Inform

Министерство образования Российской Федерации ГОУ Уральский государственный технический университет – УПИ Информатика Конспект лекций по курсу «Информатика» для студентов дневной формы обучения по специальности 220200 – «Автоматизированные системы обработки информации и управления» Екатеринбург 2004 УДК 681.3.06 Составитель ст. преподаватель Киселева М.В. Информатика: Конспект лекций по курсу «Информатика» для студентов дневной формы обучения по специальности 220200 – «Автоматизированные системы обработки информации и управления» / М.В. Киселева. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2004. 83 с. Конспект содержит основные элементы дисциплины «Информатика»: понятия и концепции, системы счисления и формы представления информации; обобщенную структуру ПК, его программную и аппаратную части; этапы создания и характеристики программных продуктов, способы записи алгоритма. Примеры и иллюстрации, приведённые в конспекте, облегчают понимание и запоминание учебного материала. Библиогр.: 8 назв. Табл.5 Рис. 24. Подготовлено кафедрой «Автоматизированные системы управления» © Уральский государственный технический университет – УПИ, 2004 3 СОДЕРЖАНИЕ ПОНЯТИЕ И РОЛЬ ИНФОРМАТИЗАЦИИ В РАЗВИТИИ ОБЩЕСТВА.................6 ВВЕДЕНИЕ ...............................................................................................................................6 ПОНЯТИЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ РЕСУРСОВ ..............................................................................6 ПОНЯТИЕ ИНФОРМАЦИОННОЙ КУЛЬТУРЫ..............................................................................7 ИНФОРМАТИКА – ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ.....................................................................8 ПОЯВЛЕНИЕ И РАЗВИТИЕ ИНФОРМАТИКИ ..............................................................................8 СТРУКТУРА ИНФОРМАТИКИ....................................................................................................8 ИЗМЕРЕНИЕ И ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ...............................................10 ИНФОРМАЦИЯ И ЕЕ СВОЙСТВА .............................................................................................10 Информация и данные....................................................................................................10 Формы адекватности информации .............................................................................11 МЕРЫ ИНФОРМАЦИИ ...........................................................................................................12 Классификация мер ........................................................................................................12 Синтаксическая мера информации ..............................................................................12 Семантическая мера информации ..............................................................................13 Прагматическая мера информации .............................................................................14 КАЧЕСТВО ИНФОРМАЦИИ .....................................................................................................15 ФОРМЫ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ .............................................................................17 СИСТЕМЫ СЧИСЛЕНИЯ И ФОРМЫ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ЧИСЕЛ .....................19 ПОЗИЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ СЧИСЛЕНИЯ ................................................................................19 СИСТЕМЫ СЧИСЛЕНИЯ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ РАБОТЕ С ЭВМ. ............................................21 Двоичная система счисления.........................................................................................21 ДВОИЧНАЯ АРИФМЕТИКА .....................................................................................................22 ПЕРЕВОД ЧИСЕЛ ИЗ ОДНОЙ СИСТЕМЫ СЧИСЛЕНИЯ В ДРУГУЮ .............................................23 ПРЯМОЙ , ОБРАТНЫЙ И ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЙ КОДЫ ЧИСЕЛ ....................................................25 СЛОЖЕНИЕ ЧИСЕЛ В ПРЯМОМ И ДОПОЛНИТЕЛЬНОМ КОДЕ...................................................26 ВАРИАНТЫ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ В ПК...............................................................28 ИНФОРМАЦИОННО-ЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ ЭВМ ...............29 ОСНОВЫ АЛГЕБРЫ ЛОГИКИ ...................................................................................................29 ПРОГРАММНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ЭВМ .....................................................................................30 Структура и виды команд в ЭВМ ................................................................................30 Состав машинных команд.............................................................................................31 СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ЭВМ И АППАРАТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СОВРЕМЕННЫХ ПК..........................................................................................................32 СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ЭВМ .................................................................................................32 ПРОЦЕССОР ...........................................................................................................................32 СИСТЕМНАЯ ШИНА ...............................................................................................................32 ВИДЫ ПАМЯТИ И ИХ СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ . ................................................33 Регистровая память ....................................................................................................33 КЭШ-память................................................................................................................33 Оперативное запоминающее устройство .................................................................33 Постоянное запоминающее устройство ...................................................................34 ВНЕШНИЕ ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА ..........................................................................34 УСТРОЙСТВА ВВОДА ИНФОРМАЦИИ .....................................................................................35 УСТРОЙСТВА ВЫВОДА ИНФОРМАЦИИ ..................................................................................35 СРЕДСТВА МУЛЬТИМЕДИЯ ....................................................................................................35 4 ПРЕРЫВАНИЯ ........................................................................................................................36 ПРИНЦИП ОТКРЫТОСТИ АРХИТЕКТУРЫ ................................................................................36 ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПК .........................................................................37 РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫБОРУ ПК..........................................................................................39 ПРОГРАММНЫЕ ПРОДУКТЫ И ИХ ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ..........40 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ...........................................................................................................40 АЛГОРИТМ И ЕГО СВОЙСТВА ................................................................................................42 ФОРМЫ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ АЛГОРИТМА .................................................................................42 ПРОГРАММИРОВАНИЕ ..........................................................................................................44 КАТЕГОРИИ СПЕЦИАЛИСТОВ, ЗАНЯТЫХ РАЗРАБОТКОЙ И ЭКСПЛУАТАЦИЕЙ ПРОГРАММ .....45 ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОГРАММНОГО ПРОДУКТА ...................................................................46 КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОГРАММНЫХ ПРОДУКТОВ .............................................46 КЛАССЫ ПРОГРАММНЫХ ПРОДУКТОВ ..................................................................................46 СИСТЕМНОЕ ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ .........................................................................49 Структура системного программного обеспечения ..................................................49 Базовое программное обеспечение................................................................................50 Понятие операционной системы...............................................................................50 Операционные оболочки ...........................................................................................51 Ключевые особенности ОС Windows .......................................................................51 Сетевые операционные системы...............................................................................53 Сервисное программное обеспечение ...........................................................................53 Вирусы и антивирусные программы ............................................................................54 Минимальный состав системного программного обеспечения современных персональных компьютеров ..........................................................................................55 ИНСТРУМЕНТАРИЙ ТЕХНОЛОГИИ ПРОГРАММИРОВАНИЯ .....................................................55 Состав и назначение инструментария технологии программирования..................55 Средства для создания приложений ............................................................................56 Языки программирования..........................................................................................56 Языки высокого уровня .............................................................................................57 Системы программирования .....................................................................................58 Интегрированные среды ............................................................................................58 CASE-технология создания информационных систем...............................................59 ПАКЕТЫ ПРИКЛАДНЫХ ПРОГРАММ ......................................................................................60 Проблемно-ориентированные ППП .............................................................................60 ППП автоматизированного проектирования ............................................................61 ППП общего назначения ................................................................................................61 Системы управления базами данных........................................................................61 Текстовые процессоры..............................................................................................62 Табличные процессоры..............................................................................................62 Графические редакторы .............................................................................................63 Средства презентационной графики.........................................................................63 Интегрированные пакеты ..........................................................................................64 Методо-ориентированные ППП ..................................................................................64 Офисные ППП.................................................................................................................64 Настольные издательские системы............................................................................65 Программные средства мультимедиа .........................................................................65 Виртуальная реальность ............................................................................................65 Системы искусственного интеллекта ........................................................................66 Искусственный интеллект (ИИ)................................................................................66 Экспертные системы (ЭС) .........................................................................................66 Браузеры ..........................................................................................................................67 5 ФАЙЛЫ И КАТАЛОГИ......................................................................................................68 ПОНЯТИЕ ФАЙЛОВОЙ СИСТЕМЫ ...........................................................................................68 Понятие файла ...............................................................................................................68 Имена файлов..................................................................................................................69 Длинные имена файлов в Windows 95 и других операционных системах. ...............70 Способы обращения к группе файлов. ..........................................................................71 КАТАЛОГИ И ПАПКИ .............................................................................................................71 Дерево каталогов............................................................................................................72 Указание пути к файлу ..................................................................................................73 Полное имя файла...........................................................................................................73 СТРУКТУРА ОПЕРАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ MS-DOS.............................................75 МОДУЛИ ОПЕРАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ MS-DOS...................................................................75 Функции и назначение модулей системы .....................................................................75 РАЗМЕЩЕНИЕ MS-DOS НА ДИСКЕ .......................................................................................77 О КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЯХ .......................................................................................78 ЛОКАЛЬНАЯ СЕТЬ..................................................................................................................78 Оборудование для локальной сети................................................................................78 РАСПРЕДЕЛЕННЫЕ СЕТИ .......................................................................................................78 ВСЕМИРНАЯ СЕТЬ INTERNET .................................................................................................79 Система адресации в Internet........................................................................................79 Способы организации передачи информации ..............................................................80 Возможности WWW ......................................................................................................81 Поиск информации в WWW............................................................................................82 HTML - ЯЗЫК ДЛЯ СОЗДАНИЯ WEB-ДОКУМЕНТОВ ..............................................................82 КОРПОРАТИВНЫЕ СЕТИ ........................................................................................................82 ССЫЛКИ НА РЕСУРСЫ В ИНТЕРНЕТ.......................................................................................83 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК .............................................................................84 6 Понятие и роль информатизации в развитии общества Введение Современный период развития цивилизации характеризуется переходом человечества от индустриального общества к информационному обществу. Основным перерабатываемым «сырьем» становится информация. Труд современников делается в меньшей степени физическим и в большей степени интеллектуальным. В наиболее развитых странах производство информации и разработка информационных технологий стало одной из самых прибыльных и стремительно растущих отраслей. Информационные технологии – это совокупность методов и средств сбора, обработки и передачи данных (первичной информации) для получения информации нового качества о состоянии объекта, процесса или явления. Телекоммуникации – дистанционная передача данных на базе компьютерных сетей и современных технических средств связи. Новые информационные технологии – информационные технологии, использующие персональные компьютеры и телекоммуникационные средства. Пристальное внимание к информатике связано с бурным ростом объема человеческих знаний, который порой называют «информационным взрывом». Общая сумма человеческих знаний изменялась раньше очень медленно. Затем процесс получения новых знаний получил заметное ускорение. Так общая сумма человеческих знаний к 1800 г. удваивалась каждые 50 лет, к 1950 г. — каждые 10 лет, а к 1970 г. — каждые 5 лет, к 1990 г. — ежегодно. Колоссальный объем информации передается по глобальной сети Интернет, которая связывает страны, расположенные на разных континентах. Количество пользователей Интернет в ноябре 1998 года превысило 150 миллионов человек, в сентябре 1999 года – 201 млн., а в марте 2000 года – 300 млн. По регионам мира число пользователей распределилось так (в миллионах человек): Африка — 0,8, Азиатско-Тихоокеанский регион — 24,33, Европа — 32,76, Средний Восток — 0,78, Канада и США — 87, Южная Америка — 4,5. В мире накоплен громадный объем информации, но люди не в состоянии в полном объеме воспользоваться этим благом в силу ограниченности своих психофизических возможностей и неумения применять новые информационные технологии обработки информации. Самыми мощными усилителями интеллектуальных способностей человека за всю историю развития цивилизации становятся компьютер и глобальные сети, объединяющие множество компьютеров. Внедрение ЭВМ, современных средств переработки и передачи информации в различные сферы деятельности послужило началом нового эволюционного процесса, называемого информатизацией в развитии человеческого общества, находящегося на этапе индустриального развития. Информатизация общества - организованный социально-экономический и научнотехнический процесс создания оптимальных условий для удовлетворения информационных потребностей и реализации прав граждан, органов государственной власти, органов местного самоуправления, организаций, общественных объединений на основе формирования и использования информационных ресурсов. Понятие информационных ресурсов Как видим, одним из ключевых понятий при информатизации общества стало понятие “информационные ресурсы”. С принятием Федерального закона “Об информации, информатизации и защите информации” часть неопределенности этого понятия была снята. Руководствуясь не научной стороной этого вопроса, а скорее прагматической позицией потребителя информации, целесообразно воспользоваться тем 7 определением, которое приведено в этом законе. Тем более нельзя не учитывать тот факт, что юридическое толкование во всех случаях является для пользователя информации опорой при защите его прав. Информационные ресурсы - отдельные документы и отдельные массивы документов в информационных системах (библиотеках, архивах, фондах, банках данных, других информационных системах). Надо понимать, что документы и массивы информации, о которых говорится в этом законе, не существуют сами по себе. В них в разных формах представлены знания, которыми обладали люди, создавшие их. Таким образом, информационные ресурсы - это знания, подготовленные людьми для социального использования в обществе и зафиксированные на материальном носителе. Информационные ресурсы страны, региона, организации должны рассматриваться как стратегические ресурсы, аналогичные по значимости запасам сырья, энергии, ископаемых и прочим ресурсам. Понятие информационной культуры Уделим внимание еще одному моменту, связанному с информатизацией общества. Необходимо подготовить человека к быстрому восприятию и обработке больших объемов информации, овладению им современными средствами и технологией работы. Кроме того, новые условия работы порождают зависимость информированности одного человека от информации, приобретенной другими людьми. Поэтому недостаточно уметь самостоятельно осваивать и накапливать информацию, а надо научиться такой технологии работы с информацией, когда подготавливаются и принимаются решения на основе коллективного знания. Это говорит о том, что человек должен иметь определенный уровень культуры по обращению с информацией. Для отражения этого факта был введен термин информационная культура. Информационная культура - умение целенаправленно работать с информацией и использовать ее для получения, обработки и передачи компьютерную информационную технологию, современные технические средства и методы. Информационная культура проявляется в следующих аспектах: • в конкретных навыках по использованию технических устройств (от телефона до персонального компьютера и компьютерных сетей); • в способности использовать в своей деятельности компьютерную информационную технологию, базовой составляющей которой являются многочисленные программные продукты; • в умении извлекать информацию из различных источников: как из периодической печати, так и из электронных коммуникаций, представлять ее в понятном виде и уметь ее эффективно использовать; • во владении основами аналитической переработки информации; • в умении работать с различной информацией; • в знании особенностей информационных потоков в своей области деятельности. Информационная культура вбирает в себя знания из тех наук, которые способствуют ее развитию и приспособлению к конкретному виду деятельности. В первую очередь это информатика, кибернетика, теория информации, математика, теория проектирования баз данных и ряд других дисциплин. Внедрение новых информационных технологий во все сферы современной жизни привело к тому, что умение работать на компьютере является необходимым атрибутом профессиональной деятельности любого специалиста и во многом определяет уровень его востребованности в обществе. 8 Информатика – предмет и задачи Появление и развитие информатики Термин информатика возник в 60-х гг. во Франции для названия области, занимающейся автоматизированной обработкой информации с помощью электронных вычислительных машин. Французский термин informatique (информатика) образован путем слияния слов information (информация) и automatique (автоматика) и означает “информационная автоматика” или “автоматизированная переработка информации”. В англоязычных странах этому термину соответствует синоним computer science (наука о компьютерной технике). Выделение информатики как самостоятельной области человеческой деятельности в первую очередь связана с развитием компьютерной техники. Причем основная заслуга в этом принадлежит микропроцессорной технике, появление которой в середине 70-х гг. послужило началом второй электронной революции. С этого времени элементной базой вычислительной машины становятся интегральные схемы и микропроцессоры, а область, связанная с созданием и использованием компьютеров, получила мощный импульс в своем развитии. Термин “информатика” приобретает новое дыхание и используется не только для отображения достижений компьютерной техники, но и связывается с процессами передачи и обработки информации. В нашей стране подобная трактовка термина “информатика” утвердилась с момента принятия решения в 1983 г. на сессии годичного собрания Академии наук СССР об организации нового отделения информатики, вычислительной техники и автоматизации. Информатика трактовалась как “комплексная научная и инженерная дисциплина, изучающая все аспекты разработки, проектирования, создания, оценки, функционирования основанных на ЭВМ систем переработки информации, их применения и воздействия на различные области социальной политики”. Информатика в таком понимании нацелена на разработку общих методологических принципов построения информационных моделей. Поэтому методы информатики применимы всюду, где существует возможность описания объекта, явления, процесса и т.п. с помощью информационных моделей. Существует множество определенной информатики, что связано с многогранностью ее функций, возможностей, средств и методов. Обобщая опубликованные в литературе по информатике определения этого термина, можно предложить такую трактовку. Информатика - это область человеческой деятельности, связанная с процессами преобразования информации с помощью компьютеров и их взаимодействием со средой применения. Структура информатики Информатика в широком смысле представляет собой единство разнообразных отраслей науки, техники и производства, связанных с переработкой информации главным образом с помощью компьютеров и телекоммуникационных средств связи во всех сферах человеческой деятельности. Информатику в узком смысле можно представить как состоящую из трех взаимосвязанных частей - технических средств (hardware), программных средств (software), алгоритмических средств (brainware). В свою очередь, информатику, как в целом, так и каждую ее часть обычно рассматривают с разных позиций (рис 1.1): как отрасль народного хозяйства, как фундаментальную науку, как прикладную дисциплину. Информатика как отрасль народного хозяйства состоит из однородной совокупности предприятий разных форм хозяйствования, где занимаются производством компьютерной техники, программных продуктов и разработкой современной технологии переработки информации. Специфика и значение информатики как отрасли производства состоит в том, что от нее во многом зависит рост производительности труда в других отраслях народного хозяйства. Более того, для нормального развития этих отраслей Информатика Технические средства Отрасль народного хозяйства Производство Технических Средств Производство программных продуктов Разработка технологий переработки информации Программные средства Алгоритмические средства Фундаментальная наука Методология создания информационного обеспечения Теория информационных систем и технологий 9 Прикладная дисциплина (для конкрет. Изучение закономерностей в информационных процессах Создание информационных моделей коммуникаций Разработка информационных систем и технологий. Рекомендации Рис.1.1. Структура информатики как отрасли, науки, Прикладной дисциплины производительность труда в самой информатике должна возрастать более высокими темпами, так как в современном обществе информация все чаще выступает как предмет конечного потребления. В настоящее время около 50% всех рабочих мест в мире поддерживается средствами обработки информации. Информатика как фундаментальная наука занимается разработкой методологии создания информационного обеспечения процессов управления любыми объектами на базе компьютерных информационных систем. Существует мнение, что одна из главных задач этой науки - выяснение, что такое информационные системы, какое место они занимают, какую должны иметь структуру, как функционируют, какие общие закономерности им свойственны. В Европе можно выделить следующие основные научные направления в области информатики: разработка сетевой структуры, компьютерно-интегрированные производства, экономическая и медицинская информатика, информатика социального страхования и окружающей среды, профессиональные информационные системы. Информатика как прикладная дисциплина занимается: • изучением закономерностей в информационных процессах (накопление, переработка, распространение); • созданием информационных моделей коммуникаций в различных областях человеческой деятельности; • разработкой информационных систем и технологий в конкретных областях и выработкой рекомендаций относительно их жизненного цикла: для этапов проектирования и разработки систем, их производства, функционирования и т.д. 10 Главная функция информатики заключается в разработке методов и средств преобразования информации и их использования в организации технологического процесса переработки информации. Задачи информатики состоят в следующем: • исследование информационных процессов любой природы; • разработка информационной техники и создание новейшей технологии переработки информации на базе полученных результатов исследования информационных процессов; • решения научных и инженерных проблем создания, внедрения и обеспечения эффективного использования компьютерной техники и технологии во всех сферах общественной жизни. Информатика существует не сама по себе, а является комплексной научнотехнической дисциплиной, призванной создавать новые информационные техники и технологии для решения проблем в других областях. Она представляет методы и средства исследования другим областям, даже таким, где считается невозможным применение количественных методов из-за неформализуемости процессов и явлений. Особенно следует выделить в информатике методы математического моделирования и методы распознавания образов, практическая реализация которых стала возможной благодаря достижениям компьютерной техники. Комплекс индустрии информатики станет ведущим в информационном обществе. Тенденция ко все большей информированности в обществе в существенной степени зависит от прогресса информатики как единства науки, техники и производства. Измерение и представление информации Информация и ее свойства Информация и данные Термин информация происходит от латинского informatio, что означает разъяснение, осведомление, изложение. С позиций материалистической философии информация есть отражение реального мира с помощью сведений (сообщений). Сообщение - это форма представления информации в виде речи, текста, изображения, цифровых данных, графиков, таблиц и т.п. В широком смысле слова информация - это общенаучное понятие, включающее в себя обмен сведений между людьми, обмен сигналами между живой и неживой природой, людьми и устройствами. Информация - сведения об объектах и явлениях окружающей среды, их параметрах, свойствах и состоянии, которые уменьшают имеющуюся о них степень неопределенности, неполноты знаний. Информатика рассматривает информацию как концептуально связанные между собой сведения, данные, понятия, изменяющие наши представления о явлении или объекте окружающего мира. Наряду с информацией в информатике часто употребляется понятие данные. Покажем, в чем их отличие. Данные могут рассматриваться как признаки или записанные наблюдения, которые по каким-то причинам не используются, а только хранятся. В том случае, если появляется возможность использовать эти данные для уменьшения неопределенности о чем-либо, данные превращаются в информацию. Поэтому можно утверждать, что информацией являются используемые данные. Пример 1.1. Напишите на листе 10 номеров телефонов в виде последовательности 10 чисел и покажите их вашему другу. Он воспримет эти цифры как данные, т.к. они не предоставляют ему никаких сведений. Затем против каждого номера укажите название 11 фирмы и род деятельности. Для вашего друга непонятные цифры обретут определенность и превратятся из данных в информацию, которую он в дальнейшем может использовать. При работе с информацией всегда имеется ее источник и потребитель (получатель). Пути и процессы, обеспечивающие передачу сообщений от источника информации к ее получателю, называются информационными коммуникациями. Для потребителя информации очень важной характеристикой является ее адекватность. Адекватность информации - это определенный уровень соответствия создаваемого с помощью полученной информации образа реальному объекту, процессу, явлению и т.п. В реальной жизни вряд ли возможна ситуация, когда вы можете рассчитывать на полную адекватность информации. Всегда присутствует некоторая степень неопределенности. От степени адекватности информации реальному состоянию объекта или процесса зависит правильность принятия решений человеком. Формы адекватности информации Адекватность информации может выражаться в трех формах: семантической, синтаксической, прагматической. Синтаксическая адекватность. Она отображает формально-структурные характеристики информации и не затрагивает ее смыслового содержания. На синтаксическом уровне учитываются тип носителя и способ представления информации, скорость передачи и обработки, размеры кодов представления информации, надежность и точность преобразования этих кодов и т. п. Информацию, рассматриваемую только с синтаксических позиций, обычно называют данными, т.к. при этом не имеет значения смысловая сторона. Семантическая (смысловая) адекватность. Эта форма определяет степень соответствия образа объекта и самого объекта. Семантический аспект предполагает учет смыслового содержания информации. На этом уровне анализируются те сведения, которые отражает информация, рассматриваются смысловые связи. В информатике устанавливаются смысловые связи между кодами представления информации. Эта форма служит для формирования понятий и представлений, выявления смысла, содержания информации и ее обобщения. Прагматическая (потребительская) адекватность. Она отражает отношение информации и ее потребителя, соответствие информации цели управления, которая на ее основе реализуется. Проявляются прагматические свойства информации только при наличии единства информации (объекта), пользователя и цели управления. Прагматический аспект рассмотрения связан с ценностью, полезностью использования информации при выработке потребителем решения для достижения своей цели. С этой точки зрения анализируются потребительские свойства информации. Эта форма адекватности непосредственно связана с практическим использованием информации, с соответствием ее целевой функции деятельности системы. 12 Меры информации Синтаксическая мера Семантическая мера Прагматическая мера Объем данных Vд Количество информации Iβ(α)=H(β)-H(α), где H(α) – энтропия Количество информации Ic=CVд, где С – коэффициент содержательности Рис. 1.2. Меры информации Меры информации Классификация мер Для измерения информации вводятся два параметра: количество информации I и объем данных V. Эти параметры имеют разные выражения и интерпретацию в зависимости от рассматриваемой формы адекватности. Каждой форме адекватности соответствует своя мера количества информации и объема данных (рис 1.2). Синтаксическая мера информации Эта мера количества информации оперирует с обезличенной информацией, не выражающей смыслового отношения к объекту. Объем данных Vд в сообщении измеряется количеством символов (разрядов) в этом сообщении. В различных системах счисления один разряд имеет различный вес и соответственно меняется единица измерения данных: • в двоичной системе счисления единица измерения - бит (bit - binary digit - двоичный разряд); • в десятичной системе счисления единица измерения дит (десятичный разряд). Количество информации I на синтаксическом уровне невозможно определить без рассмотрения понятия неопределенности состояния системы (энтропии системы). Этот способ измерения количества информации впервые предложил в 1948 г. К. Шеннон. По К. Шеннону, информация — это сведения, уменьшающие неопределенность (энтропию), существовавшую до их получения. Действительно, получение информации о какой-либо системе всегда связано с изменением степени неосведомленности получателя о состоянии этой системы. Рассмотрим это понятие. Пусть до получения информации потребитель имеет некоторые предварительные (априорные) сведения о системе α. Мерой его неосведомленности о системе является функция H(α), которая в то же время служит и мерой неопределенности состояния системы. 13 После получения некоторого сообщения β получатель приобрел некоторую дополнительную информацию Iβ(α), уменьшившую его априорную неосведомленность так, что апостериорная (после получения сообщения β) неопределенность состояния системы стала Hβ(α). Тогда количество информации Iβ(α) о системе, полученной в сообщении β, определится как Iβ(α)=H(α)-Hβ(α), т.е. количество информации измеряется изменением (уменьшением) неопределенности состояния системы. Если конечная неопределенность системы Hβ(α) обратится в нуль, то первоначальное неполное знание заменится полным знанием и количество информации Iβ(α)=H(α). Иными словами, энтропия системы H(α) может рассматриваться как мера недостающей информации. Энтропия системы H(α), имеющая N возможных состояний, согласно формуле Шеннона, равна: H(α)= − N ∑ P log P , i =1 i i где Pi- вероятность того, что система находится в i-ом состоянии. Для случая, когда все состояния системы равновероятны, т.е. их вероятности равны 1 , ее энтропия определяется соотношением: N N 1 1 H(α)= − ∑ log . N i =1 N Часто информация кодируется числовыми кодами в той или иной системе счисления, особенно это актуально при представлении информации в компьютере. Естественно, что одно и то же количество разрядов в разных системах счисления может передать разное число состояний отображаемого объекта, что можно представить в виде соотношения N=m n, где N - число всевозможных отображаемых состояний; m - основание системы счисления (разнообразие символов, применяемых в алфавите); n - число разрядов (символов) в сообщении. Наиболее часто используются двоичные и десятичные логарифмы. Единицами измерения в этих случаях будут соответственно бит и дит. Коэффициент (степень) информативности (лаконичность) сообщения определяется отношением количества информации к объему данных, т.е. Y=1/Vд, причем 0<Y<1 С увеличением Y уменьшаются объемы работы по преобразованию информации (данных в системе). Поэтому стремятся к повышению информативности, для чего разрабатываются специальные методы оптимального кодирования информации. Pi= Семантическая мера информации Для измерения смыслового содержания информации, т.е. ее количества на семантическом уровне, наибольшее признание получила тезаурусная мера, которая связывает семантические свойства информации со способностью пользователя принимать поступившее сообщение. Для этого используется понятие тезаурус пользователя. Тезаурус - это совокупность сведений, которыми располагает пользователь или система. 14 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.1.3. Рассмотрим два предельных случая, когда количество семантической информации Ic равно 0: Iс Sp opt Sp Рис 1.3. Зависимость количества семантической информации, воспринимаемой • 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 потребитель приобретает при согласовании ее смыслового содержания S со своим тезаурусом Sp (Sp = Sp opt), 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 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 C, который определяется как отношение количества семантической информации к ее объему: C=Ic / Vд. Прагматическая мера информации Эта мера определяет полезность информации (ценность) для достижения пользователем поставленной цели. Эта мера также величина относительная, обусловленная особенностями использования этой информации в той или иной системе. Ценность информации целесообразно измерять в тех же самых единицах (или близких к ним), в которых измеряется целевая функция. Пример 1.2. В экономической системе прагматические свойства (ценность) информации можно определить приростом экономического эффекта функционирования, достигнутым благодаря использованию этой информации для управления системой: Inβ (γ)=П(γ/β)-П(γ), где Inβ (γ)- ценность информационного сообщения β для системы управления γ; П(γ) - априорный ожидаемый экономический эффект функционирования системы управления у; П(γ/β) - ожидаемый эффект функционирования системы γ при условии, что для управления будет использована информация, содержащаяся в сообщении β. Для сопоставления введенные меры информации представим в таблице 1.1 Таблица 1.1. Единицы измерения информации и примеры 15 Мера информации Единицы измерения Синтаксическая : Шенноновский Подход Степень уменьшения Вероятность события неопределенности Компьютерный Подход Единицы представления Бит, байт, Кбайт и т.д. информации Семантическая Тезаурус Экономические показатели Прагматическая Ценность использования Примеры (для компьютерной области) Пакет прикладных программ, персональный компьютер, компьютерные сети и т.д. Рентабельность, производительность, коэффициент амортизации и т.д. Емкость памяти, производительность компьютера, ско-рость передачи данных и т.д. Денежное выражение Время обработки информации и принятия решений Качество информации Возможность и эффективность использования информации обусловливается такими основными ее потребительскими показателями качества, как репрезентативность, содержательность, достаточность, актуальность, своевременность, точность, достоверность, устойчивость. Репрезентативность информации связана с правильностью ее отбора и формирования в целях адекватного отражения свойств объекта. Важнейшее значение здесь имеют: • правильность концепции, на базе которой сформулировано исходное понятие; • обоснованность отбора существенных признаков и связей отображаемого явления. Содержательность информации отражает семантическую емкость, равную отношению количества семантической информации в сообщении к объему обрабатываемых данных, т.е. C=Ic/Vд. С увеличением содержательности информации растет семантическая пропускная способность информационной системы, так как для получения одних и тех же сведений требуется преобразовать меньший объем данных. Наряду с коэффициентом содержательности С, отражающим семантический аспект, можно использовать и коэффициент информативности, характеризующийся отношением количества синтаксической информации (по Шеннону) к объему данных Y=I/Vд. 16 Достаточность (полнота) информации означает, что она содержит минимальный, но достаточный для принятия правильного решения состав (набор показателей). Понятие полноты информации связано с ее смысловым содержанием (семантикой) и прагматикой. Как неполная, т.е. недостаточная для принятия правильного решения, так и избыточная информация снижает эффективность принимаемых пользователем решений. Доступность информации восприятию пользователя обеспечивается выполнением соответствующих процедур ее получения и преобразования. Например, в информационной системе информация преобразовывается к доступной и удобной для восприятия пользователя форме. Это достигается, в частности, и путем согласования ее семантической формы с тезаурусом пользователя. Актуальность информации определяется степенью сохранения ценности информации для управления в момент ее использования и зависит от динамики изменения ее характеристик и от интервала времени, прошедшего с момента возникновения данной информации. Своевременность информации означает ее поступление не позже заранее назначенного момента времени, согласованного со временем решения поставленной задачи. Точность информации определяется степенью близости получаемой информации к реальному состоянию объекта, процесса, явления и т.п. Для информации, отображаемой цифровым кодом, известны 4 классификационных понятия точности: • формальная точность, измеряемая значением единицы младшего разряда; • реальная точность, определяемая значением единицы последнего разряда числа, верность которого гарантируется; • максимальная точность, которую можно получить в конкретных условиях функционирования системы; • необходимая точность, определяемая функциональным назначением показателя. Достоверность информации определяется ее свойством отражать реально существующие объекты с необходимой точностью. Измеряется достоверность информации доверительной вероятностью необходимой точности, т.е. вероятностью того, что отображаемое информацией значение параметра отличается от истинного значения этого параметра в пределах необходимой точности. Устойчивость информации отражает ее способность реагировать на изменения исходных данных без нарушения необходимой точности. Устойчивость информации, как и репрезентативность, обусловлена выбранной методикой ее отбора и формирования. 17 Формы представления информации Различают две формы представления информации — непрерывную (аналоговую) и прерывистую (цифровую, дискретную). Непрерывная форма характеризует процесс, который не имеет перерывов и может изменяться в любой момент времени и теоретически на любую величину (например, речь человека, музыкальное произведение). Цифровой сигнал может изменяться лишь в определенные моменты времени и принимать лишь заранее обусловленные значения (например, только значения напряжений 0 и 3,5 В). Моменты возможного изменения уровня цифрового сигнала задает тактовый генератор конкретного цифрового устройства. Для преобразования аналогового сигнала в цифровой сигнал требуется провести дискретизацию во времени и квантование по уровню. Дискретизация — замена непрерывного (аналогового) сигнала последовательностью отдельных во времени отсчетов этого сигнала. Наиболее распространена равномерная дискретизация, в основе которой лежит теорема Котельникова. На рисунке схематично показан процесс преобразования аналогового сигнала в цифровой сигнал. Цифровой сигнал в данном случае может принимать лишь пять различных уровней. Естественно, что качество такого преобразования невысокое. Из рисунка видно, что изменение цифрового сигнала возможно лишь в некоторые моменты времени (в данном случае этих моментов — одиннадцать). После такого преобразования непрерывный сигнал представляют последовательностью чисел. Показанный на рисунке непрерывный сигнал заменяется числами: 2-3-4-4-4-3-2-2-3-4-4. Перечисленные десятичные числа на выходе устройства трансформации непрерывного сигнала в цифровой сигнал кодируют с помощью двоичной системы счисления (единиц и нулей). Результаты данного преобразования можно представить таблицей: Время Десятичные Двоичные числа числа t1 2 0010 t2 3 0011 t3 4 0100 t4 4 0100 t5, 4 0100 t6 3 0011 t7 2 0010 t8 2 0010 t9 3 0011 t10 4 0100 t11 4 0100 В данном случае цифровые сигналы представлены четырьмя разрядами. Очевидно, что чем больше разрядов у двоичных чисел (а значит тем больше число уровней 18 квантования) и чем чаще во времени осуществляются отсчёты (выборки), тем точнее будет преобразован непрерывный сигнал в цифровой. Первое представление об аналоговом и цифровом способах хранения и распространения информации можно получить, рассматривая два способа записи звуковых сигналов: аналоговую и цифровую аудиозаписи. При аналоговой аудиозаписи непрерывный электрический сигнал, формируемый источником звука на выходе микрофона, с помощью магнитной головки наносится на движущуюся магнитную ленту. Недостатком аналогового способа обработки информации является то, что копия бывает всегда хуже оригинала. При цифровой аудиозаписи используется процесс выборки, заключающийся в периодическом измерении уровня (громкости) аналогового звукового сигнала (например, поступающего с выхода микрофона) и превращении полученного значения в последовательность двоичных чисел. Для преобразования аналогового сигнала в цифровой используется специальный конвертор, называемый аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Сигнал на выходе АЦП представляет собой последовательность двоичных чисел, которая может быть записана на лазерный диск или обработана компьютером. Обратная конверсия цифрового сигнала в непрерывный сигнал осуществляется с помощью цифроаналогового преобразователя (ЦАП). Качество аналого-цифрового преобразования характеризует параметр, называемый разрешением. Разрешение — это количество уровней квантования, используемых для замены непрерывного аналогового сигнала цифровым сигналом. Восьмиразрядная выборка позволяет получить только 256 различных уровней квантования цифрового сигнала, а шестнадцатиразрядная выборка — 65536 уровней. Еще один показатель качества трансформации непрерывного сигнала в цифровой сигнал — это частота дискретизации — количество преобразований аналог-цифра (выборок), производимое устройством в одну секунду. Этот показатель измеряют килогерцами (килогерц — тысяча выборок в секунду). Типичное значение частоты дискретизации современных лазерных аудиодисков — 44,1 кГц. Имеется тенденция перехода к единому цифровому представлению всех видов информации. Глобальная сеть Интернет претендует на то, чтобы объединить все средства вещания и коммуникации, компьютерные, телефонные, радио- и видео сети, связав их в единое «киберпространство». 19 Важными теоретическими аспектами информатики являются арифметические и логические основы работы ЭВМ, алгебра логики, понятия о системах счисления. На этих вопросах базируются многие разделы информатики. Системы счисления и формы представления чисел Информация в ЭВМ кодируется, как правило, в двоичной или в двоично-десятичной системе счисления. Система счисления - это способ наименования и изображения чисел с помощью символов, имеющих определенные количественные значения. Символы, используемые для записи чисел, называются цифрами. Множество цифр образует алфавит системы счисления. Часто в алфавит входит и знак “,” (запятая). В зависимости от способа изображения чисел системы счисления делятся на позиционные и непозиционные. В непозиционной системе значение цифры не зависит от ее положения в записи числа. К таким системам счисления относится, например, римская система счисления. Система счисления называется позиционной, если одна и та же цифра имеет различные значения, определяемые позицией цифры в последовательности цифр, изображающей число. Количество (Р) различных цифр, используемых для изображения числа в позиционной системе счисления, называется основанием системы счисления. Значение цифр лежат в пределах от 0 до Р-1. Примером позиционной системы счисления может служить привычная нам арабская десятичная система. Позиционные системы счисления Любое число C в позиционной системе счисления с основанием Р может быть представлено в виде полинома: C= Cn Pn +Cn-1 Pn-1 +…+C1 P1 +C0 P0 +C-1 P-1 +…+C-m P-m (2.1), или C= n ∑c p i=− m i i , где в качестве Ci могут стоять любые из Р цифр алфавита, а нижние индексы определяют местоположение цифры в числе (разряд): • положительные значения индексов - для целой части числа (n разрядов); • отрицательные значения - для дробной (m разрядов). В вычислительных системах применяются две формы представления чисел: • естественная форма, или форма с фиксированной запятой (точкой); • нормальная форма, или форма с плавающей запятой (точкой). запятой все числа изображаются в виде 1. С фиксированной последовательности цифр с постоянным для всех чисел положением запятой, отделяющей целую часть от дробной. C= Cn Cn-1 …C1 C0, C-1 C-2 … C-m (2.2). Запятая опускается, если дробная часть отсутствует. Позиции цифр в такой записи называются разрядами. Разряды нумеруются влево от запятой, начиная с нуля: 0-й,1й,...(n-1)-й, n-й; и вправо от запятой: 1-й, 2-й,...(m-й). Значение Ci цифры ci в позиционных системах счисления определяется номером разряда: Ci =Ci Pi. Величина Pi называется весом , или значением, i-го разряда. В позиционной СС вес каждого разряда отличается от веса (вклада) соседнего разряда в число раз, равное основанию системы . В десятичной СС цифры 1-го разряда — единицы, 2-го—десятки, 3-го —сотни и т.д. 20 Пример 1. Десятичная система счисления. Р=10. Цифры: 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9. 723,1910 =7⋅102 +2⋅101 +3⋅100 +1⋅10-1 +9⋅10-2 . Пример 2. Двоичная система счисления. Р=2. Цифры: 0,1. 101110,1012 =1⋅25 +0⋅24 +1⋅23 +1⋅22 +1⋅21 +0⋅20 +1⋅2-1 +0⋅2-2 +1⋅2-3 Эта форма наиболее проста, естественна, но имеет небольшой диапазон представления чисел и поэтому не всегда приемлема в вычислениях. Максимальное целое число, которое может быть представлено в n разрядах: Nmax = Pn -1. Минимальное значащее (не равное 0) число, которое можно записать в m разрядах дробной части: Nmin =P-m . Имея в целой части числа n, а в дробной части m разрядов, можно записать всего n+m P разных чисел. Пример 3. Двоичная система счисления. Р=2. n=10, m=6. Возможное для представления значение N лежит в пределах: 0,015<N<1024. Если в результате операции получится число, выходящее за допустимый диапазон, происходит переполнение разрядной сетки, и дальнейшие вычисления теряют смысл. В современных ЭВМ естественная форма представления используется как вспомогательная и только для целых чисел. 2.С плавающей запятой каждое число изображается в виде двух групп цифр. Первая группа цифр называется мантиссой, а вторая порядком , причем абсолютная величина мантиссы должна быть меньше 1, а порядок - целым числом. В общем виде N = ± MP ± r , число в форме с плавающей запятой может быть представлено так: где M - мантисса числа (|М| <1); r - порядок числа (r - целое число); P - основание системы счисления. Пример 4. Приведем несколько равенств: левая часть равенства – число в естественной форме, правая часть – в нормальной форме. Для записи естественной формы используются 5 разрядов в целой части и 5 разрядов в дробной части. +00721,35500 = +0,721355⋅103; +00000,00328 = +0,328⋅10-2; -10301,20260 = -0,103012026⋅105. Нормальная форма представления имеет огромный диапазон отображения чисел и является основной в современных ЭВМ. Диапазон значащих чисел в системе счисления с основанием Р при наличии m разрядов у мантиссы и s разрядов у порядка (без учета знаковых разрядов у порядка и мантиссы) будет: s s P − m P − ( P −1) ≤ N ≤ (1 − P − m ) P ( P −1) 21 Пример 5. При Р=2, n=10 и m=6 диапазон чисел простирается примерно от 10-19 до 1019. (Сравните примером 2.3). Системы счисления, используемые при работе с ЭВМ. В ВТ применяют позиционные СС с недесятичным основанием: двоичную, восьмеричную, шестнадцатеричную и др. Для обозначения используемой СС числа заключают в скобки и индексом указывают основание СС: (15)10 , (1011) 2 , (735) 8 , (1EA9 F )16 . Иногда скобки опускают и оставляют только индекс: 1510 ,10112 ,7358 ,1EA9 F16 . Есть еще один способ обозначения СС: при помощи латинских букв добавляемых после числа. Например, 15D; 1011 В; 735Q; 1EA9FH. Двоичная система счисления. Основание Р=2. Алфавит включает две двоичные цифры: 0, 1. Любое число C= Cn Cn-1 …C1 C0 C-1 C-m есть сумма степеней числа Р=2, C= Cn⋅ 2n +Cn-1⋅ 2n-1 +…+C1⋅ 21 +C0⋅ 20 +C-1⋅ 2-1 +…+C-m⋅ 2-m (1.1) Пример 6. 101011,112 =1⋅25 + 0⋅24 + 1⋅23 + 0⋅22 +1⋅21 + 1⋅20 +1⋅2-1 + 1⋅2-2 = = 32+8+2+1+0,5+0,25=43,7510. Веса разрядов в двоичной системе счисления равны 1, 4, 8,16,... влево от запятой и 0,5; 0,25; 0,125; 0,625;... вправо от запятой. Шестнадцатеричная и восьмеричная СС используются при составлении программ на языке машинных кодов для более короткой и удобной записи двоичных кодов — команд, данных, адресов и операндов. Для изображения цифр, больших 9, в шестнадцатеричной системе счисления применяются латинские буквы A, B, C, D, E, F. Изображения первых шестнадцати чисел в десятичной, двоичной и шестнадцатеричной системах счисления приведены в таблице 1. Двоично-десятичная система счисления получила большое распространение в современных ЭВМ ввиду легкости перевода в десятичную систему и обратно. Она используется там, где основное внимание уделяется не простоте технического построения машины, а удобству работы пользователя. В этой системе счисления все десятичные цифры отдельно кодируются четырьмя двоичными цифрами. Пример 7. Десятичное число 9703 в двоично-десятичной системе выглядит так: 1001 0111 0000 0011. Таблица 1 Системы счисления Десятичная Двоичная Восьмеричная Шестнадцатеричная о о 0 о 1 1 1 1 2 10 2 2 3 11 3 3 4 100 4 4 5 101 5 5 6 110 6 6 7 111 7 7 8 1000 10 8 9 1001 11 9 10 1010 12 А 22 11 12 13 14 15 16 17 1011 1100 1101 1110 1111 10000 10001 13 14 15 16 17 20 21 В C D Е F 10 11 Двоичная арифметика Преимущество двоичной системы счисления над десятичной с точки зрения ЦВМ состоит в следующем: - требуются элементы с двумя устойчивыми состояниями; - существенно упрощаются арифметические операции; - оборудования требуется в 1,5 раза меньше; - позволяет применить аппарат математической логики для анализа и синтеза схем. Недостатки двоичной системы счисления состоят в следующем: - большая длина записи чисел; - при вводе и выводе информации требуется перевод в десятичную систему счисления. Рассмотрим, как выполняются основные действия в двоичной арифметике. Сложение Вычитание Умножение Деление 0+0=0 0-0=0 0х0=0 0:1=0 0+1=1 1-0=1 0х1=0 1:1=1 1+0=1 1-1=0 1х0=0 1+1=10 10-1=1 1х1=1 Правила арифметики во всех позиционных системах счисления одинаковы, т.е. сложение, умножение и вычитание начинают с младших разрядов, деление - со старших. При сложении единица переноса складывается с цифрами соседнего старшего разряда. При вычитании единица заёма старшего разряда дает две единицы в младшем соседнем разряде. Пример 8. 1) 110111,01 + 10011,10 1001010,11 55,25 +19,5 74,75 2) 11011,10 - 1101,01 1110,01 27,5 -13,25 14,25 Умножение двоичных чисел аналогично умножению десятичных, но т.к. умножаем только на 0 и 1, то умножение сводится к операции сдвига и сложения. Положение точки, отделяющей целую часть от дробной части, определяется так же, как и при умножении десятичных чисел. Пример 9. 1011,1 х 101,01 10111 10111 - сдвинутое на 2 разряда влево множимое 10111 - сдвинутое на 4 разряда влево множимое 111100,011 23 Перевод чисел из одной системы счисления в другую Задача перевода из одной системы счисления в другую часто встречается при программировании и особенно часто — при программировании на языке Ассемблера. Например, при определении адреса ячейки памяти, для получения двоичного или шестнадцатеричного эквивалента десятичного числа. Отдельные стандартные процедуры языков программирования Паскаль, Бейсик, HTML и Си требуют задания параметров в шестнадцатеричной СС. Отыскать неисправность в ЭВМ практически невозможно без представлений о двоичной СС. Сначала рассмотрим перевод из двоичной системы счисления в шестнадцатеричную и наоборот. Это наиболее просто в связи с тем, что 16=24 . Правило 1. Для перевода шестнадцатеричного числа в двоичное надо каждую цифру заменить четырехразрядным двоичным числом. Незначащие нули отбросить. Пример 10. 305,416 =0011 0000 0101,01002 =1100000101,012 Ещё пример: Перевести число 7D2.ЕН из шестнадцатеричной СС в двоичную СС. Решение Переводимое число Результат Переводимое число Результат 144444244444 3 144424443 (7 ↓ 0111 ↑ D ↓ 1101 2. ↓ 0010 E )16 = (11111010010.111) 2 ↓ 1110 ↑ Отмеченные крайние нули следует отбросить. Правило 2. Для перевода числа из двоичной системы счисления в шестнадцатеричную надо число разбить на четверки влево и вправо от запятой. Крайние группы, если необходимо дополнить нулями. Затем каждую четверку двоичных цифр заменить соответствующей шестнадцатеричной цифрой. Пример 11. 1010111,11011012 =0101 0111,1101 10102 =57,DA16 Ещё пример: перевести число 10111110001.001В из двоичной СС в шестнадцатеричную СС. Решение. Рассмотрим общие правила перевода чисел из одной системы счисления в другую. Эти правила зависят от того, в какой системе счисления осуществляются арифметические операции, связанные с преобразованием чисел, - в той, в какой представлено исходное число, или в той, в которую оно переводится. Правило 3. Задано число С, представленное в системе счисления с основанием S: C = Cn Cn-1 …C1 C0 C-1 C-m Нужно перевести его в h-систему, выполняя действия в новой системе счисления (в h-системе). 24 Для этого нужно представить его в виде суммы степеней S : C= Cn Sn +Cn-1 Sn-1 +…+C1 S1 +C0 S0 +C-1 S-1 +…+C-m S-m, где основание S, коэффициенты c и номера разрядов i выражены в новой h-системе. Все действия надо выполнять в h-системе. Пример 12. 1) Перевести 2Е5,А16 в десятичную систему счисления: 2Е5,А16 =2⋅ 162 +14⋅161 +5⋅160 +10⋅16-1 =741,62510 2) Перевести 5210 в двоичную систему счисления: 5210=101⋅10101 +10⋅10100 =110010+10=1101002 3) Перевести 1101,101 в десятичную систему счисления: 1101,1012 = 1⋅ 23 +1⋅ 22 +0⋅ 21 +1⋅ 20 +1⋅ 2-1 +0⋅ 2-2+1⋅ 2-3 =13,62510 Этот способ удобен при S<h и особенно для ручного перевода в десятичную систему счисления. Рассмотрим перевод целого числа С (2.2) из S-системы в h-систему в арифметике Sсистемы счисления. Правило 4. Для перевода целого числа из S-системы в h-систему счисления в арифметике S-системы нужно последовательно делить это число и получающиеся частные на h до тех пор, пока частное не станет меньше h. Старшей цифрой в новой записи числа будет последнее частное, а следующие за ней цифры дают остатки, вписанные в последовательности, обратной их получению. Все вычисления производятся в старой Sсистеме. (При S<h прежде, чем записать число, надо получившиеся остатки переписать в цифры h-системы). Пример 13. 1) Перевести число 70 в двоичную систему счисления. 70 ⏐2 0 35 ⏐2 1 17 ⏐2 1 8 ⏐2 0 4 ⏐2 0 2 ⏐2 0 1 7010 =10001102 2) Перевести 10000000 в десятичную систему счисления 10000000 ⏐1010 - 1010 1100 ⏐1010 1 1100 - 1010 - 1010 10=210 1000=810 100000002 =12810 При переводе наиболее частой ошибкой является неверная запись результата. Запись двоичного числа следует начинать со старшего значащего разряда (СЗР), а заканчивать записью младшего значащего разряда (МЗР). Следует помнить, что при делении первым получается значение МЗР. В ЭВМ с целью упрощения арифметических операций применяют специальные коды для представления чисел. При помощи этих кодов: • автоматически определяется знак результата; • операция вычитания сводится к арифметическому сложению кодов чисел; • упрощается операционная часть ЭВМ. 25 Прямой , обратный и дополнительный коды чисел В ЭВМ используется прямой, обратный и дополнительный коды чисел. Знак “+” кодируется нулем (0), “-” - единицей (1), которые записываются в дополнительном старшем разряде - знаковом разряде. 1. Прямой двоичный код Рпр(х) — это такое представление двоичного числа х, при котором знак «плюс» кодируется нулем в старшем разряде числа, а знак «минус» — единицей. При этом старший разряд называется знаковым. Сложение в прямом коде не вызывает затруднений, когда у слагаемых одинаковые знаки: сложить модули и сумме присвоить знак слагаемых. При вычитании чисел в прямом коде нужно сначала определить больший модуль, от него отнять меньший и результату присвоить знак большего модуля. 2. Обратный код Робр(х) получается из прямого кода по следующему правилу: ⎧⎪0' Pпр ( x) при x≥0 Pобр ( x) = ⎨ ' ⎪⎩1 Pпр ( x) при x ≤ 0 Из приведенного выражения видно, что обратный код для положительных чисел совпадает с прямым кодом. Чтобы представить отрицательное двоичное число в обратном коде нужно оставить в знаковом разряде 1, во всех значащих разрядах заменить 1 на 0, а 0 на 1. Такая операция называется инвертированием и обозначается горизонтальной чертой над инвертируемым выражением. 3. Дополнительный код Рдоп(х) образуется следующим образом: ⎧⎪ 0' Pпр ( x) Pдоп ( x) = ⎨ ' ⎪⎩1 Pпр ( x ) + 1 при x≥0 при x ≤ 0 Из выражения видно, что дополнительный код положительного числа совпадает с прямым кодом, а для отрицательного числа получается инверсией всех значащих разрядов и добавлением единицы к младшему разряду результата. Дополнительный код может быть получен из обратного кода путём прибавления 1 к младшему разряду обратного кода (естественно, с учётом переносов между разрядами). Итак: Положительные числа в прямом, обратном и дополнительном кодах изображаются одинаково - двоичными кодами с цифрой 0 в знаковом разряде. Отрицательные числа в прямом, обратном и дополнительном кодах имеют разное изображение. Обычно отрицательные десятичные числа при вводе в машину автоматически преобразуются в обратный или дополнительный двоичный код и в таком виде хранятся, перемещаются и участвуют в операциях. При выводе таких чисел из машины происходит обратное преобразование в отрицательные десятичные числа. Пример 14: Получить обратный код для числа х=-13D. Решение. Pпр ( x) = (1'1101) 2 − прямой код Pобр ( x) = (1'0010) 2 − обратный код Рдоп ( x) = (1'0011) 2 − дополнительный код 26 • • Нетрудно доказать, что (по модулю): Обратный код от обратного кода дает прямой код числа. Дополнительный код от дополнительного кода дает прямой код числа. Сложение чисел в прямом и дополнительном коде Можно строго математически доказать следующие правила. Правило 1. При сложении дополнительных кодов чисел знаковые разряды складываются аналогично остальным, перенос из знакового разряда теряется, результат получается в дополнительном коде. Правило 2. При сложении чисел в обратном коде знаковые разряды складываются аналогично остальным, перенос из знакового разряда прибавляется к младшему разряду результата (так называемый циклический перенос), результат получается в обратном коде. Таким образом, применение обратного и дополнительного кода упрощает алгебраическое сложение. Сложение чисел с разными знаками заменяется сложением их соответствующих кодов, знак при этом получается автоматически. Пример 14. 1) X=0,0101, Y=-0,0011 Xдоп=0,0101, Yдоп=1,1101 Xдоп + Yдоп= 0,0101 +1,1101 10 0010 ( 3) A=+0,10111, B=-0,01010 Aобр =0,10111, Bобр=1,10101 Aобр + Bобр= 0,10111 +1,10101 10,01100 1 (циклический Пример 15. Выполнить алгебраическое дополнительного кода для чисел X1 = 7D и X2 = -3D. сложение с использованием Решение. Необходимо найти сумму: у = X1 +X2. Учитывая, что X1 > 0, это число нужно представить в прямом коде, а так как X2< 0, то X2 нужно перевести в дополнительный код. Так как результат положителен (в знаковом разряде Р(у) - 0), значит, он представлен в прямом коде. После перевода двоичного числа в десятичную СС получим ответ: у = +4D. Пример 16. Выполнить алгебраическое сложение с использованием дополнительного кода для чисел X1= 8D и X2 = -13D. Необходимо найти сумму: у = X1 +X2. Число X1 нужно представить в прямом коде, а X2 — в дополнительном коде. 27 В знаковом разряде стоит единица и, значит, результат получен в дополнительном коде. Для перехода от дополнительного кода Рдоп(y)=1'1011B к прямому коду Рпр(у) необходимо выполнить следующие преобразования: Робр(у) = Рдоп(у) - 1 = 1'1011B - 1 = 1'1010B, Рпр(у) = Pобр ( y ) = 1'1010 B = 1'0101B Переходя от двоичной СС к десятичной СС, получим ответ: y=-5D. 28 Варианты представления информации в ПК Как уже упоминалось, вся информация (данные) представлена в виде двоичных кодов. Для удобства работы введены следующие термины, обозначающие совокупности двоичных разрядов (табл.2.2). Эти единицы обычно используются в качестве единиц измерения объемов информации, хранимой или обрабатываемой в ЭВМ. Таблица 2.2. Двоичные совокупности Количество 8*1024 1 8 16 двоичных разрядов в группе Наименован Б ие единицы и т измерения Б а й т Параграф Килобайт (Кбайт) 8*10242 8*10243 8*10244 Мегабайт (Мбайт) Гигабайт (Гбайт) Терабайт (Тбайт) Восемь последовательных битов составляют байт. Как правило, код символа хранится в одном байте. Такие кодировки называются однобайтными. В одном байте можно закодировать значение одного символа из 256 возможных (28=256). Примером такой кодировки может служить код ASCII (American Code for Information Interchange – американский код обмена информацией). В настоящее время все большее применение приобретает двухбайтная кодировка Unicode, в ней коды символов могут иметь значение от 0 до 65535. В этой кодировке имеются коды для практически всех применяемых символов (букв алфавитов разных языков, математических , декоративных символов и т.д.) Последовательность нескольких битов или байтов часто называют полем данных. Биты в числе (в слове, в поле и т.п.) нумеруются справа налево, начиная с 0-го разряда. В ПК могут обрабатываться поля постоянной и переменной длины. Поля постоянной длины: • слово – 2 байта; • полуслово – 1 байт; • двойное слово – 4байта; • расширенное слово –8байт. Числа с фиксированной запятой чаще всего имеют формат слова и полуслова, числа с плавающей точкой – формат двойного и расширенного слова. Поля переменной длины могут иметь любой размер от 0 до 256 байт, но обязательно равный целому числу байтов. Пример 2.15. Структурно запись числа –19310=-110000012 в разрядной сетке ПК выглядит следующим образом. Число с фиксированной запятой формата слово со знаком. Знак Абсолютная величина числа N раз- 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 ряда Число 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 29 Информационно-логические основы построения ЭВМ Основы алгебры логики Для описания логики функционирования аппаратных и программных средств ЭВМ используется алгебра логики или, как ее часто называют, булева алгебра. Основоположником этого раздела математики был Дж.Буль. Булева алгебра оперирует с логическими переменными, которые могут принимать только два значения: истина или ложь, обозначаемые соответственно 1 и 0. Как ранее отмечалось, основной системой счисления ЭВМ является двоичная СС, в которой также используются только две цифры: 1 и 0. Таким образом, одни и те же цифровые устройства ЭВМ могут применяться для обработки как числовой информации в двоичной СС, так и логических переменных. Это обуславливает универсальность (однотипность) схемной реализации процесса обработки информации в ЭВМ. Алгебра логики – это раздел математической логики, значения всех элементов которой определены в двухэлементном множестве: 0 или 1. Алгебра логики оперирует с логическими высказываниями. Высказывание – это любое предложение, в отношении которого имеет смысл утверждение о его истинности или ложности. При этом считается, что высказывание удовлетворяет закону исключённого третьего, т.е. каждое высказывание или истинно, или ложно и не может быть одновременно и истинным, и ложным. В алгебре логики все высказывания обозначают буквами: a, b, c и т.д. Простейшими операциями в алгебре логики являются операции логического сложения (иначе, операция ИЛИ, операция дизъюнкции) и логического умножения (иначе операция И, операция конъюнкции). Для обозначения операции логического сложения используют символы + или ∨ , а логического умножения – символы * или ∧ . В алгебре логики вводится ещё одна операция – операция отрицания (иначе НЕ, операция инверсии), обозначаемая чертой над элементом. a ∗ a = 0; 0 = 1; 1 = 0. По определению: a + a = 1; С помощью этих трех функций можно представить (аналитически выразить) любую сколь угодно сложную логическую функцию. Функция в алгебре логики – это алгебраическое выражение, содержащее элементы алгебры логики a, b, c …, связанные между собой операциями, определенными в этой алгебре. Например, f ( a , b, c ) = a + a ∗ b ∗ c + a + c . Правила выполнения операций в алгебре логики определяются рядом аксиом, теорем и следствий. Перечислим законы алгебры логики: • сочетательный (или ассоциативный) ( a + b) + c = a + (b + c); ( a ∗ b) ∗ c = a ∗ (b ∗ c); • переместительный (или коммутативный) a + b = b + a; a ∗ b = b ∗ a; • распределительный (или дистрибутивный) a ∗ (b + c) = a ∗ b + a ∗ c; a + b ∗ c = a ∗ b + a ∗ c; 30 • двойственности (или де Моргана) a + b = a ∗ b; a ∗ b = a + b; • двойного отрицания a=a • поглощения a + a + b = a; a ∗ ( a + b) = a • склеивания a ∗ b + a ∗ b = a; ( a + b) ∗ ( a + b) = a. Программное управление ЭВМ Структура и виды команд в ЭВМ Решение задач на ЭВМ реализуется программным способом, т.е. путем выполнения последовательно во времени отдельных операций над информацией, предусмотренной алгоритмом решения задачи. Алгоритм – это точно определенная последовательность действий, которые необходимо выполнить над исходной информацией, чтобы получить решение задачи. Алгоритм решения задачи, заданный в виде последовательности команд на языке вычислительной машины (в кодах машины), называется машинной программой. Команда машинной программы (иначе, машинная команда) – это элементарная инструкция машине, выполняемая ею автоматически без каких-либо дополнительных указаний и пояснений. Машинная команда состоит из двух частей: операционной и адресной. Операционная часть команды – это группа разрядов в команде, предназначенная для представления кода операции машины. Адресная часть команды - это группа разрядов в команде, в которой записываются коды адреса (адресов) ячеек памяти машины или иных объектов, задействованных при выполнении команды. По количеству адресов, записываемых в команде, команды делятся на безадресные, одно-, двух- и трехадресные. Типовая структура трехадресной команды: КОП a1 a2 a3 КОП – код операции; a1 и a2 – адреса ячеек (регистров), где расположены соответственно первое и второе числа, участвующие в операции; a3 - адрес ячейки(регистра), куда следует поместить число, полученное в результате выполнения операции. В двухадресной команде a1 и a2 выполняют ту же функцию, что в трехадресной команде. По завершении операции результат помещается в а1. 31 В одноадресной команде а1 либо адрес ячейки (регистра), где хранится одно из чисел, участвующих в операции, либо адрес ячейки(регистра), где хранится результат операции. Безадресная команда содержит только код операции, а информация для нее должна быть заранее помещена в определенные регистры машины (безадресные команды могут использоваться только совместно с командами другой адресности). Пример: Поступила представленная на языке символического кодирования команда: СЛ 0103 5102 Такую команду следует расшифровать так: «сложить число, записанное в ячейке 0103 с числом, записанным в ячейке 5102, а затем результат (т.е. сумму) поместить в ячейку 0103». Примечание: в кодах машины такая команда содержит только двоичные цифры записанных выше объектов. Состав машинных команд Современные ЭВМ выполняют несколько сотен различных команд. Например, стандартный набор современных ПК содержит около 240 машинных команд. Все машинные команды можно разделить на группы по видам выполняемых операций: операции пересылки информации внутри ЭВМ; арифметические операции; логические операции над информацией; операции обращения к внешним устройствам ЭВМ; операции передачи управления; обслуживающие и вспомогательные операции. Пояснения требуют операции передачи управления (иначе, ветвления программы), которые служат для изменения естественного порядка выполнения команд. Бывают операции безусловной передачи управления и операции условной передачи управления. Операции безусловной передачи управления требуют выполнения после данной команды не следующей по порядку, а той, адрес которой в явном или не в явном виде указан в адресной части. Операции условной передачи управления требуют тоже передачи управления по адресу, указанному в адресной части команды, но только в том случае, если выполняется некоторое заранее оговорённое для этой команды условие. Это условие в явном или не в явном виде указано в коде операции. 32 Структурная схема ЭВМ и аппаратное обеспечение современных ПК Структурная схема ЭВМ ЭВМ — это устройство, выполненное на электронных приборах, предназначенное для автоматического преобразования информации под управлением программы. Основные элементы электронной вычислительной машины (фон-неймановской структуры) и связи между ними показаны на рисунке. Процессор Процессор (ЦП) выполняет логические и арифметические операции, определяет порядок выполнения операций, указывает источники данных и приемники результатов. Работа процессора происходит под управлением программы. При первом знакомстве с ЭВМ считают, что процессор состоит из четырех устройств: арифметико-логического устройства (АЛУ), устройства управления (УУ), регистров общего назначения (РОН) и кэш-памяти. АЛУ выполняет арифметические и логические операции над данными. Промежуточные результаты сохраняются в РОН. Кэшпамять служит для повышения быстродействия процессора, путем уменьшения времени его непроизводительного простоя. УУ отвечает за формирование адресов очередных команд, т.е. за порядок выполнения команд, из которых состоит программа. Системная шина Системная шина - это основная интерфейсная система ПК, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой. Основной функцией системной шины является передача информации между процессором и остальными устройствами ЭВМ. Все блоки, а точнее их порты ввода-вывода, через соответствующие разъемы подключаются к шине единообразно: непосредственно или через контроллеры (адаптеры). Управление системной шиной осуществляется непосредственно, либо, чаще через контроллер шины. Обмен информацией между ВУ и системной шиной выполняется с использованием ASCII-кодов. Системная шина состоит из трех шин: шины управления, шины данных и адресной шины. По этим шинам циркулируют управляющие сигналы, данные (числа, символы), адреса ячеек памяти и номера устройств ввода-вывода. Важнейшими функциональными характеристиками системной шины являются: количество обслуживаемых ею устройств и ее пропускная способность, т.е. максимально возможная скорость передачи информации. Пропускная способность шины зависит от ее разрядности (есть шины 8-, 16-, 32- и 64-разрядные) и тактовой частоты, на которой шина работает. 33 Виды памяти и их сравнительные характеристики . Память предназначена для записи, хранения, выдачи команд и обрабатываемых данных. Существует несколько разновидностей памяти: оперативная, постоянная, внешняя, кэш, CMOS (КМОП), регистровая. Существование целой иерархии видов памяти объясняется их различием по быстродействию, энергозависимости, назначению, объему и стоимости. Многообразие видов памяти помогает снять противоречие между высокой стоимостью памяти одного вида и низким быстродействием памяти другого вида. Память современных компьютеров строится на нескольких уровнях, причем память более высокого уровня меньше по объему, быстрее и в пересчете на один байт имеет большую стоимость, чем память более низкого уровня. Регистровая память Регистровая память — наиболее быстрая (ее иногда называют сверхоперативной). Она представляет собой несколько регистров общего назначения (РОН), которые размещены внутри процессора. Регистры используются при выполнении процессором простейших операций: пересылка, сложение, счет и т.д. Наилучшим вариантом было бы размещение всей памяти на одном кристалле с процессором. Однако из-за существующих технологических сложностей изготовления памяти большого объема пришлось бы большое число микросхем отправить в брак. КЭШ-память Кэш-память по сравнению с регистровой памятью имеет больший объем, но меньшее быстродействие. В ЭВМ число запоминающих устройств с этим видом памяти может быть различным. В современных ЭВМ имеется два-три запоминающих устройства этого вида. КЭШ-память – это буферная, не доступная для пользователя быстродействующая память, автоматически используемая компьютером для ускорения операций с информацией, хранящейся в более медленно действующих запоминающих устройствах. Кэш-память первого уровня располагается внутри процессора, а кэш память второго уровня — вне процессора (на так называемой материнской плате). В переводе с английского языка слово cache (кэш) означает «тайник», так как кэшпамять не доступна для программиста (она автоматически используется компьютером). Кэш-память используется для ускорения выполнения операций за счет запоминания на некоторое время полученных ранее данных, которые будут использоваться процессором в ближайшее время. Введение в компьютер кэш-памяти позволяет сэкономить время, которое без нее тратилось на пересылку данных и команд из процессора в оперативную память (и обратно). Работа кэш-памяти строится так, чтобы до минимума сократить время непроизводительного простоя процессора (время ожидания новых данных и команд). Этот вид памяти уменьшает противоречие между быстрым процессором и относительно медленной оперативной памятью. Кэш-память первого уровня, которая размещается на одном кристалле с процессором, принято обозначать символами L1. Кэш-память, которая располагается на материнской плате (второй уровень), обозначается символами L2. На структурной схеме показана только кэш-память L1. Энергозависимая память CMOS (КМОП-память) служит для запоминания конфигурации данного компьютера (текущего времени, даты, выбранного системного диска и т.д.). Для непрерывной работы этого вида памяти на материнской плате ЭВМ устанавливают отдельный малогабаритный аккумулятор или батарею питания. Оперативное запоминающее устройство Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) используется для кратковременного хранения переменной (текущей) информации и допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения процессором вычислительных операций. Это значит, что процессор может выбрать из ОЗУ команду или обрабатываемые данные (режим считывания) и, после арифметической или логической обработки данных, поместить полученный результат в ОЗУ (режим записи). Размещение новых данных в ОЗУ возможно на тех же местах (в тех же ячейках), где находились исходные данные. Понятно, что прежние команды (или данные) будут стерты. 34 ОЗУ используется для хранения программ, составляемых пользователем, а также исходных, конечных и промежуточных данных, получающихся при работе процессора. В качестве запоминающих элементов в ОЗУ используются либо триггеры (статическое ОЗУ), либо конденсаторы (динамическое ОЗУ). ОЗУ — это энергозависимая память, поэтому при выключении питания информация, хранившаяся в ОЗУ, теряется безвозвратно. По быстродействию ОЗУ уступает кэш-памяти и тем более сверхоперативной памяти — РОН. Но стоимость ОЗУ значительно ниже стоимости упомянутых видов памяти. Постоянное запоминающее устройство В постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) хранится информация, которая не изменяется при работе ЭВМ. Такую информацию составляют загрузочные программы ОС, тест-мониторные программы (они проверяют работоспособность компьютера в момент его включения), драйверы (программы, управляющие работой отдельных устройств ЭВМ, например, клавиатурой) и др. ПЗУ является энергонезависимым устройством, поэтому информация в нем сохраняется даже при выключении электропитания. Перспективным видом постоянной памяти является память с электрическим способом стирания и записи информации (FLASH-память), которая при острой необходимости позволяет перепрограммировать ПЗУ и тем самым оперативно улучшать характеристики ЭВМ. Общая емкость основной памяти ПК обычно лежит в пределах от 1 до 32 Мбайт. Емкость ОЗУ на один-два порядка превышает емкость ПЗУ: ПЗУ занимает 128 (256) Кбайт, остальной объем – это ОЗУ. Внешние запоминающие устройства Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) предназначены для долговременного хранения информации. К ВЗУ относятся накопители на магнитной ленте (магнитофоны, стримеры), накопители на жестких дисках (винчестеры), накопители на гибких дисках, проигрыватели оптических дисков. ВЗУ по сравнению с ОЗУ имеют, в основном, больший объем памяти, но существенно меньшее быстродействие. Виды запоминающих устройств: 1. Накопители на гибких (НГМД) магнитных дисках, иначе, на флоппи-дисках или на дискетах (ГМД бывают диаметром 5,25 и 3,5 дюйма, соответственно емкостью 1,2 и 1,44 Мб). 2. Накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД) типа «винчестер»1 (диаметр диска чаще всего 3,5 дюйма (89 мм), но есть и другие: 5,25 (133 мм) и 1,8 (45 мм); высота корпуса дисковода у настольных ПК – 25 мм, у серверов – 41 мм и у портативных ПК – 12 мм). Емкость НЖМД: 250 – 4000 Мб, до 5000 Мб. В ПК имеется обычно один НЖМД. Однако в MS DOS (дисковая операционная система фирмы Microsoft) программными средствами один физический диск может быть разделен на несколько «логических» дисков, тем самым имитируется несколько НМД на одном накопителе. 3. Накопители на сменных жестких магнитных дисках, использующие эффект Бернулли (емкость 20 – 230 Мбайт). 4. В ПК используются также диски с высокой плотностью записи (похожи на обычные дискеты, но имеют более жесткую конструкцию). Среди накопителей, использующих такие диски, есть: • накопители на флоптических дисках, иначе floptical-накопители (стандартная емкость 20,8 Мб); • накопители сверхвысокой плотности записи, иначе, VHD-накопители (сейчас выпускаются емкостью 120-240 Мбайт; фирма Hewlett Packard 1 Термин винчестер возник из жаргонного названия первой модели жесткого диска емкостью 16 Кб (IBM, 1973г), имевшего 30 дорожек по 30 секторов, что случайно совпало с калибром «30/30» известного охотничьего ружья «Винчестер». 35 объявила о создании диска емкостью 1000 Мб, а фирма IBM – 8700 Мб и 10800 Мб). 5. Накопители на оптических компакт-дисках CD-ROM (неперезаписываемые и перезаписываемые). Емкость 250 – 1500 Мб. 6. Магнитооптические диски с однократной записью (CC WORM). Емкость 120 –1000 Мб. 7. Накопители на магнитооптических дисках (чтение/запись). Емкость современных НМОД доходит до 2,6 Гб (ожидаются до 5,2 Гб). Но перезаписывающие дисководы очень дороги (около тысячи долларов). Основные достоинства НОД (накопители на оптических дисках): • сменяемость и компактность носителей; • большая информационная емкость; • высокая надежность и долговечность CD; • меньшая (по сравнению с НМД) чувствительность к загрязнениям и вибрациям; • нечувствительность к электромагнитным полям. Устройства ввода информации К устройствам ввода информации относятся: • клавиатура – устройство для ручного ввода числовой, текстовой и управляющей информациии в ПК; • ручные манипуляторы мышь, трекбол, джойстик, трекпойнт, трекпад; • сканер (читающие автоматы); • сенсорные экраны; • световое перо; • информационные перчатки, информационный костюм, шлем, джойстринг; • диджитайзер (графический планшет); • цифровая видеокамера, фотокамера, микрофон и др. Устройства вывода информации К устройствам вывода информации относятся: • дисплей (монитор); • принтер (бывают матричные, струйные, лазерные); • плоттер (графопостроитель – для вывода графической информации из ПК на бумажный носитель), плоттеры бывают векторные с вычерчиванием изображения с помощью пера и растровые: струйные, лазерные. Основные характеристики всех плоттеров – скорость вычерчивания – 100-1000 мм/с, у лучших моделей возможны цветное изображение и передача полутонов; наибольшая разрешающая способность и четкость изображения у лазерных плоттеров, но они самые дорогие; • акустические колонки и др. Модем выполняет функции и устройств ввода и устройств вывода информации. Он позволяет соединяться с другими удаленными компьютерами с помощью телефонных линии связи и обмениваться информацией между ЭВМ. Многие из названных выше устройств относятся к условно-выделенной группе – средствам мультимедиа. Средства мультимедия Средства мультимедия (multimedia – многосредовость) – это комплекс аппаратных и программных средств, позволяющих человеку общаться с компьютером, используя самые разные, естественные для себя среды: звук, видео, графику, тексты, анимацию и др. К средствам мультимедиа относятся: • ВЗУ большой емкости на оптических дисках (CD – компактные диски ); • устройства речевого ввода-вывода (микрофоны, звуковые мыши, синтезаторы звука: динамики, звуковые колонки); 36 • сканеры; • высококачественные видео- и звуковые платы; • платы видеозахвата, снимающие изображение с видеомагнитофона или с видеокамеры; • высококачественные акустические и видеовоспроизводящие системы с усилителями, звуковыми колонками, большими видеоэкранами; Очевидно, что конструкция современной ЭВМ много сложнее рассмотренной конструкции. На структурной схеме не изображены тактовый генератор, который подключен к процессору, адаптеры (или контроллеры), включенные между системной шиной и каждым устройством ввода-вывода и другие блоки (дополнительные – математический сопроцессор, контроллер прямого доступа к памяти, сопроцессор вводавывода, котроллер прерываний). Математический сопроцессор широко используется для ускоренного выполнения операций над двоичными числами с плавающей запятой, над двоично-кодированными десятичными числами. Математический сопроцессор работает параллельно с основным МП, но под управлением последнего. Последние модели МП, начиная с МП 80486 DX, имеют встроенный сопроцессор. Прерывания Важнейшую роль играет в ПК контроллер прерываний. Прерывание – временный останов выполнения одной программы в целях оперативного выполнения другой, в данный момент наиболее важной (приоритетной) программы. Прерывания возникают при работе с компьютером постоянно. Достаточно сказать, что все процедуры ввода-вывода информации выполняются по прерываниям (естественно, пользователь их не замечает). Кроме этого, запросы на прерывание могут возникать из-за сбоев в аппаратуре, переполнения разрядной сетки, деления на ноль и т.д. Контроллер прерываний обслуживает процедуры прерывания, принимает запрос на прерывание от ВУ, определяет уровень приоритета этого запроса и выдает сигнал прерывания в МП. МП, получив этот сигнал, приостанавливает выполнение текущей программы и переходит к выполнению программы обслуживания этого прерывания, после ее завершения восстанавливается выполнение прерванной программы. Приведенный вид структурной схемы ЭВМ является неймановской структурой, названной так в честь американского ученого венгерского происхождения фон Неймана. Конструктивно ПК выполнены в виде центрального системного блока, К которому через разъемы подключаются ВУ: дополнительные устройства памяти, клавиатура, дисплей, принтер и др. Системный блок обычно включает в себя системную плату, блок питания, накопители на дисках, разъемы для дополнительных устройств и платы расширения с контроллерами – адаптерами ВУ. На системной плате (материнской плате), как правило, размещаются: • МП; • математический сопроцессор; • генератор тактовых импульсов; • микросхемы ОЗУ и ПЗУ; • адаптеры клавиатуры, НЖМД и НГМД; • контроллер прерываний; • таймер и др. Принцип открытости архитектуры Одной из плодотворных идей, положенных в основу персональных компьютеров, является открытость архитектуры. Согласно этой концепции: 1. Каждый пользователь может самостоятельно формировать конфигурацию своего компьютера по своему усмотрению. Это означает, что в зависимости от потребности пользователь может подключить к системной шине различные 37 устройства: модем, звуковую плату, клавиатуру электромузыкального инструмента, плату телевизионного приемника и т.п. Открытость архитектуры позволяет легко модернизировать имеющийся 2. компьютер, например, путем замены винчестера на жесткий диск большего объема, замены процессора, увеличения объема оперативной памяти и т.д. 3. Кроме этого, конкуренция среди производителей комплектующих привела к удешевлению компьютеров. Однако, современный рынок компьютеров огромен, поэтому выбрать нужный блок довольно непросто. Без специальных знаний при определении конфигурации компьютера с требуемыми характеристиками практически не обойтись. В связи с этим рассмотрим основные характеристики ПК. Функциональные характеристики ПК Основными характеристиками ПК являются: 1. Быстродействие, производительность, тактовая частота. Единицами измерения быстродействия служат: • МИПС (MIPS – Mega Instruction Per Second) – миллион операций над числами с фиксированной запятой (точкой); • МФЛОПС (MFLOPS – Mega Floating Operations Per Second) – миллион операций над числами с плавающей запятой (точкой); • ГФЛОПС (GFLOPS) – миллиард операций в секунду над числами с плавающей запятой (точкой). Оценка производительности ЭВМ всегда приблизительная, ибо при этом ориентируются на некоторые усредненные или, наоборот, на конкретные виды операций. Реально при решении различных задач используются и различные наборы операций. Поэтому для характеристики ПК вместо производительности обычно указывают тактовую частоту, более объективно определяющую быстродействие машины, так как каждая операция требует для своего выполнения вполне определенного количества тактов. Зная тактовую частоту, можно достаточно точно определить время выполнения любой машинной операции. Пример: тактовый генератор с частотой 33 МГц обеспечивает выполнение 7 млн. коротких операций (сложение и вычитание с фиксированной запятой, пересылки информации) в секунду; тактовый генератор с частотой 100 МГц обеспечивает выполнение 20 млн. коротких операций в секунду. У машин с процессором Pentium быстродействие 100-200 млн. операций в секунду при тактовой частоте 60-133 МГц. У машин с процессором Pentium Pro (P6) быстродействие достигает 300 млн. операций в секунду при тактовой частоте 150-200 МГц. Фирмой Intel разработаны и широко используются микропроцессоры Pentium-2 с тактовой частотой 300, 350 и 400 МГц, производительность которого на 100% больше, чем у процессора Pentium. Процессоры типа Celeron несколько хуже, чем Pentium-2, но зато существенно дешевле. Еще более быстродействующий процессор Pentium-3 имеет тактовую частоту 450-500 МГц. Разработан процессор Pentium-4 с частотой 1000 МГц. 2. Разрядность машины и кодовых шин интерфейса. Разрядность – это максимальное количество разрядов двоичного числа, над которым одновременно может выполняться машинная операция, в том числе и операция передачи информации; чем больше разрядность, тем, при прочих равных условиях, будет больше и производительность ПК. 3. Типы системного и локальных интерфейсов. Разные типы интерфейсов обеспечивают разные скорости передачи информации между узлами машины, позволяют подключать разное количество внешних устройств и различные их виды. 4. Емкость оперативной памяти. 38 Емкость оперативной памяти чаще всего измеряется в мегабайтах (Мбайт), реже в килобайтах (Кбайт). Напоминаю, 1 Мбайт = 1024 Кбайт = 10242 байт. Многие современные прикладные программы при оперативной памяти емкостью меньше 8 Мбайт просто не работают либо работают, но очень медленно. Следует иметь в виду, что увеличение емкости основной памяти в 2 раза, помимо всего прочего, дает повышение эффективной производительности ЭВМ при решении сложных задач примерно в 1,7 раза. 5. Емкость накопителя на жестких магнитных дисках. Емкость винчестера измеряется обычно в мегабайтах или гигабайтах. Многие программные продукты требуют для работы до 1 гигабайта (1Гбайт = 1024 Мбайт) внешней памяти. 6. Тип и емкость накопителей на гибких магнитных дисках. Сейчас применяются в основном накопители на гибких магнитных дисках, использующие дискеты диаметром 3,5 (1 дюйм = 25,4 мм). Они имеют стандартную емкость 1,44 Мбайта. 7. Виды и емкость КЭШ-памяти. Следует иметь в виду, что наличие КЭШ-памяти емкостью 256 Кбайт увеличивает производительность ПК примерно на 20%. КЭШ-память емкостью 256-512 Кбайт – обязательный атрибут высокопроизводительных систем на процессорах Pentium. Однако у них встроенная КЭШ-память имеет небольшую емкость (16 Кбайт), а основная ее часть находится вне процессора на материнской плате. Поэтому обмен данными с ней происходит не не внутренней частоте МП, а на частоте тактового генератора, что снижает общее быстродействие компьютера. В МП Pentium Pro Кэш-памать емкостью 256-512 Кбайт находится в самом микропроцессоре. 8. Тип видеомонитора (дисплея) и видеоадаптера. Наиболее часто в современных ПК используются мониторы VGA с разрешающей способностью 640*480 точек при передаче 16 цветов и 320*200 для 256 цветов, и мониторы SVGA с разрешающей способностью 800*600, 1024*768, 1280*1024, 1600*1200 при передаче до 16,8 млн. цветов. Размер экрана монитора от 9 до 21 дюйма (23-54 см), но чаще всего 14 дюймов (35,5 см) или 15 дюймов (37,8 см). Размер точки (зерна) от 0,32 мм до 0,21 мм. Чем он меньше, тем лучше. 9. Тип принтера. 10. Напичие математического сопроцессора. Математический сопроцессор позволяет в десятки раз ускорить выполнение операций над двоичными числами с плавающей запятой и над двоично-кодированными десятичными числами. 11. Имеющееся программное обеспечение и вид операционной системы 12. Аппаратная и программная совместимость с другими типами ЭВМ. Аппаратная и программная совместимость с другими типами ЭВМ означает возможность использования на компьютере соответственно тех же технических элементов и программного обеспечения, что и на других типах машин. 13. Возможность работы в вычислительной сети. 14. Возможность работы в многозадачном режиме. Многозадачный режим позволяет выполнять вычисления одновременно по нескольким программам (многопрограммный режим) или для нескольких пользователей (много-пользовательский режим). Совмещение во времени работы нескольких устройств машины, возможное в таком режиме, позволяет значительно увеличить эффективное быстродействие ЭВМ. 15. Надежность. 39 Надежность – это способность системы выполнять полностью и правильно все заданные ей функции. Надежность ПК измеряется обычно средним временем наработки на отказ. 16. Стоимость. 17. Габариты и масса. Рекомендации по выбору ПК Условно все компьютеры можно разделить на две группы: • ПК группы Brand Name, собранные в широко известных фирмах (IBM, Compaq, Hewlett Packard и др.); • прочие компьютеры группы No Name, сборку которых осуществляли не на фирмах, имеющих известное имя. Компьютеры Brand Name должны иметь товарные знаки, указывающие на изготовителя, торгующую фирму, кроме этого, сертификаты соответствия по совместимости, качеству, безопасности, энергосбережению, внешнему излучению и др. Компьютеры Brand Name очень дороги, тем более имеющие многочисленные сертификаты. Поэтому часто приходится ограничиться выбором компьютера «прочие». Здесь очень важно правильно выбрать конфигурацию компьютера: тип основного МП и материнской платы; объем основной и внешней памяти, виды системного и локального интерфейсов, тип видеоадаптера и видеомонитора, тип клавиатуры, мыши, модема и др. Важнейшей характеристикой является производительность компьютера. Некоторые основные факторы повышения производительности ПК: увеличение тактовой частоты; увеличение разрядности МП; наличие и объем КЭШ-памяти; наличие математического сопроцессора, объем ОЗУ и его быстродействие и др. Важно знать, что быстродействие современного компьютера зависит не только от тактовой частоты, характеристик МП, ОП, НЖМД (накопители на жестких магнитных дисках) и видеосистемы, но в значительной степени и от интерфейса. 40 Программные продукты и их основные характеристики Основные понятия Возможности компьютера как технической основы системы обработки данных связаны с используемым программным обеспечением (программами). Программа (program, routine) – упорядоченная последовательность команд (инструкций) компьютера для решения задачи. Программное обеспечение (software) – совокупность программ обработки данных и необходимых для их эксплуатации документов. Программы предназначены для машинной реализации задач. Термины задача и приложение имеют очень широкое употребление в контексте информатики и программного обеспечения. Задача (problem, task) – проблема, подлежащая решению. Приложение (application) – программная реализация на компьютере решения задачи. Таким образом, задача означает проблему, подлежащую реализации с использованием средств информационных технологий, а приложение, реализованное на компьютере решение задачи. Приложение, являясь синонимом слова «программа», считается более удачным термином и широко используется в информатике. Термин задача употребляется также в сфере программирования, особенно в режиме мультипрограммирования (одновременного выполнения нескольких задач) и мультипроцессорной обработки (в ЭВМ имеется несколько процессоров) как единица работы вычислительной системы, требующая выделения вычислительных ресурсов (процессорного времени, основной памяти и т.п.). В данной лекции этот термин употребляется в смысле первого определения. Существует большое разнообразие классификаций задач. С позиций специфики разработки и вида программного обеспечения будем различать 2 класса задач – технологические и функциональные. Технологические задачи ставятся и решаются при организации технологического процесса обработки информации на компьютере. Технологические задачи являются основой для разработки сервисных средств программного обеспечения в виде утилит, сервисных программ, библиотек процедур и др., применяемых для обеспечения работоспособности компьютера, разработки других программ или обработки данных функциональных задач. Функциональные задачи требуют решения при реализации функций управления в рамках информационных систем предметных областей. Например, управление деятельностью торгового предприятия, планирование выпуска продукции, управление перевозкой грузов и т.д. Функциональные задачи в совокупности образуют предметную область и полностью определяют ее специфику. Предметная (прикладная) область (application domain) – совокупность связанных между собой функций, задач управления, с помощью которых достигается выполнение поставленных целей. Процесс создания программ можно представить как последовательность действий, представленных на рис.3.1. Постановка задачи Алгоритмизация решения задачи Рис.3.1. Схема процесса создания Программиро вание 41 Постановка задачи (problem definition)- это точная формулировка решения задачи на компьютере с описанием входной и выходной информации. Постановка задачи – обобщенный термин, который означает определенность содержательной стороны обработки данных. Постановка задачи связана с конкретизацией основных параметров ее реализации, определением источников и структурой входной и выходной информации, востребуемой пользователем. К основным характеристикам функциональных задач, уточняемым в процессе ее формализованной постановки, относятся: • Цель и назначение задачи, ее место и связи с другими задачами; • Условия решения задачи с использованием средств вычислительной техники; • Содержание функций обработки входной информации при решении задачи; • Требования к периодичности решения задачи; • Ограничения по срокам и точности выходной информации; • Состав и форма представления выходной информации; • Источники входной информации для решения задачи; • Пользователи задачи (кто осуществляет ее решение и пользуется результатами ее решения). Выходная информация по задаче может быть представлена в виде документов (типа листинга или машинограммы), сформированных кадров – видеограммы на экране Документ ы Документ ы Машинограмма Задача БД БД Видеограмма Сигнал Сигнал Рис.3.2. Схема взаимосвязи входной и выходной информации для решения задач. монитора, файла базы данных, выходного сигнала устройству управления (рис.3.2.). Входная информация по задаче определяется как данные, поступающие на вход задачи и используемые для ее решения. Входной информацией служат первичные данные документов ручного заполнения, информация, хранимая в файлах базы данных (результаты решения других задач, нормативно-справочная информация – классификаторы, кодификаторы, справочники), входные сигналы датчиков (рис.3.2.). Обычно постановка задач выполняется в едином комплексе работ по созданию структуры внутримашинной базы данных, проектированию форм и маршрутов движения документов, изменению организации управления в рамках предметной области. 42 Алгоритм и его свойства Алгоритм – это система точно сформулированных правил, определяющая процесс преобразования допустимых исходных данных (входной информации) в желаемый результат (выходную информацию) за конечное число шагов. Алгоритм решения задачи имеет ряд обязательных свойств: • Дискретность – разбиение процесса обработки информации на более простые этапы (шаги выполнения), выполнение которых компьютером или человеком не вызывает затруднений. • Определенность (детерминированность) алгоритма – однозначность выполнения каждого отдельного шага преобразования информации. Эта характеристика обеспечивает однозначность результат процесса при заданных исходных данных. • Результативность – конечность действий алгоритма решения задач, позволяющая получить желаемый результат при допустимых исходных данных за конечное число шагов. • Массовость – пригодность алгоритма для решения определенного класса задач. В алгоритме отражаются логика и способ формирования результатов решения с указанием необходимых расчетных формул, логических условий, соотношений для контроля достоверности выходных результатов. В алгоритме обязательно должны быть предусмотрены все ситуации, которые могут возникнуть в процессе решения комплекса задач. Формы представления алгоритма Существуют следующие формы представления алгоритма: • словесная (текстуальная); • графическая; • на языках программирования. При словесном способе записи алгоритма содержание последовательных этапов вычислений задается в произвольной форме на естественном языке. Словесная форма имеет ряд недостатков. Для достаточно сложных алгоритмов описание становится слишком громоздким и ненаглядным. Эта форма обычно используется на начальных стадиях разработки алгоритма. Графическая форма представления алгоритмов является более компактной и наглядной. Алгоритм изображается в виде последовательности связанных между собой блоков, каждый из которых соответствует выполнению одного или нескольких операторов. Такое графическое представление называется блок-схемой алгоритма. Условные графические обозначения символов (блоков), используемых для составления блок-схем, стандартизированы. Некоторые часто используемые обозначения приведены ниже. Примечание: все эти блоки можно изобразить с помощью текстового процессора WORD (список “Автофигуры”). Линии, связывающие элементы схемы, должны проводиться только по вертикали или горизонтали, параллельно линии внешней рамки схемы и подводиться к середине блока. Чтобы показать изменение направления, линии проводят с изломом в 90 градусов. На схеме может быть пересечение двух несвязанных линий потока или слияние их. Записи внутри блока должны быть представлены так, чтобы их можно было читать слева направо и сверху вниз, независимо от направления потока. Для удобства нахождения блока на схеме, блоки можно нумеровать. Номер символа задается в виде цифр, букв или сочетания букв и цифр. Номер проставляется сверху слева в разрыве контура. Нумеруются блоки в порядке сверху вниз и слева направо. Если содержание пояснения не помещается внутри блока, то используется “комментарий”, который может относиться как к блоку, так и к линии потока. 43 Комментарий помещают в свободном месте схемы и соединяют с поясняемым блоком или с линией потока штриховой линией. Записывают комментарий в пределах верхней и в а - процесс, обозначающий выполнение операций или группы операций, в результате которых изменяются значение, форма или расположение данных - предопределенный процесс (подпрограмма), состоящий из одной или нескольких операций, определенных в другом месте - решение (условие), имеет один вход и ряд альтернативных выходов, один из которых может быть активизирован после вычисления условий, определенных внутри этого блока - подготовка (модификация), отображает модификацию команды или группы команд с целью воздействия на некоторую последующую функцию, используется для задания циклических действий - ввод-вывод (здесь перечисляются данные, подлежащие вводу или выводу) - пуск-завершение (терминатор) - узел (соединитель), указывает связи между прерванными линиями потока - линии потока, отображают поток данных или управления. Нормальным направлением линий потока (следованием этапов процесса переработки данных) считается направление сверху вниз и слева направо и стрелками не обозначается. Во всех других случаях обозначение направления стрелками обязательно - комментарий Примечание: значение а выбирается из ряда чисел 10, 15, 20 …мм; b=1,5a. нижней граничных линий параллельно основной надписи. В качестве примера рассмотрим блок-схему алгоритма решения квадратного уравнения. Схема приведена на рис. 3.3. 44 Представление алгоритма в виде блок-схемы является промежуточным, так как алгоритм в таком виде не может быть выполнен на ЭВМ. Составление блок-схемы является важным и в большинстве случаев необходимым этапом решения задачи на ЭВМ, значительно облегчающим процесс составления программ. Начало Ввод a, b, c ds = d=b2-4ac Вычисление x1 x1 = − b + ds 2a Вычисление x2 x2 = − b − ds 2a d да d>=0? нет Вывод x1 и x2 Вывод: корней нет Конец Рис. 3.3 Блок-схема алгоритма решения квадратного уравнения Алгоритм, записанный на языке программирования, называется программой. Программирование Программирование (programming) – теоретическая и практическая деятельность, связанная с созданием программ. Программирование является собирательным понятием и может рассматриваться и как наука, и как искусство, на этом основан научно-практический подход к разработке программ. Программа – результат интеллектуального труда, для которого характерно творчество, а оно, как известно не имеет четких границ. В любой программе присутствует индивидуальность ее разработчика, программа отражает определенную степень искусства программиста. Вместе с тем программирование предполагает и рутинные работы, которые могут и должны иметь строгий регламент выполнения и соответствовать стандартам. Программирование базируется на комплексе научных дисциплин, направленных на исследование, разработку и применение методов и средств разработки программ (специализированного инструментария создания программ). При разработке программ используются ресурсоемкие и наукоемкие технологии, высококвалифицированный интеллектуальный труд. Программирование – это развитая отрасль хозяйственной деятельности, связанная со значительными затратами материальных, трудовых и финансовых ресурсов. По данным 45 зарубежных источников, в середине 90-х годов в мире было занято программированием до 2% трудоспособного населения. Совокупный оборот в сфере создания программных средств достигает несколько сот миллиардов долларов в год. В связи с ростом потребности в разнообразных программах обработки данных весьма актуален вопрос применения эффективных технологий программирования и их перевода на промышленную основу. Это означает: • стандартизованность, тиражируемость и воспроизведение различными разработчиками методов программирования; • внедрение прогрессивных инструментальных средств разработки программ; • использование специальных методов и приемов организации работ по разработке программ. Категории специалистов, занятых разработкой и эксплуатацией программ Основная категория специалистов, занятых разработкой программ, - это программисты (programmer). Программисты неоднородны по уровню квалификации, а также по характеру своей деятельности. Наиболее часто программисты делятся на системных и прикладных. Системный программист (system /software programmer, toolsmith) занимается разработкой, эксплуатацией и сопровождением системного программного обеспечения, поддерживающего работоспособность компьютера и создающего среду для выполнения программ, обеспечивающих реализацию функциональных задач. Прикладной программист (application programmer) осуществляет разработку и отладку программ для решения функциональных задач. В условиях создания больших по масштабам и функциям обработки программ появляется новая квалификация – программист-аналитик (programmer-analyst), который анализирует и проектирует комплекс взаимосвязанных программ для реализации функций предметной области. В процессе создания программ на начальной стадии работ участвуют и специалисты – постановщики задач. Большинство информационных систем основано на работе с базами данных (БД). Если база данных является интегрированной, обеспечивающей работу с данными многих Постановка задачи Конечный пользовател Эксплуатаци я программ Постановщ ик Прикладно й Оператор ЭВМ Системный программис Администр атор БД Алгоритмизация решения задач Программирова ние Создание операционной среды Создание информационной среды Рис.3.4. Схема взаимодействия специалистов, связанных с созданием и эксплуатацией 46 приложений, возникает проблема организационной поддержки базы данных, которая выполняется администратором базы данных. Основным потребителем программ служит конечный пользователь (end user), который, как правило, относится к категории пользователей-непрограммистов. Конечный пользователь не является специалистом в области программирования, т.е. не владеет технологией проектирования и создания программ, но имеет элементарные знания и навыки работы с вычислительной техникой. Такая квалификационная характеристика пользователя программного обеспечения в значительной степени влияет на спецификацию требований к создаваемым программам, интерфейсам, формам машинных документов, технологии решения задач на ЭВМ. Возможна эксплуатация программ квалифицированными программистами или специально обученными техническими работниками – операторами ЭВМ. Взаимодействие специалистов различного вида, участвующих в разработке и эксплуатации программ, показано на рис.3.4. В ряде случаев один специалист совмещает несколько видов деятельности. Администратор базы данных и системный программист осуществляют подготовку информационных и программно-технических условий для работы программ. Пунктирные линии означают участие специалиста в качестве консультанта. Характеристика программного продукта Все программы по характеру использования и категориям пользователей можно разделить на два класса – утилитарные программы и программные продукты (изделия). Утилитарные программы (”программы для себя”) предназначены для удовлетворения нужд их разработчиков. Чаще всего утилитарные программы выполняют роль сервиса в технологии обработки данных либо являются программами решения функциональных задач, не предназначенных для широкого распространения. Программные продукты (изделия) предназначены для удовлетворения потребностей пользователей, широкого распространения и продажи. В настоящее время существуют и другие варианты распространения программных продуктов, которые появились с использованием глобальных или региональных телекоммуникаций: • freeware – бесплатные программы, свободно распространяемые, поддерживаются самим пользователем, который правомочен вносить в них необходимые изменения; • shareware – некоммерческие (условно-бесплатные) программы, которые могут использоваться, как правило, бесплатно. При условии регулярного использования подобных бесплатных продуктов осуществляется взнос определенной суммы. Ряд производителей используют OEM-программы (Original Equipment Manufacturer), т.е. встроенные программы, устанавливаемые на компьютеры или поставляемые вместе с вычислительной техникой. Программный продукт должен быть соответствующим образом подготовлен к эксплуатации, иметь необходимую техническую документацию, предоставлять сервис и гарантию надежной работы программы, иметь товарный знак изготовителя, а также желательно наличие кода государственной регистрации. Только при таких условиях программный комплекс может быть назван программным продуктом. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОГРАММНЫХ ПРОДУКТОВ Классы программных продуктов Программные продукты можно классифицировать по различным признакам. Рассмотрим классификацию, в которой основополагающим признаком является сфера (область) использования программных продуктов: Классы продуктов Системное программное обеспечение программных Пакеты прикладных программ 47 Инструментарий технологии программирования Рис. 4.1. Классы программных продуктов • аппаратная часть автономных компьютеров и сетей; • функциональные задачи различных предметных областей; • технология разработки программ. Для поддержки информационной технологии в этих областях выделим соответственно три класса программных продуктов, представленных на рис.4.1: • системное программное обеспечение; • пакеты прикладных программ (прикладное программное обеспечение); • инструментарий технологии программирования. Системное программное обеспечение направлено: • на создание операционной среды функционирования других программ; • на обеспечение надежной и эффективной работы самого компьютера и вычислительной сети; • на проведение диагностики и профилактики аппаратуры компьютера и вычислительных сетей; • на выполнение вспомогательных технологических процессов (копирование, архивирование и восстановление файлов программ и баз данных и т.д.) Данный класс программных продуктов тесно связан с типом компьютера и является его неотъемлемой частью. Программные продукты в основном ориентированы на квалифицированных пользователей - профессионалов в компьютерной области: системного программиста, администратора сети, прикладного программиста, оператора. Однако знание базовой технологии работы с этим классом программных продуктов требуется и конечным пользователям персонального компьютера, которые самостоятельно не только работают со своими программами, но и выполняют обслуживание компьютера, программ и данных. Программные продукты данного класса носят общий характер применения, независимо от специфики предметной области. К ним предъявляются высокие требования по надежности и технологичности работы, удобству и эффективности использования. Системное программное обеспечение (System Software) - совокупность программ и программных комплексов для обеспечения компьютера и сетей ЭВМ. Пакеты прикладных программ (ППП) служат программным инструментарием решения функциональных задач и являются самым многочисленным классом программных продуктов. В данный класс входят программные продукты, выполняющие обработку информации различных предметных областей. Установка программных продуктов на компьютер выполняется квалифицированными пользователями, а непосредственную их эксплуатацию осуществляют, как правило, конечные пользователи - потребители информации, во многих случаях, деятельность которых весьма далека от компьютерной области. Данный класс программных продуктов может быть весьма специфичным для отдельных предметных областей. 48 Пакет прикладных программ (application program package) - комплекс взаимосвязанных программ для решения задач определенного класса конкретной предметной области. Инструментарий технологии программирования обеспечивает процесс разработки программ и включает специализированные программные продукты, которые являются инструментальными средствами разработчика. Программные продукты данного класса поддерживают все технологические этапы процесса проектирования, программирования (кодирования), отладки и тестирования создаваемых программ. Пользователями этого класса программных продуктов являются системные и прикладные программисты. Инструментарий технологии программирования - совокупность программ и программных комплексов, обеспечивающих технологию разработки, отладки и внедрения создаваемых программных продуктов. 49 Системное программное обеспечение Структура системного программного обеспечения На рис.4.2. представлена структура системного программного обеспечения базового программного обеспечения, которое, как правило, поставляется вместе с компьютером, и сервисного программного обеспечения, которое может быть приобретено дополнительно. Системное программное обеспечение Базовое программное обеспечение Операционная система Операционная оболочка Сервисное программное обеспечение Программы диагностики работоспособности Антивирусные программы Программы обслуживания дисков Программы архивирования данных Программы обслуживания сети Рис. 4.2. Классификация системного программного обеспечения компьютера. Базовое программное обеспечение (base software) - минимальный набор программных средств, обеспечивающих работу компьютера. Сервисное программное обеспечение - программы и программные комплексы, которые расширяют возможности базового программного обеспечения и организуют более удобную среду работы пользователя. 50 Базовое программное обеспечение В базовое программное обеспечение входят: • операционная система; • операционные оболочки (текстовые и графические). Понятие операционной системы Операционная система - это совокупность программ, выполняющих две основные функции: 1. управление ресурсами системы, их распределение между несколькими пользователями и контроль за выделением ресурсов для одновременного выполнения многих задач; 2. предоставление набора услуг, обеспечивающего пользователю удобный интерфейс. Пользовательский интерфейс (interface – средства взаимодействия, связи, согласования) – методы и средства взаимодействия человека с аппаратными и программными средствами. Операционные системы классифицируются по: • количеству одновременно работающих пользователей на однопользовательские и многопользовательские; • числу задач, одновременно выполняемых под управлением ОС, на однозадачные и многозадачные; • количеству используемых процессоров на однопроцессорные и многопроцессорные; • разрядности процессора на 8-, 16-, 32- и 64-разрядные; • типу пользовательского интерфейса на командные (текстовые) и объектноориентированные (графические); • типу использования общих аппаратных и программных ресурсов на сетевые и локальные. Главным отличием многопользовательских систем от однопользовательских является наличие средств защиты информации каждого пользователя от несанкционированного доступа других пользователей. В многозадачном режиме каждой задаче (программе, приложению) поочередно выделяется какая-то доля процессорного времени. Поскольку процесс переключения идет очень быстро, а выделяемые задачам доли процессорного времени достаточно малы, то для пользователя создается впечатление одновременного выполнения нескольких задач. Например, можно одновременно запустить на счет математическую систему, включить принтер для печати текста, вести поиск вирусов и раскладывать пасьянс – заметить замедление работы компьютера будет практически невозможно. Различают вытесняющую и невытесняющую многозадачность. При работе ЭВМ важнейшим разделяемым ресурсом является процессорное время. Распределение процессорного времени между несколькими одновременно выполняемыми программами может осуществляться двумя способами. При невытесняющей многозадачности активный процесс выполняется до тех пор, пока он сам по собственной инициативе не отдаст управление ОС для того, чтобы та выбрала из очереди другой готовый к исполнению процесс. При вытесняющей многозадачности решение о переключении процессора с одного процесса на другой принимается ОС, а не самим активным процессом. В качестве примера однопользовательской однозадачной ОС можно назвать MSDOS, однопользовательской многозадачной – Windows. Операционная система UNIX является многопользовательской многозадачной ОС. Создание ОС очень трудоемкий процесс и затраты исчисляются сотнями, даже тысячами человеко-часами. Современные ОС содержат множество системных программ и по этой причине часто занимают на диске больше места, чем прикладная программа, которая использует сервис, предоставляемый ОС. 51 В секторе программного обеспечения и операционного обеспечения и операционных систем ведущее положение занимают фирмы IBM, Microsoft, UNISYS, Novell. Доход от продаж операционных систем в среднем превышает 20 млрд. дол. в год. Наиболее традиционное сравнение ОС осуществляется по следующим характеристикам процесса обработки информации: • управление памятью (максимальный объем адресуемого пространства, типы памяти, технические показатели использования памяти); • функциональные возможности вспомогательных программ (утилит) в составе ОС; • наличие компрессии (сжатия) диска; • возможность архивирования файлов; • поддержка многозадачного режима работы; • поддержка сетевого программного обеспечения; • наличие сетевого программного обеспечения; • наличие качественной документации; • условия и сложность процесса инсталляции. Для компьютеров типа IBM PC наибольшее распространение получили на сегодняшний день следующие ОС: • MS-DOS (Microsoft); • Windows 95 (Microsoft); • Windows NT во всех модификациях (Microsoft); • Novell NetWare (Novell); • Unix во всех модификация. Операционная система MS-DOS является промышленным стандартом для 16разрядных ЭВМ на основе микропроцессоров 8086…80486. Все программы MS-DOS хранятся на магнитных дисках, поэтому она называется дисковой операционной системой (Disk Operation System). Буквы MS являются сокращением названия фирмыразработчика Microsoft. Было выпущено несколько модификаций этой ОС, поэтому можно говорить о целом семействе операционных систем MS-DOS. MS-DOS является командной (текстовой) ОС. Это означает, что для выполнения необходимых операций следует набрать с помощью клавиатуры соответствующую команду. Такой ввод неудобен и приводит к возникновению большого числа ошибок. Для облегчения работы с помощью дисковой операционной системы разработаны графические надстройки, которые называются операционными оболочками. Операционные оболочки Операционные оболочки - специальные программы, предназначенные для облегчения общения пользователя с командами операционной системы. Операционные оболочки имеют текстовый и графический варианты интерфейса конечного пользователя. Наиболее популярны в России следующие виды текстовых оболочек операционной системы MS-DOS: • Norton Commander; • DOS Navigator; • Volkov Commander; • Far. В настоящее время операционные оболочки встраиваются в операционные системы. Они имеют графический интерфейс, расширяют набор основных и сервисных функций. Например, Windows 95 в действительности графической является операционной оболочкой на основе MS-DOS версии 7.0. Ключевые особенности ОС Windows семейства Windows является Достоинством операционных систем унифицированный пользовательский интерфейс (оболочка), благодаря которому в различных программах сохраняются одинаковые принципы управления их работой. А 52 также значительно упрощается освоение новых программ (например, нажатие клавиши F1 – помощь, Alt+F4 – завершение (закрытие) программы). Как уже говорилось, эта ОС обеспечивает возможность выполнения одновременно нескольких задач. Каждая из разных по содержанию задач решается практически одновременно в своем окне (отсюда, в частности, и происхождение самого названия ОС). Информация о вызванных программах в виде значков отображается на Панели задач. Операционная система Windows реазизует режим вытесняющей многозадачности. Он основан на приоритетах. Приоритет - это величина, отражающая важность приложения. Каждое приложение имеет некоторый приоритет. Операционная система Windows выделяет выполняющемуся приложению процессорное время в соответствии с текущими приоритетами. Говорят, что более приоритетное приложение “вытесняет” менее приоритетное. Это позволяет избегать “зависаний” системы. При создании операционной системы Windows фирма Microsoft использовала объектно-ориентированный подход. На уровне пользователя это выражается в том, что интерфейс представляет собой подобие реального мира, а работа с ЭВМ сводится к действиям с обычными объектами (например, папки можно открывать, закрывать, убирать в портфель, выбрасывать в корзину). В ОС Windows заложен принцип – WYSIWYG (What You See Is What You Get – что видите, то и получаете), за счет которого на принтере формируется такое же изображение, как и на экране дисплея. При работе в DOS вид текста на экране и отпечатанного на принтере может оказаться разным. Другой удачный принцип – Plug And Play (вставь и играй, точнее подключи и используй) позволяет без ручной настройки подключать новые устройства к ЭВМ (например, принтер или лазерный проигрыватель). ОС автоматически подбирает драйвер для работы этого устройства. Драйверы (driver – шофер, водитель) – системные программы, обеспечивающие работу принтеров, дисководов, дисплеев, клавиатуры и других внешних устройств ЭВМ. В Windows используется технология Drag And Drop (перетащи и положи). Благодаря этой технологии можно легко изменить положение окна и его размеры, удалить или переместить объект с помощью мыши. В Windows можно составлять документы из частей, подготовленных в различных приложениях. Для связывания и внедрения объектов используется технология OLE (Object Linking and Embedding), что означает «связывание и внедрение объектов». Например, в документ, подготовленный в текстовом редакторе, можно вставить рисунок, сделанный в графическом редакторе. При этом достаточно дважды щелкнуть мышью по рисунку, чтобы вызвать графический редактор, и сделать нужные исправления. Безусловно уровень сервиса операционных систем семейства Windows значительно выше уровня MS-DOS. Однако, за облегчение работы приходится платить большими затратами на аппаратное обеспечение: увеличивать объем ОЗУ, винчестера, повышать быстродействие процессора. Более подробно об операционных системах MS-DOS и Windows будет рассказано несколько позже. Перспективной является многопользовательская и многозадачная операционная система UNIX, созданная корпорацией Bell Laboratory в 1969 году. Главными отличительными чертами ОС UNIX являются ее модульность, легкая переносимость на другие типы ЭВМ обширный набор системных программ. Данная ОС органически сочетается с языком Си, на котором написана основная часть модулей, и предоставляет благоприятную обстановку для системных программистов, т.е. для тех специалистов, основной задачей которых является разработка новых системных программ. 53 UNIX получила распространение для суперкомпьютеров, рабочих станций и профессиональных компьютеров, имеет большое количество версий, разработанных различными фирмами. Linux – свободно распространяемая версия операционной системы UNIX. В ней не используется никаких частей программного обеспечения, принадлежащих каким-либо коммерческим организациям. По этой причине она получила достаточно широкое распространение. Первая версия ОС Linux была разработана в 1991 году Т. Линусом (Финляндия), а затем в ее разработке участвовало большое число людей из разных частей мира. Последние версии являются результатом коллективного творчества большого числа программистов. Сетевые операционные системы Сетевые операционные системы – комплекс программ, обеспечивающий обработку, передачу и хранение данных в сети. Сетевая ОС предоставляет пользователям различные виды сетевых служб (управление файлами, электронная почта, процессы управления сетью и др.), поддерживает работу в абонентских системах. Наибольшее распространение имеют Novell NetWare, Windows NT. Операционная система Windows NT является многозадачной, предназначенной для архитектуры клиент-сервер и использования различных протоколов транспортного уровня сетевой операционной системы, имеет 32-разрядную архитектуру и обеспечивает функции локальной сети: • возможность каждой абонентской системы в сети быть сервером или клиентом; • совместную работу группы пользователей; • адресацию оперативной и внешней памяти большого размера; • многозадачность и многопоточность обработки данных; • поддержку мультипроцессорной обработки и др. Центральное место среди сетевых ОС занимает UNIX. Развитие ОС идет в условиях жесткой конкуренции и здесь можно выделить две наиболее мощные сетевые ОС: UNIX и Windows NT. О динамике спроса говорят следующие цифры: к концу 20 века продажа рабочих станций с ОС Windows NT возросла на 80%, а с ОС UNIX упала на 7%. Сетевые ОС оцениваются по комплексу критериев: производительность, разнообразие возможностей связи пользователей, возможности администрирования. Сервисное программное обеспечение Расширением базового программного обеспечения компьютера является набор программ, которые можно сервисных, дополнительно устанавливаемых классифицировать по функциональному принципу следующим образом: • программы диагностики работоспособности компьютера позволяют проверить конфигурацию компьютера и работоспособность его устройств; • антивирусные программы предназначены для предотвращения заражения компьютерным вирусом и ликвидации последствий заражения; • программы обслуживания дисков имеют несколько разновидностей: − программы, обеспечивающие проверку качества поверхности магнитного диска; − программы для оптимизации дисков, позволяющие обеспечить более быстрый доступ к информации на диске за счет оптимизации размещения данных на диске; − программы динамического сжатия дисков, создающие псевдодиски, информация которых хранится в сжатом виде в виде файлов на обычных (настоящих) дисках компьютера, что позволяет хранить на дисках больше данных; − программы-кэши для диска, ускоряющие доступ к информации на дисках путем организации в оперативной памяти кэш-буфера, содержащего наиболее часто используемые участки диска; 54 − программы создания страховых копий диска и т.д. • программы архивирования данных позволяют за счет применения специальных методов “упаковки” информации сжимать информацию на дисках, т.е. создавать копии файлов меньшего размера, а также объединять копии нескольких файлов в один файл; • программы обслуживания сети. Эти программы часто называют утилитами. Подобные утилиты включаются и в состав операционных систем. Вирусы и антивирусные программы Компьютерный вирус – это программа, способная создавать свои копии (не обязательно совпадающие с оригиналом), внедрять их в различные объекты или ресурсы компьютерных систем, сетей и производить определенные действия без ведома пользователя. Программа, внутри которой находится вирус, называется зараженной (инфицированной) программой. Внешне зараженная программа может работать так же, как и обычная программа. Только, когда она запускается, то сначала управление получает вирус, и после того, как выполнит нужные ему действия, он передаст управление той программе, в которой он находится. Подобно настоящим вирусам компьютерные вирусы прячутся, размножаются и ищут возможность перейти на другие ЭВМ. Естественно, что вирусы появляются не самостоятельно, а их создают кракеры-вандалы (техно-крысы). Основные симптомы вирусного заражения ЭВМ: замедление работы некоторых программ; увеличение размеров файлов (особенно выполняемых); появление «странных» файлов; уменьшение объема доступной оперативной памяти; внезапно возникающие разнообразные видео и звуковые эффекты; появление сбоев в работе ОС (в том числе зависание); запись информации на диски в моменты времени, когда этого не должно происходить; прекращение работы или неправильная работа ранее нормально функционирующих программ. Существует большое число различных классификаций вирусов: - по среде обитания (сетевые, файловые, загрузочные); - по способу заражения (резидентные и нерезидентные); - по степени опасности (неопасные, опасные, очень опасные); Например: Неопасный вирус – на экране появляется сообщение: «Хочу чучу», если с клавиатуры набрать слово «чуча», то вирус временно «успокаивается». Примером очень опасного вируса может служить вирус CIH (Чернобыль), активизирующийся 26 числа каждого месяца и способный уничтожать данные на жестком диске и в BIOS. особенностям алгоритма (вирусы-компаньоны, паразитические, - по репликаторы (черви), невидимки (стелс), мутанты (призраки, полиморфики), макро-вирусы, троянские программы); - по целостности (монолитные и распределенные). Для борьбы с вирусами разрабатываются антивирусные программы. Говоря медицинским языком, эти программы могут выявлять (диагностировать), лечить (уничтожать) вирусы и делать прививку «здоровым» программам. Различают следующие виды антивирусных программ: программы-детекторы; программы-доктора (или фаги, дезинфекторы); программы-ревизоры; программы-фильтры (сторожа, мониторы); 55 программы-иммунизаторы. В России наибольшее распространение получили программы-детекторы, одновременно выполняющие и функции программ-докторов. Такие как: - AVP (Antiviral Toolkit Pro, автор – Е. Касперский; - Aidstest (автор – Д. Лозинский) ; - Doctor Web (авторы – Данилов, Лутовинов и Белоусов). Антивирусная программа ADinf (Advanced Diskinfoscope, автор – Д. Мостовой) относится к классу ревизоров. Антивирус имеет высокую скорость работы, способен с успехом противостоять вирусам, находящимся в памяти. Особенно эффективен при обнаружении новых вирусов, противоядие для которых еще не придумано. Основные меры по защите ЭВМ от заражения вирусами: 1. Необходимо оснастить ЭВМ современными антивирусными программами и постоянно обновлять их версии. 2. При работе в глобальной сети должна быть установлена программа-фильтр (сторож, монитор). 3. Проверять дискеты на наличие вирусов. 4. При работе на других компьютерах защищать свои дискеты от записи. 5. Делать архивные копии ценной информации. 6. Не следует оставлять дискету в дисководе при включении или перезагрузке ЭВМ. Минимальный состав системного программного обеспечения современных персональных компьютеров В поставку персонального компьютера для обеспечения его нормального функционирования обычно входили: - операционная система MS DOS; - текстовая оболочка операционной системы Norton Commander; - графическая оболочка операционной системы Windows; - утилиты для обслуживания файлов, обеспечения надежной работы ЭВМ Norton Utilities; - программы диагностики и тесты ЭВМ. На современных компьютерах функции программ, указанных в п. 4,5 выполняет ОС Windows. Возможны и другие варианты комплектации. Инструментарий технологии программирования Состав и назначение инструментария технологии программирования В настоящее время бурно развивается направление, связанное с технологией создания программных продуктов. Это обусловлено переходом на промышленную технологию производства программ, стремлением к сокращению сроков, трудовых и материальных затрат на производство и эксплуатации программ, обеспечению гарантированного уровня их качества. Это направление часто называют программотехникой. Программотехника (software engineering) - технология разработки, отладки, верификации и внедрения программного обеспечения. Инструментарий технологии программирования - программные продукты поддержки (обеспечения) технологии программирования. В рамках этих направлений сформировались следующие группы программных продуктов (рис. 4.4): • средства для создания приложений, включающие : 56 − локальные средства, обеспечивающие выполнение отдельных работ по созданию программ; Инструментарий технологии программирования Средства для создания приложений Локальные средства Средства для создания информационных систем (CASE-технология) Интегрированные среды Языки и средства программирования Инструментальная среда пользователя Рис. 4.4. Классификация инструментария технологии программирования − интегрированные среды разработчиков программ, обеспечивающие выполнение комплекса взаимосвязанных работ по созданию программ; • CASE - технология (Computer-Aided System Engineering), представляющая методы анализа, проектирования и создания программных систем и предназначенная для автоматизации процессов разработки и реализации информационных систем. Средства для создания приложений Локальные средства для разработки программ. Эти средства на рынке программных продуктов наиболее представительны и включают языки и системы программирования, а также инструментальную среду пользователя. Язык программирования - формализованный язык для описания алгоритма решения задачи на компьютере. Средства для создания приложений - совокупность языков и систем программирования, а также различные программные комплексы для отладки и поддержки создаваемых программ. Языки программирования Языки программирования, если в качестве признака классификации взять синтаксис образования его конструкций, можно условно разделить на классы: • машинные языки (computer language) - языки программирования, воспринимаемые аппаратной частью компьютера (машинные коды); языки (computer-oriented language) языки • машинно-ориентированные программирования, которые отражают структуру конкретного типа компьютера (ассемблеры); • алгоритмические языки (algorithmic language) - не зависящие от архитектуры компьютера языки программирования для отражения структуры алгоритма (Паскаль, Фортран, Бейсик и др.). • проблемно-ориентированные языки (universal programming language) - языки программирования для решения задач определенного класса (Лисп, Java и др.); 57 • интегрированные системы программирования. Другой классификацией языков программирования является их деление на языки, ориентированные на реализацию основ структурного программирования, и объектноориентированные языки, поддерживающие понятие объектов, их свойств и методов обработки. Язык машинных кодов в настоящее время практически не используется из-за громоздкости программ и трудоемкости программирования. Язык ассемблера, по существу, аналогичен машинному языку компьютера, но он представлен в форме, более понятной людям. Важнейший момент языка ассемблера состоит в том, что программист записывает отдельные подробнейшие инструкции по выполнению программы. Разработка программы на этом языке оказывается длительным и утомительным процессом. Однако, полученные программы отличаются высокой эффективностью: они короче и быстрее. Кроме того программист может заставить компьютер сделать все, на что он способен, а другие языки (кроме машинных кодов) не позволяют программистам использовать все возможности компьютера. Этот язык в настоящее время в основном используется для написания драйверов- программ управления устройствами ( в основном это драйверы нестандартных устройств, т.к. драйверы стандартных устройств включаются в состав операционных систем). Языки высокого уровня Языки высокого уровня, т.е. все компьютерные языки, отличающиеся от языка машинных кодов и ассемблера, предназначены для того, чтобы устранить громоздкость и подверженность ошибкам языка ассемблера, возлагая на сам компьютер большую часть работы по образованию подробных машинных команд. Языки высокого уровня опираются на две идеи. Одна из них заключается в объединении многих машинных команд в одну команду (оператор) программы. Вторая идея состоит в устранении тех тонких деталей, которые учитывают действия компьютера, но не относятся к требуемой программисту работе (например, какие регистры и для чего использовать). Программа, подготовленная на языке высокого уровня, проходит: 1. этап трансляции, когда происходит преобразование исходного кода программы (source code) в объектный код (object code), т.е. осуществляется перевод на язык машинных кодов; 2. этап компоновки, когда происходит обработка объектного кода редактором связей, специальной программой осуществляющей построение загрузочного модуля (load module), пригодного к выполнению (рис 4.5.). Исходный код программ ы на алгоритм. языке Транслятор (компилятор) Объектны й код программ ы на машинном языке Редактор связей Загрузочн ый модуль, готовый для выполнени я Рис 4.5. Схема процесса создания загрузочного модуля программы Трансляция может выполняться с использованием средств компиляторов (compiler) или интерпретаторов (interpreter). Компиляторы транслируют всю программу, но без ее выполнения. Интерпретаторы, в отличие от компиляторов, выполняют пооператорную обработку и выполнение всей программы. Существуют специальные программы, предназначенные для трассировки и анализа выполнения программ, так называемые отладчики (debugger). Лучшие отладчики 58 позволяют осуществить трассировку (отслеживание выполнения программы в пооператорном варианте), идентификацию места и вида ошибок в программе, ”наблюдение” за изменением значений переменных, выражений и т.п. Системы программирования Системы программирования (programming system) включают: • компилятор; • интегрированную среду обработки, включающую текстовый редактор для ввода и корректировки программ; • отладчик; • средства оптимизации кода программы; • набор библиотек (возможно с исходными текстами программ); • редактор связей; • сервисные средства (утилиты) для работы с библиотеками, текстовыми и двоичными файлами; • справочные системы; • документатор исходного кода программы; • систему поддержки и управления проектом программного комплекса. Осуществляет отслеживание изменений, выполненных разработчиками программы; поддержку версий программы с автоматической разноской изменений; получение статистики о ходе работ проекта. примером такой системы программирования может служить система Турбо Паскаль. Инструментальная среда пользователя представлена специальными средствами, встроенными в пакеты прикладных программ, такими как: • библиотека функций, процедур, объектов и методов обработки; • макрокоманды; • языковые макросы; • программные модули-вставки; • генераторы приложений; • языки запросов высокого уровня и т.п. Интегрированные среды Интегрированные среды разработки программ являются дальнейшим развитием средств разработки программ и объединяют комплекс технологических этапов создания программы. Основное их назначение - повышение производительности труда программистов, автоматизация создания кодов программ, обеспечивающих графический интерфейс пользователя, разработка приложения для архитектуры клиент - сервер, запросов и отчетов. Примером такой среды является система Delphi. Разработчику программ с использованием Delphi предоставлены: • объектно-ориентированный язык программирования; • высокопроизводительный компилятор; • средства наглядного (визуального) создания программ (для создания системы меню, экранных форм, отчетных форм и т.п.); • специальная технология работы с базами данных; • принцип “открытой” системы: возможность добавления новых средств и перенос на другие платформы. 59 CASE-технология создания информационных систем Средства CASE-технологии2 - относительно новое, сформированное на рубеже 80-х гг. направление. Массовое применение затруднено крайне высокой стоимостью и предъявляемыми требованиями к оборудованию рабочего места разработчика. CASE-технология программный комплекс, автоматизирующий весь технологический процесс анализа, проектирования, разработки и сопровождения сложных программных систем. Средства CASE-технологий делятся на две группы: • встроенные в систему реализации – все решения по проектированию и реализации привязаны к выбранной системе управления базами данных (СУБД); • независимые от системы реализации – все решения по проектированию ориентированы на унификацию начальных этапов жизненного цикла и средств их документирования, обеспечивают большую гибкость в выборе средств реализации. Основное достоинство CASE-технологии – поддержка коллективной работы над проектом за счет возможности работы в локальной сети разработчиков, экспорта/импорта любых фрагментов проекта, организационного управления проектом. Некоторые CASE-технологии ориентированы только на системных проектировщиков и предоставляют специальные графические средства для изображения различного вида моделей. Другой класс CASE-технологий поддерживает только разработку программ, включая: • автоматическую генерацию кодов программ на основании их спецификаций; • проверку корректности описания моделей данных и схем потоков данных; • документирование программ согласно принятым стандартам и актуальному состоянию проекта; • тестирование и отладку программ. 2 Case (англ.) – чемодан, портфель, кейс 60 Пакеты прикладных программ Данный класс программных средств наиболее представителен, что обусловлено прежде всего широким применением средств компьютерной техники во всех сферах деятельности человека. Примерная классификация прикладного программного обеспечения представлена на рис.4.3. Пакеты прикладных программ Проблемноориентированные ППП ППП автоматизированного проектирования Методоориентированные ППП Офисные ППП ППП общего назначения Программные средства мультимедиа Интеллектуальные системы Настольные мздательские издательские системы Рис. 4.3. Классификация пакетов прикладных программ Проблемно-ориентированные ППП Для некоторых предметных областей возможна типизация функций управления, структуры данных и алгоритмов обработки. Это вызвало разработку значительного числа пакетов одинакового функционального назначения и, таким образом, создало рынок программных продуктов: • ППП автоматизированного бухгалтерского учета; • ППП финансовой деятельности; • ППП управления персоналом (кадровый учет); • ППП управления производством; • банковские информационные системы и т.п. Примером такого ППП, автоматизирующего бухгалтерский учет, является “1С:Бухгалтерия”. Основные тенденции в области развития проблемно-ориентированных программных средств: создание программных комплексов в виде автоматизированных рабочих мест (АРМ) управленческого персонала; создание интегрированных систем управления предметной областью на базе вычислительных сетей, объединяющих АРМы в единый программный комплекс с архитектурой клиент-сервер; организация данных больших информационных систем в виде распределенной базы данных на сети ЭВМ; наличие простых языковых средств конечного пользователя для запросов к базе данных; 61 настройка функций обработки силами конечных пользователей (без участия программистов); защита программ и данных от несанкционированного доступа (парольная защита на уровне функций, режимов работы, данных). Для подобного класса программ высоки требования к оперативности обработки данных (например, пропускная способность для банковских систем должна составлять несколько сот транзакций в секунду), велики объемы хранимой информации, что обусловливает повышение требования к средствам администрирования данных БД (актуализации, копирования, обеспечения производительности обработки данных). Наиболее важно для данного класса программных продуктов создание дружественного интерфейса для конечных пользователей. ППП автоматизированного проектирования Программы этого класса предназначены для поддержания работы конструкторов и технологов, связанных с разработкой чертежей, схем, диаграмм, графическим моделированием и конструированием, созданием библиотеки стандартных элементов чертежей и их многократным использованием, созданием демонстрационных иллюстраций и мультфильмов. Эти системы еще называют САПР - системами автоматизированного проектирования. Этому термину соответствует английская аббревиатура CAD – ComputerAided Design. Эти три буквы входят в названия многих иностранных программ, предназначенных для конструирования, черчения, трехмерного моделирования объемных объектов и оформления инженерной документации, например, P-CAD, OrCAD, ArchiCAD, AutoCAD. P-CAD, OrCAD – предназначены для проектирования радиоэлектронных изделий, начиная от составления принципиальной схемы и вплоть до подготовки документации на разработанное устройство. Программа AutoCad фирмы AutoDesk является лидером среди инженерных графических пакетов. Проектирование в таких системах является автоматизированным (в отличие от автоматического) и осуществляется под непосредственным контролем оператора (пользователя), чаще всего в форме диалога. Такой режим работы называется интерактивным режимом. САПР не только облегчают процесс создания и описания новых объектов, но и являются удобными справочниками, которые позволяют пользователям накапливать и хранить информацию. Например, в базах машиностроительных САПР содержатся подробные сведения о болтах, гайках, винтах, штифтах, шайбах и т.п. Наиболее широко САПР используются в электронике, электротехнике, архитектуре, автомобилестроении, нефтехимической строительстве, машиностроении, промышленности, аэрокосмической технике. ППП общего назначения Данный класс содержит широкий перечень программных продуктов, поддерживающих преимущественно информационные технологии конечных пользователей. Кроме конечных пользователей этими программными продуктами за счет встроенных средств технологии программирования могут пользоваться и программисты для создания усложненных программ обработки данных. Представители данного класса программных продуктов: Системы управления базами данных Системы управления базами данных (СУБД) позволяют управлять большими информационными массивами - базами данных. СУБД – пакет программ, обеспечивающих создание БД и организацию данных. СУБД позволяют вводить, отбирать и редактировать данные. СУБД предоставляют средства для извлечения данных по определенному критерию (требованию, правилу). 62 СУБД дают возможность конечным пользователям осуществлять непосредственное управление данными (т.е. работать в интерактивном режиме), а программистам и системным аналитикам быстро разрабатывать более совершенные программные средства их обработки (т.е. СУБД включают средства программирования). При необходимости разработки небольших информационных систем часто применяются Microsoft Access, FoxPro, Clarion и др. Для создания больших многопользовательских информационных систем лучше подходят СУБД типа клиентсервер. В них сама база данных располагается на мощном компьютере - сервере, который выполняет от других программ, выполняемых на других компьютерах - клиентов, запросы на получение той или другой информации из базы данных или осуществление тех или иных манипуляций с данными. Среди таких СУБД широко используется Oracle, Microsoft SQL Server, Sybase SQL Server, Informix и др. Общим для различных видов серверов баз данных является использование реляционного языка SQL (Structured Query Language) для реализации запросов к данным. Некоторые СУБД предусматривают средства обеспечения безопасности данных: шифрование прикладных программ; шифрование данных; защита паролем; ограничение уровня доступа к БД, к таблице, к словарю. Текстовые процессоры Текстовые процессоры (редакторы документов) - это наиболее широко используемый вид прикладных программ. Они позволяют подготавливать документы гораздо быстрее и удобнее, чем с помощью пишущей машинки. Возможно использование различных шрифтов символов, абзацев произвольной формы, автоматического переноса слов на новую строку, оформление сносок, включение рисунков, автоматическая нумерация страниц и т.д. Наиболее мощные текстовые процессоры позволяют проверять правописание, набирать тексты в несколько столбцов, создавать таблицы и диаграммы, строить оглавления, предметные указатели и т.д. Cовременные ТП имеют возможность отменить выполнение некоторого числа ошибочно сделанных операций (такой режим называется откатом). В качестве примера такой системы в рамках курса мы изучим текстовый процессор Word фирмы Microsoft. Среди других известных, но менее используемых можно назвать WordPerfect, отечественный редактор Лексикон, Chiwriter (имеет широкий набор символов), MultiEdit (позволяет работать с большим количеством документов , до 100, используется для составления и редактирования программ на языках программирования Assembler, Pascal, Basic). Табличные процессоры Табличные процессоры – удобная среда для вычислений силами конечного пользователя. С помощью электронных таблиц (ЭТ) можно решать финансовые, экономические, математические и статистические задачи. При работе с табличным процессором на экран выводится прямоугольная таблица, в клетках которой могут находиться числа, пояснительные тексты и формулы для расчета значения в клетке по имеющимся данным. Все распространенные табличные процессоры позволяют перевычислять значения элементов таблиц по заданным формулам, строить по данным в таблице различные графики и т.д. Современные табличные процессоры поддерживают трехмерные таблицы, позволяют создавать собственные входные и выходные формы (например, печатать платежные поручения или бухгалтерские балансы установленной формы), включать в таблицы рисунки, использовать средства автоматизации – макрокоманды, работать с базами данных и т.д. Кроме того имеется множество возможностей декоративного характера – включение звуковых эффектов, создание слайд-шоу и т.д. 63 Наибольшей популярностью в настоящее время пользуется Microsoft Excel, который и будет в дальнейшем подробно изучен в рамках этого курса. Другие известные представители этого класса систем: Quattro Pro for Windows, Lotus 1-2-3 for Windows. Графические редакторы Некоторые области применения компьютерной графики: оформление визиток и объявлений; иллюстративная и деловая графика; подготовка рисунков для статей, книг; моделирование реально несуществующих объектов; построение трехмерных сцен и анимационных фильмов; создание рекламных роликов и др. Для составления подобных документов служат специальные прикладные программы - графические редакторы. В простейших редакторах предоставляются возможности рисования линий, кривых, раскраски областей экрана, создания надписей различными шрифтами. Такой редактор входит в состав Windows (Paint). Современные ГР снабжены набором инструментов для инвертирования, зеркального отображения, ретуширования изображения, формирования текстовых сообщений, имитации различных манер живописи, изменение яркости и контрастности, создание иллюзии движения и др. Все ГР можно разделить на два класса: растровые и векторные. В растровых ГР изображение строится на растре маленьких по величине квадратиков (пикселей). Растровая графика получается в результате сканирования фотографий, иллюстраций, в результате съемки с помощью цифрового фотоаппарата или цифровой видеокамеры. Растровыми графическими редакторами являются Paint, Adobe Photoshop, Imaging, Adobe Photo-Paint, Photostyler. Профессиональные редакторы типа Adobe Photoshop, рассчитаны на создание художественных растровых изображений и имеют множество изобразительных средств. Недостатки растровой графики: большие объемы файлов (несколько Мбайт) и искажение изображения при изменении масштаба. Достоинства – почти неограниченные возможности изменения цвета и формы объекта. Весьма популярны также редакторы объектной (векторной) графики типа Corel Draw, Adobe Illustrator, Macromedia Freehand. Они работают с изображением, состоящим не из цветных точек, а из различных объектов – линий, букв и т.д. Векторы представляют собой математическое описание объектов (например, для прямой линии задаются координаты двух точек, для круга – координаты центра и радиус). При использовании векторной графики запоминается математическая формула объекта, поэтому файлы с векторным изображением занимают значительно меньше места в памяти (десятки Кбайт). Изменение масштаба не приводит к искажениям. Динамическое изображение создают с помощью редакторов 3D Studio MAX, Corel Draw, Animator Pro. Трехмерные объекты любой формы с помощью ГР можно подвергать деформациям изгиба, кручения и сдвига. Графическая программа COSMOPOLITAN Virtual Makeover позволяет моделировать имидж (внешний вид) человека. Программа располагает базой, содержащей 150 видов причесок. Средства презентационной графики Средства презентационной графики специализированные программы, предназначенные для создания изображений и показа их на экране, подготовки слайдфильмов, мультфильмов, видеофильмов, их редактирования, определения порядка следования изображений. Для работы этих программ также необходимо специализированное оборудование – жидкокристаллическая проекционная панель, которая просвечивается проектором для вывода изображения на экран, видеотехника. Примерами таких программ являются PowerPoint фирмы Microsoft, Freelance 64 Graphics фирмы Lotus, Autodesk Animator Pro и др. Интегрированные пакеты Интегрированные пакеты – набор нескольких программных продуктов, функционально дополняющих друг друга, поддерживающих единые информационные технологии, реализованных на общей вычислительной и операционной платформе. Наиболее распространены интегрированные пакеты, компонентами которых являются: • СУБД; • текстовый редактор (процессор); • табличный процессор; • органайзер; • средства поддержки электронной почты; • программы создания презентаций; • графический редактор. Компоненты интегрированных пакетов могут работать изолированно друг от друга, но основные достоинства интегрированных пакетов проявляются при их разумном сочетании друг с другом. Пользователи интегрированных пакетов имеют унифицированный для различных компонентов интерфейс, тем самым обеспечивается относительная легкость их освоения. Также к отличительным особенностям этого класса программных средств можно отнести: • общий сервис для программ интегрированного пакета (например, словарь и средства орфографии для проверки правописания, построитель диаграмм и т.д.); • легкость обмена информацией между компонентами пакета; • наличие единой языковой платформы для разработки макрокоманд, пользовательских программ; • возможность создания составных документов, интегрирующих возможности различных программ, входящих в состав интегрированного пакета. • эффективность при групповой работе в сети. Яркий пример такого интегрированного пакета – Microsoft Office Standard for Windows’ 95. Методо-ориентированные ППП Данный класс включает программные продукты, обеспечивающие независимо от предметной области и функций информационных систем математические, статистические и другие методы решения задач. Наиболее распространены методы математического программирования, решения дифференциальных уравнений, имитационного моделирования, исследования операций. Примерами таких пакетов могут служить пакет обработки статистической информации StatGraphics и математический пакет Mathematica. Офисные ППП Данный класс программных продуктов охватывает программы, обеспечивающие организационное управление деятельностью офиса.. 1. Органайзеры (планировщики) - программное обеспечение для планирования рабочего времени, составления протоколов встреч, расписаний ведения записной и телефонной книжки. В состав программ органайзеров входят: калькулятор, записная книжка, часы, календарь и т.д. 2. Программы – переводчики, средства проверки орфографии и распознавания текста включают: • программы переводчики, предназначенные для создания подстрочного перевода исходного текста; • словари орфографии, используемые при проверке текстов; • словари синонимов, используемые для стилевой правки текстов; 65 • программы для распознавания считанной сканерами информации и преобразования в текстовое представление. Примером такого пакета может служить ППП Stylus Lingvo Office, реализующий весь цикл от “листа до листа”. С помощью сканера осуществляется считывание текстового изображения, находящегося на печатном листе; FineReader осуществляет распознавание графических образов и запись считанной информации в текстовом виде; Stylus for Windows выполняет перевод на указанный язык; корректор орфографии Lingvo Corrector и резидентный словарь Lingvo осуществляют проверку и правку. Результат перевода представляется в формате текстового редактора Word for Windows. 3. Коммуникационные ППП – предназначены для организации взаимодействия пользователя с удаленными абонентами или информационными ресурсами сети. ( Пример такого ППП Norton pcANYWHERE). Настольные издательские системы Данный класс программ включает программы, обеспечивающие информационную технологию компьютерной издательской деятельности: • форматирование и редактирование текстов; • автоматическую разбивку текста на страницы; • создание заголовков; • компьютерную верстку печатной страницы; • монтирование графики; • подготовку иллюстраций и т.д. ППП Adobe Page Maker обеспечивает подготовку многостраничных цветных публикаций, гибкий дизайн страниц, высококачественную печать, расширены возможности по верстке, разработаны и включены новые цветовые библиотеки, разработаны новые технологии, которые расширяют цветовую гамму традиционной офсетной печати. Программные средства мультимедиа Мультимедиа – это относительно новая информационная технология. Основное назначение программных продуктов мультимедиа - создание и использование аудио- и видеоинформации для расширения информационного пространства пользователя. Программные продукты мультимедиа заняли лидирующее положение на рынке в сфере библиотечного информационного обслуживания, процессе обучения, организации досуга. Базы данных компьютерных изображений произведений искусства, библиотеки звуковых записей будут составлять основу для прикладных обучающих систем, компьютерных игр, библиотечных каталогов и фондов. Некоторые продукты мультимедиа: Домашняя энциклопедия здоровья, Энциклопедия компьютера (Кирилл и Мефодий), ART – История искусств, Midi Music Shop – музыкальный магазин, обучающие программы (English Gold, Правила дорожного движения и т.п.). Мультимедийный отечественный лазерный диск «Большой энциклопедический словарь» содержит 85000 статей. Известные аналогичные издания зарубежом: Encarta, Compton’s, Grolier. Дальнейшим развитием технологии мультимедиа можно считать виртуальную реальность. Виртуальная реальность Виртуальная реальность - это новая информационная технология, которая позволяет пользователю в реальном времени находиться и перемещаться в иллюзорном трехмерном пространстве (вверх, вниз, вправо, влево, вглубь, наружу). Впервые технология виртуальной реальности (ВР) была использована для обучения военных летчиков. ВР позволяет создать для медицинских работников иллюзию реально проводимой хирургической операции. Архитектор может рассмотреть интерьер 66 и внешний вид спроектированного им здания. Для демонстрации мод используют виртуальные модели, которые заимствуют лучшие черты у известных манекенщиц. ВР применяется при тренировке летчиков, космонавтов и спортсменов. Существуют виртуальные музеи, виртуальные банки и магазины. ВР является одним из захватывающих средств развлечений (например, моделирование полета космического корабля, когда происходят столкновения с астероидами и нападения инопланетян). Технология ВР формирует трехмерное изображение, стереофонический звук, тактильные ощущения (ощущения прикосновения, осязания), воздействует на чувство равновесия. Все эти эффекты технически реализуются с помощью различных устройств (шлемы-дисплеи, информационные перчатки, информационный костюм, двухцветные очки – для стереоэффекта, джойстринг). Традиционные системы ВР позволяют имитировать движение, однако пользователь в это время неподвижно располагается в кресле. Братья Нурахмед и Нурулла Латыповы (Россия) изобрели устройство для свободного перемещения пользователя по виртуальному миру. Это устройство авторы назвали «Виртуальная сфера». Оно представляет собой полую сферу размером, позволяющим двигаться взрослому человеку. Сфера может вращаться в любом направлении благодаря специальным колесам-опорам. Перед тем, как войти пользователь надевает специальный костюм, на спине костюма находится компьютер-ноутбук, к нему подключены датчики, встроенные в костюм. Таким образом все положения и жесты определяются и фиксируются. С ее помощью пользователь сможет обучаться боевым искусствам, танцам, делать пешеходные прогулки по знаменитым городам мира. Системы искусственного интеллекта Данный класс программных продуктов реализует отдельные функции интеллекта человека. Искусственный интеллект (ИИ) ИИ – одно из направлений информатики, которое занимается решением интеллектуальных задач и разрабатывает аппаратно-программные средства для общения с ЭВМ на естественном языке. ИИ можно разделить на нейрокибернетику (искусственный разум) и кибернетику «черного ящика» (машинный интеллект). Нейрокибернетика базируется на аппаратном моделировании работы нервных клеток человеческого мозга (около 14 миллиардов связанных и взаимодействующих нейронов). Системы, моделирующие работу мозга, называют нейронными сетями. Основа кибернетики «черного ящика» в том, что реакция «мыслящего» устройства на заданные входные воздействия должна совпадать с реакцией человеческого мозга. Конструкция самого устройства при этом не важна. Примеры искусственного интеллекта это: автоматическая проверка правописания, автоматическое заполнение таблиц, поиск информации в глобальной сети по заданным ключевым словам и т.п. Идеи ИИ используются в теории логических и стратегических игр, таких как шахматы, шашки, реверси. С помощью ИИ решают задачу синтеза речи и распознавания речи, распознавания образов (идентификация отпечатков пальцев, сравнение лиц). Интеллектуальные роботы – электромеханические устройства, предназначенные для автоматизации человеческого труда. Яркими представителями ИИ являются электронные переводчики и словари. Например: Stylus (последние версии получили название PROMT) и Socrat (фирма Арсеналь) – две наиболее распространенные в России программы перевода; электронные словари МультиЛекс, Лингво (Lingvo). Экспертные системы (ЭС) Экспертные системы тоже построены на идеях ИИ. 67 ЭС – это интеллектуальная вычислительная система, в которую включены знания экспертов в определённой предметной области (финансы, медицина, право, геология, страхование и т.д.). ЭС позволяет накапливать, систематизировать и сохранять знания и опыт, которые могут быть использованы на практике неограниченное число раз. ЭС имитируют процесс принятия решения экспертами (определение диагноза, рекомендация, совет или предположение). Основными компонентами систем искусственного интеллекта являются база знаний, интеллектуальный интерфейс с пользователем и программа формирования логических выводов. Экспертная система MYCIN (Станфордский университет) одна из первых и наиболее известных ЭС, предназначена для диагностики инфекционных заболеваний. РROSPECTOR – ЭС, которая помогает геологам в поиске новых полезных ископаемых. АВТАНТЕСТ определяет основные свойства личности по по результатам психодиагностического тестирования. Система WILLARD – предсказание погоды. В качестве примера кратко рассмотрим порядок работы медицинской ЭС Интернист (INTERNIST), которая диагностирует несколько сотен болезней. Для каждой болезни экспертами (опытными врачами) занесены в базу знаний характерные наборы симптомов. Пользователь (пациент или молодой врач) вводит конкретные симптомы неизвестной болезни, а ЭС по наибольшему числу совпадений определяет диагноз. Также возможно с помощью датчиков портативных ЭС контролировать самочувствие пациента и при необходимости автоматически вызывать ему неотложную помощь. В группу программных средств ИИ входят и так называемые «оболочки» (shells) – «пустые» версии ЭС, т.е. готовая ЭС без базы знаний. Например, EMYCIN (Empty MYCIN – пустой MYCIN), LOTA. Браузеры Браузеры - это программы, которые считывают данные с удаленных компьютеровсерверов, а затем демонстрируют их на компьютерах-клиентах. Термин «браузер» происходит от английского слова «browse», означающего – «просматривать книгу». Подобные русские слова – навигатор, исследователь, бредень (юморист.). Наиболее распространены Internet Explorer (IE), Netscape Navigator (NN), но существуют и другие. Большинство пользователей (80%) сейчас работают с IE, однако еще в 1996 году 90% фирм использовали NN. Изменение соотношения использования браузеров происходило в условиях жесточайшей конкуренции и даже получило название «война браузеров». Но принципиальный ход фирмы Microsoft - обязательное включение IE в состав операционной системы Windows,- заставил многих пользователей автоматически перейти к работе именно с этим браузером. Браузер Opera 4.0 рекомендуется использовать для скоростной работы с англоязычными сайтами. Ariadna – первый русский браузер, удобен при путешествии в русскоязычной части Internet. Surf Monkey Lite 1.4 разработан специально для детей, имеет красочный интерфейс и фильтр, не пропускающий детей к сайтам для взрослых. 68 Файлы и каталоги Понятие файловой системы Файловая система – часть операционной системы, управляющей размещением и доступом к файлам и каталогам на диске. ЭВМ, как правило, имеет несколько дисков. Каждому диску присваивается имя, которое задается латинской буквой с двоеточием, например, А:, В:, С:, D: и т.д. Стандартно принято, что А: и В: - это накопители на ГМД, а С: и D: и т.д. – жесткие диски, накопители на оптических дисках или электронные диски. Физически существующие магнитные диски могут быть разбиты на несколько логических, при этом они получают собственное имя. Диск, на котором записана операционная система, называется системным (или загрузочным) диском. В качестве загрузочного диска чаще всего используется жесткий диск С:. При лечении вирусов, системных сбоях загрузка ОС часто осуществляется с гибкого диска. Выпускаются оптические диски, которые также могут быть загрузочными. Для того, чтобы записать на новый магнитный диск информацию, надо его отформатировать. Форматирование – это подготовка диска для записи информации. Во время форматирования на диск записывается служебная информация, т.е. делается разметка. Запись информации осуществляется по дорожкам, причем каждая дорожка разбивается на сектора, например по 1024 байт. Обычная дискета объемом 1,44 Мб содержит 80 дорожек и 18 секторов. На жестком диске – ориентировочно 2500 дорожек, 63 сектора. Для жесткого диска характерно еще одно понятие: цилиндр. Цилиндром винчестера называют совокупность дорожек с одинаковыми порядковыми номерами, расположенных на разных дисках винчестера. В процессе форматирования на диске выделяется системная область, которая состоит из трех частей: загрузочного сектора, таблицы размещения файлов и корневого каталога. Загрузочный сектор (Boot Record) содержит данные о формате диска и короткую программу, используемую в процедуре начальной загрузки операционной системы. На жестком диске также имеется область, которая называется главной загрузочной записью MBR (Master Boot Record). В MBR указывается, с какого логического диска должна производится загрузка ОС. Таблица размещения файлов (FAT – File Allocation Table) располагается после загрузочного сектора и содержит описание порядка расположения всех файлов в секторах данного диска, а также информацию о дефектных участках диска. За FAT-таблицей следует ее точная копия, что повышает надежность. Корневой каталог всегда находится за копией FAT. В корневом каталоге содержится перечень фалов и директорий. На каждом логическом диске находится своя файловая система, имеющая один корневой каталог. Непосредственно за корневым каталогом располагаются данные. Данные и программы хранятся на носителях информации в виде файлов (file – досье, подшивка). Понятие файла Файл – логически связанная совокупность данных или программ, для размещения которой во внешней памяти выделяется именованная область. Файл хранится на носителе информации в двоичной системе счисления и для ОС он представляется как совокупность связанных байтов. Файл служит учетной единицей информации в операционной системе. Любые действия с информацией осуществляются над файлами: запись на диск, вывод на экран, ввод с клавиатуры, печать и т.д. 69 На диске файл не требует для своего размещения непрерывного пространства. Сведения о тех участках, где хранится файл, содержатся FAT-таблицах. Минимальная единица пространства на диске, которая может быть выделена файлу называется кластером. Кластер – группа смежных секторов. Самый маленький файл занимает один кластер, большие файлы – несколько кластеров. Размер кластера зависит от размера диска и кратен целому числу секторов. Сектор, как правило, для всех дисков одинаков и равен 512 байт. Сектор на диске служит для разметки пространства с целью быстрого нахождения информации. При многократной перезаписи и удалении файлов происходит фрагментация (дробление, разделение) дискового пространства. В результате файл может оказаться разорванным и располагаться в кластерах, находящихся на большом расстоянии друг от друга. В составе ОС есть специальная программа (утилита), которая осуществляет дефрагментацию диска. Эта утилита располагает файлы в соседних секторах, тем самым ускоряет считывание информации и уменьшает износ дисковода. Для характеристики файла используют следующие параметры: • полное имя файла (о нем будет рассказано дальше); • объем файла в байтах; • дата и время создания файла (не во всех ОС); • дата и время модификации (или открытия файла) – не во всех операционных системах; • специальные атрибуты файла: − R (read only) – только для чтения. Наличие такого атрибута предохраняет файл от изменений; для изменения или удаления такого файла требуется предварительно снять такой атрибут. Файлы на компакт-дисках также имеют атрибут “только для чтения”, чтобы показать, что изменить эти файлы нельзя. − H (hidden) –скрытый. Файлы с этими атрибутами не обрабатываются различными системными командами и программами. Например: команда вывода на экран содержимого некоторого каталога – DIR не показывает скрытых файлов (но это можно отменить). − S (system) – системный. Объединяет атрибуты “только для чтения” и “скрытый”. Обычно системный файл нельзя изменить или стереть и, как правило, программы его не видят. − A (archive) – архивируемый. Это атрибут устанавливается при создании файла и сбрасывается программами резервного копирования для обозначения того, что копия файла помещена в архив. Поэтому наличие атрибута “архивируемый” обычно значит, что для файла не было сделано резервной копии. Имена файлов Чтобы операционная система и другие программы могли обращаться к файлам, файлы должны иметь обозначения. Это обозначение и называют именем файла. Имена файлов в MS-DOS. Имена состоят из двух частей: имени и расширения. В имени файла может быть от 1 до 8 символов. Расширение отделяется от имени точкой и может содержать от 1 до 3 символов. Например: command.com paper.doc autoexec.bat <имя >.< расширение> Имя и расширение могут содержать прописные и строчные латинские буквы, цифры и символы: - _ $ # & @ ! % ( ) { } ‘ ~ ^ В имени и расширении имени файла прописные и строчные латинские буквы являются эквивалентными, т.к. DOS переводит все строчные буквы в соответствующие прописные буквы. На диске имя файла хранится в версии, записанной прописными (т.е. большими) буквами. 70 Некоторые “русифицированные” версии DOS позволяют употреблять в именах файлов русские буквы. Однако эту возможность следует использовать с осторожностью: многие программы не “понимают“ имен с русскими буквами. Имя файла может быть любым, но рекомендуется образовывать его так, чтобы оно характеризовало содержащиеся в нем данные. Расширение имени файла является необязательным. Оно, как правило, описывает содержимое файла, и по нему можно определить, какая программа создала файл (т.к. многие приложения присваивают расширения имен файлам автоматически). Кроме того, многие операционные оболочки (например, Norton Commander, Windows 95) позволяют по расширению имени файла вызвать соответствующую программу и загрузить в нее данный файл - это весьма полезно, т.к. экономит время. Таблица 5.1. Соглашения по типу файла Тип Назначение .ARJ Архивный файл .ASM Программа на Ассемблере .BAK Копия файла, создаваемая при перезаписи файла оригинала .BAS Программа на языке Бейсик .BAT Командный файл .C Программа на языке Си Командный системный файл, исполняемый файл .COM .DAT Файл данных .DOC Файл документов (текстовый) .EXE Исполняемый файл .HLP Файл для справочной информации .LIB Библиотека программ .OBJ Скомпилированный объектный код .PAS Программа на Паскале .PRN Листинг (распечатка программы) .SYS Системные файлы (например, драйверы) .TMP Временный файл .TXT Текстовый файл Как видно из табл. 5.1, исполняемыми являются файлы с расширениями: .COM, .EXE. Исполняемый файл - это головной файл программы, запускающий ее на выполнение. В качестве имени файла можно использовать символьное имя устройства: PRN или принтер или любое устройство, LPT(2,3) подключенное к параллельному порту; CON консоль (клавиатура при вводе и дисплей при выводе) COM(2,3.4) внешнее устройство, подключенное к параллельному порту NUL фиктивное устройство, вывод в файл NUL никуда не направляется, а просто уничтожается (используется в отладочных целях) Длинные имена файлов в Windows 95 и других операционных системах. Ограничение на длину имени файла восемью символами весьма неудобно, особенно для файлов документов: для них приходится придумывать некоторые имена, которые не мнемоничны и быстро забываются. 71 В отличие от MS-DOS в более современных операционных системах Windows 95, Windows NT файлам и каталогам можно присваивать имена длиной до 254 символов. Обычно эти имена называют длинными, а DOS-имена - короткими. В длинных именах файлов можно использовать следующие символы: 1. Все символы, допустимые в коротких именах, причем имя файла может содержать более одной точки. 2. Пробелы. 3. Символы: + , ; = [ ]. 4. Все символы с кодами более 127, в частности, русские буквы. Таким образом, в длинных именах можно использовать практически все символы, кроме так называемых управляющих (с кодами до 31) и символов: / \ : * ? “ < > |. Это позволяет присваивать файлам и каталогам наглядные и понятные имена. Например: Письмо в Омск о ценах на продукцию.doc. Как правило, при употреблении этих имен их необходимо заключать в двойные кавычки. В длинных именах файлов регистр символов (т.е. разница между строчными и прописными буквами) сохраняется. Однако в одном каталоге (см. далее) файлы с именами, отличающимися только регистром недопустимы. У пользователей современных операционных систем, как правило, всегда имеется несколько необходимых им программ, рассчитанных на DOS. Эти программы понимают только короткие имена файлов (формат 8.3). Чтобы эти программы могли работать со всеми файлами современная ОС (Windows 95, Windows NT) автоматически генерирует для каждого длинного имени также и короткое имя. В различных ОС эта генерация осуществляется по-разному. Рекомендация: если Вы используете как длинные, так и короткие имена файлов, то целесообразно при присвоении имени файлу сначала записать наиболее значимую часть имени - тогда эта часть с большой вероятностью попадет в короткое имя. Способы обращения к группе файлов. Часто возникает ситуация, когда надо работать не с одним файлом, а с группой файлов. Пример операций с группой файлов: • копирование группы файлов с одного диска на другой; • удаление группы файлов; • перемещение группы файлов на другой диск; • поиск группы файлов определенного типа. Эти операции достаточно легко выполнить, пользуясь при формировании имен и типов файлов шаблоном. Шаблон имени файла - специальная форма, в которой в полях имени и типа файла используются символы * и ?. Символ * служит для замены любой последовательности символов. В шаблоне может быть использовано в поле имени и типа по одному символу *. Пример 5.1. Задав имя *.TXT, вы обратитесь ко всем текстовым файлам. Задав имя SD*.*, вы обратитесь ко всем файлам, имя которых начинается на SD. Символ ? служит для замены одного символа. В шаблоне может быть использовано несколько таких символов. Пример 5.2. Имя RT??.BAS позволит обратиться ко всем файлам с расширением BAS, имя которых состоит из четырех символов, причем первые два символа обязательно RT, третий и четвертый - любые. Каталоги и папки Имена файлов регистрируются на дисках в каталогах (этот термин используется в DOS). В Windows они называются папками. 72 Каталог - это справочник файлов с указанием месторасположения на диске. В операционной системе MS-DOS принята иерархическая структура организации каталогов. Каждый диск имеет каталог, называемый корневым. В ОС MS-DOS корневой каталог имеет имя “\“ (обратная косая черта). Корневой каталог имеет ограничение на число элементов. На диске (особенно жестком) требуется большое число элементов, поэтому определена возможность создания подкаталогов. Дерево каталогов Пользователь может зарегистрировать в каталоге не только файл, но и другой каталог. Такой зарегистрированный каталог аналогичен некоторой папке, вложенной в другую папку, он и называется подкаталогом (иногда такие вложенные каталоги еще называются дочерними). Каталог, имеющий подкаталоги называется родительским для этих подкаталогов. Например, если каталог X зарегистрирован в каталоге Y, то говорят, что X – подкаталог Y, а Y – родительский каталог для X. Подкаталог может иметь свои подкаталоги, которые в свою очередь, также могут иметь подкаталоги. Уровень такой вложенности неограничен. В подкаталог обычно группируются файлы каким-то образом, связанные друг с другом. Например, целесообразно создать на жестком диске подкаталоги для всех основных программ: подкаталог с системными программами DOS, подкаталог с файлами текстового редактора, подкаталог для работы с табличным процессором и т.д. В каталоге с файлами текстового редактора можно создать подкаталоги для файлов корреспонденции, форм бланков, глав отчета и т.д. Вся структура дерева каталогов диска в MS-DOS выглядит как растущее вниз дерево с корневым каталогом вверху; от него отходят подкаталоги верхнего уровня, которые ветвятся в подкаталоги второго уровня и т.д. Пример структуры каталогов диска показан на рис.5.1. Вверху корневой каталог с именем \, это имя присваивает сама DOS, и изменить его нельзя. Подкаталоги имеют такие же имена, как и файлы, но обычно расширения в именах файлов не применяется. \ DOS ANIMAT WRITE SCRIPTS PICTUR SOUND LETTER TEXT Рис.5.1. Пример дерева каталогов При просмотре каталога его каталоги отмечаются символами <DIR> в столбце размера. Дата и время показывают, когда каталог был создан, а не время последнего изменения. Приведем пример содержимого некоторого каталога MS-DOS: . .. SYSTEM COMMAND HELP NETDET INI ISLV INI <DIR> <DIR> <DIR> <DIR> <DIR> 12.04.99 12:10 12.04.99 12:10 12.04.99 12:10 12.04.99 12:10 12.04.99 12:10 7 885 12.11.96 12:12 111 16.04.99 13:10 73 SMARTDRV EXE 44 867 12.11.96 12:12 HIMEM SYS 33 239 12.11.96 12:12 Этот список содержит 4 файла и 5 каталогов. Подкаталоги SYSTEM, COMMAND, HELP являются дочерними. Два находящихся вверху элемента каталога имеются в каждом каталоге MS-DOS и помогают ей следить за структурой дерева каталогов. Первый элемент, представленный одной точкой, всегда относится к самому каталогу. Второй элемент, показанный двумя точками, всегда относится к родительскому каталогу данного каталога. Имя его не выведено, но видно, что он создан 12 апреля 1999 года в 12 часов 10 минут. Текущий каталог. Каталог, с которым работает в данный момент пользователь, называется текущим. Если указать при работе только имя файла, он будет создаваться или отыскиваться в текущем каталоге. В MS-DOS для вывода содержимого текущего каталога нужно ввести команду DIR, а для смены текущего каталога имеется команда CD. Указание пути к файлу Когда вы используете файл не из текущего каталога, необходимо указать, в каком каталоге этот файл находится. Это можно сделать с помощью указания пути к файлу. Путь к файлу – это цепочка соподчиненных каталогов, которую необходимо пройти по иерархической структуре к каталогу, где зарегистрирован искомый файл. При задании пути имена каталогов записываются в порядке следования и отделяются друг от друга символами “\”. Путь задает маршрут от текущего каталога или от корневого каталога диска. Если путь начинается с символа “\”, то маршрут вычисляется от корневого каталога диска, иначе – от текущего каталога. Пример 5.3. Пусть текущий каталог ANIMATE (см. рис.5.1). Тогда • \WRITE (..\WRITE) – путь к файлам в каталоге 1-го уровня WRITE; • \ANIMATE\PICTURE (PICTURE) – путь к файлам в подкаталоге PICTURE каталога ANIMATE. Первым показан путь от корневого каталога, в скобках – путь от текущего каталога. Существует также понятие текущего дисковода. Текущий дисковод - это тот дисковод, с которым производится работа в данный момент времени. При работе в среде MS-DOS по умолчанию предполагается, что все задаваемые пользователем файлы находятся на текущем дисководе. Говоря, что обозначения A:, B:, C: и т.д. соответствуют дисководам, мы были не совсем точны. На самом деле эти обозначения соответствуют не дисководам, а логическим дискам. Полное имя файла Полное имя файла имеет следующий вид (скобками { и } обозначаются необязательные элементы): {логический_диск:}{путь\}имя_файла т.е. состоит из пути к каталогу, в котором находится файл, и имени файла, разделенных символом “\”, перед которым может стоять имя логического диска (или дисковода в случае гибких магнитных дисков). Если логический диск не указан, то подразумевается текущий диск. Если не указан путь к файлу, то файл ищется в текущем каталоге. Полное имя файла полностью специфицирует, с каким файлом вы хотите работать Пример 5.4. Пусть на рис.5.1 изображена файловая система на диске накопителя A:. Текущий каталог на этом накопителе - A:\ANIMATE. Тогда: A:pict.doc - файл pict.doc в текущем каталоге диска на дисководе A:. A:\pict.doc - файл pict.doc в корневом каталоге диска на дисководе A:. TEXT\pict.doc - файл pict.doc в подкаталоге TEXT текущего каталога. 74 75 Структура операционной системы Ms-Dos OC MS DOS - это однопользовательская, однозадачная, не сетевая 16-разрядная операционная система. Модули операционной системы MS-DOS Понятие модуля широко используется применительно как к аппаратной, так и программной части компьютера. Модуль - унифицированная самостоятельная функциональная часть системы, имеющая законченное оформление и средства сопряжения с другими функциональными узлами и модулями. Структуру операционной системы MS-DOS образуют модули: • BIOS (Basic Input/Output System) - базовая система ввода/вывода; • модуль расширения BIOS - EM BIOS (Extension BIOS) - в виде файла с именем IO.SYS; • базовый модуль (BM - Basic Module) DOS в виде файла с именем MSDOS.SYS; • командный процессор, или интерпретатор команд (CI - Command Interpreter), в виде файла с именем COMMAND.COM; • внешние команды и драйверы, утилиты - файлы с расширением .COM, .EXE,.SYS; • системный загрузчик (SB - System Bootstrap); • оболочка MS-DOS Shell (необязательно); • инструментальные средства DOS: система программирования MS-DOS QBASIC; текстовый редактор MS-DOS EDITOR, обеспечивающий подготовку текстовых документов и тестов исходных программ; отладчик DEBUG для тестирования и отладки исполняемых файлов. BIOS, модуль расширения EM BIOS, загружаемые (внешние) драйверы, системный загрузчик составляют машинозависимую часть ОС. Базовый модуль DOS, командный процессор, внешние команды, инструментальные средства составляют машинонезависимую часть ОС. Функции и назначение модулей системы Базовая система ввода-вывода (BIOS)- самый близкий к аппаратуре компонент DOS. BIOS находится в постоянной памяти, которая входит в комплект поставки персонального компьютера. Тип ОС может измениться, а BIOS остается постоянным, поэтому, BIOS являясь неизменной частью персонального компьютера, с одной стороны, может рассматриваться как компонент аппаратной части, а с другой стороны, как компонент любой операционной системы, в том числе и MS-DOS. BIOS условно считают частью MS-DOS. Основная функция BIOS реализуется в процессе нормальной работы персонального компьютера. Это - управление стандартными внешними (периферийными) устройствами, входящими в состав комплекта персонального компьютера конкретной модели, а именно: дисплеем, клавиатурой, дисководами, таймером. Выделение BIOS в отдельный аппаратнопрограммный модуль позволяет обеспечить независимость программного обеспечения от специфики конкретной модели персонального компьютера. BIOS содержит: • специальные программы (драйверы) по управлению работой стандартными внешними устройствами; • тестовые программы для контроля работоспособности аппаратуры; • программу начальной загрузки операционной системы. Модуль расширения BIOS (EM BIOS) в процессе функционирования DOS является надстройкой над BIOS, модифицируя и/или дополняя ее возможности. Он хранится на диске в виде файла IO.SYS, который зарегистрирован в первой позиции корневого каталога. 76 При загрузке DOS данным модулем обеспечивается возможность как логической замены драйверов, хранящихся в BIOS, так и подключения новых драйверов. Необходимость в этом возникает при изменении конфигурации внешних устройств (BIOS гораздо консервативнее самой DOS) и при потребности в использовании имеющихся стандартных внешних устройств нестандартным образом. Драйверы могут находиться как внутри EM BIOS, так и вне его, т.е. храниться в отдельных файлах. В первом случае они называются внутренними (основными), а во втором - внешними (устанавливаемыми). Наряду с внутренними драйверами EM BIOS содержит ряд управляющих блоков и таблиц. Внутренние драйверы подключаются к системе при загрузке DOS автоматически, а внешние - по указанию в файле конфигурации системы CONFIG.SYS. Базовый модуль DOS (BM DOS) располагается в виде файла MSDOS.SYS на системном диске в специально отведенном для него месте и зарегистрирован во второй позиции корневого каталога. Базовый модуль DOS не имеет жесткой привязки к аппаратной части и при необходимости может быть заменен другим файлом. BM DOS реализует основные функции операционной системы - управление ресурсами ПК и выполняемыми программами. Управление внешними устройствами осуществляется на более высоком уровне, чем управление посредством драйверов, на основе организации обращения к драйверам. Именно здесь находится вершина айсберга, называемого файловой системой и обеспечивающего выполнение операций над файлами. Основание же этого айсберга - драйверы. Одной из функций базового модуля на этапе загрузки является считывание в память и запуск командного процессора. Командный процессор (интерпретатор команд) предназначен для поддержки пользовательского интерфейса DOS. Он представляет собой обычный файл COMMAND.COM и располагается на системном диске в любом месте пространства, выделенного под файлы. Взаимодействие с командным процессором осуществляется при помощи команд. Он, как уже говорилось, отвечает за выполнение внутренних команд. Основные функции командного процессора в процессе нормальной работы: • прием и анализ команд, введенных с клавиатуры; • выполнение внутренних команд; • загрузка программ в память для выполнения; • обработка завершения задач. Основная функция командного процессора на этапе загрузки - это выполнение файла автонастройки AUTOEXEC.BAT. Системный загрузчик всегда размещается на диске в нулевом секторе и занимает всего 512 байт. Основное назначение этой программы состоит в поиске и перезаписи (загрузке) с диска в оперативную память двух системных файлов - IO.SYS и MSDOS.SYS. Утилиты, внешние команды и драйверы представляют собой программы, хранящиеся во многих случаях в каталоге системного диска в виде файлов типа .COM, .EXE, .SYS. Внешнее различие между ними весьма условное, и связывают его с интерфейсом взаимодействия с пользователем. Внешней командой принято считать программу, выдающую пользователю ряд простых запросов или выполняющуюся автоматически без специально организованного интерфейса. Внешние драйверы, как правило, выполняются без диалога и поставляются отдельно от MS-DOS либо совместно с внешним устройством, либо самостоятельно. Утилиты - обслуживающие программы, которые представляют пользователю сервисные услуги. Они, как правило, имеют полноэкранный, организованный в виде меню интерфейс взаимодействия с пользователем. Реже интерфейс организован в виде запросов. 77 Размещение MS-DOS на диске Операционная система MS-DOS постоянно хранится на жестком диске. Помимо этого должна существовать ее резервная копия на гибком диске, называемом системным. Такая копия нужна для восстановления системы в случае ее краха на жестком диске. Системный диск - диск, где хранятся основные модули операционной системы. На гибком диске 0-я и1-я дорожки отведены для размещения модулей операционной системы и организации файловой структуры диска: • 0-й сектор занимает загрузчик; • следующий участок занимает таблица размещения файлов (FAT) и ее копия (для обеспечения более надежной работы); • 14 секторов далее занимает корневой каталог; • далее располагаются два модуля операционной системы IO.SYS и MSDOS.SYS; • командный процессор COMMAND.COM наряду с другими программами располагается в области данных. Технологию работы в Ms-Dos и основные команды Ms-Dos мы изучали в ходе лабораторной работы №2. 78 О Компьютерных Сетях Компьютерные сети создаются для того, чтобы дать возможность территориально разобщенным пользователям обмениваться информацией между собой, использовать одинаковые программы, общие информационные и аппаратные ресурсы. По некоторым оценкам, более половины действующих ЭВМ подключены к сетям. Необходимость внедрения электронной почты, стремление коллективного использования разнообразных баз данных и аппаратных средств, потребность в проведении дискуссий и оперативных совещаний без отрыва от рабочих мест, стремление повысить оперативность получения «свежей» информации подталкивает пользователей к подключению своих ЭВМ к сетям. Вычислительные сети подразделяются на два вида: локальные и глобальные. Локальная сеть имеет небольшую протяженность (до 10 км). Глобальная сеть может охватывать значительные расстояния — десятки тысяч километров. Локальная сеть Локальная сеть (иногда используется термин «локальная вычислительная сеть», сокращенно ЛВС) — это группа из нескольких компьютеров, соединенных между собой посредством кабелей (иногда также телефонных линий или радиоканалов), используемых для передачи информации между компьютерами. Для соединения компьютеров в локальную сеть необходимо сетевое оборудование и программное обеспечение. Локальные сети позволяют обеспечить: • Коллективную обработку данных пользователями подключенных в сеть компьютеров и обмен данными между этими пользователями; • Совместное использование программ; • Совместное использование дорогостоящей аппаратуры: принтеров, модемов и других устройств. Это дает значительную экономию материальных средств и ускорение процесса обмена информацией. Поэтому практически все фирмы, имеющие более одного компьютера, объединяют их в локальные сети. Оборудование для локальной сети Для объединения компьютеров в локальную сеть требуется: • вставить в каждый подключаемый к сети компьютер сетевой контроллер (иногда используются термины сетевой адаптер или сетевая плата); • соединить компьютеры кабелями, по которым происходит передача данных между компьютерами, а также другими подключенными к сети устройствами (принтерами, сканерами и т.д.). В некоторых типах сетей кабели соединяют компьютеры непосредственно (как электролампочки на елочной гирлянде), в других соединение кабелей осуществляется через специальные устройства — концентраторы (или хабы), коммутаторы и др. Таким образом, для создания ЛВС необходимо сделать определенные материальные затраты (приобрести адаптеры, кабель, сетевую операционную систему, выполнить монтаж, настройку и т.д ). Однако стоимость этих затрат оказывается меньше по сравнению с экономией, которая образуется из-за уменьшения числа приобретаемых лазерных принтеров, накопителей на оптических дисках, дорогих винчестеров, а также за счет появления новых возможностей быстрой передачи информации на значительные расстояния. Распределенные сети Локальные сети называются локальными потому, что они объединяют компьютеры, находящиеся в одном месте, то есть поблизости друг от друга. Но многие 79 предприятия (корпорации, банки и т.д.) имеют подразделения, расположенные в разных концах города или даже в разных городах и странах. Для эффективной работы им, как правило, требуется объединить свои подразделения в единую сеть. Такие сети обычно называют распределенными. Если подразделения предприятия расположены не очень далеко друг от друга (скажем, в пределах одного города), можно проложить собственные линии связи между подразделениями (естественно, это стоит очень дорого). Но чаще целесообразно арендовать имеющиеся линии связи у поставщиков телекоммуникационных услуг (в нашей стране это — Спринт, Роспак, Роснет, Совам-телепорт, Голден Лайн и др.) При этом требуется проложить кабель только от каждого подразделения предприятия до ближайшего к этому подразделению узла сети поставщика телекоммуникационных услуг. Если объем данных, передаваемых и принимаемых подразделением предприятия, незначителен, то с узлом сети поставщика телекоммуникационных услуг можно связываться по коммутируемым телефонным линиям с помощью модема. Естественно, во всех случаях для создания распределенной сети необходимо соответствующее оборудование (модемы, маршрутизаторы, шлюз, мост и др.). Модем - это устройство для обмена информацией с другими компьютерами через телефонную сеть. Факс-модем - устройство, сочетающее возможности модема и средства для обмена факсимильными изображениями с другими факс-модемами и обычными телефаксными аппаратами. Большинство современных модемов являются факс-модемами. Некоторые модемы обладают голосовыми возможностями и могут, например, использоваться в качестве автоответчика. Модемы бывают внутренними (в виде электронной платы, подключаемой к шине компьютера), внешними - в виде отдельного устройства, и в виде PC-карты для подключения к портативному компьютеру. Модемы отличаются друг от друга максимальной скоростью передачи данных и поддерживаемыми протоколами связи. Большинство современных модемов работают со скоростью 14400 бит/с, 16800 бит/с, 28800 бит/с, 33600 бит/с и 56000 бит в секунду (бит/с) и поддерживает средства исправления ошибок и сжатия данных (стандарты V.42 и V42bis). Всемирная сеть Internet Internet представляет собой глобальную компьютерную сеть. Само её название означает «между сетей». Это сеть, объединяющая отдельные сети. Internet — это общемировая совокупность сетей, связывающая между собой миллионы компьютеров, причем число пользователей Internet лавинообразно увеличивается. С технической точки зрения это объединение транснациональных компьютерных сетей, связывающих всевозможные типы компьютеров, физически передающих данные всеми доступными типами носителей: по телефонным проводам и оптоволокну, через спутниковые каналы и радиомодемы. Единого управления у Internet не существует, имеются лишь общественные комитеты, вырабатывающие различные стандарты для Internet, осуществляющие распределение групп электронных адресов и т.д. Система адресации в Internet Каждый подключенный к сети компьютер имеет свой адрес, по которому его может найти абонент из любой точки света. Для каждого компьютера устанавливаются два адреса: цифровой IP-адрес (IP – Internetwork Protocol – межсетевой протокол) и доменный адрес. Оба эти адреса могут применяться равноценно. Цифровой адрес удобен для обработки на компьютере, а доменный для восприятия пользователем. Цифровой адрес состоит из четырех десятичных чисел - каждое в диапазоне от 0 до 255 и содержит полную информацию, необходимую для идентификации компьютера. IPадрес включает в себя: адрес сети, адрес подсети, адрес компьютера в сети. При работе в 80 сети машины отыскивают друг друга именно по этим числам. Числа записываются через точку, например: 194.84.93.29 или 128.29.15.124. Доменный адрес состоит из осмысленных буквенных обозначений. Синтаксис записи доменного адреса таков: протокол://имя машины. имя домена [/каталог/ подкаталог/имя файла] . Например: http://www.microsoft.com Первым указывается протокол получаемых услуг, например, http. Далее записывается имя ЭВМ, например, www. Еще правее располагается имя домена, например, microsoft.com. В конце адреса иногда указываются имена каталогов на сервере и имена файлов (Web-страниц). Запись, заключенная в квадратные скобки, не обязательно присутствует в любом доменном адресе. Имя домена может состоять из двух-четырех слов, причем старший (правый) домен указывает либо на страну, в которой находится узел, либо на тип организации (в США). Например: Канада - са, Россия - ru (или su), США – us и т.д.; com — это коммерческие компании, edu — университеты США, gov — правительственные организации и т.д. Таким образом, доменная система имен использует принцип последовательных уточнений. Домен верхнего уровня располагается в адресе правее (например, название страны), а домен нижнего уровня — левее. Для пользователей Internet адресами могут быть просто их регистрационные имена на компьютере, подключенном к сети. За именем следует знак @. Всё это слева присоединяется к имени компьютера. Например: marina@rtf.ustu.ru. Способы организации передачи информации Если рассматривать сеть Internet на нижнем уровне, то она позволяет пересылать пакеты данных с одного подключенного к Internet компьютеру на любой другой, независимо от того, соединены ли они между собой или нет (как это чаще всего бывает). Маршрутизаторы Internet автоматически выбирают оптимальный маршрут для доставки пакетов данных до места назначения. На этой основе были разработаны различные службы, использующие возможности Internet. До середины 90-х годов в основном применялись: Электронная почта - с ее помощью можно посылать электронное письмо (текст или произвольный файл, преобразованный в текстовый вид) любому пользователю Internet. Время доставки писем - обычно не более нескольких часов, а иногда - несколько минут. Телеконференции - это обмен мнениями с помощью электронных писем по поводу тех или иных тем. Каждый пользователь Internet может подписаться на интересующие его телеконференции (всего их несколько десятков тысяч, и посвящены они самым разным темам). При этом пользователь будет получать все письма, посылаемые в соответствующие телеконференции, а может и сам высказать свое мнение или ответить на чей-то вопрос. Серверы новостей — они рассылают новости по тем или иным темам в виде электронных писем. Пользователь Internet может подписаться, например, на получение биржевых сводок, политических сплетен и т.д. Файловые серверы (или FТР-серверы) — хранилища файлов. На них хранятся тексты документов, программы, тексты книг и т.д. Каждый пользователь Internet может получить оглавление FTР-сервера или любой из хранящихся на нем файлов в виде электронного письма, направив электронное письмо со специально подготовленным запросом на FТР-сервер. Возможны просмотр оглавления и получение файлов и в диалоговом режиме (в режиме Теlnеt — удаленного терминала). Службы поиска позволяют найти нужный документ на включенных в Internet FТР-серверах. Поиск может вестись по ключевым словам и другим характеристикам документа. Задать запрос службе поиска можно в диалоговом режиме или послав ей специально оформленное электронное письмо. 81 Все перечисленные услуги пользователь получает в, так называемом, оффлайновом режиме доступа (самом дешевом). Этот вид доступа называется оффлайновым потому, что сам пользователь с сетью не работает, — он лишь подготавливает отправляемые электронные письма для программы доступа к узлу сети. Эта программа (обычно программа UUCP) соединяется по модему с ближайшим узлом сети (как правило, он находится в том же населенном пункте, что и пользователь), передает ему подготовленные пользователем письма, получает письма, адресованные пользователю, после чего сразу же отсоединяется от узла сети («вешает трубку»). При этом виде доступа провайдер обычно берет абонентскую плату и плату за трафик, то есть объем передаваемой и принимаемой информации. Пока польза от Internet ограничивалась возможностью применения перечисленных выше служб, Internet использовалась в основном в научной (прежде всего в университетской) среде, главным образом, для электронной почты. Даже в программистской среде она была распространена не везде. Но в 1993-1994 г. ситуация в корне переменилась. В Internet стал подключаться самый, что ни на есть массовый пользователь. Всем сеть Internet стала интересна, полезна, а многим даже жизненно необходима. И количество пользователей Internet стало лавинообразно увеличиваться — в несколько раз за год. Причиной этого стало появление и широкое внедрение в сети Internet новой службы (или подсистемы) — World Wide Web, в буквальном переводе — всемирной паутины (сокращенно ее называют WWW или Web). Возможности WWW WWW (World Wide Web, всемирная паутина) — содержащаяся в Internet всемирная распределенная база гипертекстовых документов. Каждый компьютер, имеющий постоянное подключение в Internet, можно использовать в качестве Webсервера (или даже нескольких Web-серверов). Любой пользователь, имеющий диалоговое (онлайновое или dial-up IP) соединение к Internet, может поговорить (обычно — путем набора сообщений на клавиатуре) с другим пользователем или группой пользователей в реальном времени, проводить видеотелеконференции и т.д. Оплата взимается за время работы в Internet. Некоторые провайдеры берут и абонентскую плату. Кроме того, пользователь может соединиться с любым Web-сервером с помощью программы просмотра WWW (Web-броузера). Для этого необходимо указать только электронный адрес Web-сервера. WWW работает по принципу «клиент-сервер», точнее сказать «клиент-серверы»: существует множество серверов, которые по запросу клиента возвращают ему интересующую информацию. При подключении к Web-серверу на экран выводится картинка (Web-страница), похожая на экран встроенного справочника Windows-программы. На Web-странице могут находиться надписи, тексты, рисунки и другие объекты. Как и в справочнике Windowsпрограммы, щелкнув мышью любое подчеркнутое слово (ссылку), Вы перейдете к картинке (Web-странице), соответствующей этому слову (этой ссылке). Это значит, что Web-документы являются гипертекстовыми. В отличие от встроенных справочников программ, выведенная по ссылке Web-страница может находиться на любом Web-сервере (то есть может быть передана Вам другим Web-сервером). Например, в тексте на Webсервере в Германии про какого-то местного политика может быть сказано, что он встречался с римским папой, и эти слова будут подчеркнуты. Щелкнув по этим словам, Вы окажетесь на Web-сервере Ватикана, где и сможете узнать все сведения о папе, помещенные на этот сервер. Кстати, пользователь может и не заметить, что он работает с Web-сервером, находящимся совсем в другой стране (разве лишь, если стиль оформления страниц будет сильно отличаться). Так щелкая, по различным ссылкам, Вы можете за одну-две минуты проскакать по Web-серверам в десятке различных стран. Кстати, 82 ссылкой на Web-страницу может служить не только слово, но и область на экране. Например, на экране может быть показана карта, при щелчке по которой на экран выводится Web-страница, соответствующая данному участку карты. В WWW можно найти практически любую информацию. Без надежной и оперативной информации нельзя идти в ногу со временем, развивать науку и технику на уровне лучших мировых образцов. Однако, обращаясь к сети Internet, пользователи ищут не только информации, но и общения. Можно без преувеличения предположить, что человек даже самых экзотических увлечений сможет найти в Internet единомышленников, заинтересованных сторонников и оппонентов. Каждый желающий может создать собственные WWW-странички (для этого имеется много удобных средств, а скоро это будут делать и все популярные редакторы документов), а за очень небольшую плату их можно разместить на существующем Webсервере. Если есть деньги, желание и каналы связи, можно организовать и собственный Web-сервер. Фирмы публикуют в Web сведения о себе, рекламу своих товаров, советы по их эксплуатации (это удобно пользователям и снижает нагрузку на сервисные центры), техническую документацию на свои продукты и т.д. Политические партии и общественные организации публикуют в Web материалы о своей деятельности, программы, воззвания и т.д. На WWW-серверах университетов можно прочесть научные труды их сотрудников, сведения о приеме и выпуске студентов, учебные планы и т.д. Многие газеты и журналы выходят как в печатном, так и в электронном виде (как WWWдокументы). Имеется также много информации по финансам, бизнесу, промышленности, спорту, культуре, развлечениям, хобби и т.д., и т.п. Поиск информации в WWW Найти нужную информацию в Internet непросто. Однако здесь, во-первых, помогает само устройство WWW, — многие Web-страницы представляют собой объемистые списки ресурсов WWW по самым разным темам. Во-вторых, во многих телеконференциях и текстах с ответами на часто встречающиеся вопросы (FAQ) даются адреса множества полезных ресурсов WWW. Есть и многочисленные средства контекстного поиска по ключевым словам (с диалоговым расширением или сужением круга поиска). Наконец, издаются различные книги (и весьма толстые) с названиями типа: «Каталог ресурсов Internet», «Желтые страницы Internet» и т.д., в которых даются перечни ресурсов Internet, упорядоченные по темам. HTML - язык для создания Web-документов Механизм функционирования WWW основывается на том, что все страницы Web описываются в виде текстовых файлов на специальном языке HTML (HyperText Markup Language - язык разметки гипертекстов). Как правило, каждая страница Web-документа является текстовым файлом и содержит, во-первых, необходимый текст, во-вторых, некоторые инструкции для программы-броузера, человеком не видимые. Эти инструкции можно разделить на два типа: описание внешнего вида документа (размер букв, тип шрифта, элементы оформления и т.п.) и ссылки на другие ресурсы WWW (это могут быть другие страницы, изображения, серверы и т.п.), которые собственно и делают из текста гипертекст. При обращении к Web-серверу он передает программе просмотра (Webброузеру) описание Web-страницы на языке HTML, а Web-броузер строит изображение этой страницы и показывает его пользователю. Корпоративные сети Разработанные для WWW технологии организации данных и доступа к ним оказались весьма удобными и эффективными, они были усвоены широким кругом пользователей. Поэтому естественным шагом было внедрение этих же технологии во внутрикорпоративные сети, даже если эти сети не имеют никаких контактов с Internet. Действительно, если общедоступные сведения о фирме хранятся на Web-сервере, то логично и внутрифирменную информацию хранить на Web-сервере, доступном только 83 для сотрудников фирмы. Тогда просмотр и той, и другой информации может осуществляться с помощью одной и той же программы — Web-броузера. Это снижает затраты на обучение сотрудников, уменьшает эксплуатационные расходы и т.д. Внутрикорпоративные сети, в которых используются технологии WWW, называются сетями Intranet. Поскольку сейчас с помощью Web-броузеров обеспечивается доступ к самой разной информации — базам данных, трехмерным моделям и т.д., все это может применяться в сетях Intranet. Так что теперь большая часть Web-серверов приобретается именно для использования в сетях Intranet. Ссылки на ресурсы в Интернет http://www.ugatu.ac.ru/~trushin/exams.htm - экзамен по информатике http://www.citforum.ru/database/case/glava1_3_1.shtml - проектирование ИС http://www.rushelp.com/ - вся компьютерная документация на русском http://www.ugatu.ac.ru/~trushin/banners.htm#2 - полезные информатикам ссылки ! http://www.vspu.ac.ru/~lmiker/lec.htm - методика изучения информатики http://ntl.narod.ru/logic/course/index.html - логика для всех, учебные материалы http://www.kbsu.ru/~book/theory/index.html - Информатика. Теория (с задачами и решениями) http://www.aleks.pgati-vt.da.ru/ - сайт А.П.Алексеев Информатика 2001 84 Библиографический список 1. Информатика: Учебник / Под ред. проф. Н.В. Макаровой. – 3-е изд., перераб. - М.: Финансы и статистика, 2000. - 767с. 2. Информатика. Базовый курс / Под ред. С.В.Симоновича. – СПб.: Питер, 2000. 640с. 3. Информатика: Практикум по технологии работы на компьютере: Учебник / Под ред. Н.В. Макаровой. – 3-е изд., перераб. - М.: Финансы и статистика, 2000. - 256с. 4. Фигурнов В.Э. IBM PC для пользователя: Краткий курс. М.: ИНФА–М, 1997. - 480 с. 5. А.П. Алексеев. Информатика 2001 : Изд-во «СОЛОН-Р»: Москва, 2001. - 364с. 6. Microsoft Word 2000: Справочник / под ред. Ю.В. Колесникова. – СПб.: Питер, 1999. - 352с. 7. Microsoft Excel 2000: Справочник / под ред. Ю.В. Колесникова. – СПб.: Питер, 1999. - 480с. 8. Доросинский Л.Г. WORD и EXCEL: делопроизводство и расчёты. Екатеринбург: УГТУ, 1996. 126 с.: ил.

Inform

Related documents

Products

Support

Inform

Related documents

Add this document to collection(s)

Add this document to saved

Suggest us how to improve StudyLib