ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭВМ
| МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Н.Э. БАУМАНА КАФЕДРА ИУ - 7 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭВМ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ |
| Курс лекций по дисциплине |
| ИНФОРМАТИКА |
Москва, 2012
Глава 1. Лекция 1. 2 1.1. Задачи учебной дисциплины 2Глава 1. Лекция 1
Задачи учебной дисциплины
Информатика – это наука и вид практической деятельности, связанные с процессами обработки информации с помощью вычислительной техники. Термин информатика произошел от слияния двух французских слов Informacion… Информатика представляет собой единство разнообразных отраслей науки, техники и производства, связанных с переработкой…Основные понятия
Обычно под информацией понимается совокупность сведений, расширяющая представление об объектах и явлениях окружающей среды, их свойствах, состоянии и взаимосвязях. Обмен информацией непрерывно происходит между людьми, между людьми и окружающим миром. Обмен информацией осуществляется посредством сообщений.
Сообщение – это форма представления информации для ее последующей передачи в одном из следующих видов:
- числовая форма, представленная цифрами;
- текстовая форма, представленная текстами, составленными из символов того или иного языка;
- кодовая форма, представленная кодами; например, кодами в двоичной системе счисления, кодами для сжатия или шифрования, кодами азбуки Морзе или азбуки для глухонемых и т. п.;
- графическая форма, представляющая изображения объектов;
- акустическая форма, представленная звуковыми сигналами;
- видео форма, представляющая телепередачи, видео- и кинофильмы в специальном формате.
При работе с информацией всегда имеются источник и потребитель информации. При этом необходимо различать термины «информация» и «данные».
Данные – это информация, представленная в некоторой форме (формализованном виде), что обеспечивает ее хранение, обработку и передачу.
Информации обладает следующими свойствами:
- запоминаемость, то есть способность воспринять информацию и хранить ее продолжительное время;
- передаваемость, то есть способность информации к копированию – восприятием ее другой системой без искажения;
- воспроизводимость характеризует неиссякаемость и неистощимость информации, то есть при копировании информация остается тождественной себе; свойство воспроизводимости не является базовым и тесно связано с передаваемостью;
- преобразуемость – это способность информации менять способ и форму своего существования.
Можно выделить три концепции информации, объясняющие ее сущность.
Первая концепция предложена американским ученым Клодом Шенноном и отражает количественно-информационный подход. Информация определяется как мера неопределенности события. Количество информации зависит от вероятности ее получения. Чем меньше вероятность получения сообщения, тем больше информации в нем содержится. Эта концепция получила широкое распространение в теории передачи и кодировании данных.
Вторая концепция рассматривает информацию как свойство (атрибут) материи. Информация создает представление о природе, структуре, упорядоченности и разнообразии материи. В рамках этой концепции информация не может существовать вне материи, а значит она существовала и будет существовать вечно, ее можно накапливать, хранить и перерабатывать.
Третья концепция основана на логико-семантическом подходе, при котором информация рассматривается как знание, которое используется для ориентировки, активного действия, управления или самоуправления.
Чтобы сообщение было передано от источника к потребителю, необходима некоторая среда – носитель информации. Примерами носителей информации являются воздух для передачи речи, лист бумаги и конверт – для отсылки текста письма. Сообщение передается с помощью сигналов. В общем случае, сигнал – это физический динамический процесс, так как его параметры изменяются во времени.
В случае, когда параметр сигнала принимает конечное число значений, и при этом все они могут быть пронумерованы, сигнал называется дискретным. Сообщение и информация, передаваемое с помощью таких сигналов, также называются дискретными. Примером дискретной информации являются текстовая информация, так как количество символов (букв) конечно и их можно рассматривать как уровни сигнала передачи сообщения.
Если параметр сигнала является непрерывной во времени функции, то сообщение и информация, передаваемая этими сигналами, называются непрерывные. Примером непрерывного сообщения является человеческая речь, передаваемая звуковой волной, с меняющейся частотой, фазой и амплитудой. Параметром сигнала в этом случае является давление, создаваемое этой волной в точке нахождения приемника – человеческого уха.
Непрерывное сообщение может быть представлено непрерывной функцией, заданной на некотором отрезке [а, b]. Дискретизация – это процесс преобразования непрерывного сигнала в дискретный сигнал с некоторой частотой. Для этого диапазон значений функции (ось ординат) разбивается на конечное количество отрезков равной ширины. Тогда дискретное значение определяется отрезком, в который попало значение функции, называемый шагом дискретизации. Чем меньше шаг дискретизации, тем ближе полученный дискретный к исходному непрерывному сигналу, а, следовательно, больше точность дискретизации.
Информация нуждается в измерении. На практике количество информации измеряется с точки зрения синтаксической адекватности. Исторически сложились два подхода к измерению информации: вероятностный и объемный. В 1940-х гг. К. Шеннон предложил вероятностный подход, а работы по созданию ЭВМ способствовали развитию объемного подхода.
Рассмотрим вероятностный подход к измерению количества информации в соответствии с первой концепцией информации.
Пусть система a может принимать одно из N состояний в каждый момент времени, причем каждое из состояний равновероятно. Например, в качестве системы могут выступать опыты с подбрасыванием монеты (N = 2) или бросанием игральной кости (N = 6).
Количество информации системы a вычисляется по формуле, предложенной Р. Хартли:
H = H(a) = log2 N = 
.
При N = 2 количество информации минимально и равна H = 1. Поэтому в качестве единицы информации принимается количество информации, связанное с двумя равновероятными состояниями системы, например: «орел» – «решка», «ложь» – «истина». Такая единица количества информации называется бит.
Введем понятие вероятности. Вероятность события A – это отношение числа случаев M, благоприятствующих событию A, к общему количеству случаев N:
P = 
.
Объем данных V в сообщении измеряется количеством символов (разрядов) в этом сообщении. В информатике в основном используется двоичная система счисления, то есть все числа представляются двумя цифрами: 0 и 1. Поэтому минимальной единицей измерения данных является бит. Таким образом, 1 бит – это либо 0, либо 1. Элемент, принимающий всего два значения, называется двухпозиционным и просто реализуется аппаратно, например, двумя состояниями «включено» – «выключено», «ток есть» – «ток отсутствует».
Более подробно о системах счисления будет рассказано в следующей главе.
Наряду с битом используется укрупненная единица измерения – байт, равная 8 бит.
Пример. Сообщение в двоичной системе счисления 10010010 имеет объем данных V = 8 бит. Этот объем данных представляется 1 байтом.
Для удобства использования введены и более крупные единицы объема данных:
1024 байт = 1 килобайт (Кбайт);
1024 Кбайт = 1 мегабайт (Мбайт) = 10242 байт = 1048576 байт;
1024 Мбайт = 1 гигабайт (Гбайт) = 10243 байт;
1024 Гбайт = 1 терабайт (Тбайт) = 10244 байт;
1024 Тбайт = 1 пентабайт (Пбайт) = 10245 байт.
Общий объем информации в книгах, цифровых и аналоговых носителях за всю историю человечества составляет по оценкам 1018 байт. Зато следующие 1018 байт будут созданы за следующие 5-7 лет.
Отличие объема данных от количества информации заключается в следующем. Объем данных выражается только целыми значениями, а количество информации – вещественными.
Формулу Хартли можно использовать для определения объема данных. При этом результат округляется в большую сторону, так как минимальной ячейкой памяти в ЭВМ является байт. Поэтому, заняв только часть байта (его несколько бит), оставшаяся часть байта не используется.
Эффективность использования информации для принятия решений определяется показателями ее качества. Рассмотрим основные показатели качества информации, и чем они определяются.
Репрезентативность (объективность) определяется правильностью отбора и формирования информации в целях адекватного отражения свойств объекта.
Содержательность зависит от семантической емкости, равной отношению количества семантической информации в сообщении к объему сообщения.
Достаточность (полнота) – это минимальный, но достаточный для принятия правильного решения набор показателей. Как неполная, то есть недостаточная для принятия правильного решения, так и избыточная информация снижает эффективность принимаемых пользователем решений. Однако избыточная информация позволяет восстановить частично утраченную информацию. Например, в слове «дост*пнос*ь» потеряно 18% букв, однако можно понять по оставшимся буквам, что это слово «доступность». Русский язык, как и другие естественные языки, обладает большой избыточностью.
Доступность определяется степенью легкости восприятия и получения информации пользователем.
Актуальность определяется степенью соответствия информации моменту ее использования.
Своевременность определяется поступлением информации не позже заранее назначенного момента времени, зависящего от времени решения поставленной задачи.
Точность – это степень близости получаемой информации к реальному состоянию объекта, процесса, явления и т. п.
Достоверность – это вероятность того, что отображаемое информацией значение параметра отличается от истинного значения этого параметра в пределах необходимой точности.
Устойчивость – это свойство информации реагировать на изменение исходных данных, сохраняя при этом необходимую точность. Устойчивость и репрезентативность обусловлены правильностью выбора метода отбора и формирования информации.
Ценность определяется эффективностью принятых на основе полученной информации решений.
Операции над информацией называются информационными процессами. Люди обмениваются устными сообщениями, записками, посланиями. Они передают друг другу просьбы, приказы, отчеты о проделанной работе, описи имущества, публикуют рекламные объявления и научные статьи, хранят старые письма и документы или долго размышляют над полученными известиями. Все это примеры информационных процессов.
Все информационные процессы можно отнести к одному из следующих классов.
Сбор данных – это деятельность по накоплению данных с целью обеспечения достаточной полноты. В сочетании с методами анализа данных, они порождают информацию, способную помочь в принятии решений. Например, на основе цены товара и его аналогов, их потребительских качеств, мы принимаем решение: покупать или не покупать этот товар.
Передача данных – это процесс обмена данными. Предполагается, что существует источник информации, канал связи и потребитель информации. Между ними устанавливаются соглашения о порядке обмена данными. Такие соглашения называются протоколами передачи данных. Например, в обычной беседе между двумя людьми негласно принимается соглашение, не перебивать друг друга во время разговора.
Хранение данных – это поддержание данных в форме, постоянно готовой к выдаче их потребителю. Одни и те же данные могут потребоваться потребителю многократно, поэтому существуют способы их хранения на носителях, например, бумаге или запоминающих устройствах, и методы их выдачи по запросу потребителя.
Обработка данных – это процесс преобразования информации из исходной формы до получения определенного результата. Сбор, накопление, хранение информации часто не являются конечной целью информационного процесса. Чаще всего первичные данные используются для решения какой-либо проблемы. Данные преобразуются шаг за шагом в соответствии с алгоритмом обработки до получения выходных данных, которые после анализа пользователем предоставляют необходимую информацию.
Информационные процессы могут осуществляться в рамках информационных систем.
Информационные системы – это организованные человеком системы сбора, хранения, обработки и выдачи информации, необходимой для принятия эффективных решений. Задачей информационных систем является удовлетворение потребностей потребителя в информации. Потребитель должен своевременно получать информацию в требуемой форме, после ее систематизации и необходимой обработки.
Информационная система включает следующие составные части:
- информацию, хранящуюся в информационной системе;
- технические средства хранения и обработки данных;
- методы и процедуры сбора и обработки информации.
Информация является таким же важнейшим ресурсом современного общества, как уголь, нефть, металлы и др., а значит, процесс ее переработки, как и процессы переработки материальных ресурсов, можно назвать технологией.
Информационная технология – это процесс, использующий совокупность средств и методов сбора, обработки и передачи данных о состоянии объекта, процесса или явления для получения новой информации об их состоянии. Таким образом, информационная технология – это процесс переработки первичной информации в информационный продукт.
Целью информационной технологии является производство информации для ее анализа человеком и принятия на его основе решения о выполнении соответствующих действий.
Техническими средствами производства информации является его аппаратное, программное и математическое обеспечение. С их помощью производится переработка первичной информации в информацию нового качества.
Программное обеспечение является инструментарием информационных технологий, которое позволяет достичь поставленную пользователем цель. В качестве инструментария можно использовать следующие виды программных продуктов:
- текстовые процессоры и графические редакторы;
- настольные издательские системы;
- электронные таблицы;
- системы управления базами данных (СУБД);
- информационные системы функционального назначения (финансовые, бухгалтерские, для маркетинга и пр.).
Информационная технология тесно связана с информационными системами, которые являются для нее основной средой.
Информационная технология является процессом, состоящим из четко регламентированных правил выполнения операций, действий, этапов разной степени сложности над данными, хранящимися в компьютерах. Основная цель информационной технологии – в результате целенаправленных действий по переработке первичной информации получить необходимую для пользователя информацию.
Системы счисления
Системы счисления разделяют на позиционные и непозиционные. Рассмотрим эти системы счисления. Непозиционная система счисления – это система, в которой цифры не меняют… К непозиционным системам счисления относится система римских цифр, основанная на употреблении латинских букв для…Двоичная, десятичная и шестнадцатеричная системы
amam–1…a1a0,a–1a–2…a–k, где «,» – разделитель целой и дробной частей; ai, i = –k, m; или с явным… (amam–1…a1a0,a–1a–2…a–k)n,Перевод целых чисел
Перевод целого числа X осуществляется по следующему алгоритму: 1) получить цифру числа n-ой системы счисления как остаток от деления числа X… 2) принять за X частное от деления числа X на основание системы счисления n;Перевод дробных чисел
Перевод дробных чисел из n-й в десятичную систему счисления - вещественное число переводится из n-й в десятичную систему счисления с использованием… Перевод дробных чисел с нулевой целой частью из десятичной в n-ую систему… 1) умножить X на n;Логические основы ЭВМ
Математическая логика – это наука о формах и способах мышления и их математическом представлении. Мышление основывается на понятиях, высказываниях и умозаключениях. Понятие объединяет совокупность объектов, обладающими некоторыми существенными признаками, которые отличают их от…Логические операции
Основные логические операции над высказываниями, используемыми в ЭВМ, включают отрицание, конъюнкцию, дизъюнкции, стрелку Пирса и штрих Шеффера. Рассмотрим эти логические операции.
1. Отрицание 
(обозначается также ØX, ~X).
Отрицание (NOT, читается «не X») – это высказывание, которое истинно, если X ложно, и ложно, если X истинно.
2. Конъюнкция XY (X&Y, XÙY).
Конъюнкция XY (AND, логическое умножение, «X и Y») – это высказывание, которое истинно только в том случае, если X истинно и Y истинно.
3. Дизъюнкция X+Y (XÚY).
Дизъюнкция X+Y (OR, логическая сумма, «X или Y или оба») – это высказывание, которое ложно только в том случае, если X ложно и Y ложно.
4. Стрелка Пирса X ¯ Y.
Стрелка Пирса X ¯ Y (NOR (NOT OR), ИЛИ-НЕ) – это высказывание, которое истинно только в том случае, если X ложно и Y ложно.
5. Штрих Шеффера X | Y.
Штрих Шеффера X | Y (NAND (NOT AND), И-НЕ) – это высказывание, которое ложно только в том случае, если X истинно и Y истинно.
Определить значения логических операций при различных сочетаниях аргументов можно из таблицы истинности.
Таблица истинности для основных логических операций, используемых в ЭВМ
| X | Y | 
| XY | X + Y | X ¯ Y | X | Y |
Чтобы определить значение операции 0 + 1 в таблице истинности, необходимо на пересечении столбца X + Y (определяет операцию) и строки, где X = 0 и Y = 1 (так первый аргумент равен 0, а второй – 1), найти значение 1, которое и будет являться значением операции 0 + 1.
В алгебре высказываний существуют две нормальные формы: конъюнктивная нормальная форма (КНФ) и дизъюнктивная нормальная форма (ДНФ).
КНФ – это конъюнкция конечного числа дизъюнкций нескольких переменных или их отрицаний (произведение сумм). Например, формула X(Y + Z) находится в КНФ.
ДНФ – это дизъюнкция конечного числа конъюнкций нескольких переменных или их отрицаний (сумма произведений). Например, формула X + YZ находится в ДНФ.
Логические операции обладают свойствами, сформулированными в виде равносильных формул.
Снятие двойного отрицания (отрицание отрицания):
 =X. (6.1)
Коммутативность:
XY=YX. (6.2)
X+Y=Y+X. (6.3)
Ассоциативность:
(XY)Z=X(YZ). (6.4)
(X+Y)+Z=X+(Y+Z). (6.5)
Дистрибутивность:
X(Y+Z)=XY+XZ. (6.6)
X+YZ=(X+Y)(X+Z). (6.7)
Законы де Моргана:
 . (6.8)
 . (6.9)
Идемпотентность:
X+X=X. (6.10)
X×X=X. (6.11)
Закон противоречия:
X× =0. (6.12)
| Закон «исключения третьего»:
X+=1. (6.13)
Свойства констант:
X×1=X. (6.14)
X×0=0. (6.15)
X+1=1. (6.16)
X+0=X. (6.17)
Элементарные поглощения:
X+XY=X. (6.18)
X+Y=X+Y. (6.19)
X(X+Y)=X. (6.20)
X(+Y)=XY. (6.21)
Преобразование стрелки Пирса:
X¯Y= . (6.22)
Преобразование штриха Шеффера:
X | Y= . (6.23)
|
Порядок применения формул при преобразованиях - перечисленные формулы рекомендуется применять в следующем порядке:
1) преобразование стрелки Пирса (6.22) и штриха Шеффера (6.23);
2) законы де Моргана (6.8)-(6.9);
3) формулы дистрибутивности (6.6)-(6.7);
4) элементарные поглощения (6.18)-(6.21).
Обычно формула приводится к ДНФ, а затем отдельные слагаемые поглощаются.
Логические функции
Существует различных логических функций от n переменных. Логические операции, рассмотренные в предыдущем разделе, можно рассматривать… Набор функций, с помощью которого можно представить (выразить) все логические функции, называется функционально-полным…Классификация ЭВМ
По принципу действия
В этом случае критерием является форма представления информации,
с которой они работают. Цифровые ВМ – вычислительные машины дискретного действия; работают с информацией, представленной в дискретной, а точнее в цифровой форме.
Аналоговые ВМ - вычислительные машины непрерывного действия; работают с информацией, представленной в непрерывной (аналоговой) форме.
По назначению
Универсальные, проблемно-ориентированные, специализированные.
По этапам создания
Поколения ЭВМ Поколение Элементная база процес-сора Макс. емкость ОЗУ, байт Макс.…Глава 2. Лекция 2
Структурная схема ЭВМ.
Вычислительной называется техническая система способная выполнять действия посредством арифметических и логических операций.
ЭВМ (персональный компьютер (ПК)) – это универсальная вычислительная диалоговая система, реализованная на базе микропроцессорных средств, компактных внешних запоминающих устройств, способная выполнять последовательность операций над информацией определенной программы. В основе функционирования любой ЭВМ лежит архитектура.
Архитектура – это наиболее общие принципы построения ЭВМ, реализующие программное управление работой и взаимодействием основных ее функциональных узлов. В основе архитектуры современных ЭВМ лежат принципы, предложенные американским ученым и теоретиком вычислительной техники Джоном фон Нейманом.
ЭВМ состоит из системного блока, к которому подключаются монитор и клавиатура. В системном блоке находятся основные компоненты ЭВМ:
ВЗУ – внешние запоминающие устройства (жесткий диск, приводы CD/DVD/Blu-Ray, флэш-память); некоторые ВЗУ располагаются внутри системного блока и подключаются к контроллерам ВЗУ, а некоторые – снаружи системного блока и подключаются к портам ввода-вывода.
Структура ЭВМ
ВК – видеокарта (видеоадаптер, видеоконтроллер) формирует изображение и передает его на монитор;
ИП – источник питания обеспечивает питание всех блоков ЭВМ по системной шине;
КВЗУ – контроллеры внешних запоминающих устройств управляют обменом информацией с ВЗУ;
КК – контроллер клавиатуры содержит буфер, в который помещаются вводимые символы, и обеспечивает передачу этих символов другим компонентам;
КПВВ – контроллеры портов ввода-вывода управляют обменом информацией с периферийными устройствами;
МП – микропроцессор выполняет команды программы, управляет взаимодействием всех компонент ЭВМ;
ОЗУ – оперативное запоминающее устройство хранит исходные данные и результаты обработки информации во время функционирования ЭВМ;
ПЗУ – постоянное запоминающее устройство хранит программы, выполняемые во время загрузки ЭВМ;
ПУ – периферийные устройства различного назначения: принтеры, сканнеры, манипуляторы «мышь» и др.;
СА – сетевой адаптер (карта) обеспечивает обмен информацией с локальными и глобальными компьютерными сетями.
К устройствам ввода информации относят клавиатуру и такие ПУ, как сканнеры, манипуляторы типа «мышь», джойстики, а к устройствам вывода информации – монитор и такие ПУ, как принтеры.
Современную архитектуру ЭВМ определяют следующие принципы.
1. Принцип программного управления. Обеспечивает автоматизацию процесса вычислений на ЭВМ. Согласно этому принципу, для решения каждой задачи составляется программа, которая определяет последовательность действий ЭВМ.
2. Принцип программы, сохраняемой в памяти. Согласно этому принципу, команды программы подаются, как и данные, в виде чисел и обрабатываются так же, как и числа, а сама программа перед выполнением загружается в ОЗУ, что ускоряет процесс ее выполнения.
3. Принцип произвольного доступа к памяти. В соответствии с этим принципом, элементы программ и данных могут записываться в произвольное место ОЗУ, что позволяет обратиться по любому заданному адресу (к конкретному участку памяти) без просмотра предыдущих.
Составные части ЭВМ образуют аппаратное обеспечение ЭВМ (hardware). Рассмотрим эти компоненты ЭВМ.
Микропроцессор
Основные функции МП: - выполнение команд программы, расположенной в ОЗУ; команда состоит из кода,… - управление пересылкой информации между микропроцессорной памятью, ОЗУ и периферийными устройствами;Системная шина
Системная шина включает в себя: - кодовую шину данных для параллельной передачи всех разрядов числового кода… - кодовую шину адреса для параллельной передачи всех разрядов адреса ячейки ОЗУ; имеет 32 разряда;Постоянное и оперативное ЗУ
Запоминающие устройства характеризуются двумя параметрами: - объем памяти – размер в байтах, доступных для хранения информации; - время доступа к ячейкам памяти – средний временной интервал, в течение которого находится требуемая ячейка памяти и…Глава 3. Лекция 3
Внешние ЗУ
ВЗУ можно разделить по критерию транспортировки на переносные и стационарные. Переносные ВЗУ состоят из носителя, подключаемого к порту ввода-вывода… Перед первым использованием или в случае сбоев ВЗУ необходимо отформатировать… Рассмотрим три типа ВЗУ, разделенные по критерию физической основы или технологии производства носителя: 1) магнитные…Магнитные носители
Из-за контакта головки с поверхностью носителя через некоторое время носитель приходит в негодность. Рассмотрим три типа магнитных носителей. 1. Накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД; harddisk – жесткий диск) представляют собой несколько дисков с…Оптические носители
1) поликарбонатная основа (внешняя сторона диска); 2) активный (регистрирующий) слой пластика с изменяемой фазой состояния; 3) тончайший отражающий слой (внутренняя сторона диска).Флэш-память
Флэш-память представляет собой микросхемы памяти, заключенные в пластиковый корпус, и предназначена для долговременного хранения информации с возможностью многократной перезаписи. Микросхемы флэш-памяти не имеют движущихся частей. При работе указатели в микросхеме перемещаются на начальный адрес блока, и затем байты данных передаются в последовательном порядке. При производстве микросхем флэш-памяти используются логические элементы NAND (И-НЕ). Количество циклов перезаписи флэш-памяти превышает 1 млн. В настоящее время размер флэш-памяти превышает 64 Гбайт (2011 г.), что позволило флэш-памяти вытеснить дискеты. Флэш-память подключается к порту USB.
Видеоподсистема ЭВМ
Видеокарта
1) монитор (дисплей), отображающий на своем экране текстовую и графическую информацию пользователю; 2) видеокарта (ВК; видеоконтроллер, видеоадаптер), обеспечивающая формирование… Видеокарта представляет собой плату, устанавливаемую в специальный слот на материнской плате или интегрированную в…Монитор
Размер экрана монитора задается величиной его диагонали в дюймах. Приняты следующие типоразмеры экранов 12, 14, 15, 17, 19, 21 и 22 дюйма. 1 дюйм =… Разрешение монитора измеряется в пикселях. Пиксель – это точка на экране… Обычно соотношение количества пикселей по горизонтали и вертикали составляет 4:3 (стандартные) или 16:9…Контроллеры портов ввода-вывода
Порты ввода-вывода делятся на два типа в зависимости от количества бит, проходящих за один такт передачи: - параллельные, в которых за один такт проходит несколько бит (например, 8 или… - последовательные, в которых за один такт проходит один бит.Периферийные устройства
Клавиатура
Набор клавиш клавиатуры разбит на несколько функциональных групп: - алфавитно-цифровые клавиши (буквы и цифры) предназначены для ввода знаковой… - функциональные клавиши (F1-F12); функции клавиш зависят от конкретной, работающей в данный момент времени…Принтеры
Разрешающая способность или разрешение печати измеряется числом элементарных точек (dot), которые размещаются на одном дюйме (dpi). Например,… Единицей измерения скорости печати информации служит число печатаемых страниц… Данные с ЭВМ хранятся во встроенной памяти принтера. Далее принтер уже самостоятельно печатает файл без участия ЭВМ.…Сканеры
Различают планшетные и ручные сканеры. Принцип работы планшетных сканеров заключается в следующем. Сканируемый… Применяются два типа сенсоров – CCD (Charge-Coupled Device) и CIS (Contact Image Sensor).Сетевой адаптер
Для доступа ЭВМ к локальной сети используется специальная плата – сетевой адаптер, которая выступает в качестве физического соединения ЭВМ и канала связи. Сетевой адаптер выполняет следующие функции:
- подготовку данных, поступающих от ЭВМ, к передаче по каналу связи;
- передачу данных по каналу связи;
- прием данных из канала связи и перевод их в форму, понятную ЭВМ.
Каждый сетевой адаптер имеет уникальный физический адрес, записанный в него на стадии производства.
Модем
Модем – это устройство, предназначенное для подсоединения ЭВМ к обычной телефонной линии. Название происходит от сокращения двух слов – МОдуляция и ДЕМодуляция.
ЭВМ вырабатывает дискретные электрические сигналы (последовательности нулей и единиц), а по телефонным линиям информация передается в аналоговой форме, то есть в виде сигнала, уровень которого изменяется непрерывно, а не дискретно. Модемы выполняют цифро-аналоговое и аналого-цифровое преобразования. При передаче данных, модемы накладывают цифровые сигналы (рис., б), полученные из ЭВМ, на непрерывную частоту телефонной линии (рис., а) (модулируют ее), а при их приеме демодулируют информацию и передают ее в цифровой форме в ЭВМ.
Модуляция колебаний – это изменение амплитуды, частоты или фазы колебаний по определённому закону. Различают амплитудную модуляцию (в), частотную модуляцию (г) и фазовую модуляцию (д).
Виды модуляции
Модемы передают данные по обычным телефонным каналам со скоростью от 300 до 56 000 бит в секунду. Кроме того, современные модемы осуществляют сжатие данных перед отправлением, что сокращает время передачи данных.
По конструктивному исполнению модемы бывают трех видов:
1) встроенные модемы интегрированы в материнскую плату;
2) внутренние модемы вставляются в системный блок ЭВМ в один из слотов расширения материнской платы;
3) внешние модемы подключаются через один из коммуникационных портов, имеют отдельный корпус и собственный блок питания.
По аппаратной реализации модемы бывают двух типов.
1. Программные (software) модемы представляют собой плату, вставляемую в слот PCI и работающую под управлением ОС Windows. Поэтому такие модемы называют Win-модемы. В программных модемах часть их функций реализована не в виде микросхем, а заменена программой, которая выполняется центральным МП ЭВМ. Такая замена существенно удешевляет модем, но обусловливает некоторую дополнительную нагрузку на МП.
2. Аппаратные (hardware) модемы реализуют все процедуры передачи и приема средствами самого модема. Поэтому такие модемы несколько дороже, но более эффективны при работе со старыми телефонными линиями.
Факс-модемы позволяют отправлять и принимать факсимильные сообщения (факсы) и поддерживают возможность телефонного разговора через факс-модем.
Современные цифровые модемы формально модемами не явлются, так как не преобразуют цифровой сигнал в аналоговый и обратно. Они передают и принимают только цифровые сигналы.
ADSL-модемы позволяют передавать данные, используя телефонные линии. При этом остается возможность говорить параллельно по телефону. ADSL-модемы позволяют осуществлять передачу данных на скорости до 1 Мбит/с, а прием данных – до 7 Мбит/с.
Каждый сотовый телефон (за исключением некоторых дешевых моделей) содержит модем для передачи данных в сетях сотовой связи. Также такие модемы выпускаются отдельными устройствами, подключаемые к порту USB.
Таким образом, основными характеристиками модемов являются:
1) скорость передачи;
2) конструктивное исполнение: внутренний, внешний, встроенный;
3) способ подключения к ЭВМ в случае внутреннего и внешнего конструктивного исполнения: слот PCI, порт PCMCIA, порт USB;
4) сеть или технология, по которой модем осуществляет передачу.
Глава 4. Лекция 4
Программное обеспечение ЭВМ
ПО предназначено для решения конкретных задач. Приложение (application) – это программная реализация решения задачи на ЭВМ. В большинстве случаев,… Жизненный цикл ПП состоит из трех стадий: 1) разработка ПП; 2) эксплуатация и…Классификация программного обеспечения
Можно выделить следующие уровни ПО (в порядке убывания):
1) прикладной уровень;
2) служебный уровень;
3) системный уровень;
4) базовый уровень.
Базовый уровень отвечает за взаимодействие с аппаратными средствами и хранится в базовой системе ввода-вывода (BIOS). Программы и данные записываются в ПЗУ на этапе производства и не могут быть изменены во время эксплуатации. ПО базового уровня выполняет следующие функции:
- тестирование оборудования после каждого включения ЭВМ, которое состоит из инициализации системных ресурсов и регистров микросхем, тестирования ОЗУ, инициализации контроллеров, определения и подключения ВЗУ;
- передача управления загрузчику операционной системы;
- управление электропитанием при выключении ЭВМ.
Системный уровень обеспечивает взаимодействие других программ компьютера с базовым уровнем и непосредственно с аппаратным обеспечением. Совокупность ПО системного уровня образует ядро операционной системы (ОС) ЭВМ. Ядро ОС выполняет следующие функции:
- управление и распределение памяти ОЗУ и ВЗУ;
- управление процессами ввода-вывода;
- поддержка файловой системы – упорядоченной совокупности объектов различного типа (файлов), хранящихся в ВЗУ;
- управление устройствами через специальные программы – драйверы;
- организация взаимодействия и диспетчеризации процессов – выполняемых в данный момент программ и задач;
- предоставление интерфейса пользователю для управления перечисленными функциями – системы окон, меню, панелей инструментов для вызова соответствующих функций.
Драйвер устройств – это программа, которая обеспечивает взаимодействие (преобразование сигналов, данных) с компонентами ЭВМ. Почти все компоненты взаимодействуют с ОС через драйверы.
Служебный уровень автоматизирует работы по проверке и настройке компьютерной системы. Задачи, решаемые на служебном уровне, аналогичны задачам системного уровня, однако ПО служебного уровня решает их эффективней. Таким образом, служебный уровень дополняет системный уровень.
Типы служебных программ.
1. Диспетчеры файлов (файловые менеджеры). Предоставляют удобные средства для выполнения большинства операций по обслуживанию файловой системы: копированию, перемещению, переименованию файлов, созданию каталогов (папок), уничтожению объектов, поиску файлов и навигации в файловой системе.
2. Средства сжатия данных (архиваторы). Создают, обновляют и обслуживают архивных файлов, предназначенных для компактного хранения и передачи других файлов.
3. Средства диагностики. Предназначены для автоматизации процессов проверки правильности работы программного и аппаратного обеспечения и оптимизации работы компьютерной системы.
4. Средства просмотра и воспроизведения. Служат для просмотра текстовых файлов, графических изображений, воспроизведения звуковых или видеофайлов.
5. Средства обеспечения компьютерной безопасности. Служат для предотвращения несанкционированного доступа к файлам для их чтения, изменения или повреждения.
Прикладной уровень представляет собой комплекс прикладных программ, с помощью которых выполняются конкретные задачи (производственные, творческие, развлекательные и учебные).
Классификация прикладного ПО.
1. Офисные пакеты. Представляют собой комплексное решение задач, возникающих при документообороте в учреждениях и домашних условиях. Включают текстовый редактор для создания и обработки текстов; табличный процессор для подсчета и анализа числовых данных; систему управления базами данных (СУБД) для хранения и обработки данных; редактор презентаций для подготовки материалов для проведения лекций и презентаций.
2. Графические редакторы предназначены для создания и обработки графических изображений и делятся на три типа: редакторы растровой графики, редакторы векторной графики и редакторы трехмерной графики. Растровая графика состоит из массива точек разных цветов. Векторная графика представляет изображение в виде набора геометрических примитивов: точек, линий, прямоугольников, окружностей и др. Трехмерная графика строится на основе векторной графики, но к ней добавляются новые элементы, имитирующее третье измерение.
3. Системы автоматизированного проектирования (cad-системы) предназначены для автоматизации проектно-конструкторских работ в машиностроении, приборостроении, архитектуре. Позволяют проводить математические расчеты надежности конструкций.
4. Программы для работы в локальных и глобальных сетях: браузеры, клиенты электронной почты, программы для загрузки файлов.
5. Системы автоматизированного перевода. Различают электронные словари и программы перевода текстов на естественных языках.
6. Бухгалтерские системы. Предназначены для автоматизации подготовки начальных бухгалтерских документов предприятия, финансовых отчетов и их учета.
7. Игровые, обучающие и справочные программы.
8. Инструментальные языки и системы программирования. Предназначены для разработки новых программ. Предоставляют программисту удобные средства для создания и отладки программных средств.
Операционные системы
Основная функция всех ОС – посредническая. Она заключается в обеспечении нескольких видов взаимодействия: - взаимодействие между пользователем с одной стороны и программным и… - взаимодействие между программным и аппаратным обеспечением, называемое аппаратно-программным интерфейсом;Распределение ресурсов ЭВМ между процессами
В каждый момент времени процесс может находиться в одном из следующих состояний: - создание – подготовка условий для исполнения процессором; - выполение – непосредственное исполнение процессором;Поддержание файловой системы
Каждый логический диск состоит из двух областей: 1) загрузочной области, содержащей программный код для загрузки ОС;Обеспечение интерфейса пользователя
Основным устройством управления в интерфейсе командной строки является клавиатура. Управляющие команды вводят в поле командной строки, где их можно… Графические интерфейс пользователя реализуют более сложный тип интерфейса, в… В качестве примера активного элемента управления выступает указатель (курсор) мыши – графический объект, перемещение…Драйверы устройств
1) перевод команд ОС в команды контроллера и обратно; 2) обмен данными между ОС и устройством через его контроллер. Каждый контроллер устройства имеет определенное количество регистров, предназначенных для обмена данными между ОС и…Глава 5. Лекция 5
Понятие алгоритма
В основе любой программы лежит алгоритм. Алгоритм – это полное и точное описание на некотором языке конечной последовательности правил, указывающих… Термин «алгоритм» произошел от имени среднеазиатского ученого аль-Хорезми (787… Далее, изучая понятие алгоритма, мы будем предполагать, что его исполнителем является автоматическое устройство - ЭВМ.…Алгоритмизация
Пусть имеется некоторая математическая задача, которая может быть решена одним из известных математических методов. Как приступить к процессу… Поскольку речь идет о разработке алгоритма для ЭВМ, то нужно сначала… Непосредственная разработка алгоритма начинается с осознания существа поставленной задачи, с анализа того, что нам…Словесная запись алгоритмов
у := А (читается: «у присвоить значение А»), где у – переменная; А – некоторое… Предположим, что правила выполнения арифметических операций сложения, вычитания и умножения известны исполнителю.…Схемы алгоритмов
Рассмотрим общие правила построения схем алгоритмов. 1. Для конкретизации содержания блока и уточнения выполняемого действия внутри… Наименование символа Обозначение и размеры Функция Процесс …Технология разработки алгоритмов
Какими качествами должен обладать хороший алгоритм? Прежде всего, от алгоритма требуется, чтобы он правильно решал поставленную… По своей сути структурный подход есть отказ от беспорядочного стиля в алгоритмизации и программировании (в частности,…Разработка программы
Язык программирования- это строго формализованный язык для описания процесса решения задачи на ЭВМ, представляет собой совокупность ограниченного… Трансляторы могут быть компилирующего типа – компиляторы и интерпретирующего… Компиляторанализирует и преобразует исходный текст в, так называемый, объектный код (промежуточное состояние программы…Отладка и тестирование программы
Ошибочные ситуации могут возникнуть и при выполнении программы, например, деление на нуль или извлечение корня квадратного из отрицательного числа.… Программа, не имеющая ошибок трансляции и выполнения, может и не дать верных… Тестирование программы – это выполнение программы на наборах исходных данных (тестах), для которых известны…Глава 6. Лекция 6
Вычислительные сети
Структура вычислительной сетиМодель взаимодействия открытых систем
1) физический; 2) канальный; 3) сетевой;Сетевые протоколы
- протоколы работают на разных уровнях модели OSI, поэтому функции протокола определяются уровнем, на котором он работает; - несколько протоколов могут работать совместно, в этом случае они образуют… Передача данных по сети разбита на несколько шагов, каждому из которых соответствует протокол. Узел-отправитель…Топологии вычислительных сетей
Наиболее распространенными топологиями локальных сетей, в которых передающей средой является кабель, являются кольцо, шина, звезда. Топология кольцо предусматривает соединение узлов сети замкнутым контуром и…Виды коммутации
Узлы коммутации осуществляют один из трех следующих видов коммутации при передаче данных. 1. Коммутация каналов. Между пунктами отправления и назначения устанавливается… Преимущества:Способы адресации ЭВМ в сети
1. Аппаратные адреса представляют собой шестнадцатеричные номера (12 цифр; например: 00-08-74-96-92-5C). Присвоение аппаратных адресов происходит… 2. Числовые составные адреса, например IP-адреса (Internet Protocol-адреса –… 3. Символьные адреса или имена предназначены для пользователей и несут смысловую нагрузку. Такие адреса имеют…Маршрутизация
- максимальной пропускной способности сети; - минимального времени прохождения пакета от отправителя к получателю; - надежности доставки и безопасность передаваемой информации.Глава 7. Лекция 7
Глобальная сеть
В конце 1969 г. под эгидой Министерства обороны США был создан проект ARPAnet (Advanced Research Project Agency Network – сеть Управления… Провайдер – это организация (фирма, компания), обеспечивающая подключение… 1) по модему (телефонному, ADSL или другого типа) (раздел 8.9.6);Протоколы сети Интернет
На нижнем уровне используются два основных протокола: IP и TCP. Протокол TCP предназначен для управления передачей данных в виде пакетов,… Семь уровней модели OSI преобразованы в четыре уровня протоколов TCP/IP: 1) уровень межсетевого интерфейса предназначен собственно для передачи данных по сети;Система адресации в Интернет
IP-адрес используется в протоколах передачи данных. IP-адрес содержит полную информацию необходимую для идентификации узла в сети. При сеансовом подключении к сети Интернет IP-адрес выделяется компьютеру… IP-адрес состоит из четырех чисел от 0 до 255 в десятичной системе счисления, разделенных точками. IP-адрес имеет…Службы сети Интернет
Обычно сеть Интернет ассоциируется с ее основной службой WWW. Однако служба WWW – лишь один из сервисов доступных пользователям в сети Интернет. Службы сети Интернет представляют собой различные способы доставки разнообразной по форме информации ее потребителям.
Рассмотрим подробнее наиболее популярные службы сети Интернет: электронную почту, WWW и передачу файлов по протоколу FTP.
Электронная почта
В отличие от телефонного звонка, электронное письмо может быть прочитано в удобное время для получателя время. Электронная почта доступна, и можно… Для получения адреса электронной почты необходимо выполнить два этапа.… Адрес электронной почты имеет формат:Служба WWW
Гипертекст – это текст, отформатированный особым образом. Гипертекст содержит ссылки на графические изображения и другие гипертекстовые документы,… Так как гипертекстовые документы ссылаются не только на текст, но и на… В основе Всемирной сети, как и электронной почты, лежит клиент-серверная архитектура. Для работы во Всемирной сети…Служба передачи файлов
По протоколу FTP обычно передаются следующие файлы: - программное обеспечение; - документы большого объема;Глава 8. Лекция 8
Базы данных и СУБД
База данных – совокупность связанных данных, организованным по определенному правилам, предусматривающим общие принципы описания, хранения и… Система управления базами данных (СУБД) – приложение, обеспечивающее создание,… Система баз данных – совокупность одной или нескольких баз данных и комплекса информационных, программных и…Свойства базы данных
Независимость данных от программ. Структура данных должна быть независима от программ, использующих эти данные, так чтобы данные можно было… Целостность данных. В общем случае целостность данных означает корректность… Целостность транзакций. Транзакцией можно назвать банковскую операцию (перевод денег). В БД под транзакцией понимают…СУБД
К основным функциям СУБД относятся:
- непосредственность управления данными во внешней и оперативной памяти;
- поддержание целостности данных и управление транзакциями;
- обеспечение безопасности данных;
- обеспечение параллельного доступа к данным нескольких пользователей.
Состав СУБД:
- ядро, которое отвечает за управление данными во внешней и оперативной
памяти;
- процессор языка базы данных, обеспечивающий оптимизацию запросов и
создания машинно-независимого внутреннего кода;
- подсистему поддержки времени исполнения, которая интерпретирует
программы манипуляции данными, создающие пользовательский интерфейс;
- сервисные программы (внешние утилиты), обеспечивающие дополнительные
возможности по обслуживанию информационной системы.
По технологии решения задач, решаемых СУБД, БД подразделяют на два вида:
- централизованная БД хранится целиком на ВЗУ одной вычислительной системы; если система входит в состав сети, то возможен доступ к этой БД других систем;
- распределенная БД состоит из нескольких, иногда пересекающихся или дублирующих друг друга БД, хранящихся на ВЗУ разных узлов сети.
СУБД предоставляет доступ к данным БД двумя способами:
- локальный доступ предполагает, что СУБД обрабатывает БД, которая хранится на ВЗУ той же ЭВМ;
- удаленный доступ – это обращение к БД, которая хранится на одном из узлов сети; удаленный доступ может быть выполнен по технологии файл-сервер или клиент-сервер.
Технология файл-сервер предполагает выделение одной из вычислительных систем, называемой сервером, для хранения БД. Все остальные компьютеры сети (клиенты) исполняют роль рабочих станций, которые копируют требуемую часть централизованной БД в свою память, где и происходит обработка.
Технология клиент-сервер предполагает, что сервер, выделенный для хранения централизованной БД, дополнительно производит обработку запросов клиентских рабочих станций. Клиент посылает запрос серверу. Сервер пересылает клиенту данные, являющиеся результатом поиска в БД по ее запросу.
Реляционная модель данных
Дореляционные Инвертированные списки (файлы) ИерархическиеНормализация отношений
Выделяют несколько нормальных форм отношений. Рассмотрим первые три из них (чаще всего при разработке базы данных этого бывает достаточно). Первая нормальная форма. Отношение называется нормализованным или приведенным… КНИГА = (АВТОР, НАЗВАНИЕ, ВЫХОДНЫЕ ДАННЫЕ)Типы связей
- один-к-одному (1:1); - один-ко-многим (1:M); - многие-ко-многим (M:M).Операции над отношениями
Основным компонентом реляционной модели является реляционная алгебра, которая состоит из восьми операторов, составляющих две группы по четыре оператора:
1) Традиционные операции над множествами: объединение (UNION), пересечение (INTERSECT), разность (MINUS) и декартово произведение (TIMES). Все операции модифицированы, с учетом того, что их операндами являются отношения, а не произвольные множества.
2) Специальные реляционные операции: ограничение (WHERE) , проекция (PROJECT), соединение (JOIN) и деление (DIVIDE BY).
Результат выполнения любой операции реляционной алгебры над отношениями также является отношением. Эта особенность называется свойством реляционной замкнутости.