прикладного ПО. Утилиты – служебные программы, которые предоставляют пользователю ряд дополнительных услуг. Утилиты облегчают выполнение технологических процессов обработки информации, обеспечивают управление работой вычислительной системы, защиту данных и программ от разрушения и несанкционированного доступа; улучшают пользовательский интерфейс, ускоряют обмен данными. 51 Тестовое ПО предназначено для диагностики и обнаружения ошибок в процессе работы компьютера или вычислительной системы в целом. Инструментальные средства программирования – программы, предназначенные для разработки программного обеспечения. К ним относятся языки и системы программирования, CASE-средства для автоматизации создания программ. Системы программирования осуществляют поддержку всех этапов работ по программированию: создание исходного кода программы на языке программирования, компиляцию/интерпретацию, отладку, документирование, поддержку и сопровождение программных продуктов. Системы программирования обычно содержат трансляторы; среду для разработки программ; библиотеки справочных программ, отладчики, редакторы связей и т.п. Прикладное программное обеспечение предназначено для решения конкретных прикладных задач пользователя в определенной предметной области. Оно объединяет широкий перечень программ, предназначенных для решения задач различных классов для различных информационных систем. Их условно можно разделить на группы. Программное обеспечение базовых информационных технологий содержит: • текстовые редакторы и процессоры; • табличные процессоры; • системы управления БД; • интегрированные пакеты офисного типа; • графические процессоры; • редакторы презентаций; • издательские системы и пр. Методо-ориентированное программное обеспечение позволяет реализовывать методы и модели для решения задач независимо от специфики предметной области. Оно включает в себя: • ПО для решения задач математического программирования и анализа; • ПО для решения задач статистического анализа; • ПО для управления проектами; • оболочки экспертных систем; • системы моделирования бизнес-процессов и т.д. Функционально-ориентированное (предметное) программное обеспечение предназначено для программной реализации задач управления в различных предметных областях. Например, для автоматизации систем управления промышленным предприятием, организацией торговли, 52 образовательным учреждением и т.п. Особое место занимает прикладное ПО для развлечения и отдыха – игры, мультимедийные комплексы и др. 6.2. Операционная системы: назначение, основные принципы организации Операционная система (ОС) – это набор программ, которые обеспечивают возможность использования аппаратуры компьютера. Задача ОС заключается в том, чтобы сделать аппаратуру доступной и по возможности удобной для пользователя. Основные функции ОС: • организация интерфейса пользователя; • управление ресурсами ПК; • управление вводом-выводом; • организация хранения информации на дисках; • управление выполнением программ; • управление другими вспомогательными функциями. Существует несколько вариантов классификации ОС. По количеству одновременно работающих пользователей различают однопользовательские (MS-DOS, Windows 3.x, ранние версии OS/2) и многопользовательские ОС (UNIX, Windows NT). Главным отличием многопользовательских систем от однопользовательских является наличие средств защиты информации каждого пользователя от несанкционированного доступа других пользователей. По числу одновременно выполняемых задач ОС можно разделить на однозадачные (MS-DOS) и многозадачные ОС (UNIX, MS Windows, OC EC). В многозадачном режиме каждой задаче (программе) выделяется доля процессорного времени. Поскольку процесс переключения идет очень быстро, а выделяемое время достаточно мало, то для пользователя создается впечатление одновременного выполнения нескольких задач. Многозадачные ОС подразделяются на три типа в соответствии с использованными при их разработке критериями эффективности. • системы пакетной обработки; • системы разделения времени; • системы реального времени. Системы пакетной обработки предназначены для решения задач в основном вычислительного характера, не требующих быстрого получения результата. Главной целью является решение максимального количества задач в единицу времени. Выполнение программы поручается оператору, отсюда основным недостатком таких ОС является изоляция пользователя от процесса выполнения его программы. 53 ОС разделения времени призваны устранить основной недостаток систем пакетной обработки. ОС этого типа предоставляют пользователю терминал, с которого он может управлять вычислительным процессом. Так как каждой задаче выделяется один квант процессорного времени, ни одна задача не занимает процессор надолго. Если квант достаточно мал, то у всех одновременно работающих пользователей создается иллюзия единоличного использования ЭВМ. Критерием эффективности систем разделения времени является не максимальная пропускная способность, а удобство и эффективность работы пользователя. Системы реального времени применяются для управления различными техническими объектами, например, станок, конвейер, робот космический аппарат, доменная печь и т.п. Во всех случаях существует предельно допустимое время, в течение которого к должна быть выполнена определенная программа. Критерием эффективности ОС является способность выдерживать заранее заданные интервалы времени между запуском программы и получением результата. По количеству используемых процессоров ОС делятся на однопроцессорные и многопроцессорные (OS/2, Windows NT, NetWare). По типу пользовательского интерфейса используются командные (текстовые MS DOS) и объектно-ориентированные (графические Windows XP). По способу использования общих аппаратных и программных средств ОС могут быть сетевыми и локальными. Сетевые ОС предназначены для управления ресурсами компьютеров, объединенных в сеть с целью совместного использования данных. Сетевая ОС обычно устанавливается на сервере, который предназначен для обслуживания сети. ОС, стоящие на рабочих станциях, являются локальными сетевыми. Локальная сетевая сеть содержит драйвер сетевого адаптера. К сетевым ОС относят, например,Windows NT, Windows ХР, UNIX. 6.3. Файловая система операционных систем Файловая система – это часть операционной системы, назначение которой состоит в том, чтобы обеспечить пользователю удобный интерфейс при работе с данными, хранящимися на диске, и совместное использование файлов несколькими пользователями. В широком смысле под файловой системой понимают: • совокупность всех файлов на диске: • наборы структур данных, используемых для управления файлами, такие, например, как каталоги файлов, дескрипторы файлов, таблицы распределения свободного и занятого пространства на диске; 54 • комплекс системных программных средств, реализующих управление файлами, в частности создание, уничтожение, чтение, запись, именование, поиск и другие операции над файлами. Основное назначение файлов – хранить информацию. Они также предназначены для передачи данных от программы к программе и от системы к системе. Другими словами, файл – это хранилище стабильных и мобильных данных. Файл – это последовательность произвольного числа байтов, обладающая уникальным именем. Файл является основной структурной единицей организации и хранения информации. Каждый файл имеет имя, атрибуты, время создания и модификации. Имя файла имеет особое значение – оно фактически несет в себе адресные функции в иерархических структурах. Кроме того, имя может иметь расширение, в котором хранятся сведения о типе данных, имеющихся в файле. Если имена создаваемых файлов пользователь может задать произвольно, то в использовании расширений следует придерживаться некоторой традиции. Например, в операционной системе MS DOS файлы с расширениями: com, exe, bat – исполняемые; bat, txt, doc – текстовые; pas, c, for – тексты программ. В различных операционных системах существуют ограничения на длину имени и расширения имени файла. Так, в MS DOS длина имени файла не должна превышать 8 символов, а расширение – трех. В операционной системе Windows ограничения менее жесткие. Для пользователей файл является основным и неделимым элементом хранения данных, который можно найти, изменить удалить, сохранить либо переслать на устройство или на другой компьютер, но только целиком. Файловая система ЭВМ определяет правила присвоения имен файлам, сохранение и организацию файлов на носителях информации, их обработку. Файловая система структурно состоит из файлов, папок и информации, необходимой для определения местонахождения указанных элементов и доступа к ним. Файлы могут быть разных типов: обычные, специальные, каталоги. Обычные файлы в свою очередь подразделяются на текстовые и двоичные. Текстовые файлы состоят из строк символов, представленных в коде ASCII. Это могут быть документы, исходные тексты программ и т.п. Двоичные файлы не используют код ASCII, они часто имеют сложную внутреннюю структуру, например, объектный код программ. Специальные файлы – это файлы, связанные с устройствами ввода/вывода, которые позволяют пользователю выполнять операции ввода/вывода, используя обычные команды записи в файл или чтения файла. Эти команды сначала обрабатываются программами файловой 55 системы, а затем на некотором этапе выполнения запроса преобразуются ОС в команды управления внешним устройством. Каталог – это, с одной стороны, группа файлов, объединенных пользователем исходя из некоторых соображений, а с другой стороны, это файл, содержащий системную информацию о группе файлов, его составляющих. В каталоге содержится список файлов, входящих в него, и устанавливается соответствие между файлами и их характеристиками (атрибутами). Файловая система организуется в в виде дерева каталогов, поэтому требуется способ указания местоположении файла. Для этого используется абсолютное имя пути и относительное имя пути к файлу. Абсолютное имя пути начинается с имени диска и состоит из имен всех каталогов от корневого до того, в котором содержится файл, и имени самого файла. Пример абсолютного имени пути к файлу С:\Мои документы\Информатика\Лекции\Тема8.doc. Относительное имя используется вместе с понятием текущего каталога. Если пользователь назначает какой-либо каталог текущим (как правило, пользователь работает в данный момент в этом каталоге), то к файлу из этого каталога можно обратиться просто по его имени. Каждый каталог рассматривается как файл и имеет собственное имя. Если текущим каталогом является каталог Информатика, то относительный путь к файлу запишется так: Лекции\Тема8.doc. Для поиска файла можно воспользоваться шаблоном (или маской) имени файла. В полях имени файла или типа используются символы «*» или «?». Символы «*» заменяют любую последовательность символов. Например, *.txt – обращение ко всем файлам текущего каталога с расширением .txt. Маска b*.s* – все файлы с именем, начинающимся на букву b, и расширением, начинающимся на букву s. Символ «?» служит для замены одного символа. Например, маска SV?????.* обозначает все файлы, которые начинаются с символов SV и длина которых не более 7 символов. С файлами можно выполнять следующие операции: • создание, удаление, чтение, перезапись измененных данных; • доступ к файлам по именам; • доступ к файлам других пользователей; • управление доступом к собственным данным; • восстановление поврежденных файлов. Операции, которые можно выполнять с файлами, определяют атрибуты файла: • «Только для чтения» – файл доступен только для просмотра. Его нельзя редактировать и копировать, нельзя удалить. 56 • «Архивный» – файл доступен для редактирования и сохранения под тем же именем. • «Скрытый» и «Системный». Такие файлы не видны в списках папок (файлы ОС); их нельзя удалять и вносить изменения. Мы уже говорили о том, что файловая система используется для управления данными. Поэтому от файловой системы требуется выполнение следующих действий: • определение физического расположения частей файла; • определение наличия свободного места и выделение его для вновь создаваемых файлов. В файловой системе существует минимальная единица информации – кластер, размер которого является нижним пределом размера записываемой на носитель информации в рамках файловой системы. Минимальной единицей информации со стороны аппаратного обеспечения является сектор. Разные файловые системы используют различные механизмы для реализации указанных задач. Например, файловая система MS DOS и WINDOWS имеют файловые системы типа FAT (File Allocation Table) – таблица размещения файлов. Каталог как физический набор данных также представляет собой файл, содержащий список входящих в него файлов и других каталогов. Для работы с каталогами и файлами операционной системе необходимо знать адреса их размещения на диске. Для установления соответствия между именем файла и его физическим размещением во внешней памяти используются специальные таблицы FAT (File Allocation Table). 6.3.1. Файловая система FAT16 Эта система существовала еще до MS DOS. Ее название – таблица размещения файлов – отлично отражает физическую организацию файловой системы. Минимальный размер поддерживаемого дискового пространства не превышает 4096 Мбайт, большие объемы FAT16 не поддерживает. В FAT16 применяется 16-битовая адресация и, соответственно, возможно использование до 216 адресов. Том памяти, отформатированный FAT16, разделяется на кластеры. Размер кластера зависит от размера тома и колеблется от 512 байт до 64 Кбайт. Организация тома показана на рис. 6.2. Рис. 6.2. Организация тома в FAT 16 57 Отличием корневого каталога от всех прочих подкаталогов является фиксированное число вхождений (обычно 512). Это число равно общему количеству подкаталогов и файлов, созданных в корневом каталоге. 6.3.2. Файловая система FAT32 Файловая система FAT32 способна обслуживать тома размером до 2 Тбайт с размером кластера до 32 Кбайт. В целом, размеры кластеров в FAT32 меньше соответствующих размеров в FAT16. Это приводит к более эффективному использованию дискового пространства. Кроме того, максимальное число вхождений в корневой каталог увеличено до 65535. В FAT32 применяется 32-битная адресация, но первые 4 бита таблицы расположения файлов FAT32 необходимы для собственных нужд, поэтому в FAT32 число адресов достигает 228. 6.3.3. Файловая система NTFS NTFS (New Technology File System) – новая версия файловой системы. Ключевое преимущество – возможность ограничения доступа к файлам и папкам. При формировании файловой системы NTFS создается файл MTF (Master File Table), в котором хранятся адреса копий данных. Полная копия загрузочного сектора располагается в конце тома. В MTF, кроме того, находится таблица имен атрибутов, корневой каталог и т.п. Если у файла слишком большой набор атрибутов, то информация о нем хранится в нескольких записях, причем первая (базовая ) запись хранит адреса других копий. Цифры в названиях файловых систем FAT16 и FAT32 указывают на число бит, необходимых для хранения информации о номерах кластеров, используемых файлом, т.е. на разрядность адресации. Проведем сравнение этих файловых систем, указав их преимущества и недостатки. Файловая система FAT16 имеет следующие преимущества. • Поддерживается всеми ОС, входящими в линейку программных продуктов Windows, и некоторыми версиями ОС Unix. • Может быть загружена с системной дискеты. • Весьма эффективна для томов памяти объемом менее 256 Кбайт. Преимущества FAT32 таковы. • Для дисков большого объема более эффективно используется выделенное дисковое пространство. • Корневой каталог занимает цепочку кластеров и может располагаться в любом месте диска, благодаря чему система не накладывает никаких ограничений на число элементов в корневом каталоге. • Из-за меньшего размера кластеров занятое дисковое пространство на 10–15% меньше, чем у FAT16. 58 • Является более надежной системой, чем FAT16 из-за возможности использования резервной копии. Файловая система NTFS имеет несколько возможностей, не реализованных в системах FAT16 и FAT32. • Возможность восстановления информации за счет ведения протокола и некоторых встроенных алгоритмов восстановления информации. • Сжатие данных. При чтении файл автоматически распаковывается, при закрытии и сохранении файл снова упаковывается. • Защита файлов и каталогов путем указания атрибутов доступа. • Поддержка резервной копии загрузочного сектора. • Поддержка системы шифрования содержимого файла. Эта файловая система наиболее эффективно работает с файлами большого объема. Возможна конвертация разделов FAT16, FAT32 в NTFS без потери данных, только в прямом направлении. Это позволяет запускать в более поздних версиях ОС Windows приложения, созданные для работы под управлением ранних версий ОС. 6.4. Вопросы для самоконтроля 1. Как можно классифицировать программное обеспечение в зависимости от выполняемых функций? 2. Что называется системным программным обеспечением? 3. Дайте определение операционной системы. Перечислите ее основные функции. 4. Что называется файлом и каковы его основные атрибуты? 5. Дайте пример относительного и абсолютного пути к файлу? Какие маски файла используются при поиске файла? 6. В чем состоит отличие файловой системы NTFS от файловой системы FAT32? 59 7. МОДЕЛИ РЕШЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ ЗАДАЧ 7.1. Понятие модели и моделирования Модель – упрощенное представление, аналог реального объекта, процесса или явления. При построении модели сам объект называют оригиналом, или прототипом. Каждый объект имеет большое количество различных свойств. В процессе построения модели выделяются главные, наиболее существенные для проводимого исследования свойства. Разные науки исследуют объекты и процессы под разными углами зрения и строят различные типы моделей. Поэтому один и тот же объект может иметь множество моделей, а разные объекты могут описываться одной моделью. Однако никакая модель не может заменить сам объект. Модели необходимы, для того, чтобы: • понять, как устроен реальный объект – каковы его структура, основные свойства, законы развития и взаимодействия с окружающим миром; • научиться управлять объектом или процессом и определять наилучшие способы управления при заданных целях и критериях (оптимизация); • прогнозировать прямые и косвенные последствия реализации заданных способов и форм воздействия на объект. Строгих правил построения моделей не существует, однако накоплен большой опыт построения разнообразных моделей. Моделирование – это метод познания, состоящий в создании и исследовании моделей. На идее моделирования базируется как теоретический, так и экспериментальный метод исследования. Экспериментальный метод использует материальные модели, которые функционируют по законам объективной природы. Теоретический метод использует мыслительные (логические) модели, функционирующие по законам логики. Для построения моделей используют дедуктивный (от общего к частному) и индуктивный (от частного к общему) методы. При первом подходе рассматривается частный случай общеизвестной фундаментальной модели, которая приспосабливается к условиям моделируемого объекта с учетом конкретных обстоятельств. Второй способ предполагает выдвижение гипотез, декомпозицию сложного 60 объекта, анализ, а затем синтез. Здесь широко используется подобие, поиск аналогий, умозаключение с целью формирования каких-либо закономерностей в виде предположений о поведении системы. Технология моделирования требует от исследователя умения корректно формулировать проблемы и задачи, прогнозировать результаты, проводить разумные оценки, выделять главные и второстепенные факторы для построения моделей, находить аналогии и выражать их на языке математики. Навыки моделирования очень важны для человека в его повседневной деятельности. Они помогают разумно планировать распорядок дня, учебу, труд, выбирать оптимальные варианты при наличии выбора, удачно разрешать различные жизненные проблемы. 7.2. Классификация моделей В зависимости от средств построения различают три класса моделей: • словесные или описательные. Их также называют вербальными или тестовыми моделями; • натурные; • абстрактные или знаковые. Можно классифицировать модели по предметной области и ее объектам: физические, биологические, социологические, экономические и т.д. Подразделяют модели и по применяемому математическому аппарату: • модели, основанные на применении обыкновенных дифференциальных уравнений; • модели, основанные на применении уравнений в частных производных; • вероятностные модели и т.д. В зависимости от целей моделирования различают следующие модели: • дескриптивные (описательные) – описывают моделируемые объекты и явления и как бы фиксируют сведения о них. Примером может служить модель Солнечной системы; • оптимизационные – служат для поиска наилучших решений при соблюдении определенных условий и ограничений. • игровые; • обучающие (например, тренажеры); • имитационные (модели, в которых сделана попытка более или менее полного и достоверного воспроизведения некоторого реального процесса). В зависимости от состояния объекта во времени можно выделить: • статические модели, описывающие систему в определенный момент времени; 61 • динамические, в которых описываются процессы изменения и развития системы во времени; • детерминированные, в которых каждому набору входных параметров всегда соответствует единственный набор выходных параметров; • недетерминированные (стохастические, вероятностные), использующие генераторы случайных чисел; • имитационные модели, в которых последовательность смены состояний соответствует изменению моделируемой системы во времени. В зависимости от назначения и характера использования моделей выделяются модели: • познавательные – форма организации и представления знаний, средство соединения новых и старых знаний. Познавательная модель, как правило, подгоняется под реальность и является теоретической моделью. • прагматические – средство организации практических действий и, рабочего представления целей системы для ее управления. Реальность в них подгоняется под некоторую прагматическую модель. Это, как правило, прикладные модели; • инструментальные – являются средством построения, исследования и/или использования прагматических и/или познавательных моделей. Различают также модели эмпирические – на основе эмпирических фактов, зависимостей; теоретические – на основе математических описаний; смешанные, полуэмпирические, использующие эмпирические зависимости и математические описания. 7.3. Формы представления моделей в информатике Процесс моделирования начинается с создания концептуальной модели. Концептуальная (содержательная) модель – это абстрактная модель, определяющая структуру системы (элементы и связи). В концептуальной модели обычно в словесной форме приводятся самые главные сведения об объекте исследования. Процесс создания концептуальной модели является неформализованным, это значит, что не существует точных правил ее создания. Основная проблема при создании концептуальной модели заключается в нахождении компромисса между компактностью модели и ее точностью (адекватностью). Термин «адекватна» означает верное воспроизведение в модели связей и отношений объективного мира. Эти термином характеризуют качество созданной модели. От концептуальной модели, содержащей основные сведения об объекте исследования, переходят к моделям, выраженным на формальных языках. Если модель описывается с помощью математической символики, то 62 получаем математическую модель. В математических методах широко применяются аналитические и статистические модели. Аналитические модели учитывают меньшее число факторов, всегда включают допущения и упрощения. Но результаты расчета отчетливее отображают основные закономерности и явления. Статистические модели более точны и подробны, позволяют учесть большее число факторов. К их недостаткам можно отнести громоздкость, плохую обозримость и трудность поиска оптимального решения. Наилучший результат получается при совместном использовании аналитических и статистических моделей. Подклассом математических моделей можно считать информационные модели. Информационные модели описывают преобразование и использование информации в системах самой различной природы. Информационной моделью в информатике называют набор величин, содержащий необходимую информацию об исследуемых объектах и процессах для решения поставленной задачи. Информационные модели отражают различные типы систем объектов, в которых реализуются разнообразные структуры взаимодействия и взаимосвязи между элементами системы. Несмотря на разнообразие структур, используют в основном три типа информационных моделей: • реляционные (ориентированы на организацию данных в виде двумерных таблиц); • иерархические (принцип, при котором функции управления распределяются между соподчиненными частями системы; • сетевые, в которых каждый элемент может быть связан с любым другим элементом. 7.3.1. Реляционные информационные модели Реляционная модель ориентирована на организацию данных в виде двумерных таблиц. Реляционная таблица представляет собой двумерный массив и обладает следующими свойствами: • каждая строка таблицы – один элемент данных; • все столбцы таблицы – однородные, т.е. все элементы в столбце имеют одинаковый тип и длину; • каждый столбец имеет уникальное имя; • одинаковые строки в таблице отсутствуют; • порядок следования строк и столбцов может быть произвольным. Например, информационная модель книжного фонда домашней библиотеки. Номер 1 2 3 Автор Беляев А.Р. Кервуд Д. Тургенев И.С. Название Человек-амфибия Бродяги севера Повести и рассказы 63 Год издания 1987 1991 1982 Таблица может отражать некоторый процесс, происходящий во времени. Вот таблица погоды День 15.03.03 16.04.03 17.03.03 Осадки Снег Без осадков Туман Температура –3,5 0 1,0 Давление 746 750 74 Влажность 67 62 100 Данную таблицу можно рассматривать как информационную модель процесса изменения состояния погоды. 7.3.2. Иерархические информационные модели Группа объектов, обладающих одинаковыми общими свойствами, называется классом объектов. Внутри класса объектов могут быть выделены подклассы, объекты которых обладают некоторыми особенными свойствами, в свою очередь подклассы могут делиться на еще более мелкие группы и т.д. такой процесс называется процессом классификации. В процессе классификации объектов часто строится информационные модели, которые имеют иерархическую структуру (рис. 7.1.). В иерархической информационной модели объекты распределены по уровням, причем элементы нижнего уровня входят в состав одного из элементов верхнего уровня. Рис. 7.1 представляет собой граф. Вершины графа отображают элементы системы. Элементы верхнего уровня находятся в отношении «состоять из» к элементам более низкого уровня. Такая связь между элементами отображается в форме дуги графа. Рис. 7.1. Пример иерархической информационной модели Свойства иерархической модели данных: • каждый узел низшего уровня связан только с одним узлом более высокого уровня; • иерархическое дерево имеет только одну вершину (корень), не подчиненную никакой другой вершине; • каждый узел имеет свое имя (идентификатор); • существует только один путь от корневого узла к любому нижележащему узлу. 64 7.3.3.Сетевые информационные модели Сетевая модель похожа на иерархическую. Она имеет те же основные составляющие (узел, уровень, связь), однако характер отношений между данными принципиально иной. Ограничение на направленность связей снято, это называется свободной связью между элементами разных уровней (рис. 7.2). Рис. 7.2. Пример сетевой информационной модели Теоретически, возможны связи всех элементов со всеми, практически, некоторые ограничения на модель данных накладываются соответственно логике задачи. Сетевые информационные модели применяются для отражения таких систем, в которых связь между элементами имеет сложную структуру. 7.4. Компьютерное моделирование Компьютерное моделирование – это метод решения задачи на основе использования ее компьютерной модели. Различают два вида моделирования с использованием средств вычислительной техники: • математическое (логико-математическое) моделирование использует модели, построенные средствами математики и логики. Компьютерное решение математической модели предполагает использование численных методов решения задачи; • имитационное (программное) моделирование, при котором логикоматематическая модель исследуемого объекта представляет собой алгоритм функционирования объекта, реализованный в виде программы для компьютера. Процесс компьютерного моделирования, практически всегда итеративный, его можно представить в виде следующей схемы (рис. 7.3): 65 Рис. 7.3. Этапы компьютерного моделирования Моделирование начинается с объекта изучения. На первом этапе целенаправленно изучается объект моделирования и уточняется постановка задачи. Строится формальная модель объекта. На втором этапе формальная модель реализуется на компьютере, для этого выбираются подходящие программные средства, строится алгоритм решения проблемы, пишется программа, реализующая этот алгоритм. Затем программа отлаживается и тестируется на специально подобранных данных. На третьем этапе, работая с компьютерной моделью, исследователь осуществляет непосредственный вычислительный эксперимент. Оценка результатов заключается в установлении адекватности модели объекту исследования. Этот этап является очень важным этапом моделирования. Конечная цель моделирования состоит в принятии решения, которое должно быть выработано на основе всестороннего анализа результатов моделирования. Если результаты не соответствуют целям поставленной задачи, модель корректируется. Процесс повторяется до тех пор, пока результаты эксперимента не будут отвечать целям моделирования. При моделировании исследователь должен быть уверен в корректности модели, в соответствии модели реальному прототипу. Точность математического моделирования зависит от того, насколько хорошо математическая модель отражает свойства объекта. Кроме того, необходимо знать погрешность получаемого результата. Проверка адекватности модели выполняется в процессе ее верификации. Верификация дескриптивных моделей сводится к сопоставлению результатов расчетов, полученных на модели с соответствующими данными действительности. Верификация имитационных моделей заключается в проверке соответствия ее поведения предположениям экспериментатора. Валидация модели – проверка соответствия данных, полученных в процессе машинной имитации, реальному ходу явлений, для описания которых создана модель. Она производится тогда, когда экспериментатор убедился на стадии верификации в правильности структуры модели, и 66 состоит в том, что выходные данные после расчета на компьютере сопоставляются с имеющимися статистическими сведениями о моделируемой системе. Основной задачей процесса моделирования является выбор модели, наиболее адекватной оригиналу, и перенос результатов исследования на оригинал. Если условия позволяют, то строится несколько моделей с разным набором существенных свойств и затем выполняется оценка их адекватности объекту и цели моделирования. 7.5. Вопросы для самоконтроля 1. Для каких целей применяется моделирование? 2. Что называется моделью? Какие методы используют при моделировании? 3. Как можно классифицировать модели в зависимости от состояния объекта? 4. Что такое информационная модель? Какие типы информационных моделей Вам известны? 5. Что такое реляционная информационная модель? Чем она характеризуется? 6. Какие этапы включает в себя процесс компьютерного моделирования? В чем состоит валидация модели? 67 8. АЛГОРИТМИЗАЦИЯ И ПРОГРАММИРОВАНИЕ. ЯЗЫКИ ПРОГРАММИРОВАНИЯ ВЫСОКОГО УРОВНЯ 8.1. Понятие алгоритма. Свойства алгоритма Под алгоритмом понимается точное предписание, задающее последовательность действий, которая ведет от произвольного исходного данного (или от некоторой совокупности возможных для данного алгоритма исходных данных) к достижению полностью определяемого этим исходным данным результата. Алгоритм должен обладать определенными свойствами, наличие которых гарантирует получение решения задачи исполнителем. Дискретность. Решение задачи должно быть разбито на элементарные действия. Запись отдельных действий реализуется в виде упорядоченной последовательности отдельных команд, образующих дискретную структуру алгоритма. Понятность. На практике любой алгоритм предназначен для определенного исполнителя и любую команду алгоритма исполнитель должен уметь выполнить. Определенность (детерминированность). Каждая команда алгоритма должна определять однозначные действия исполнителя. Результат их исполнения не должен зависеть от факторов, не учтенных в алгоритме явно. При одних и тех же исходных данных алгоритм должен давать стабильный результат. Массовость. Разработанный алгоритм должен давать возможность получения результата при различных исходных данных для однотипных задач. Например, пользуясь алгоритмом решения квадратного уравнения, можно находить его корни при любых значениях коэффициентов. Свойство массовости полезное, но не обязательное свойство алгоритма, так как интерес представляют и алгоритмы, пригодные для решения единственной задачи. Результативность (конечность). Это свойство предполагает обязательное получение результата решения задачи за конечное число шагов. Под решением задачи понимается и сообщение о том, что при заданных значениях исходных данных задача решения не имеет. Если решить задачу при заданных значениях исходных данных за конечное число шагов не удается, то говорят, что алгоритм «зацикливается». Смысл условий дискретности, понятности и определенности ясен: их нарушение ведет к невозможности выполнения алгоритма. Остальные условия не столь очевидны. Для сложных алгоритмов выполнить исчерпывающую проверку результативности и корректности невозможно. 68 Это равносильно полному решению задачи, для которой создан алгоритм, вручную. 8.2.Способы записи алгоритма Для записи алгоритма используются разнообразные средства. Выбор средства определяется типом исполнителя. Используются следующие основные способы записи алгоритма: • вербальный – алгоритм описывается на естественном языке; • символьный – алгоритм описывается с помощью набора символов; • графический – алгоритм описывается с помощью набора графических изображений. Общепринятым способом записи алгоритма являются графическая запись с помощью блок-схем и символьная запись на алгоритмическом языке. Основные функциональные элементы блок-схем алгоритмов являются стандартными и показаны в табл. 8.1. Таблица 8.1 Изображение основных блоков на блок-схеме Обозначение блока Пояснение Процесс (вычислительное операцией присваивания) действие, реализованное Решение (проверка условия, реализующая условный переход) Начало, конец алгоритма Ввод исходных данных, вывод результатов Модификация (для организации циклов с параметром) 8.3. Основные алгоритмические конструкции Алгоритм любой сложности может быть представлен комбинацией трех базовых структур: • следование; • ветвление (в полной и сокращенной форме); • цикл (с предусловием или постусловием). 69 Характерной особенностью этих структур является наличие у них одного входа и одного выхода. 8.3.1. Линейные алгоритмы Базовая структура «следование» означает, что несколько операторов выполняются последовательно друг за другом, и только один раз за время выполнения программы. Структура «следование» используется для реализации задач, имеющих линейный алгоритм решения. В линейных алгоритмах все действия совершаются одно за другим, независимо от исходных данных и результатов промежуточных вычислений. Характерная форма для линейного алгоритма – последовательное выполнение команд. На рисунке приведена блок-схема алгоритма, вычисляющая полупериметр треугольника со сторонами а, b, c. В блоке 1 выполняется ввод данных, в блоке 2 производится расчет по формуле, а в блоке 3 – вывод результата. 8.3.2. Разветвляющиеся алгоритмы Второй базовой структурой является «ветвление» (рис. 8.1). Эта структура обеспечивает, в зависимости от результата проверки условия, выбор одного из альтернативных путей работы алгоритма, причем каждый из путей ведет к общему выходу (структура если–то–иначе). В частном случае может оказаться, что для одного из выбранных путей действий предпринимать не надо. Это структура если–то. Структура с полным ветвлением выполняется так: если <условие> является истинным, то выполняется <Серия 1> команд, записанная после ключевого слова то, если <условие> является ложным, то выполняется <Серия 2> команд, записанная после слова иначе. Структура с неполным ветвлением не содержит части, начинающейся со слова иначе. Команда выполняется так: если <условие> является истинным, то выполняется <серия 1> команд, записанная после ключевого слова то. Полное ветвление Неполное ветвление Структура Если – То – Иначе Структура Если – То 70 Рис. 8.1. Блок-схема алгоритмов с ветвлением 8.3.3. Циклические алгоритмы При составлении алгоритмов решения большинства задач возникает необходимость в неоднократном повторении одних и тех же команд. Алгоритм, составленный с использованием многократных повторений одних и тех же действий (циклов) называется циклическим (рис.8.2). Однако слово «неоднократно» не означает «до бесконечности». Организация циклов, никогда не приводящая к остановке в выполнении алгоритма («зацикливание» алгоритма), нарушает требование его результативности – получения результата за конечное число шагов. Цикл с предусловием Цикл с постусловием Рис. 8.2. Организация циклических алгоритмов Блок, для выполнения которого организуется цикл, называется телом цикла. Остальные операторы служат для управления процессом повторения вычислений: это начальные установки, проверка условия продолжения цикла и модификация параметра цикла. Один проход цикла называется итерацией. Начальные установки служат для того, чтобы до входа в цикл задать значения переменных, которые в нем используются. 71 Проверка условия продолжения цикла выполняется на каждой итерации либо до тела цикла (цикл с предусловием), либо после тела цикла (цикл с постусловием). Тело цикла с постусловием всегда выполняется хотя бы один раз. Проверка необходимости выполнения цикла с предусловием делается до начала цикла, поэтому возможно, что он не выполнится ни разу. При конструировании циклов следует соблюдать обязательное условие результативности алгоритма (т.е. его окончания за конечное число шагов). Практически это означает, что в условии должна быть переменная, значение которой изменяется в теле цикла. Причем, изменяется таким образом, чтобы условие в конечном итоге перестало выполняться. Такая переменная называется управляющей переменной цикла или параметром цикла. Третий вид циклов – цикл с параметром или арифметический цикл. Тело цикла выполняется, пока параметр цикла, например, i пробегает множество значений от начального (In) до конечного (Ik). Переменная i определяет количество повторений тела цикла S. Если шаг изменения значения параметра цикла обозначить через ΔI, то количество повторений тела цикла n можно вычислить по формуле: − n = I n I k + 1. ΔI Если параметр цикла i изменяется с шагом 1, то шаг может не указываться. Цикл выполняется так: начальное значение параметра цикла i равно In. Если i ≤ Ik, выполняется тело цикла S, после чего параметр цикла увеличивается на 1 с помощью оператора присваивания i = i + 1 и снова проверяется условие i ≤ Ik. Тело цикла выполняется до тех пор, пока значение i не превысит Ik. 8.4. Программирование Программа – это алгоритм, записанный на языке программирования. Технология разработки программы включает следующие этапы 1. Постановка задачи. На этом этапе формулируется цель решения задачи, устанавливается состав и формы представления входной, промежуточной и выходной информации, характеризуются формы и методы достоверности информации и др. Завершается постановка задачи описанием контрольного примера, демонстрирующего порядок решения задачи традиционным способом. 72 Пример сопровождается описанием различного рода штатных и нештатных ситуаций и ответных действий пользователя. 2. Моделирование задачи и выбор метода ее решения. Составляется либо математическая, либо информационная модель. При выборе метода решения задачи предпочтение отдается методу, который наиболее полно удовлетворяет следующим требованиям: • обеспечивает необходимую точность результатов; • позволяет использовать готовые стандартные программы; • ориентирован на минимальный объем исходной информации; • обеспечивает наиболее полное получение результатов. 3. Третий этап – составление алгоритма решения задачи. 4. Четвертый этап – составление программы (кодирование алгоритма) является завершающим этапом технологического процесса разработки программ, предшествующий машинной реализации. Выполняется с использованием языка программирования. 5. Тестирование и отладка – заключительный этап разработки программы. Тестирование – совокупность действий, предназначенных для демонстрации правильности работы программы в заданных диапазонах изменения внешних условий и режимах эксплуатации программы. Цель – демонстрация отсутствия ошибок на заранее подготовленном наборе тестовых примерах. Существует два вида тестирования: функциональное и структурное. При использовании функционального тестирования программа рассматривается как черный ящик и проверяется соответствие поведения программы ее внешней спецификации. При выполнении структурного тестирования программа рассматривается как белый ящик и проверяется логика работы программы. Перед выпуском программы проводится бетатестирование, т.е. публичное тестирование бета-версии программы. Отладка – совокупность действий, направленных на устранение ошибок в программах. Типы ошибок: • синтаксические – некорректная запись отдельных конструкций языка программирования; • логические – ошибки в логике работы программы на исходных данных. Синтаксические ошибки выявляются автоматически на этапе трансляции. 6. После завершения тестирования и отладки программа вместе с сопроводительной документацией передается в опытную эксплуатацию. Основное назначение документации – обеспечить пользователя необходимыми инструкциями. 73 Существует экспериментальная и опытная эксплуатация программ. Экспериментальная – проверка работы программы на реальном объекте. После завершения этого этапа наступает этап промышленной эксплуатации. Все перечисленные этапы от момента зарождения программы до момента полного отказа от ее эксплуатации составляют жизненный цикл программы. 8.5. Принципы разработки алгоритмов и программ для решения прикладных задач 8.5.1. Процедурное программирование Подходы к созданию алгоритмов и требования к ним существенно менялись в ходе эволюции компьютеров. Первоначально программы состояли из последовательности команд, определявших процедуру решения задачи и исполнявшихся непосредственно процессором. Это были команды: • присваивания; • простейших арифметических операторов; • операций сравнения чисел; • операторов безусловного и условного переходов; • операторы вызова подпрограмм. Основным являлся оператор присваивания, предназначенный для определения и изменения содержания памяти компьютера. Память служила хранилищем данных, значения которых можно было изменять операторами программы и выполнение программы сводилось к последовательному выполнению операторов с целью преобразования исходного состояния памяти до конечного результативного состояния. Такой подход в программировании, ориентированный на непосредственно выполняемые компьютером операции, называется процедурным или императивным. Этот подход ориентирован на возможности и особенности конкретной ЭВМ и с развитием компьютерной техники не позволял перейти к массовому промышленному программированию. Алгоритмы и программы, созданные таким методом, содержали следующие недостатки: 1. Программы было трудно читать даже опытным программистам. 2. Команды безусловного и условного перехода приводили к большой и запутанной структуре программы. 3. Уловки для повышения эффективности программы приводили к ненадежности, трудностям в отладке и модификации. 4. Программировать процедурным методом было трудно и дорого. 74 8.5.2. Структурное программирование В начале 1970-х годов появился новый подход к разработке алгоритмов, который получил название структурного. Суть его заключается в оформлении последовательности команд как замкнутых функций или процедур, связанных по смыслу, в сложные структуры данных. Благодаря этому повышается наглядность текста программы и упрощается ее отладка. В основе технологических принципов структурного программирования лежит тот факт, что логическая структура любой программы всегда выражается суперпозицией трех базовых структур: следования, ветвления и цикла. Еще одним важным компонентом структурного подхода в разработке алгоритмов является модульность. Модуль – это последовательность логически связанных операций, оформленных как отдельная часть программы. С использованием модулей можно: 1. Создавать программу нескольким программистам. 2. Упростить проектирование и последующую модификацию программы. 3. Упростить отладку программы; использовать готовые библиотеки программ. Структурное программирование использует нисходящее проектирование программ. Идея такого метода заключается в разбиении общей программы на ряд подзадач, т.е. общая программа детализируется. На следующем этапе эти подзадачи в свою очередь разбиваются на более мелкие подчиненные подзадачи. Разбиение выполняется до тех пор, пока не будут получены небольшие подзадачи, требующие для решения небольших модулей. Такой метод проектирования программ позволяет преодолевать проблему сложности разработки общей программы. 8.5.3. Функциональное программирование Основная идея, лежащая в основе функционального программирования – это представление программы в виде математических функций (т.е. функций, значение которых определяется лишь их аргументами, а не контекстом их заполнения). Здесь нет ни операторов присваивания, ни циклов, ни передачи управления, ни, тем более, блок-схем. Программа представляет собой последовательность описаний функций и выражений, которые необходимо вычислить. 8.5.4. Логическое программирование Согласно логическому подходу к программированию, программа представляет собой совокупность правил, или логических высказываний. Этот подход не получил широкого применения из-за относительно узкого 75 круга задач искусственного интеллекта, на решение которых он был ориентирован. При его применении программист описывает свойства исходных данных, их взаимосвязи, свойства, которыми должен обладать результат, а не алгоритм получения результата. Сам результат порождается автоматически системой, поддерживающей логический язык программирования. 8.5.5. Объектно-ориентированное программирование (ООП) Объектно-ориентированное программирование является развитием структурного подхода. В объектно-ориентированном программировании задача представляется как совокупность взаимодействующих объектов. Каждый объект содержит некоторую структуру данных и доступные только ему процедуры или методы обработки данных. Объединение данных и свойственных им процедур обработки в одном объекте называется инкапсуляцией. Другим фундаментальным понятием ООП является класс. Класс – это шаблон, на основе которого может быть создан конкретный программный объект, он определяет свойства и методы объекта, принадлежащего к этому классу. При создании новых объектов их свойства могут добавляться или наследоваться от объектов-предков, т.е. новые объекты могут создаваться на базе существующих. В процессе работы с объектами допускается полиморфизм – возможность использования методов с одинаковыми именами для обработки данных разных типов. 8.6. Системы программирования С помощью языка программирования создается не готовая программа, а только ее текст, описывающий алгоритм. Этот текст надо перевести в машинный код, для чего служат трансляторы. Различают два вида трансляторов: компиляторы и интерпретаторы. Интерпретатор – это программа, которая получает исходную программу на языке высокого уровня и по мере распознавания его операторов выполняет описываемые ими действия. Интерпретатор всегда находится в оперативной памяти компьютера наряду с исходным текстом программы. Интерпретатор считывает очередной оператор языка из текста программы, анализирует его структуру и затем сразу исполняет. Только после того, как текущий оператор выполнен, интерпретатор переходит к следующему. Причем если один и тот же оператор выполняется в программе многократно, интерпретатор всякий раз будет выполнять его так, как будто встретил его впервые. Вследствие этого программы выполняются медленно. Компиляторы полностью обрабатывают весь текст программы и автоматически переводят его на машинный язык, т.е. генерируют 76 машинный код. При этом часто выполняется оптимизация, повышающая быстродействие программы путем исключения ненужных команд и промежуточных вычислений. В результате законченная программа получается компактной и эффективной и работает быстрее программы, полученной с помощью интерпретатора. Основной недостаток компиляторов – трудоемкость трансляции языков программирования, ориентированных на обработку данных сложной структуры. В любом случае для создания программы на выбранном языке программирования нужно иметь следующие компоненты (рис. 8.3). 1. Текстовый редактор. Подобные редакторы созданы для всех популярных языков и могут автоматически проверять правильность синтаксиса программы непосредственно во время ее ввода. 2. Транслятор, переводящий текст программы в машинный код и отслеживающий синтаксические ошибки. Если применялся компилятор, то формируется объектный код программы. 3. Объектный код обрабатывается специальной программой – редактором связей. Исходный текст большой программы, как правило, состоит из различных модулей, кроме того, добавляются программы, реализующие различные стандартные функции из библиотек. Все это редактор связей превращает в машинный код, исполняемый для конкретной платформы. Исполняемый код – это законченная программа, которую можно запустить на любом компьютере, где установлена операционная система, для которой эта программа создавалась. Рис. 8.3. Состав системы программирования В современных интегрированных системах имеется еще один компонент – отладчик, который позволяет анализировать работу программы во время ее выполнения. С его помощью можно последовательно выполнить отдельные операторы сходного текста по шагам. 8.7. Обзор языков программирования Языки программирования – это формальные языки, специально созданные для общения человека с компьютером. Поэтому языки программирования в отличие от естественных языков не допускают многозначных и произвольных толкований. 77 Языки имеют алфавит, строго определенные синтаксис и семантику. Алфавит – фиксированный для данного языка набор основных символов, допускаемых для составления текста программы на этом языке. Синтаксис – система правил, определяющих допустимые конструкции языка программирования из букв алфавита. Семантика – система правил однозначного толкования отдельных языковых конструкций, позволяющих воспроизвести процесс обработки данных. В отличие от естественных языков правила грамматики и семантики для языков программирования, как и для всех формальных языков, должны быть явно, однозначно и четко сформулированы. Насчитывается пять поколений языков программирования. • Первое поколение – язык ассемблер, созданный в начале 50-х годов. • Второе поколение появилось в конце 50-х – начале 60-х годов. Это был символический ассемблер – первый полноценный язык программирования. • Третье поколение – универсальные языки высокого уровня. Простота и независимость от конкретного компьютера позволили резко повысить производительность труда программистов. Подавляющее большинство этих языков используется и сегодня. • С начала 70-х годов и по настоящее время продолжается период языков четвертого поколения. Они ориентированы на специализированные области применения. • Наконец, в середине 90-х годов появились языки пятого поколения. Это системы автоматического создания прикладных программ с помощью визуальных средств разработки. Классификация языков программирования показана на рис. 8.4. В целом языки делятся на две группы: операторные и функциональные. К функциональным языкам относят, например, Пролог, который является языком логического программирования, Лисп, Снобол и другие. Эти языки созданы для разработки интеллектуальных систем. Операторные языки делятся на процедурные и непроцедурные (SmallTalk, QBE, Fort). Большинство языков является процедурными. С учетом зависимости от ЭВМ различают машинно-зависимые и машинно-независимые (универсальные) языки. К машинно-зависимым языкам, в первую очередь, относят машинный язык (язык команд). Это внутренний язык ЭВМ, который может непосредственно исполняться процессором. Язык использовался в ЭВМ первого и частично второго поколений. Машинный язык представляет собой свод правил кодирования действий ЭВМ с помощью двоичной системы счисления. 78 Рис. 8.4. Классификация языков программирования Более высоким уровнем по сравнению с машинными языками, являются машинно-ориентированные языки символического кодирования. Основной принцип при создании языков символического кодирования состоит в замене машинных кодов их буквенными обозначениями, а также автоматизация процесса распределения памяти и диагностика ошибок. Такой машинно-ориентированный язык получил название языка ассемблера. Недостатком машинно-ориентированных языков является невозможность выполнения программы, составленной для процессора одного типа, на ЭВМ, процессор которой построен по другому типу. Другими словами, вид программы зависит от типа машины. Машинно-независимые языки делятся на процедурно-ориентированные и проблемно-ориентированные. Процедурно-ориентированные (алгоритмические) языки эффективны для описания алгоритмов решения широкого класса задач. Это Фортран, Кобол, Паскаль, Ада, Бейсик и другие. Проблемно-ориентированные языки предназначены для описания процессов обработки в более узкой области, в которых решение задачи в большей степени сосредотачивается на проблеме что надо получить, а не как это сделать. Это, например, язык РПГ – для генерации отчетов; ЛИСП – для обработки списков; АПЛ – статистическая обработка массивов; GPSS – 79 язык моделирования. Наиболее известными языками этой группы являются РПГ, ЛИСП, АПЛ. Основное достоинство алгоритмических языков – возможность написания программ в форме, максимально удобной для восприятия человеком. В отличие от машинно-ориентированных языков, синтаксис и семантика этих языков не зависят от состава имеющихся команд, конкретной ЭВМ (конкретного процессора). Привязку составленной программы к конкретному типу ЭВМ осуществляет транслятор (программа переводчик). Запись программы на процедурно-ориентированном языке достаточно близка к общепринятой математической записи, компактна и удобна для восприятия. Одним из первых языков программирования является язык Фортран, который первоначально использовался для инженерных расчетов. Он явился основой диалогового языка Бейсик. Это многоцелевой язык символических команд для начинающих. Язык в момент своего создания предназначался для обучения программированию. Сейчас существуют языки Visual Basic и Basic for Application, которые применяются для решения сложных прикладных задач. Язык С занимает особое положение, объединяя достоинства языков алгоритмических и машинно-зависимых. 1. Он максимально использует возможности конкретной ЭВМ, что присуще языкам низкого уровня. 2. Он максимально использует выразительные возможности языков высокого уровня. Это позволяет создавать эффективные программы. Язык применяется для создания системных и прикладных программ, в которых требуется высокое быстродействие и минимальный объем памяти. Развитие современной вычислительной техники характеризуется тенденцией распространения многопроцессорных компьютеров и вычислительных сетей. Поэтому в области программного обеспечения вызывают все больший интерес языки, поддерживающие разработку распределенных программ (т. е. программ, которые выполняются с помощью нескольких процессоров или машин). Одним из таких языков является Линда — язык, предназначенный для параллельной обработки данных. Перспективным направлением дальнейшего развития технологии программирования явилось создание объектно-ориентированных языков. Типичные современные объектно-ориентированные языки, такие, как С++, С#, содержат инструменты, которые максимально облегчают повторное использование созданных программных модулей. 80 Язык Delphi разработан фирмой Borland на базе языка Паскаль. Чаще всего этот язык программирования используется для работы с базами данных по технологии клиент-сервер. Первая версия языка Visual Basic появилась в 1991 г. Он близок к объектно-ориентированным языкам, но по-прежнему остается процедурным языком. Этот язык широко распространен, он интегрирован в пакеты Microsoft Office. Язык гипертекстовой разметки HTML является одним из основных в технологии распределенной гипертекстовой системы World Wide Web (WWW). Результирующий документ, составленный на языке HTML, кроме текста, может содержать иллюстрации, аудио- и видеофрагменты. В основу гипертекстовой разметки положена теговая модель описания документа. Теги – это скобки, между которыми записаны команды, указывающие как отображать данный фрагмент текста Web-страницы. Язык DHTML является расширением, развитием языка HTML. Он позволяет создавать динамические, движущиеся объекты, подсвечивающиеся кнопки, бегущие с троки и т.д. Для придания Web-страницам интерактивности используется интерпретируемый язык PERL. С помощью этого языка Web-дизайнеры реализуют интерактивные средства Интернета: гостевые книги, чаты, поисковые системы, доски объявлений, службы рассылок виртуальных открыток и др. Язык моделирования виртуальной реальности Virtual Reality Modeling Language (VRML) предназначен для описания сред, имитирующих трехмерное пространство. Он является расширением гипертекстового языка разметки HTML, используемого для описания плоских изображений. Язык не только позволяет создать трехмерную среду, но и указать места расположения источников освещения и точек обзора. Более того, VRML позволяет пользователю перемещаться в созданной виртуальной реальности. Чаще всего язык VRML применяется в архитектуре для моделирования и проектирования зданий и помещений, в торговле — для выбора вариантов удобной компоновки мебели и оборудования, в химии — для визуализации молекул в процессе синтеза. Язык Java предназначен для составления программ, которые работают в сетях. Программы, написанные на языке Java, часто используются для создания динамической рекламы в глобальной сети (анимация, телетайпные ленты, мерцающие надписи). Язык Java является объектноориентированным языком. Он сохраняет синтаксис и стиль программирования языков С и С++. 81 Достоинством языка является то, что он независим от конкретной архитектуры ЭВМ, и Java-приложения могут работать на различных ЭВМ под управлением различных операционных систем. Корпорациями SUN Microsystems и Netscape Communications создан язык JavaScript. Язык относится к языкам сценариев, которые позволяют «склеивать» готовые компоненты (вызывать подпрограммы при совершении каких-то событий). Язык VBScript, созданный на основе языка Visual Basic также используется как язык управления сценариями просмотра документов. В технологии ActiveX применяется иной подход. Элементы управления ActiveX могут непосредственно обращаться к жесткому диску и другим устройствам, что теоретически дает возможность создать элемент управления, который опасен для данного компьютера (например, возможность тайно собирать и передавать информацию об используемом программном обеспечении). 8.8. Вопросы для самоконтроля 1. Дайте определение алгоритма. Укажите его основные свойства. 2. Для каких целей используется блок-схема алгоритма? Как на блоксхеме графически обозначаются основные блоки? 3. Какие базовые структуры применяются при описании любого алгоритма? 4. Каков общий вид алгоритмической структуры с полным ветвлением? 5. Как выглядит схема цикла с предусловием, цикла с постусловием, цикла с параметром? 6. В чем состоит основная идея объектно-ориентированного программирования? Что такое класс? 7. Дайте определение интегрированной среды программирования. Перечислите состав и функции среды программирования. 8. В чем состоит процесс трансляции? Укажите различия между процессом компиляции и интерпретации. 9. Что определяет синтаксис языка программирования, семантика языка программирования? 10. В чем отличие императивных языков программирования от декларативных языков программирования? 11. Укажите отличая машинно-зависимых языков от машиннонезависимых. 12. Перечислите ключевые особенности языка С. 82 9. СЕТЕВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ 9.1. Понятие телекоммуникации и компьютерной сети Коммуникация – передача информации между людьми, осуществляемая с помощью различных средств. Как развитие понятия «коммуникация» введено понятие телекоммуникация. Телекоммуникация – передача информации на расстояние с помощью технических средств (телефона, телеграфа, радио, телевидения и т.д.). Благодаря возникновению и развитию сетей передачи данных появился новый высокоэффективный способ взаимодействия между людьми – компьютерная сеть. Компьютерная сеть – совокупность компьютеров и устройств, соединенных в единую систему с помощью каналов связи или других средств коммутации с целью доступа пользователей к ресурсам сети (аппаратным, программным, информационным и организационным). В компьютерных сетях используются специальные обозначения и термины. Абоненты сети – это объекты, генерирующие или потребляющие информацию в сети. Станция в сети – это аппаратура, выполняющая функции приема и передачи информации. Физическая передающая среда (ФПС) – линии связи или пространство, в котором распространяются электрические сигналы и находится аппаратура передачи данных. На базе ФПС строится коммуникационная сеть, обеспечивающая передачу информации между абонентами. Принципы построения и функционирования аппаратного и программного обеспечения элементов сети определяются архитектурой компьютерной сети. Архитектура сети устанавливает основные элементы сети, характер и топологию взаимодействия этих элементов, логическую, функциональную физическую организацию технических, программных, организационных и информационных средств сети (рис. 9.1). Рис. 9.1. Состав базовых компонентов компьютерной сети Существуют два типа технологии передачи информации: • широковещательные сети; 83 • сети с передачей от узла к узлу. В широковещательных сетях по одному общему каналу связи сообщения посылаются пакетами. Пакеты посылает одна ЭВМ, а принимаются пакеты всеми машинами, которые проверяют их адреса и обрабатывают им адресованные пакеты. Сеть с передачей от узла к узлу состоит из большого количества соединенных промежуточных машин, чтобы добраться до пункта назначения. Часто при этом существует несколько возможных путей от источника к получателю. По размерам сети делятся на три класса: • локальные сети (LAN — Local Area Network). • региональные сети (MAN — Metropolitan Area Network); • глобальные сети (WAN — Wide Area Network). Локальная вычислительная сеть объединяет абонентов, расположенных в пределах небольшой территории. В настоящее время не существует четких ограничений на территориальный разброс абонентов локальной вычислительной сети. Обычно такая сеть привязана к конкретному месту. К классу локальных вычислительных сетей относятся сети отдельных предприятий, фирм, банков, офисов и т.д. Протяженность такой сети можно ограничить пределами 2–2,5 км. Региональная вычислительная сеть связывает абонентов, расположенных на значительном расстоянии друг от друга. Она может включать абонентов внутри большого города, экономического региона, отдельной страны. Обычно расстояние между абонентами региональной вычислительной сети составляет десятки – сотни километров. Глобальная вычислительная сеть объединяет абонентов, расположенных в различных странах, на различных континентах. Взаимодействие между абонентами такой сети может осуществляться на базе телефонных линий связи, радиосвязи и систем спутниковой связи. Глобальные вычислительные сети позволят решить проблему объединения информационных ресурсов всего человечества и организации доступа к этим ресурсам. 9.2. Режимы передачи данных в компьютерных сетях В состав любой коммуникационной сети входят следующие основные компоненты: передатчик, сообщение, средства передачи, приемник. Передатчик и приемник – это технические устройства, которые являются источником и приемником данных. Это могут быть компьютер, терминал или цифровое устройство. Средства передачи – физическая передающая среда и специальная аппаратура, обеспечивающая передачу сообщений. 84 Для передачи сообщений нужны каналы связи: телефонные, радиоканалы и каналы спутниковой связи. Эти каналы характеризуются режимом передачи, кодом передачи и типом синхронизации. Используется три режима передачи: • симплексный; • полудуплексный; • дуплексный. При симплексном режиме передача данных происходит только в одном направлении. В вычислительных сетях этот режим используется крайне редко. Полудуплексный режим – это режим попеременной передачи информации. В этом случае источник и приемник последовательно меняются местами. Наконец, при дуплексном режиме происходит одновременная передача и прием сообщений. Примером такой передачи служит телефонный разговор. Дуплексный режим является наиболее скоростным и употребительным. 9.3. Типы синхронизации данных при передаче и способы передачи информации Наиболее распространенным кодом передачи данных по каналам связи является код ASCII. ЭВМ в сети могут быть связаны друг с другом интерфейсным кабелем или двухпроводной линией связи. В первом случае для передачи кодовой комбинации используется столько проводов, сколько битов содержит передаваемая информация. Каждый бит передается по отдельному проводу. Это так называемая параллельная передача или передача параллельным кодом. Она используется в локальных многомашинных вычислительных комплексах на небольшие расстояния. В больших вычислительных сетях передача параллельным кодом не используется. По двухпроводной линии связи группа битов передается по одному проводу бит за битом. Это передача информации последовательным кодом. Она медленнее параллельной, но экономически более выгодна при передаче сообщений на большие расстояния. Процессы приема и передачи данных могут привязываться к определенным временным меткам. Если такая привязка существует, то процесс передачи называется синхронным, в противном случае – асинхронным. Синхронизация данных – это согласование различных процессов во времени. При синхронной передаче информация передается блоками, которые обрамляются специальными управляющими символами. Эти символы контролируют состав физической передающей среды и наличие ошибок при обмене информацией (рис. 9.2). 85 Рис. 9.2. Схема синхронной передачи данных Синхронная передача – высокоскоростная и почти безошибочная, но требующая дорогостоящего оборудования. При асинхронной передаче (рис. 9.3) данные передаются как последовательность битов, из которой выделяются байты информации. При этом каждый байт оформляется стартовым и стоповым битами, по которым их идентифицируют. Скорость передачи данных меньше, но стоимость оборудования ниже. Рис. 9.3. Схема асинхронной передачи данных Если все абоненты компьютерной сети ведут передачу данных по каналу связи на одной частоте, то канал называется узкополосным. Если же каждый абонент работает на своей частоте, то канал называется широкополосным. Существует два способа передачи информации по физической передающей среде: цифровой и аналоговый. При цифровом или узкополосном способе передачи данные передают на единой частоте. Можно передавать только цифровую информацию на ограниченное расстояние. Аналоговый способ обеспечивает широкополосную передачу. При этом можно управлять параметрами передаваемого сигнала. 9.4. Коммуникационное оборудование Технические устройства, выполняющие сопряжения ЭВМ с каналами связи, называются сетевыми адаптерами. Наиболее часто применяются следующие устройства: • мультиплексор – устройство сопряжения ЭВМ с несколькими каналами связи. Сейчас вместо них применяют специальные процессоры; • модем – устройство, выполняющее модуляцию и демодуляцию информационных сигналов при передаче их из ЭВМ в каналы связи и при приеме их в ЭВМ из канала связи; 86 • концентратор – устройство, коммутирующее несколько каналов связи на один путем частотного разделения, что экономит каналы связи; • повторитель – устройство, обеспечивающее сохранение формы и амплитуды сигнала при передаче его на большее, чем предусмотрено данным типом физической передающей среды, расстояние. Локальные повторители удлиняют сеть на расстояние около 50 м, дистанционные до 2000 м; • мост – узел сети, через который соединяются две сети, построенные по одной и той же технологии; • маршрутизатор (пакетный коммутатор) необходим, когда требуется соединить две или несколько сетей. Роль маршрутизатора выполняет один из компьютеров сети. Маршрутизаторы соединяют сети с одинаковыми протоколами, но с различными технологиями; • шлюз связывает две сети с разными протоколами передачи данных и разными типами сетевого оборудования. Маршрутизатор работает после приема пакета от шлюза до отправки пакета шлюзом. Сетевым драйвером называется программа, непосредственно взаимодействующая с сетевым адаптером. Задача сетевого драйвера – перевод запросов процессора в команды, понятные сетевому адаптеру и наоборот. Сетевым модулем называется системная программа, которая осуществляет обработку пакетов согласно протоколу. Модуль взаимодействует с сетевым драйвером, программами сетевой операционной системы или другими сетевыми модулями. Драйвер сетевого адаптера и, возможно, другие модули, специфичные для конкретной сети передачи данных, представляют сетевой интерфейс. В качестве средств связи в сетях используются телефонные линии, специальный провод, коаксиальный кабель, оптоволоконный кабель или радиоволны. При выборе типа кабеля учитывают стоимость монтажа и обслуживания, скорость передачи информации, ограничения на величину расстояния передачи информации, безопасность передачи данных В случае, когда большое расстояние или препятствие затрудняют применение другого носителя, используется беспроводная передача данных. Существует два типа беспроводной передачи: радиоволны и инфракрасное излучение. В свою очередь радиоволновые системы передачи данных можно разделить на наземные микроволновые коммуникации и спутниковые. Выделяют три типа коммуникационных спутников. 1. Спутники на низких орбитах характеризуются высотой орбиты от 290 км до 1600 км со скоростью, превышающей скорость вращения Земли. Проблемы:1) помехи; 2) неустойчивость орбиты, что усложняет работу наземных устройств. 2. Среднеорбитные спутники летают на высоте 10-16 тыс. км. 87 3. Высота орбиты спутников на гелиостационарных орбитах около 35 тыс. км. Скорость вращения согласована со скоростью вращения Земли, потому они как бы висят над одной точкой над землей. Это упрощает работу наземных устройств. В настоящее время одной из самых перспективных беспроводных видов связи является технология WiFi (Wireless Fidelity). Технологией WiFi называют один из форматов передачи цифровых данных по радиоканалам. 9.5. Архитектура и протоколы компьютерных сетей Архитектура компьютерной сети – описание ее общей модели. Эта модель определяет характеристики сети в целом, а также характеристики и функции входящих е нее компонентов. Все сети различных архитектур удовлетворяют требованиям модели открытых систем. Модель открытых систем служит базой при разработке совместимого сетевого оборудования. Первая версия этой модели разработана в 1978 году ISO (International Standard Organization). В 1984 году ISO выпустило новую версию, названную OSI (Open System Interconnection Reference Model). Эта модель стала международным стандартом. Она определяет функции и уровни взаимодействия протоколов в сети при передаче данных. Протокол – набор правил, определяющий взаимодействие двух одноименных уровней модели открытых систем в различных абонентских ЭВМ, Протокол – это не программа. Для каждого уровня существует свой протокол. Модель открытых систем состоит из 7 уровней. Каждому уровню соответствуют различные сетевые операции, оборудование и протоколы. Сетевые функции, выполняемые на каждом уровне, взаимодействуют только с функциями двух соседних уровней – вышележащего и нижележащего. Уровни отделены друг от друга границами – интерфейсами. На принимающей стороне пакет опять проходит через все уровни, но в обратном порядке. На каждом уровне из пакета удаляется информация, добавленная к нему на таком же уровне отправителем, в результате на седьмом уровне данные примут свой первоначальный вид. Опишем функции каждого уровня модели OSI. • самый верхний седьмой уровень – прикладной. Он содержит все необходимые элементы сервиса, обеспечивает поддержку прикладных программ конечных пользователей, т.е. управляет общим доступом в сети; 88 • представительский уровень определяет синтаксис данных в модели OSI, т.е. представление данных в кодах и форматах, принятых в данной системе; • сеансовый уровень реализует установление и поддержание сеанса связи между абонентами через коммуникационную сеть. Он управляет диалогом между взаимодействующими процессами; • транспортный уровень обеспечивает интерфейс между процессами и сетью. Он устанавливает логические каналы между процессами и обеспечивает передачу по этим каналам информационных пакетов; • сетевой уровень отвечает за маршрутизацию пакетов в коммуникационной сети и за связь между сетями, т.е. реализует межсетевое взаимодействие; • канальный уровень реализует процесс передачи данных по информационным каналам, данные разбиваются на кадры размером от нескольких сот до нескольких тысяч байтов. Каждый следующий кадр передается только после подтверждения о безошибочной передаче предыдущего кадра; • физический уровень выполняет все необходимые процедуры в канале связи, обеспечивая передачу потока бит по физической передающей среде. Его основная задача – управление аппаратурой передачи данных и подключение к ней каналов связи. Функции физического уровня всегда реализуются в аппаратуре. Это адаптеры, мультипликаторы, сетевые платы и т.п. Функции остальных уровней реализуются в виде программных модулей – драйверов. Проще всего стандартизируются протоколы трех нижних уровней, т.к. они определяют действия и процедуры, свойственные вычислительным сетям любого класса. Протоколы верхних уровней трудно стандартизировать из-за их уникальности, особенно по функциональному назначению. 9.6. Типовые архитектуры компьютерных сетей Назначение всех компьютерных сетей можно выразить двумя словами: совместный доступ (или совместное использование). Прежде всего, имеется в виду совместный доступ к информации и совместное использование оборудования. Оборудование, программы и данные объединяют одним термином: ресурсы. Можно считать, что основное назначение сети – совместный доступ к ресурсам. Различают следующие типы компьютерных сетей: • с выделенным сервером, содержащие клиентов и обслуживающие серверы (архитектура клиент-сервер); • одноранговая, в которой нет серверов и разделяются ресурсы независимых узлов; 89 • гибридная, т.е. используется архитектура «клиент-сервер» с одноранговыми разделяемыми ресурсами. В одноранговой сети нет единого центра управления взаимодействием рабочих станций и нет единого устройства для хранения данных. Все компьютеры в такой сети равноправны. Функции управления сетью распределены между рабочими станциями. Как правило, рабочие станции имеют доступ к дискам других рабочих станций. Такая сеть надежна и имеет сравнительно небольшую стоимость. Недостатки: эффективность работы сети зависит от количества станций, управлять такой сетью сложно, также сложно обеспечить качественную защиту информации, кроме того, в такой сети трудно модифицировать и обновлять программное обеспечение. В сетях с выделенным сервером существует два принципа управления: централизованное и децентрализованное. Системы, в которых сервер выполняет только процедуры организации, хранения и выдачи клиентам нужной информации, носят название «файлсервер»; те же системы, в которых на сервере наряду с хранением выполняется содержательная обработка информация, называются системами «клиент-сервер». В сети с централизованным управлением функции управления обменом данными возложены на файл-сервер. Сервер – это компьютер с большим ресурсом, который обеспечивает обслуживание других компьютеров сети путем управления распределением ресурсов совместного пользования (программ, данных, устройств). Рабочей станцией (или клиентом) называют компьютер, имеющий доступ к услугам сервера. Как правило, сервер работает под управлением сетевой ОС. На сервере должен работать специальный сетевой диспетчер, обеспечивающий надежную и безопасную работу сервера и всей сети. Сервер в централизованной сети выполняет три важные функции. 1. Хранит данные о конфигурации сети и другие системные таблицы, а также часто используемые программы. 2) Принимает информацию, которую нужно переслать от одной рабочей станции к другой. 3) Служит шлюзом (передающим устройством) к другим сетям. Сервер может быть выделенным или невыделенным. В первом случае сервер не может использоваться как рабочая станция и выполняет только централизованные функции; во втором параллельно с задачами обслуживания сети сервер выполняет обычные пользовательские программы, однако при этом снижается его производительность и надежность работы всей сети в целом. 90 В зависимости от выполняемых функций существуют следующие сервера. • Сервер телекоммуникаций – обеспечивает связь данной локальной сети с другими сетями. • Вычислительный сервер дает возможность производить вычисления, которые невозможно выполнить на рабочих станциях из-за их небольшой мощности. • Дисковый сервер обладает расширенными ресурсами внешней памяти и предоставляет их в пользование рабочим станциям. • Файловый сервер предназначен для хранения файлов для всех рабочих станций. • Сервер баз данных хранит базу данных, к которой имеется общий доступ со всех рабочих станций. • Почтовый сервер хранит передаваемые и получаемые почтовые сообщения. Все эти сервера можно организовать либо на одном мощном компьютере, либо на нескольких. 9.7. Топология компьютерной сети Топологией сети называется геометрическая форма соединения узлов сети. Наиболее распространены топология типа звезды, кольцевая топология и шинная топология. 1. Наиболее простой вид топологии – общая шина (рис. 10.4). В шинной конфигурации компьютеры подключены к общему для них каналу (шине), через который могут обмениваться сообщениями. Рис. 9.4. Вид топологии «шина» Все рабочие станции имеют право получать и посылать сообщения по сети. Адресат указывается в самом передаваемом пакете. В сетях с шинной топологией может существовать только одна станция, передающая информация. Поэтому, каждому компьютеру назначается свой промежуток времени, в который он может передавать или получать информацию. 2. На шину похожа и структура, которую называют кольцо (рис. 9.5). В кольцевой сети информация передается по замкнутому каналу. Каждый абонент непосредственно связан с двумя ближайшими соседями, хотя в принципе способен связаться с любым абонентом сети. 91 Рис. 9.5. Вид топологии «кольцо» В такой топологии сообщения циркулируют по кругу. Рабочая станция посылает по определенному адресу информацию, предварительно получив от кольца запрос. Пересылка сообщений является очень эффективной, так как большинство сообщений можно отправлять одно за другим. Однако, если хотя бы одна станция выйдет из строя, сеть становится неработоспособной. 3. Для сетей, основанных на файловом сервере, может применяться схема звезда (рис. 9.6). Это древовидная сеть, в которой имеется ровно один промежуточный узел. В качестве центральной части выступает мультиплексор (устройство, преобразующее несколько сигналов вывода; при этом сохраняется возможность восстановления всех сигналов ввода) или концентратор (устройство, позволяющее средству передачи данных обслуживать большое количество источников данных по меньшему числу каналов передачи данных), который полностью управляет ЭВМ, подключенными к нему. Рис. 9.6. Вид топологии «звезда» Эта топология является наиболее быстродействующей топологией, поскольку передача данных между рабочими станциями проходит через центральный узел по отдельным линиям связи, Однако в случае выхода из строя центрального процессора, работа сети нарушается. 4. В ячеистой (сотовой) топологии (рис. 9.7.) есть непосредственные соединения между узлами сети. Эта сеть характеризуется наличием избыточных связей между устройствами. 92 9.7. Вид топологии «дерево» Для большого числа устройств такая схема является неприемлемой. 5. Сеть гибридной топологии применяется для соединения нескольких сетей между собой, каждая из которых может иметь различную топологию, или для создания объединения локальных, региональных и глобальных вычислительных сетей. 9.8. Сетевые операционные системы Сетевые ОС предназначены для управления ресурсами компьютеров, объединенных в сеть с целью совместного использования данных. Сетевая ОС обычно устанавливается на сервере, который предназначен для обслуживания сети. Основное назначение сетевой ОС – обеспечение функций передачи данных канального и сетевого уровней. Программное обеспечение сетевой ОС делится на две чести. Одни модули функционируют на центральном сервере сети или на тех компьютерах, в которых хранятся системные таблицы, управляющие сетью. Эти модули составляют ядро сетевой системы. Другие модули функционируют на каждой рабочей станции. Модули ядра управляют работой сети, локальные модули осуществляют соблюдение протоколов при отправлении и получении пакетов и при посылке запросов к управляющим модулям. Обычно сеть устроена таким образом, что рабочие станции имеют доступ только к дискам сервера и совместно используемым принтерам, но не к дискам других станций. С одной стороны это хорошо, так как пользователи не мешают друг другу. Но с другой стороны для обмена данными пользователи должны загружать сервер сети. В сетевой операционной системе сервера можно выделить следующие части (рис. 9.8): • средства управления локальными ресурсами; • средства предоставления собственных ресурсов и услуг в общее пользование – серверная часть ОС; • средства запроса доступа к удаленным ресурсам и услугам и их использование – клиентская часть; • коммуникационные средства ОС, с помощью которых происходит обмен сообщениями в сети. 93 Рис.9.8. Структура сетевых ОС 9.9. Сетевые протоколы глобальных сетей Компьютеры, подключенные к сети Интернет, могут быть различной архитектуры и с различным программным обеспечением. Их совместимость достигается за счет использования коммуникационных протоколов, которые определяют набор правил, касающихся передачи информации в сети. Стандартом стека протоколов, управляющих работой глобальной сети, являются протоколы TCP/IP. Под термином «TCP/IP» понимается семейство протоколов, включающее не только протоколы TCP и IP, но и ряд других протоколов, а также прикладные программы, использующие передачу данных по протоколам семейства TCP/IP. Протоколы указанного семейства обеспечивают коммуникации в Интернете, а также в локальных сетях (Интранет-сети). Коммуникационный протокол IP — это протокол сетевого уровня, описывающий формат пакета данных, передаваемого по сети Интернет. Транспортный протокол TCP предназначен для контроля передачи и целостности передаваемой информации. Компьютеры обмениваются пакетами по протоколу IP, контролируют их передачу по протоколу TCP и, объединяясь в глобальную сеть, образуют Интернет. Такова в самых общих чертах техническая сторона вопроса. В терминах модели OSI в стеке протоколов TCP/IP используются протоколы следующих типов (рис. 9.9). 1. Telnet (протокол эмуляции терминала) – протокол доступа к удаленному компьютеру и обработки данных на нем. 2. FTP (File Transmission Protocol) – протокол пересылки файлов. 3. SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) – протокол передачи почтовыми серверами электронной почты. 4. DNS (Domain Name System) – протокол поддержки сетевого адреса. 5. RIP (Routing Internet Protocol) – протокол межсетевого взаимодействия, предназначенный для сбора маршрутной информации. 94 Рис. 9.9. Стек протоколов TCP/IP в терминах модели OSI 6. SNPM (Simple Network Management Protocol) –протокол централизованного управления узлами сети. Также используется для конфигурирования удаленных устройств, мониторинга производительности сети, выявления ошибок сети. 7. TCP (Transmission Control Protocol) – протокол управления передачей, который обеспечивает надежную передачу сообщений между удаленными прикладными процессами за счет установления виртуальных соединений. 8. UDP (User Datagram Protocol) – протокол дейтаграмм пользователя, который обеспечивает передачу прикладных процессов дейтаграммным способом и выполняет только функции связующего звена между сетевым протоколом и многочисленными прикладными процессами. 9. IP (Internet Protocol) – основной протокол сетевого уровня. 10. ARP (Address Resolution Protocol) – вспомогательный протокол стека TCP/IP, предназначенный для определения аппаратного адреса узла назначения по заданному IP адресу. 11. ICMP (Internet Control Massage Protocol) – вспомогательный протокол стека TCP/IP, предназначенный для обмена информацией об ошибках передачи данных протоколом IP, а также для обмена информацией на сетевом уровне. 12. GMP (Internet Group Management Protocol) – протокол, используемый для отправки данных определенной группе получателей. Уровень, соответствующий физическому и канальному уровням модели OSI, в протоколах TCP/IP не регламентируется, поддерживает все стандарты физического и канального уровня: для локальных сетей Ethernet, Token Ring и т.д, для глобальных сетей – протоколы соединений SLIP и PPP. 95 9.10. Адресация ресурсов в Интернете В сети Интернет существует единая система адресации. Адрес в сети называется IP-адресом. Согласно спецификации протокола TCP/IP каждому узлу, подсоединенному к сети, присваивается уникальный номер. Узел может представлять собой компьютер, маршрутизатор, межсетевой экран и др. Если один узел имеет несколько физических адресов, то каждому подключению должен быть присвоен свой уникальный IP-адрес. IP-адрес имеет размер 4 байта и состоит из двух частей. Первая часть определяет сеть, к которой принадлежит узел (адрес сети), а вторая – уникальный адрес самого узла внутри сети (хост). Адрес сети присваивается при ее регистрации. За присвоение адресов сетям отвечают несколько специально учрежденных для этого организаций. Назначение адресов компьютеров внутри сети является прерогативой администратора сети. IP-адреса являются цифровыми. IP-адрес обычно записывается побайтно через точку, например: 192.168.10.1. Существует пять классов адресов, которые обозначаются A, B, С, D, E. Сети с адресами класса A – это крупные сети, объединяющие максимально 16777214 узлов. Таких крупных сетей может быть всего 126. Сетей с адресами класса B может быть до 16384, так как для идентификатора таких сетей отводится два байта. Причем первый байт может принимать значения в диапазоне от 128 до 191. Для идентификатора узла отводится тоже два байта. В результате к сети с адресами класса B можно подключить до 65534 узлов. В сети класса C, в которых идентификатор сети задается тремя байтами, а идентификатор узла – одним байтом, объединяющих до 254 узлов каждая, может существовать до 2097151 узлов. Некоторые IP адреса зарезервированы для специальных целей: • адрес 127.0.0.1 используется для тестирования сетевых приложений (для связи сети с собой); • адрес, в котором указан номер сети, а номер узла равен нулю, используется для обозначения сети (пример такого адреса - 193.24.2.0); • адрес сети класса С 192.168.0.255 – это широковещательный адрес, пользуясь которым можно передавать пакеты сразу всем узлам указанной сети; • – 0.0.0.0 - адрес для передачи пакетов самому себе, т.е. на свой узел. • – адрес, где номер узла = 0, используется для обозначения сети, например. 193.233.82.0. • – для адресации узла в данной сети, можно вместо номера сети указывать нулевое значение, например 0.0.0.74. 96 • 0 – в сетевой части означает локальную сеть, например: 0.0.0.10; или 127.0.0.1 – означает локальный хост. В основном используются адреса класса C. Сети классов D и E являются служебными. Цифровая система адресации дружественна компьютерам в сети. Доменная система имен дружественна человеку. Домен – один или группа компьютеров, имеющая общий сегмент в Internet-адресе. Доменное имя – тот же адрес компьютера, представленный в удобном для человека виде, например www.lib.susu.ac.ru. Старшинство сегментов справа налево. Старший сегмент (правый) – домен верхнего уровня. Домен второго уровня susu.ac – имя университетской сети ЮУрГУ. Младший (левый) сегмент – имя компьютера, lib – имя домена университетской библиотеки. Служба DNS (Domain Name Service) предназначена для автоматического поиска IP-адреса по известному символьному имени узла. Она представляет собой базу данных, которая каждому IP-адресу ставит в соответствие доменное имя, и распределена по административным доменам сети Интернет. Доменная организация адресов имеет иерархическую структуру. Домены верхнего уровня назначаются для каждой страны, а также на организационной основе. Имена этих доменов должны следовать международному стандарту ISO 3166. Имена доменов верхнего уровня условно разделяются на «организационные» и «географические». Географические ru – Россия; us – Соединенные Штаты au – Австралия; ca – Канада fr – Франция Организационные com – commercial (коммерческие); edu – educational(образовательные); gov – government(правительственные); mil – military (военные); net – network (организации, обеспечивающие работу Сети); 9.11. Информационные сервисы Интернет Принято делить сервисы Интернета на сервисы интерактивные, прямые и отложенного чтения. В сервисах отложенного чтения запрос и получение информации разделены по времени, как, например, в электронной почте. Сервисы прямого обращения характерны тем, что информация по запросу возвращается немедленно. Однако от получателя информации не требуется немедленной реакции. К такому виду сервисов можно отнести передачу файлов. Сервисы, где требуется немедленная реакция на полученную информацию, относятся к интерактивным сервисам. Таким сервисом является Всемирная паутина. 97 Электронная почта (e-mail) является наиболее популярным сервисом Интернета. Для отправки сообщений с компьютера клиента на почтовый сервер используется протокол SMTP (Simple Mail Transfer Protocol). Для того, чтобы получить доступ к почтовому ящику используется протокол для передачи сообщений от сервера клиенту – протокол РОРЗ. Он используется для получения доступа к почтовому ящику на сервере и пересылки сообщений на компьютер-клиент. Для доступа к почтовому ящику на сервере используется протокол IMAP, который позволяет управлять корреспонденцией на сервере. В среде операционной системы Windows для работы с электронной почтой можно использовать программы Outlook Express, Microsoft Outlook, Netscape Communicator и многие другие программы. Новости (Usenet) – получение сетевых новостей и электронных объявлений сети и возможность помещения информации на доски объявлений сети – еще один распространенный сервис Интернета. Электронные доски формируются по тематике. Списки рассылки — простой сервис Интернета, работающий исключительно через электронную почту. Каждый список рассылки ведется какой-либо организацией, и она обладает полным контролем над ним в отличие от новостей Usenet, менее управляемых. WHOIS – адресная книга сети Интернет. По запросу абонент может получить информацию о принадлежности удаленного компьютера, пользователях. К системам автоматизированного поиска информации в сети Интернет принадлежат следующие системы. Сервис FTP обеспечивает доступ к файлам в файловых архивах, хранящихся на специальных серверах. Название «FTP» совпадает с названием протокола, предназначенного для передачи файлов между разными компьютерами. К серверу FTP можно соединиться анонимно. При этом становится доступной не вся файловая система компьютера, а некоторый публичный файловый архив, который составляет сервер anonymous FTP. На таких серверах сегодня доступно огромное количество информации и программного обеспечения: это и программы – свободно распространяемые и демонстрационные версии, это и мультимедиа, это, наконец, просто тексты – законы, книги, статьи, отчеты. Для ресурсов FTP адрес может выглядеть так: ftp://ftp.cc.edu/pub/SRC.zip. Несмотря на распространенность, у FTP есть и множество недостатков. Зачастую по названию файла трудно определить его содержание. Нет простого и универсального средства поиска на серверах anonymous FTP, хотя для этого и существуют специальные поисковые сервисы, но это 98 независимые программы, не универсальные и не всегда применимые. Серверы FTP не централизованы, и это тоже создаст много проблем. Всемирная паутина (World Wide Web – WWW) – самый популярный сервис Интернета. Этот сервис основан на понятии гипертекста. Гипертекст соединяет различные документы на основе заранее заданного набора слов. Расширение концепции гипертекста с включением графической, анимационной и звуковой информации (технологии поддержки такой информации называются мультимедиа) получило название «гипермедиа». Гипермедиа широко применяются в интерактивных программах, которые используют звуковые и видеоэффекты. Для представления документа, содержащего гипертекст, служит язык HTML (Hypertext Markup Language) – язык разметки гипертекста, а для передачи документов в формате HTML разработан протокол HTTP (Hyper Text Transfer Protocol) – протокол передачи гипертекста. Пример обращения по протоколу http: http://www.math.msu.su/INFO. Gopher – наиболее широко распространенное средство поиска информации в сети Интернет, позволяющее находить информацию по ключевым словам и фразам. Работа с системой напоминает просмотр оглавления, пользователю предлагается пройти через ряд вложенных меню и выбрать нужную тему. WAIS – еще более мощное средство получения информации, чем Gopher, поскольку он осуществляет поиск ключевых слов во всех тексах документов. В сети Интернет существует более 200 WAIS-библиотек. Но поскольку информация предоставляется преимущественно сотрудниками академических организаций на добровольных началах, большая часть материалов относится к области исследований и компьютерных наук. Ссылки на информационные ресурсы Интернета называются URLадресами (Uniform Resource Locator – универсальный указатель на ресурс). Общий вид URL-адреса: Протокол://адрес_сервера:порт/имя_каталога/имя_файла Примеры URL: • http://www.microsoft.com – обращение по протоколу HTTP к начальной странице веб-сервера коммерческой фирмы «Microsoft» в США. • ftp://www.comp.ru/business/index.html – адрес файла index.html, расположенного в каталоге business на сервере www.comp.ru в России, к которому нужно обращаться по протоколу FTP. Непосредственное общение через Internet (Internet Relay Chat). Непосредственная беседа с помощью ввода сообщений с использованием программы IRC, ICQ. 99 WAP (Wireless Access Protocol) – метод доступа к информации сети с сотового телефона с использованием браузера, встроенного в телефонный аппарат абонента или находящийся на SIM-карте. Электронная коммерция (Е-коммерция) – это покупка и продажа информации, товаров и услуг через Интернет, применяющая компьютерные технологии. 9.12. Вопросы для самоконтроля 1. Какие основные компоненты включает в себя компьютерная сеть? 2. Как можно классифицировать сети по размеру? Что такое локальная сеть, глобальная сеть? 3. Перечислите уровни модели OSI. Охарактеризуйте каждый из них. 4. Что такое технология «клиент-сервер»? Какие существуют разновидности модели «клиент-сервер»? 5. Укажите основные топологические структуры сетей. 6. В чем состоит сущность базовых топологий компьютерных сетей? 7. Что такое сетевые протоколы глобальных сетей? 8. Какие правила адресации применяются в компьютерных сетях? 9. Что такое домен, доменное имя? 10. Для чего предназначена Служба DNS? 11. Перечислите основные сервисы Интернета. 100 10. ЗАЩИТА ИНФОРМАЦИИ В ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ 10.1. Основные положения Защищенность информационной среды организации — одно из основных условий ее эффективного функционирования. Комплекс мероприятий по обеспечению информационной безопасности информационной среды должен быть неотъемлемой частью системы управления любой организации. Информационная безопасность – совокупность мер, обеспечивающих защиту прав собственности владельцев информационной продукции, в первую очередь – программ, баз и банков данных от несанкционированного доступа, использования, разрушения или нанесения ущерба в какой-либо иной форме. Под информационной средой понимается совокупность информационных ресурсов и наличие соответствующей инфраструктуры и их применения. Цель информационной безопасности – предотвращение влияния неблагоприятных событий (угроз) или обеспечение минимального ущерба от них информационной среде. Информационная безопасность должна обеспечивать конфиденциальность, точность, полноту и доступность информации. Эффективная информационная безопасность основывается на теории защиты информации, в которой рассматриваются следующие направления: • сбор, систематизация и анализ сведений о проблеме защиты информации; • формирование на основе собранных сведений прогнозов о возможности возникновения угроз; • постановка задачи защиты информации в современных условиях; • разработка мероприятий по защите информации; • разработка методологии и инструментальной базы защиты информации. 10.2. Виды угроз в информационных системах В Российской Федерации существует ряд подходов к защите информации, закрепленных в нормативных документах и стандартах. К таким документам относится «Доктрина информационной безопасности РФ», регламентирующая государственную политику в сфере защиты информации. Существуют также государственные стандарты по информационной безопасности, стандарты по криптографической защите. 101 Угрозы информационной безопасности информационных можно представить в виде следующей схемы (рис. 10.1). систем Рис. 10.1. Угрозы в информационных системах Нарушение целостности информации обычно происходит в каналах передачи или в хранилищах информации и заключается в искажениях, внесениях ошибок и потере части информации. Целостность информации легче поддается аппаратному контролю и поэтому нарушение целостности выявляется раньше, чем нарушение достоверности. Нарушение достоверности информации происходит в результате фальсификации, подделки или мошенничества. Нарушение конфиденциальности наступает в случае следующих действий: • разглашение – умышленные или неосторожные действия должностных лиц и граждан, приведшие к ознакомлению посторонних лиц с конфиденциальными сведениями; • утечка – бесконтрольный выход информации за пределы круга лиц или организаций, которым она была доверена; • несанкционированный доступ – противоправное овладение конфиденциальной информацией лицом, не имеющим на это права Нарушение доступности происходит в результате блокирования, невосстановимого искажения или уничтожения информации. Так, например, стирание информации на магнитных носителях в банковской системе может иметь тяжелые финансовые и экономические последствия. 10.3. Защита информации в информационных системах Требования к защите информации определяются совокупностью многих факторов, например характером и объемом обрабатываемой информации, технологией обработки информации, структурой автоматизированной системы обработки данных. На рис. 10.2 представлена структурная схема автоматизированной системы обработки информации. В случае, если терминалами пользователя являются персональные компьютеры, рекомендуется сделать конструктивно невозможными снятие и ввод информации посредством 102 устройств ввода-вывода (например, заблокировать или удалить все разъемы подключения USB-устройств, порты ввода-вывода). Рис. 10.2. Структурная схема информационной системы В терминалах пользователей защищаемая информация должна находиться только во время сеанса, при этом возможность просмотра защищаемой информации со стороны должна быть исключена. Информация, имеющая ограничительный гриф, должна отображаться совместно с этим грифом. В устройствах группового ввода-вывода информация может находиться только во время решения задач, либо с нормированной длительностью хранения. Устройства отображения и фиксации информации должны исключать возможность просмотра отображаемой информации со стороны. Информация, имеющая ограничительный гриф, должна отображаться совместно с этим грифом. В аппаратуре и линиях связи защищаемая информация должна находиться только в течение сеанса. Линии связи, по которым информация передается в явном виде, должны находиться под непрерывным контролем в течение сеанса передачи. Перед началом каждого сеанса передачи должна осуществляться проверка адреса выдачи данных. При передаче большого объема защищаемой информации проверка адреса передачи должна производиться периодически. При наличии в составе аппаратуры связи процессоров и запоминающих устройств должна вестись регистрация данных обо всех сеансах передачи защищаемой информации. Защита информации в центральном вычислителе должна включать следующие действия. Защищаемая информация в оперативном запоминающем устройстве может находиться только во время сеансов решения соответствующих задач. При обработке защищаемой информации должно осуществляться установление подлинности всех участвующих в обработке устройств и пользователей с ведением протоколов их работы. Всякое обращение к защищаемой информации должно проверяться на 103 санкционированность. При обмене защищаемой информацией с использованием линий связи должна выполняться проверка адресов корреспондентов. Все носители, содержащие защищаемую информацию, должны храниться таким образом, чтобы исключались возможности несанкционированного доступа к ним. Для всех устройств должна быть предусмотрена возможность аварийного уничтожения информации. 10.4 Методы и средства защиты информации Рассмотрим основные методы защиты данных. Классификация методов и средств защиты данных представлена на рисунке 10.3. Рис. 10.3. Методы защиты информации Препятствие заключается в создании барьера на пути возникновения или распространения угрозы. Например, блокировки, не позволяющие техническому устройству или программе выйти за опасные границы. Управление заключается в определении алгоритмов функционирования систем обработки информации, препятствующих возникновению угрозы. Маскировка – преобразование информации или скрываемого объекта, вследствие которого снижается степень распознавания скрываемой информации и затрудняется доступ к ней. Например, шифрование информации, создание легенд, намеренное внесение помех. Регламентация как метод защиты заключается в разработке и реализации в процессе функционирования информационной системы комплексов мероприятий, создающих такие условия технологического цикла обработки данных, при которых минимизируется риск несанкционированного доступа к данным. Регламентация охватывает как структурное построение информационной системы, так и технологию обработки данных, организацию работы пользователей и персонала. 104 Побуждение состоит в создании такой обстановки и условий, при которых правила обращения с защищенными данными регулируются моральными и нравственными нормами. Принуждение – метод защиты, при котором пользователи и персонал системы вынуждены соблюдать правила обработки, передачи и использования информации под угрозой материальной, административной или уголовной ответственности. Отдельную группу формальных средств защиты составляют криптографические средства, которые могут быть реализованы в виде программных, аппаратных и программно-аппаратных средств защиты. Криптография связана с шифрованием и расшифровыванием конфиденциальных данных в каналах коммуникаций. Она также применяется для того, чтобы исключить возможность искажения информации или подтвердить ее происхождение. Криптографические преобразования используются для достижения двух целей по защите информации. Во-первых, они обеспечивают недоступность ее для лиц, не имеющих ключа и, во-вторых, поддерживают с требуемой надежностью обнаружение несанкционированных искажений. Криптографические преобразования включают в себя шифрование и кодирование. Для шифрования используются методы криптографии, для вскрытия зашифрованных данных – методы криптоанализа. Шифрование возможно осуществить с помощью нескольких методов: • шифрование заменой (подстановка) – символы шифруемого текста заменяются другими символами; • шифрование методом перестановки; • шифрование с использованием ключей (длинных двоичных последовательностей): если для шифрования и расшифровывания используется один ключ, то такой криптографический процесс называется симметричным. Недостаток этого процесса в том, что для передачи ключа надо использовать связь, а она должна тоже быть защищенной, т. е. проблема повторяется. Наиболее распространен стандарт (алгоритм) симметричного шифрования DES (Data Encryption Standard), использующий 56-битовый закрытый ключ (реальная длина ключа 64 бита за счет информации для контроля) и опубликованный в 1977 году. По характеру использования ключа алгоритмы шифрования делятся на два типа: симметричные и несимметричные. В первом случае и отправитель, и получатель используют один и тот же ключ, который является секретным и передается по альтернативным каналам. Общая схема простой (симметричной) криптосистемы показана на рис. 10.4. 105 Рис. 10.4. Схема симметричной криптосистемы с закрытым ключом Отправитель сообщения генерирует открытый текст сообщения для передачи по незащищенному каналу связи. Для того, чтобы передаваемый текст невозможно было прочитать, отправитель шифрует его с помощью алгоритма обратного преобразования, формируя криптограмму. Адресат, получив криптограмму, применяет известное ему обратное преобразование и получает исходный текст. В симметричной системе один и тот же ключ используется для шифрования и дешифровки сообщения. Такие системы называются системами с секретным ключом. Задача обеспечения конфиденциальности заключается в обеспечении конфиденциальности ключа. Асимметричные системы используют различные ключи (рис. 10.5). Открытый ключ К1 применяется для шифрования данных, секретный ключ К2 применяется для расшифровки сообщения. Открытый и секретный ключи К1 и К2 генерируются попарно, при этом ключ К2 остается у владельца и должен быть надежно защищен от несанкционированного доступа, а копии ключа К1 свободно передаются всем с кем обладатель ключа К2 ведет переписку. Рис. 10.5. Схема асимметричной криптосистемы с открытым ключом Наиболее широко применяется алгоритм шифрования с открытым ключом RSA, предложенный в 1978 году. Используя открытый ключ, можно создать «цифровую подпись» сообщения, зашифровав его своим секретным ключом. Для гарантии целостности документа в дополнительную шифруемую секретным ключом информацию (цифровую подпись) включается дайджест (сжатый образ) основного документа, например, контрольная сумма или более сложная функция образующих его двоичных цифр. С помощью открытого ключа можно расшифровать 106 сообщение и убедиться в том, что его зашифровал владелец секретного ключа. Алгоритмы ассиметричного шифрования требуют значительно больших затрат машинного времени. Поэтому применение получил способ комбинированного шифрования с созданием электронного цифрового конверта. При этом пользователь создает секретный ключ, шифрует им все сообщение по алгоритму симметричного шифрования DES, относительно короткий секретный ключ шифрует своим открытым ключом и отправляет адресату в одном пакете. Получатель своим секретным ключом по RSA расшифровывает секретный ключ отправителя, а с его помощью по DES основное сообщение. 10.5. Сетевая безопасность Для компьютеров, подключенных к сети, возникают дополнительные угрозы: поступление вирусов по сети, доступ посторонних к данным компьютера, перехват ими управления компьютером, сетевая атака (например, поступление непрерывного потока сообщений, полностью загружающего компьютер и лишающего его возможности нормально работать). Для минимизации угроз могут использоваться: Межсетевой экран, щит, брандмауэр, FireWall – программа, специальное техническое устройство или специально выделенный компьютер, которые «отгораживают» защищаемый компьютер или локальную сеть от внешней сети, пропуская в обе стороны только разрешенные данные и команды, а при затруднениях обращающиеся за разрешением к администратору. Эти экраны могут включать, в частности, систему обнаружения атак, позволяющую заметить и пресечь целенаправленные внешние воздействия, например, массовую засылку сообщений с целью парализовать работу компьютера. Сетевой аудит, выполняемый специальными программами, и основанный на протоколировании всех действий пользователей и компьютеров в сети или заданного перечня критических событий в сети, которые могут привести к нарушению безопасности. Анализ протоколов (регулярный или непрерывный в режиме реального времени) позволяет выявить и отследить нарушения безопасности и их виновников. Передача данных по сети в защищенном режиме с использованием специального протокола SSL (Secured Socket Layer). В этом случае используются и симметричные и ассиметричные алгоритмы шифрования, обеспечивающие невозможность перехвата сообщений посторонними. 107 10.6. Компьютерные вирусы и антивирусные программы Вирусы передаются вместе с программными продуктами, записанными на дискетах или распространяемыми через компьютерные сети. Способы внедрения вируса в программу различны для разных операционных систем. Название «вирусы» эти программы получили потому, что многие их свойства тождественны свойствам природных вирусов. Наибольшее распространение вирусы получили на персональных компьютерах. Компьютерные вирусы – это программы, способные самопроизвольно присоединяться к другим программам, создавать свои копии и внедрять их в файлы, системные блоки с целью нарушения нормальной работы компьютера. Классификация вирусов 1. По среде обитания: • Загрузочные вирусы внедряются в загрузочный сектор диска (bootсектор). • Файловые вирусы внедряются в исполняемые файлы .exe и .com. • Системные вирусы проникают в системные модули и драйверы периферийных устройств, таблицы размещения файлов (FAT-таблицы) • Сетевые вирусы обитают в сетях. • Файлово–загрузочные вирусы являются многофункциональными. 2. По алгоритмическим особенностям: • Репликаторные программы быстро воспроизводятся, приводят к переполнению оперативной памяти. • Программы-черви вычисляют адреса сетевых компьютеров и рассылают по этим адресам свои копии, поддерживая между собой связь. • Троянский конь – программа, которая маскируясь под полезную программу, выполняет дополнительные функции (например, собирает информацию об именах и паролях) и разрушает файловую систему компьютера. • Логическая бомба встраивается в программу и активизируется после наступления какого-либо события (например, вирус «Чернобыль»). • Программы–мутанты, самовоспроизводясь, воссоздают свои копии, которые отличаются от оригинала. • Вирусы–невидимки (стелс-вирусы), перехватывают обращения операционной системы к пораженным файлам и секторам дисков и подставляют вместо себя незараженные объекты. • Макровирусы используют возможности макроязыков, встроенных в офисные программы обработки данных. 3. По степени воздействия на ресурсы выделяются: • Безвредные вирусы не оказывают влияния на работу ПК, но могут переполнять оперативную память. 108 Неопасные вирусы не разрушают файлы, но уменьшают дисковую память. • Опасные вирусы приводят к серьезным нарушениям работы ПК. • Разрушительные вирусы стирают информацию и нарушают работу программ. По типу маскировки вирусы делятся на невидимые и самомодифицирующиеся. В основе большинства антивирусных программ лежит принцип поиска сигнатуры вирусов. Это уникальная характеристика вирусной программы, которая выдает присутствие вируса. Действия вируса могут быть разрушительными или проявляться в виде помехи. К разрушительным действиям вируса относятся: замена и/или удаление части или всего файла, форматирование диска, разрушение таблицы размещения файлов (FAT), искажение сообщений программы пользователя и т. п. Вирусы-помехи могут выводить на экран дисплея информацию, затрудняющую чтение сообщений программ. Вирус начинает вредить или сразу же после загрузки в оперативную память инфицированной программы, или при наступлении определенного события, например: пятница, тринадцатое число. Первые случаи заражения компьютерным вирусом были отмечены в 1987 году. С тех пор количество вирусов и зараженных компьютеров стало лавинообразно увеличиваться. В настоящее время насчитывается несколько тысяч различных вирусов, и их количество продолжает возрастать. Например, только в глобальной сети Internet ежемесячно появляются не менее 200 вирусов. Возможными каналами проникновения вирусов в компьютер являются накопители на сменных носителях информации, главным образом на дискетах, а также средства межкомпьютерной связи. К последним относятся компьютерные сети, электронная почта, система BBS (Bulletin Board System — доска объявлений) и любая другая непосредственная связь между компьютерами. Наиболее опасным является распространение вирусов по компьютерной сети, так как в этом случае за короткий промежуток времени может быть заражено большое количество компьютеров. Антивирусные программы Как было сказано ранее, вирусы попадают в компьютер только вместе с программным обеспечением. Поэтому самым важным в защите от вирусов является использование незараженных программ, так как главным источником вирусов являются незаконные, так называемые «пиратские» копии программного обеспечения. • 109 Антивирусные программы – программные средства антивирусной защиты, обеспечивающие диагностику (обнаружение) и лечение (нейтрализацию) вирусов. По методу работы антивирусные программы делятся на следующие виды. 1. Программы–сторожа или фильтры постоянно находятся в оперативной памяти, являясь резидентными. Они перехватывают все запросы к операционной системе на выполнение подозрительных операций, например, изменение атрибутов файлов, коррекция выполняемых файлов и др. Программа обращает внимание пользователя на поступление такой команды и просит у него разрешение на ее выполнение. Недостатки программы: • уменьшает объем доступной оперативной памяти из-за постоянного присутствия; • назойливость программы; • не лечит зараженные файлы. Примеры: AVP, Norton AntiVirus for Windows 95, MeAfree Virus Scan 95. 2. Программы–ревизоры запоминают исходное состояние программ, каталогов и системных областей диска, когда компьютер еще не был заражен вирусом, а затем сравнивает текущее состояние с исходным. Примеры: программа ADinf фирмы «диалог–Наука» и дополнение к ней платформа Adinf Cure Module. 3. Программы–доктора не только обнаруживают, но и лечат зараженные файлы. Программы этого типа делятся на программы фаги и программы полифаги. Полифаги служат для обнаружения большого количества вирусов. Это MS AntiVirus, AidsTest, Doctor Web, антивирусные программы лаборатории Касперского. 4. Программы–детекторы позволяют обнаруживать файлы, зараженные одним или несколькими вирусами. 5. Программы–вакцины или иммунизаторы, относятся к резидентным программам. Они модифицируют программы и диски таким образом, что это не отражается на работе прикладных программ, но вирус, от которого производится вакцинация, считает их уже зараженными и не внедряется в них. Аппаратные средства защиты – специальные дополнительные устройства, обеспечивающие достаточно надежную защиту (Sheriff). Несмотря на все принятые профилактические меры, стопроцентной гарантии защиты от вирусов в настоящее время не существует. Поэтому в целях восстановления разрушенной вирусом информации и удаленных зараженных программ, которые не удалось вылечить программами 110 антивирусной защиты, необходимо всегда иметь резервные копии программ и файлов данных на диске и/или другом ПК. 10.7. Вопросы для самоконтроля 1. Что понимается под информационной безопасностью? 2. Дайте характеристику основным видам угроз информационной безопасности. 3. Перечислите и охарактеризуйте основные методы защиты информации. 4. Какие характерные проблемы в обеспечении информационной безопасности данных, хранящихся на персональном компьютере, появляются при подключении компьютера к сети Интернет? 5. Чем отличается схема симметричной криптосистемы с закрытым ключом от схемы асимметричной криптосистемы с открытым ключом? 6. Что такое межсетевой экран? Для каких целей он применяется? 7. Что такое вирусы? Как они классифицируются по среде обитания? 8. Какие типы антивирусных программ существуют? 111 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Информатика: учебник для бакалавров / под ред. В.В. Трофимова. – М.: Изд-во Юрайт: ИД Юрайт. 2012. – 911 с. 2. Информатика: учебн. пос. для экон. вузов / под ред. Б.Е. Одинцова, А.Н. Романова. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Вузовский учебник: ИНФРА-М, 2012. – 410 с. 3. Макарова, Н.В. Информатика: учебник для вузов / Н.В. Макарова, В.Б. Волков. – СПб.: Питер, 2012. – 576 с. 4. Голицина, О.Л. Информационные технологии: учебник / О.Л. Голицина, Н.В. Максимов, Т.Л. Партыка, И.И. Попов. – 2-е изд., перераб и доп. – М.: ФОРУМ: ИНФРА-М., 2013. – 608 с 5. Симонович, С.В. Информатика. Базовый курс: учебник для вузов / С.В. Симонович. – 2-е изд., – СПб: Питер, 2010. 6. Таненбаум, Э. Компьютерные сети / Э. Танненбаум. – 4-е изд. – СПб.: Питер. 2004. 7. Олифер, В.Г. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы / В.Г. Олифер, Н.А. Олифер. – 3-е изд. – СПб: Питер, 2006. 8. Романова, Ю.Д. Информатика и информационные технологи. Конспект лекций: учебное пособие / Ю.Д. Романова, И.Г. Лесничая. – М.: Эксмо, 2009. – 320 с. 9. Могилев, А. В. Информатика: учебное пособие / под ред. А.В. Могилева, – 2-е изд., стер. – М.: Академия, 2008. – 325 с. 10. Макарова, Н.В., Волков Б.В. Информатика: учебник для ВУЗов. / Н.В. Макарова, Б.В. Волков. – СПб.: Питер, 2011. – 576 с. 112 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ .......................................................................................................... 3 1. ИНФОРМАТИКА И ИНФОРМАЦИЯ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ 1.1. Предмет и содержание дисциплины........................................................ 4 1.2. Определение и свойства информации ..................................................... 4 1.3. Формы представления информации ........................................................ 6 1.4. Меры информации .................................................................................... 9 1.5. Вопросы для самоконтроля .................................................................... 13 2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИНФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ 2.1. Уровни описания информационных процессов ................................... 14 2.2. Вопросы для самоконтроля .................................................................... 17 3. КОДИРОВАНИЕ ИНФОРМАЦИИ……………………………………… 18 3.1. Кодирование числовой информации ..................................................... 18 3.2. Кодирование текстовой информации .................................................... 20 3.3. Кодирование графической информации ............................................... 22 3.4. Цветовые модели ..................................................................................... 24 3.5. Кодирование звуковой информации ..................................................... 26 3.6. Кодирование видеоинформации ............................................................ 28 3.7. Вопросы для самоконтроля .................................................................... 28 4. ЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭВМ 4.1. Элементы алгебры логики ...................................................................... 29 4.2. Логические схемы некоторых устройств ЭВМ .................................... 30 4.3. Вопросы для самоконтроля .................................................................... 33 5. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА РЕАЛИЗАЦИИ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ………………………………………………………………… 34 5.1. Поколения ЭВМ и их характерные особенности ................................. 34 5.2. Классификация компьютеров ................................................................ 36 5.3. Архитектура ЭВМ ................................................................................... 38 5.4. Характеристика основных устройств персонального компьютера.... 43 5.5. Вопросы для самоконтроля .................................................................... 50 6. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭВМ 6.1. Классификация программного обеспечения (ПО) ............................... 51 6.2. Операционная системы: назначение, основные принципы организации ..................................................................................................... 53 6.3. Файловая система операционных систем ............................................. 54 6.4. Вопросы для самоконтроля .................................................................... 59 7. МОДЕЛИ РЕШЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ ЗАДАЧ 7.1. Понятие модели и моделирования......................................................... 60 7.2. Классификация моделей ......................................................................... 61 7.3. Формы представления моделей в информатике................................... 62 113 7.4. Компьютерное моделирование .............................................................. 65 7.5. Вопросы для самоконтроля .................................................................... 67 8. АЛГОРИТМИЗАЦИЯ И ПРОГРАММИРОВАНИЕ. ЯЗЫКИ ПРОГРАММИРОВАНИЯ ВЫСОКОГО УРОВНЯ 8.1. Понятие алгоритма. Свойства алгоритма ............................................ 68 8.2.Способы записи алгоритма...................................................................... 69 8.3. Основные алгоритмические конструкции ............................................ 70 8.4. Программирование .................................................................................. 72 8.5. Принципы разработки алгоритмов и программ для решения прикладных задач ........................................................................................... 74 8.6. Системы программирования .................................................................. 76 8.7. Обзор языков программирования .......................................................... 77 8.8. Вопросы для самоконтроля .................................................................... 82 9. СЕТЕВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ 9.1. Понятие телекоммуникации и компьютерной сети ............................. 83 9.2. Режимы передачи данных в компьютерных сетях .............................. 84 9.3. Типы синхронизации данных при передаче и способы передачи информации..................................................................................................... 85 9.4. Коммуникационное оборудование ........................................................ 86 9.5. Архитектура и протоколы компьютерных сетей ................................. 88 9.6. Типовые архитектуры компьютерных сетей ........................................ 89 9.7. Топология компьютерной сети .............................................................. 91 9.8. Сетевые операционные системы............................................................ 93 9.9. Сетевые протоколы глобальных сетей .................................................. 94 9.10. Адресация ресурсов в Интернете ........................................................ 96 9.11. Информационные сервисы Интернет .................................................. 97 9.12. Вопросы для самоконтроля ................................................................ 100 10. ЗАЩИТА ИНФОРМАЦИИ В ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ 10.1. Основные положения ......................................................................... 101 10.2. Виды угроз в информационных системах ........................................ 101 10.3. Защита информации в информационных системах ......................... 102 10.4. Методы и средства защиты информации.......................................... 104 10.5. Сетевая безопасность .......................................................................... 107 10.6. Компьютерные вирусы и антивирусные программы ...................... 108 10.7. Вопросы для самоконтроля ................................................................ 111 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ............................................................ 112 114 Учебное издание Поллак Галина Андреевна, Логвинова Александра Александровна, Палей Александр Гилич, Горных Елена Николаевна ИНФОРМАТИКА Учебное пособие Техн. редактор А.В. Миних Издательский центр Южно-Уральского государственного университета Подписано в печать 05.05.2014. Формат 60×84 1/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 6,74. Тираж 30 экз. Заказ 140/72. Отпечатано в типографии Издательского центра ЮУрГУ. 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 76.
